多源污泥泥質(zhì)特性處理技術(shù)

多源污泥是廣義的城市污泥，是城市建設(shè)發(fā)展過程中產(chǎn)生的固體廢棄物，是長(zhǎng)江大保護(hù)治理的重要組成部分，包括污水污泥、通溝污泥、河湖底泥、工程泥漿等，其特點(diǎn)是組分復(fù)雜、產(chǎn)量巨大、含水率高。污水污泥是污水處理后的產(chǎn)物，其年產(chǎn)生量超過7000×104t；通溝污泥是指排水管網(wǎng)養(yǎng)護(hù)過程中清掏出來(lái)的沉積物；河湖底泥是江河、湖泊、水庫(kù)等水體底部長(zhǎng)期積存的沉積物。開展長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶典型城市多源污泥泥質(zhì)特性研究，構(gòu)建多源泥質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，可為多源污泥協(xié)同處理處置規(guī)劃、設(shè)計(jì)提供重要參考。

1、材料與方法

1.1 樣品采集

污水污泥取自長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶典型城市23座生活污水處理廠，共采集109個(gè)污泥樣品；通溝污泥取自主城區(qū)排水管網(wǎng)系統(tǒng)或通溝污泥處理貯存點(diǎn)，共采集69個(gè)通溝污泥樣品；河湖底泥來(lái)源于當(dāng)?shù)匚廴据^為嚴(yán)重的河道或湖泊，共有38個(gè)河湖底泥樣品，污泥樣品密封保存寄回實(shí)驗(yàn)室后，于4℃下保存待測(cè)。

1.2 測(cè)試方法

有機(jī)質(zhì)參考《城市污水處理廠污泥檢驗(yàn)方法》（CJ/T221―2005）中的重量法測(cè)定；重金屬采用微波高壓消解/電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測(cè)定；熱值參考《煤的熱值測(cè)定方法》（GB/T213―2008），采用快速量熱儀進(jìn)行測(cè)定，即污泥彈筒熱值，高位熱值就是將污泥中氣態(tài)水換算成液態(tài)水熱值，通過公式換算分別可得空氣干燥基高位發(fā)熱量（kJ/kg）和空氣干燥基低位發(fā)熱量（kJ/kg）。

磷、鉀元素采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測(cè)定，總氮采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測(cè)定。取0.01g樣品，加入100mL無(wú)氨水、50mL堿性過硫酸鉀溶液混勻進(jìn)行加熱消解。在紫外分光光度計(jì)上，以無(wú)氨水做參比，在220nm與275nm處測(cè)定吸光度，計(jì)算總氮濃度，然后換算成養(yǎng)分含量，以%計(jì)。

污泥中砂含量參照德國(guó)DWA標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定，將污泥樣品在105℃烘干，600℃灼燒，剩余殘?jiān)?/span>32%的鹽酸浸泡，快速濾紙過濾，同時(shí)用32%的鹽酸反復(fù)淋洗濾渣，直至濾液顏色基本不變?yōu)橹埂?/span>

采用氣相色譜儀串聯(lián)三重四極桿質(zhì)譜儀測(cè)試樣品的PAHs含量，預(yù)處理方式：取0.1g凍干研磨后樣品，加入10mL由正己烷和丙酮混合組成的提取液，密閉反應(yīng)管，并在60℃條件下超聲提取30min，分離上清液，并在固相中加入提取液重復(fù)提取2次。收集合并上清液，在常溫下氮吹濃縮，最終用正己烷定容至1mL，隨后加入10μL內(nèi)標(biāo)溶液作為待測(cè)樣品。

2、結(jié)果與分析

2.1 多源污泥基礎(chǔ)特性

多源污泥中的有機(jī)質(zhì)含量見圖1。污水污泥有機(jī)質(zhì)含量大多在30%~50%波動(dòng)，平均值僅為40%，遠(yuǎn)低于歐洲國(guó)家60%~70%的水平，這主要是由于污水處理廠進(jìn)水COD濃度較低所致。通溝污泥成分復(fù)雜，有機(jī)質(zhì)含量變化較大，范圍為5%~90%，推測(cè)與周邊產(chǎn)業(yè)和作業(yè)方式有關(guān)。河湖底泥有機(jī)質(zhì)含量普遍較低，在5%~15%左右，較低的有機(jī)質(zhì)含量決定了其不適合焚燒，長(zhǎng)江沿線河湖眾多，水體流速緩慢，水體污染物易沉積在河湖底泥中。

污水污泥樣品來(lái)自不同的污水處理廠，同一污水處理廠也多次采樣，其含砂量見表1。脫水污泥含砂量在20%~40%，變化范圍較大，九江、蕪湖、六安、鎮(zhèn)江4座城市污水污泥含砂量的平均值分別為26.36%、33.44%、34.20%、31.07%。污泥中砂粒如不能有效去除，不僅會(huì)加劇設(shè)備磨損，堵塞排泥管道，而且會(huì)導(dǎo)致污泥中有機(jī)質(zhì)含量低，影響厭氧消化效率。進(jìn)水水質(zhì)、污水處理工藝對(duì)污泥泥質(zhì)具有顯著影響，進(jìn)水中砂粒粒徑小于沉砂池設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定值，大部分砂粒無(wú)法通過沉砂池有效去除，污水處理廠平均除砂率低于15%，導(dǎo)致了污泥含砂量高、有機(jī)質(zhì)含量低。調(diào)研的污水處理廠有機(jī)負(fù)荷約為0.05kgBOD5（/kgMLSS?d），接近《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中延時(shí)曝氣氧化溝工藝的有機(jī)負(fù)荷，即0.03~0.08kgBOD5（/kgMLSS?d），部分活性污泥在池內(nèi)進(jìn)行內(nèi)源呼吸，剩余污泥量較少，有機(jī)質(zhì)含量較低。

通溝污泥含砂量較高，且變化幅度較大，易造成管網(wǎng)淤塞，應(yīng)定期清淤。污水污泥養(yǎng)分含量約為6%~8%，其養(yǎng)分含量相對(duì)較高，高于《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質(zhì)》（CJ248―2007）規(guī)定的3%。通溝污泥養(yǎng)分含量約為2%~5%，河湖底泥養(yǎng)分含量約為1%~3%，其養(yǎng)分含量相對(duì)較低，大部分僅能達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置土地改良用泥質(zhì)》（GB/T24600―2009）標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 多源污泥熱值

污水污泥空干基熱值平均為6603kJ/kgDS，中位值為6104kJ/kgDS；通溝污泥空干基熱值平均為5418kJ/kgDS，中位值為1155kJ/kgDS；河湖底泥空干基熱值平均為731kJ/kgDS，中位值為664kJ/kgDS。典型城市多源污泥空干基熱值見圖2。污水污泥含有一定水分，這些水分在焚燒過程中將轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝⒁云瘽摕岬男问綆ё卟糠帜芰?。污水處理廠脫水污泥含水率在75%～82%之間，經(jīng)過深度脫水工藝處理后含水率一般為50%～60%，這些水分嚴(yán)重影響污泥焚燒，故污泥收到基低位熱值對(duì)污泥焚燒處理企業(yè)更有參考意義。

根據(jù)1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下水的汽化潛熱（2512kJ/kg）可以確定污泥水分蒸發(fā)帶走的能量，利用公式計(jì)算出不同含水率狀況下的污泥收到基低位熱值。針對(duì)污泥焚燒，《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置單獨(dú)焚燒用泥質(zhì)》（GB/T24602―2009）對(duì)其理化特性做出一定限制，污泥自持燃燒的低位熱值約3500kJ/kg，故濃縮脫水污泥需要干化至含水率為30%~40%后方可自持焚燒。

污泥有機(jī)質(zhì)完全焚燒至灰分釋放的熱量體現(xiàn)在污泥干基熱值上，污泥干基熱值計(jì)算如下：

Q=2.5×102×(100p-5)（1）

式中：Q為污泥干基熱值，kJ/kgDS；2.5×102、5為污泥熱值換算系數(shù)；p為污泥中有機(jī)質(zhì)含量。

根據(jù)實(shí)際測(cè)得的有機(jī)質(zhì)含量與污泥干基熱值，經(jīng)擬合可得：

Q=223p-1146（2）

污泥熱值與有機(jī)質(zhì)含量直接相關(guān)，有機(jī)質(zhì)含量越大，污泥熱值越高，反之則越低。河湖底泥中有機(jī)質(zhì)含量一般低于10%，其熱值也較低，不到1000kJ/kgDS；污水污泥的有機(jī)質(zhì)含量范圍為30%~50%，其熱值一般在5500~11000kJ/kgDS。通溝污泥的有機(jī)質(zhì)含量變化范圍較大。在實(shí)際測(cè)量過程中，由于取樣存在不確定性，會(huì)導(dǎo)致污泥熱值與有機(jī)質(zhì)的關(guān)系不會(huì)是線性一一對(duì)應(yīng)，在實(shí)際工程中，若污泥處置途徑為干化焚燒，需要密切監(jiān)測(cè)污泥中有機(jī)質(zhì)含量與含水率變化。

2.3 多源污泥中重金屬

多源污泥中重金屬可能對(duì)生態(tài)環(huán)境造成潛在危害，評(píng)估方法有內(nèi)梅羅指數(shù)法、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等。其中，內(nèi)梅羅指數(shù)（P）是一種兼顧極值或突出最大值的計(jì)權(quán)型多因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù)，分為Ⅰ～Ⅴ等5個(gè)等級(jí)，對(duì)應(yīng)的判別標(biāo)準(zhǔn)依次為P≤0.7、0.7<P≤1.0、1.0<P≤2.0、2.0<P≤3.0、P>3.0，分別代表清潔（安全）、尚清潔（警戒限）、輕度污染、中度污染、重度污染。

參考《土壤環(huán)境質(zhì)量建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB36600―2018）中第一類用地篩選值，內(nèi)梅羅指數(shù)法中Cu、As、Pb、Cd、Ni、Hg的C0取值分別為2000、20、400、20、150、8mg/kg，由于該標(biāo)準(zhǔn)中給定Cr為六價(jià)鉻，而本次調(diào)研中測(cè)得的是總鉻，此外，該標(biāo)準(zhǔn)并沒有對(duì)Zn做出限制，故評(píng)估時(shí)不考慮這2種重金屬。值得注意的是，C0的取值會(huì)極大影響評(píng)估結(jié)果，本次評(píng)估只是相對(duì)一般建設(shè)用地的泥質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)而言，若參考當(dāng)?shù)乇尘爸颠M(jìn)行評(píng)估，則會(huì)產(chǎn)生不同結(jié)果。污水污泥、通溝污泥、河湖底泥樣品分別為90、54、38個(gè)，其重金屬含量見表2。

污水污泥中Zn、Cu、As、Pb、Cd、Cr、Ni、Hg含量均值分別為515.9、130.3、15.8、26.4、0.6、146.7、42.7、0.7mg/kg，95%以上滿足《農(nóng)用污泥污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB4284―2018）A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，可以考慮農(nóng)用，部分污泥樣品的As、Cr、Zn含量較高，這與西安、北京等地結(jié)果較為一致。污水污泥的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)為0.58，處于清潔水平。通常認(rèn)為，污泥經(jīng)過厭氧或堆肥處理后，重金屬的含量會(huì)有所增加，調(diào)研過程中，4次采集某污泥厭氧處理廠干化沼渣，Zn、Cu、As、Pb、Cd、Cr、Ni、Hg含量的均值分別為484.62、87.72、20.33、24.61、0.66、87.37、26.11、0.24mg/kg，也滿足GB4284―2018的A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求。

通溝污泥上述8種重金屬含量均值分別為245.2、37.8、10.2、33.4、0.4、37.1、27.3、1.5mg/kg，滿足《土壤環(huán)境質(zhì)量建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB36600―2018）中第一類用地的篩選值，即通溝污泥可用于城市建設(shè)用地。通溝污泥的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)為0.38，處于清潔水平。

河湖底泥中上述8種重金屬濃度均值分別為212.3、42.8、9.1、28.8、0.5、50.5、20.2、1.0mg/kg，均滿足《土壤環(huán)境質(zhì)量建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB36600―2018）第一類用地的篩選值，即河湖底泥可用于城市建設(shè)用地。河湖底泥的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)為0.34，處于清潔水平。

多數(shù)重金屬的評(píng)價(jià)方法通常采用土壤背景值作為C0，得到的污泥內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)較高，為重污染或高風(fēng)險(xiǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用過程中，應(yīng)該根據(jù)污染物去向，比如土地利用、園林利用或建設(shè)用地，選擇合適的評(píng)估方法，這樣得到的結(jié)果會(huì)更為合理。

2.4 多源污泥中微量污染物

污水污泥、通溝污泥、河湖底泥的多環(huán)芳烴測(cè)試樣本分別為45、30、10個(gè)，多源污泥中多環(huán)芳烴含量見表3。河湖底泥中多環(huán)芳烴含量較低，受到的污染較輕，明顯低于通溝污泥，且低環(huán)PAHs占比大，可看成當(dāng)?shù)乇镜字?。通溝污泥的多環(huán)芳烴含量最高，可以歸結(jié)于市區(qū)汽車尾氣、餐飲廢棄物沉積到通溝污泥中，進(jìn)而進(jìn)入污水系統(tǒng)，由于污水系統(tǒng)的生化作用可以降解部分多環(huán)芳烴，導(dǎo)致污水污泥中多環(huán)芳烴濃度較低。2019年開始實(shí)施的《農(nóng)用污泥污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB4284―2018）中對(duì)污泥中的PAHs含量做出了一定限制（A級(jí)污泥產(chǎn)物<5mg/kg，B級(jí)污泥產(chǎn)物<6mg/kg），污水污泥中的PAHs濃度滿足該規(guī)定。

共測(cè)試29個(gè)污水污泥樣品，檢測(cè)了包括磺胺類、四環(huán)素、喹諾酮類在內(nèi)的13種抗生素，共有22個(gè)樣品被檢出抗生素，檢出率為75.86%，13種抗生素濃度之和平均為61μg/kg。羅紅霉素、阿奇霉素、環(huán)丙沙星、氧氟沙星是幾種常被檢出的抗生素，羅紅霉素和阿奇霉素屬于大環(huán)內(nèi)酯類抗生素，在臨床應(yīng)用上較為常見；環(huán)丙沙星和氧氟沙星屬于喹諾酮類抗生素，被廣泛應(yīng)用于畜牧、水產(chǎn)等養(yǎng)殖業(yè)。共測(cè)試8個(gè)通溝污泥樣品，有6個(gè)樣品被檢出抗生素，13種抗生素濃度之和平均為9μg/kg，通溝污泥中，阿奇霉素和氧氟沙星兩種抗生素被檢出。共測(cè)試10個(gè)河湖底泥樣品，有7個(gè)樣品被檢出抗生素，13種抗生素濃度之和平均為10μg/kg，河湖底泥中，紅霉素、羅紅霉素、阿奇霉素、氧氟沙星四種抗生素被檢出，其中阿奇霉素含量普遍高于氧氟沙星，而氧氟沙星含量略高于紅霉素，羅紅霉素含量最低。通溝污泥和河湖底泥中的抗生素含量遠(yuǎn)低于污水污泥，這說明抗生素主要來(lái)源于人類活動(dòng)。整體而言，抗生素的濃度處于μg/kg級(jí)，含量較小，風(fēng)險(xiǎn)較低。

2.5 多源污泥協(xié)同治理思路

多源污泥具有不同的產(chǎn)生特性。從來(lái)源看，污水污泥來(lái)源固定，通溝污泥、河湖底泥則來(lái)源分散；從產(chǎn)生頻率和產(chǎn)量看，污水污泥是連續(xù)穩(wěn)定產(chǎn)生的，通溝污泥間歇、少量產(chǎn)生，河湖底泥產(chǎn)生具有間歇性，產(chǎn)生量大。在各類污泥中，污水污泥產(chǎn)生量和來(lái)源較為穩(wěn)定，多源污泥協(xié)同處理應(yīng)以污水污泥為核心。

依據(jù)“分質(zhì)協(xié)同、分類利用”的總體原則，按照有機(jī)質(zhì)含量高低分類處理，3種污泥有機(jī)質(zhì)含量從高到低依次是污水污泥、通溝污泥、河湖底泥。可將污水污泥與城市其他有機(jī)固廢協(xié)同厭氧消化處理，并根據(jù)不同城市特征與需求，探索產(chǎn)物的多途徑利用方式，例如礦山生態(tài)修復(fù)、填埋場(chǎng)修復(fù)、城市園林綠化、建材利用。通溝污泥可采用預(yù)處理―多級(jí)篩分―泥水分離―固化等工藝，分離出的有機(jī)物與污水污泥協(xié)同處理，無(wú)機(jī)砂石作為道路路基材料、制作防汛沙袋或作為其他建材產(chǎn)品加工原料，泥餅可加工為工程回填土、透水磚、陶粒等。河湖底泥處理工藝與通溝污泥類似，可充分利用已有通溝污泥處理站點(diǎn)，經(jīng)脫水固化處理后，作為工程土或其他建筑工程材料。同時(shí)規(guī)劃應(yīng)急處置設(shè)施，充分利用現(xiàn)有燃煤電廠、垃圾焚燒廠、填埋場(chǎng)為多源污泥提供托底應(yīng)急處置。

3、結(jié)論

①污水污泥有機(jī)質(zhì)含量為30%~50%，含砂量高，其干基熱值一般在5500~11000kJ/kgDS，養(yǎng)分含量為6%~8%，重金屬含量較低，遠(yuǎn)低于《農(nóng)用污泥污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB4284―2018）A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，雖然經(jīng)過后續(xù)厭氧消化或好氧發(fā)酵后，重金屬含量會(huì)有所提高，但其土地利用風(fēng)險(xiǎn)依然較小。

②通溝污泥成分復(fù)雜，有機(jī)質(zhì)含量范圍約5%~90%，熱值和養(yǎng)分含量較低，僅能達(dá)到土地改良用泥質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，且不穩(wěn)定，不適宜土地利用；河湖底泥有機(jī)質(zhì)含量普遍較低，含量通常小于10%，其熱值也較低，不到1000kJ/kgDS。

③污水污泥中13種抗生素的檢出率較高，但濃度低，風(fēng)險(xiǎn)較小。污水污泥、通溝污泥、河湖底泥的16種多環(huán)芳烴之和均值為0.401、2.108、0.813mg/kg，濃度低，風(fēng)險(xiǎn)較小。

④污水污泥處理處置主流工藝技術(shù)在我國(guó)均有廣泛示范，在此基礎(chǔ)上，可按照有機(jī)-無(wú)機(jī)分類原則積極探索多源污泥協(xié)同處理路徑。（來(lái)源：上海勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)有限公司長(zhǎng)江生態(tài)環(huán)境工程研究中心，同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院）