福州市污水处理厂污泥性质和土地利用前景分析*

杨 璇 苏玉萍 王君琴 林钟员



福州市污水处理厂污泥性质和土地利用前景分析*

杨 璇 苏玉萍**王君琴 林钟员

福建师范大学环境科学与工程学院

对福州市主要的三座污水处理厂污泥泥质进行调查，分析了污泥的有机质、总氮、总磷和主要的重金属含量。并运用主成分分析方法对污泥指标进行分析评价。结果表明，污泥中重金属含量是限制其利用的关键因素，其中重金属Cu、Zn、Cd需优先考虑其风险。而污泥中营养成分含量相对较高，可利用的成分多，污泥的资源化利用有较好的前景。

污泥 土地利用 氮磷 重金属

0 引言

随着我国城市化步伐的加快，城镇人口迅速增加，产生的污水量也随之膨胀，各个城市的污水处理厂的数量也相应激增，造成城市污水处理厂污泥的大增[1]。截至2009年底,福建全省已投入运行的污水处理厂有37座,日处理污水能力为246.5万m3,年产污泥9129.6万m3。

城市污泥也称为有机污泥，是污水处理过程中产生的固体废物。污泥的特性一是数量巨大，污泥量占污水量体积的0.3%～0.5%[2]。二是污泥中含有大量的有机物和氮、磷、钾等营养元素，是良好的农用肥料，用于农田、植树造林、园林绿化、花卉栽培以及在垦荒地改造等方面有很好的前景[3]。三是由于污泥来源于各种污水，所以污泥中不可避免地含有各种有毒有害物质，如重金属、有机污染物和病原物等，同时还有较多的易分解或腐化的成分，通常会散发出难闻的气味。污泥中的有益成分和有害成分共存的特点，使污泥的处理成为复杂化的问题[4]。

我国城市污泥处理的常用方法有堆肥处理、卫生填埋、焚烧处理、水体消纳和土地利用等。而福建省由于水厂较多，在污泥处理利用方面所采取的方式也各有不同,目前多数以填埋为主。但是污泥的含水率高，会造成运输成本高、堆放面积大、挤压垃圾填埋场库容等问题，同时产生更多的渗滤液，且含多种有毒有害物质。如果未经适当处理会对环境造成新的污染。城市污泥的出路问题已成为我国城市污水处理行业健康发展的“瓶颈”，污泥的妥善处理是当务之急[5]。国外如英、美、法等国将污泥进行土地利用，并已达到60%以上，而我国污泥土地利用率不超过10%。发达国家对污泥的利用起步较早，主要包括污泥对植被生长的短期与长期的影响，以及对退化林地的修复作用等。研究表明，污泥对于改善退化森林生态系统和提高人工林生产力有显著作用，也为污泥的处置找到了理想的途径[5]。

本文对福州市主要污水处理厂的污泥进行泥质的调查，分析其土地利用的可行性，并对其土地利用的限制因素进行研究，为福州市城市污泥的资源化利用提供参考。

1 实验部分

1.1 污泥样品的采集

实验采用的污泥取自福州市三个污水处理厂，分别记为祥坂、金山、大学城。样品采集脱水机出泥口不同位置的样品，并将其混合，样品使用聚乙烯封口袋收集，封口带回实验室。

1.2 理化性质测定

污泥化学成分的常规分析基本参照《污泥资源化技术》和城市污水处理厂污泥检验方法（CJ/T221-2005）进行[6,7]，所用试剂均为分析纯，试验的每个样品设置3个平行样, 结果表达为平均值±标准偏差。

pH值:污泥样品称取5.000g，加入50mL无二氧化碳水浸泡，密封。置于往复式振荡器上，于室温振摇4h后，进行离心，取上清液用于pH值测定。

含水率：样品在105℃下烘干至恒重，通过重量法测定含水率。

污泥有机质的分析：采用马弗炉设定500±50℃下，烘烧3小时，通过重量法测定其有机质含量。

污泥总磷的分析：利用过硫酸钾氧化—钼锑抗光度法测定城市脱水污泥总磷含量[8]。采用过硫酸钾消解法，然后用分光光度计测定。

污泥碳氮的分析：污泥碳和氮含量采用元素分析仪测定。

污泥中重金属的测定[9]：采用电感耦合等离子体发射光谱仪ICP—AES法[10]，对浓HNO3和HClO4消解处理样品进行金属元素含量的测定。数据处理采用一次线性拟合绘制标准工作曲线，相关系数r2>0.9998，数据统计均采用回归法。

2 结果与讨论

2.1 用主成分分析法对污泥成分进行评价

表1是污泥中理化指标的含量，表2是污泥中重金属含量，用主成分分析法对污泥成分进行评价[11]。

表1 污泥中理化指标的含量

表2 污泥中重金属含量

在进行主成分分析之前，将所有原始变量都转换为含量值尽可能小的新变量，以便主成分分析后得到的主成分得分尽可能小。所以对含水率、有机质、TP、TN等值要进行倒数处理，得到数据矩阵()×n。

为了排除数量级和量纲不同带来的影响,首先对数据矩阵()×n进行对数化处理:

式中,为第个污水厂第个指标的原始数据。

计算出矩阵()×n均值向量为：

根据对数化后的矩阵()×n，计算它的协方差矩阵S=()×n。

计算矩阵S的特征值和特征向量u根据特征方程|-|=0计算特征根λ ,

计算贡献率e:

根据贡献率e的大小来进行判断当e≥80 %时直接用第一主成分来进行综合评价即可。计算出=0.971，对应的特征向量为:

计算主成分得分：三个污水厂在11个指标主成分上的得分：

由于指标的量纲不同，所以在主成分计算之前应先消除量纲的影响。将原始数据标准化，即:

主成分中各标准化变量前的系数即为对应特征向量，由此得到标准化样本主成分为:

第一主成分反映污泥的利用直接与重金属的含量相关（在F中系数为正的指标是风干后含水率和重金属），特别是与Cu、Zn、Cd的含量密切相关。由于重金属元素是影响污泥土地利用的重要因素之一，我国颁布实施了污泥标准及其重金属控制限值。而通过主成分分析，福州市三个污水厂的污泥样品中需优先考虑的重金属含量：Cu为78.86～221.97 mg/kg，Zn为283.64～539.34mg/kg，Cd为1.29～4.26mg/kg，均在污泥农用污染物控制标准范围之内，表明福州市这三个污水处理厂的污泥达到了土地利用的标准限值要求，它们的土地利用是可行的。杨军[13]等对城市污泥土地利用的可行性进行了分析，发现近十几年中国城市生活污泥中的重金属含量呈下降趋势，我国城市污泥重金属含量的超标率总体上并不高，降低了污泥土地利用的风险。

污泥中所含的营养成分如有机质、总氮、总磷、总碳在主成分分析中负相关，说明是可利用的营养成分，且从表1可看出，福州市污泥呈高有机质、高总氮、高总磷的特点，而碳氮比比农家肥低，则污泥的矿化速度比普通的农家肥高，用作农肥，则肥效持续时间长，并可改善土壤结构，增加土壤肥力，促进作物的生长，适用于一些贫瘠的土地。将其合理施用到农田或绿化，能够达到营养转化的目的。

F近似是11个标准化变量的等权重之和，是污泥性质的综合指标，F的值越小，则污泥的污染程度较轻。将数据代入F的表达式中，可求得各污水厂F的得分及按其得分的排序结果,如表3。表3能从整体上看出污水厂之间的差别，并且可知大学城污水厂污泥污染相对较轻，可能是由于污水厂地处郊区，人口密度少、污染物成分和有毒有害物质相对较少。

表3 污水厂污泥污染程度排序

2.2 福州市污泥土地利用前景分析

2.2.1绿化利用

近几年来，我国污泥在园林绿地上的应用得到了发展。城市污泥经过无害化处理后可以广泛用于城市绿化[14]，利用城市污泥进行草皮无土培植，比不用污泥的同类草皮生长快、铲运方便、效率高且无杂草。福州市城市污泥在园林绿化和花卉生产中作为有机肥施用[15]，既可改良土壤、促进园林绿化植物和花卉的生长，又可避开食物链，就近使用，减少运输费用。2010年城区新增绿地面积710万平方米，提高城市整体景观,建成区绿化覆盖面积8869公顷，绿化覆盖率40.3%。绿化面之广，运用污泥覆土绿化可行性高。

2.2.2矿山废弃地修复

土壤施用污泥，可大大提高土壤肥力、改善土壤的物理性质，是一种很好的土壤改良剂。莫测辉[16]等在矿山废弃地的复垦中施用污泥，结果表明，施用污泥后可迅速有效地恢复植被、提高矿山废弃地中微生物的含量，防治水土流失。福建位于中国东南沿海,矿产资源丰富,是环太平洋成矿带中主要的成矿区带之一。我省矿业近20年以来发展很快,矿山废弃地的面积大，急需对废弃的矿山进行土壤改良和生态恢复。假如能运用污泥进行复垦，不仅可以解决城市污泥的出路，还能有效地恢复生态系统，提高土壤生产能力[17]。

2.2.3林业利用

城市污泥在森林土壤中施用，一方面可促进树木生长，增加木材产量；另一方面污泥中的有害物质又不参与食物链循环，应用风险性小，不会对人类健康造成危害。目前，污泥林地利用时可以把污泥制成有机－无机复合肥料，适当添加钾肥补充污泥肥料中钾的不足，以提高肥效、降低运输成本、减少有害物的含量。一般林场、森林等地区的环境容量相对较大，园林中的植物可接受较高浓度的重金属而不易显出毒害症状，又可承纳大量的污泥[17]。福建省是我国南方重点集体林区，森林资源丰富，全省现有林地面积914.81万公顷，占土地总面积的75.3%，森林覆盖率达63.1%，居全国第一位。森林覆盖率稳步上升，将污泥利用到林地不仅可以供给树木所需要的营养物质，同时可以增加林产品的产量，进一步促进林业产业的发展，创造更多的经济价值。因此，城市污泥林地利用具有广阔的发展空间。

污泥是一种很有利用价值的潜在资源，随着中国城市污水处理技术的提高，其有机质和养分含量呈增加的趋势，其重金属平均含量相对欧美国家普遍偏低，且城市污泥重金属含量呈逐渐减低的趋势。因此，将污泥经过稳定化、无害化处理后进行土地循环利用，对于我国这样一个发展中的农业大国，污泥土地利用无疑具有极大的意义。

3 结论

3.1 研究结果表明，在污泥指标综合评价中运用主成分分析方法，福州市污泥呈高有机质、高总氮、高总磷的特点，是可利用的营养物质，并且具有较高农用价值。

3.2 污泥中重金属含量是限制其利用的关键因素，其中Cu、Zn、Cd等重金属需优先考虑其风险。福州市污泥的重金属含量较低，因此施用福州市污泥堆肥于农田、草坪和林地是相对安全可靠的，福州市林地多，绿化面广等特点可以使污泥的土地利用可行性高。但是，污泥的重金属含量并不能完全用来说明其对土地利用危害程度的大小，有待进一步深入研究。

3.3 福州市由不同污水厂产生的污泥有一定的差异，相对人口密集程度较低的污水厂产生的污泥，可利用的成分多，相对污染少，如果合理利用，可能会带来一定的经济效益。

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基金项目：福建省教育厅项目“城市污泥园林植物基质化及其肥料化研究”(JB09049)资助。

通讯作者：苏玉萍，E-mail：ypsu@fjnu.edu.cn