我国城镇污水处理厂污泥农用的发展潜力分析

崔伟莎，曹秀芹

（北京建筑大学 城市雨水系统与水环境省部共建教育部重点实验室，北京100044）

1 引言

随着社会与经济的飞速发展以及城市化进程的不断加快，由日常生活和各行各业所产生的污废水量显著增多，为了提高城镇污废水的处理效率，不得不兴建大量的污水处理厂，因此污泥产量急剧增加。而大部分污泥并没有得到妥善的处理处置，这会对城镇环境造成不可忽视的危害，所以污泥规范化的处理处置便成了污水处理厂亟待解决的问题。根据估算，2008年我国湿污泥（含水率80%）年产量为2662万t［1］。截至2011年9月底，全国城镇污水处理量达到13600万m3/d，湿污泥（含水率80%）年产量突破3480万t。其中只有约30%得到了恰当的处理处置，而其余的约70%则是随意堆放或者简单填埋。如此大量的生污泥没有得到科学处理，使之减量化、稳定化、无害化和资源化，不仅浪费了污泥中有价值的成分，还产生了新的环境污染问题［2］。因此，如何经济高效地对污泥进行处理处置，并找到适合我国国情的污泥处理处置技术，是城镇目前迫切需要解决的问题。

2 城镇污泥的处置与农用

2.1 城镇污泥的处置方式

大部分的污泥未能得到妥善的处理处置是我国城镇地区面临的主要环境问题之一。土地利用、陆地填埋、焚烧和排海是目前世界上广泛采用的4种方式［3］，其中尤以陆地填埋和焚烧应用广泛。然而，焚烧污染空气且成本高昂、有限的陆地填埋区域和日益增加的污泥量以及其他对环境有害的处置方法（如排海）的限制，都促进了污泥的土地利用，尤其是农业利用［4］。

2.2 国内外污泥农用的历史

国际上将污泥作为肥料进行农业利用已有60多年的历史。根据美国环保局的统计，2000年和2005年美国污泥处置中各种处置方式所占的比例如表1所示。从表中可以看出，除了土地利用的比例由55.5%增加到58%之外，焚烧和填埋的比例均有所下降。2005年，英国的污泥处置中，土地利用的比例高达66%［5］。从国外污泥处置方式的发展趋势可以看出，污泥的农业利用确实是合理的污泥处置途径之一。

表1 美国污泥处置方式的发展趋势 %

我国从1961年就开始了污泥的农业利用，那时北京高碑店污水处理厂周围的农民将其污泥施用于土地［5］。到了20世纪80年代初，随着天津纪庄子污水处理厂的建成投产，其附近的农民也将污泥进行了农用。根据相关资料的统计，我国污泥农用比例在2000年为44.83%。到了2006年则增加到了50%左右［1］。

然而，由于污泥中除了含有多种植物所必需的营养元素外，还存在各种有害物质，如：重金属、有机污染物、寄生虫卵和致病菌等［6］。为了避免对环境造成二次污染，在污泥进行农业利用之前必须对其进行一定的处理使之满足相应的条件。首先，应合理选择污泥处理处置工艺，使其最大程度地保有所含的营养元素；其次，污泥中的重金属含量应满足各种国家标准及行业标准；最后，必须对污泥进行严格的无害化处理，以除去寄生虫卵和致病菌等。

根据我国《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918－2002）的规定，生污泥须经高温堆腐或消化处理后才能用于农田。施用符合标准的污泥一般每年每亩用量不超过2000kg（以干污泥计）。污泥中任何一项无机化合物接近于标准时，连续在同一块土壤上施用，不得超过20年。

3 污泥成分及其相关分析

3.1 污泥中的营养成分及其对土壤理化性质的影响

我国部分污水处理厂污泥的营养成分分析如表2所示［7～11］。从表中可以看出，城镇污泥中含有大量的有机质以及丰富的氮、磷、钾等营养元素。污泥中的有机质是良好的土壤改良剂，它可以促进团粒状结构的形成，增加土壤孔隙度，改善土壤的通气性，提高土壤的持水和保水能力［12］；而污泥中的氮、磷、钾等营养元素，则是良好的农用肥料，对农作物有增产作用。

表2 我国部分污水处理厂污泥以及传统农家肥的有机质含量和养分含量 g·kg－1

与猪粪、牛粪和鸡粪三种常用农家肥相比较，除贵州省和重庆市污水处理厂有机质含量的平均值均低于三种有机肥之外，大部分污水处理厂污泥的有机质含量与牛粪和鸡粪基本相当，而略低于猪粪；除贵州省污水处理厂总氮含量的平均值高于猪粪和牛粪，而接近于鸡粪外，其他污水处理厂的总氮含量均高于三种农家肥；除洛阳市涧西区污水处理厂的总磷含量与牛粪相当，而低于猪粪和鸡粪外，其他污水处理厂的总磷含量均高于三种农家肥；除重庆市污水处理厂总钾含量的平均值高于猪粪和牛粪，而低于鸡粪外，其他污水处理厂的总钾含量均低于三种农家肥。通过对比可知，城镇污水处理厂污泥的营养成分含量较高。以一座20万t级的污水处理厂为例，它每年产生的污泥中含有硫酸铵46～232t、过磷酸钙30～150t、硫酸钾4.8～24t，有机质含量达40%～60%，相当于100～400t标准肥和大量有机肥［13］，这说明城镇污泥适合进行农业利用。

污泥的农业利用不但可以充分利用污泥中的养分，将其资源化，而且还可以降低污泥的处理成本和农业生产费用，因此，对我国这样一个发展中的农业大国而言，污泥农用无疑是最具有发展前景的一种处置方式，也是最适合我国目前国情的一种处置方式。

当今世界范围内，由于过量施用化肥破坏了土壤的良性循环，使得农耕地变得越来越贫瘠，要想改良土壤，必须大量输入有机质［14］。城镇污泥中虽含有大量有机质，但其养分含量毕竟不足以和化肥相比拟，而且钾的含量相对较低，致使污泥中的养分不平衡。因此，只有将污泥农用与化肥施用结合起来才能更好地促进我国农业的发展。

3.2 污泥中的重金属成分及其变化趋势

对于污泥中所含的各种有害物质，重金属是应该给予特殊关注的对象。这是由于重金属污染的特别之处：首先，微生物对重金属没有降解作用；其次，微生物可将一些重金属转化为毒性更大的污染物［15］。将污泥进行农用之后，污泥中的重金属一部分会通过农作物的吸收而进入食物链，给人类健康造成不利影响；另一部分则会在土壤中停留较长时间，因此，如果污泥施用时间过长或用量过大，都会导致土壤污染［6］。而城镇污泥中一般都或多或少地含有重金属，其是否可以农用的关键则是重金属含量的高低。

表3为我国部分城镇污水处理厂的污泥重金属含量［12，16～20］，根据我国污泥农用标准，pH 值＜6.5时，朱砖井污水处理厂、蚌埠市污水处理厂和黄山市污水处理厂的Pb含量超标，晋城市巴公污水处理厂的Cr含量超标，朱砖井污水处理厂的Zn含量超标；pH值≥6.5时，只有朱砖井污水处理厂的Zn含量超标。而若参照欧盟标准和美国标准，则只有蚌埠市污水处理厂的Pb含量超标，其他污水处理厂的各种重金属含量均不超标。与1994～2001年及2006年全国污泥重金属含量的平均值对比，从有限的资料可以看出，虽然个别污水处理厂的某一种或几种重金属含量可能依然很高，但是近年来，我国城镇污泥中重金属含量呈现明显的下降趋势，可见污泥中重金属的污染问题正在逐步得到缓解。

表3 我国部分城镇污水处理厂的污泥重金属含量 mg·kg－1

研究表明，重金属的生物有效性及潜在迁移性不仅与其总量有关，更大程度上由其在环境介质中的赋存形态所决定［21］。根据Tessier等提出的连续化学提取法，可将重金属分为5种形态：交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机结合态和残渣态。其中有机结合态和残渣态与污泥的结合力很强，施用于土地后其迁移性很差；而交换态很容易和土壤溶液发生交换，有很强的迁移性；碳酸盐结合态和铁锰氧化态在一定条件下也能被植物利用，有一定的迁移性［22］。因此以有机结合态和残渣态存在的重金属称为稳定态重金属；而以交换态、碳酸盐结合态和铁锰氧化物结合态存在的重金属则称为不稳定态重金属［23］。

因此，当污泥进行农用时，污泥中各种重金属的含量及其形态是必须考虑的因素。此外，还应该考虑施用污泥一段时间之后土壤中重金属的积累情况［14］。中科院南京土壤研究所的相关研究发现，将污泥连续10年施用于试验田之后，虽然明显增加了土壤中的有机质，且基本没有引起土壤酸度的变化，却明显增加了土壤中锡、锌、铜、镉、汞等的含量，造成了实验田中所种植农作物的污染，而且污染情况随污泥施用量的增加而更加严重［1］。

3.3 污泥中的病原体及其影响

人畜粪便和食物、肉类等的加工废水中，含有相当多的致病微生物与寄生虫卵，而其中大约90%以上通过污水处理被浓缩到了污泥中［24］。一旦这些污泥未经处理进入农用之后，污泥中的各种病原体就会通过各种途径进行传播，给人类健康、农业生产和生态安全造成威胁［4］。由此可见，污泥农用前的稳定化和无害化处理是绝对必不可少的。有关研究表明，污泥中的绝大多数致病微生物与寄生虫卵只需在50～60℃的温度下加热30min左右就会被杀死，而且不会造成污泥中植物性营养元素的损失。

目前常用的污泥灭菌方法有石灰消毒法、辐射处理法、加热干燥法、消化处理法（分为厌氧消化和好氧消化）、堆肥法等，从经济学的角度分析，前三种处理方法的成本较高，而后两种处理方法的成本则比较低［15］。

4 适合污泥农用的污泥处理工艺分析——堆肥工艺

根据我国《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918－2002）的规定，同时为确保污泥农用的安全性，并更好地满足污泥农用的要求，尽最大可能避免污泥直接施用破坏土壤环境、影响农作物品质，应合理选择污泥处理处置技术，以堆肥技术为例分析如下。

堆肥工艺是一种常用的有机废弃物资源化处理的手段，被广泛用于污泥、畜禽废弃物及其他农业有机废弃物的处理，可分为好氧发酵和厌氧发酵两种工艺［25］。厌氧发酵工艺由于操作比较复杂，需投入大量资金建设消化装置和配套处理设施，而且我国相关工程经验不多，因此运行难度较大，相对而言，好氧发酵的操作则比较简单，容易运行。因此，对于脱水后的城镇污泥，可以通过好氧发酵堆肥工艺来制肥。

相关研究表明［26～28］，经过好氧堆肥处理，污泥中稳定态重金属所占比例有所下降，而非稳定态重金属所占比例有所上升，污泥中重金属的生物有效性下降，而且随着堆肥时间的增长，生物有效性下降得越多。此外，堆肥过程中污泥的温度高达50℃以上，可以降低污泥中的含水率，并将污泥中所携带的病菌、虫卵和杂草种子杀死，而且堆肥时间一般都在半个月以上，可将污泥中复杂的有机态养分，转化为更容易被植物利用的可溶性养分和腐殖质，改善其物理性状［29］。

可见，堆肥法不但能有效地固化和钝化污泥中的重金属，还能在杀菌的同时优化污泥中的养分构成，实现污泥的减量化、稳定化、无害化、资源化。而且，好氧发酵的设备投资及运行能耗均比厌氧发酵低1/3，是节能高效的制肥工艺［30］。因此，堆肥工艺可以作为污泥农用前预处理的首选方法。当然，好氧发酵也有一些限制其应用的问题需要解决，如：处理能力较差、占地面积大等。

5 结语

（1）目前为止，我国尚有大量的城镇污泥没有得到科学的处理处置。由于污泥中含有大量的有机质和丰富的植物性营养元素，因此，对于我国这样一个发展中的农业大国而言，在未来的很长一段时期内，土地利用尤其是农业利用，必将是我国城镇污泥处理处置的最主要方式。

（2）要广泛推广污泥的农业利用，真正实现污泥的资源化，还需在多方面开展相应的工作。例如，虽然我国已经制定了污泥农用的相关标准和规范，但是其依然不够完善，其中有关污泥的年施用量和连续施用年限的规定应根据具体情况具体分析才更为合理，等等。

（3）应对施用污泥后的土壤进行长期的定位监测，研究污泥中各种有害物质进入土壤之后的变化情况，为污泥的安全环保施用提供科学依据。

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