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经 验 交 流 污泥农用中的资源利用价值分析 ＊ 曹秀芹 谭晶晶 北京建筑工程学院环境与能源工程学院市政工程系, 北京 100044 摘要 以奥地利的基本情况为主, 对污泥中的有效成分有机物、氮、磷等进行量化分析和总结, 同时对污泥农用的经济 效益及生态安全性的保障进行了分析和探讨。 在此基础上, 结合我国目前污泥处理处置现状, 对相关问题进行了分 析, 以期为我国污泥处理处置提供借鉴作用, 实现污泥可持续的发展与利用。 关键词 污泥农用 资源利用 经济效益 生态安全 ＊建设部科技发展项目 MOC06 -k4 -28 ; 北京市优秀人才资助项目 20071C0501700234 ; 北京市留学人员资助项目 BOP-060515009073 ; 北京市创新团队项目 BJE10016200611 。 0 引言 污泥妥善处理处置是污水处理最终实施的保障, 也是污水处理厂真正实现清洁生产的根本保障。污 泥处理处置问题不仅是全球面临的亟待解决问题 ,也 是我国日益凸现的主要环保问题之一 。剩余污泥的 处理处置费用非常昂贵, 国内外的污水厂运行实践表 明污泥处理处置的费用占到污水处理厂建设和运行 费用的 40～ 60, 甚至高达 70。污泥常见处置 方式如填埋 、 焚烧、干化、堆肥等存在不同问题 ,成本 不一 。为降低污泥处理处置的费用 ,以合理的价格为 污泥找到一条可靠的处置途径 。在众多处置方法中, 污泥农用不失为一种经济而实用的方法 [ 1] ,可实现污 泥的稳定化、 无害化 、 资源化, 也在国内外获得广泛的 应用 。 1 污泥农用中存在问题分析 污泥富含很多营养物质, 但污水生化处理过程所 产生的污泥中也存在大量病毒、细菌和寄生虫及铜、 镉等有毒重金属物质 。这些物质在污泥农用过程中 会对土壤造成污染 ; 如果污泥处置不当 , 这些物质进 入人类的食物链必然导致疾病的传播 [ 2] 。长期以来, 这也是造成污泥农用安全性成为争论热点的主要原 因。然而, 随着现代社会的发展, 这些进入污水的污 染物来源于我们日常生活的营养物 、 医药 、 家庭洗涤 用品等的排放, 以及一些面源污染, 如建筑材料和道 路侵蚀 、 车辆尾气排放等 ,乃至工业废水的不达标排 放等带来的污染物 [ 3] 。况且就现代社会的农业生产 而言 ,尤其在发展中国家即使是“最环保的农艺”也无 法避免化学物质的污染 , 如杀虫剂 、除草剂 、化学肥 料、 消毒剂等。在污泥处理处置方面我国应及时借鉴 发达国家环保经验 ,尽可能减少弯路, 以使我国污水 处理事业能更安全、可持续地发展。 妥善处理后的污泥可以作农用 、 填埋及建筑材料 等。在奥地利等国, 很多废弃物管理公司争相与污水 处理厂签订合约处理污泥 。他们将污泥堆肥 ,用于景 观美化; 或将污泥焚烧制成建筑材料等。但在利用过 程中, 严格的质量控制和风险管理是非常必要的, 尤 其是农用过程中 ,如何确保环境安全并实现消费者的 权益保障是首要考虑的问题。这些环保公司投资者 希望和污水厂、农民三方在最终污泥产品的生产和利 用上有良好的互动关系以实现其经济效益和生态效 益。要做到这点 ,源头控制是必然的 、 最有效的,也是 解决所有环境问题的最根本措施。在过去的 30 年 中,奥地利通过对重金属和工业废水的源头控制, 污 泥中重金属如汞 、 镉和铅等的浓度已显著的下降, 使 污泥农用的可行性大大改善。 当然, 除在技术上确保污泥农用的安全性外, 污 泥农用的风险保障及对策也在探索之中 。如德国在 这方面进行了有益的尝试, 为了加强污泥农用, 投资 者或企业家为污泥农用所造成的不明原因的风险进 行赔偿,并建立保障基金 [ 3] 。 在我国 ,近年污泥处置的主要方法以农用和填埋 为主 ,农用带来的潜在风险不可回避 。本文着重以奥 地利基本情况为例, 通过污泥中的具体指标的定量分 析来评价与农用有关的污泥处置方法所带来的经济 效益和生态效益 。 2 污泥中主要成分的含量及利用价值分析 目前, 奥地利约有 800 万人口和 400 万 hm 2 农业 84 环 境 工 程 2008年 6 月第26 卷第3 期 用地, 人均农业用地为0. 5 hm 2[ 3] ,奥地利的农产品可 基本满足国民需要 。对于农业生产和污水处理厂运 行来说 ,一年包括四个季节 ,所收集数据更具有代表 性,因此, 本文中分析数据所采用的参考时间为 1 年。 同时为便于不同区域和不同时间范围内的分析数据 具有可比性,文中以人口 、 农业用地等为设计参数 ,农 业用地以公顷为单位, 污泥农用量、化肥用量和农作 物产量即建立在单位耕地面积的基础上 。 2. 1 污泥中的有机物含量分析 干污泥中 50～ 60是有机物, 也是污泥中最 具利用价值的部分 。土壤良好结构的维持需要有机 物,所需有机物的量依赖于当地气候条件及所耕种农 作物。如表 1 所示 ,根据奥地利的气候及耕地情况, 每年每公顷土地需要2 t有机干物质 。 表 1 污泥中有机物质分析 产生干污泥 DS 的量 kg人- 1a-1 土壤所需的 有机物量 kghm- 2a - 1 有机干污泥所 提供的有机物质 的量 kgkm- 2a - 1 有机干污泥 满足农用 的潜力 202 000402 从表 1 可以看出 ,有机干污泥满足农用的潜力约 为2。但是在奥地利污水处理只包括 90的人口 所排出的污水 , 而且所产生的污泥中约 15经稳定 化处理后填埋, 约 37焚烧处理, 同时部分污泥在农 用前经过堆肥。因而污泥中的有机物实际仅能满足 土地需求的1 [ 3] 。 在我国土地利用一直是占有主导地位的污泥处 置方式,起步也较早 ,如 1961 年北京高碑店污水处理 厂的污泥即被附近的农民施用于土地。近年来,随着 污水处理事业的飞速发展 ,截至 2004 年底 ,全国污泥 泥饼年产量已达1 200多万 t ,污泥农用的规模也逐步 扩大 。但是,我国还有待建立更为完善的污泥农用技 术规范以及针对我国污泥成分的定量统计及分析。 从我国污泥农用的现状看 ,大多数施用者对污泥的施 用方法,还存在盲目性和任意性 [ 4] 。 2. 2 污泥中氮元素分析 氮是农用肥料中的重要成分 ,在奥地利 ,市场上 每生产1 kg氮肥需要10 kWh的能量 。剩余污泥中包 含的氮元素不到进水负荷的 40, 而经过稳定化处 理脱水后的污泥中包含的氮元素不到进水负荷的 20,这部分稳定化后的污泥中含氮量约占奥地利年 用氮肥量的 7 见表 2 。因此 , 如果目标在于氮元 素的循环利用, 以污水处理中产生的污泥形式利用氮 元素 ,不如直接从源头的尿液分离中进行氮元素的回 收利用更有价值 [ 5] 。 表 2 污泥中氮元素的比较分析 一般污水 中的平均 氮负荷 kg人- 1a - 1 污水处理 厂中氮去 除率的 比例 地表径流 所流失 的氮 ta- 1 化学肥料 氮的消 耗量 ta- 1 稳定化污 泥的平均 氮负荷 ta- 1 稳定化污泥 氮肥占化学 肥料的比 例 67090 000120 0008 0007 如表 2 所示 ,奥地利地表径流所流失的氮每年为 90 000 t [ 6] ,约占每年化学肥料提供的氮的消费量 75。因此,农肥施用中氮元素的流失比污水处理系 统中氮元素的回收量要大得多 。因此,这也从一个侧 面说明 ,对目前困扰我国也是深具普遍性的国际问 题 水体富营养化的根本解决,必须充分重视和首 先解决面源污染的问题。 2. 3 污泥中磷元素分析 和氮元素比较 ,磷是有限的资源 , 随着世界人口 的增加 ,所需的食物越来越多, 磷肥是不可缺少的且 是不可替代的, 需要对磷资源进行合理利用与管理。 全球目前正面临着磷矿产资源的日益匮乏,以目前的 开采速度 , 富磷矿将在 100 年之内消耗殆尽 [ 7] ; 中国 磷矿产资源将在不到 70 年的时间内耗竭 [ 8] 。100 年 之后, 人类将不得不开采贫磷矿, 由此将增加磷提取 工艺的复杂性及提纯成本 。因此,污水厂对磷的去除 不仅是为了防止水体富营养化 ,也是为了达到磷回收 的目的。但所有从污水中回收“清洁”磷的尝试至今 尚在探讨经济有效的方法 [ 9] 。污泥农用是实现磷循 环利用的一种有效途径。当然 ,污水处理厂污泥中磷 的应用价值与污水处理工艺紧密相关,而且是污泥农 用中必须考虑的首要问题之一 。 奥地利一直大力推广使用无磷清洁剂且污水处 理厂 出水 中 磷的 含 量 控制 标 准很 严 格 0. 5 ～ 1 mg/L 。奥地利在欧盟国家是全面实施排放标准中 关于除磷要求的典范 。 如表 3 所示 ,稳定化污泥中磷含量约占化学肥料 磷肥用量的 40。当然, 这种磷资源的利用潜力和 奥地利对磷资源实施有效管理有很大的关系。为了 满足 土 壤 中 对 磷 元 素 10 kg hm 2a , 即 P 2O5 23 kg hm 2a 的需求,研究人员建议奥地利每年每公 顷土地使用约1 t干污泥 [ 3] 。污泥中的磷元素全部农 用,所需的土地面积为农业用地的 10。同时由表 3 可以看出, 稳定化污泥中的磷含量 奥地利污水中磷 85 环 境 工 程 2008年 6 月第26 卷第3 期 负荷的 85转化入污泥中 跟经由地表径流流失的 磷的数量几乎是相当的。因此 ,从污水中回收磷是实 现磷资源可持续利用的重要途径, 同时污水中磷的有 效去除也是解决水体富营养化的决定性因素之一 。 表 3 污泥中磷元素的比较分析 一般污水 中的平均 磷负荷 kg人- 1 a - 1 地表径流 所流失 的磷 ta - 1 化学肥 料的消 耗量 ta - 1 稳定化污 泥的平均 磷负荷 ta- 1 稳定化污 泥磷肥占 化学肥料 的比例 污泥长期 农用的量 thm- 2a- 1 1 . 17 00018 0007 200401 此外, 从便于磷循环的角度而言, 采用焚烧这一 污泥处置方法在彻底分解污泥中污染物的同时更有 利于实现磷的回收利用 。这样既解决污泥运输和储 存问题 ,充分利用污泥中的磷元素, 同时彻底消除了 污染物对土壤的影响 。但若将污泥综合应用作建筑 材料等则制约了磷循环的经济和生态可行性 。当然, 由于污泥焚烧的高运行费用限制其在发展中国家的 广泛应用 ,无疑将浓缩或脱水的污泥直接农用是磷循 环最经济可行的做法 。 我国 城镇 污 水 处 理 厂 污 染 物 排 放 标 准 GB18918- 2002 中对磷的一级标准为 0. 5 ～ 1 mg/L 。 而一般污水处理厂进水的磷负荷为 8 ～ 10mg L , 磷的 去除率要到 90 以上。而在城镇污水生物除磷的工艺 中,磷的去除是以高磷污泥的排放来实现的,所以我国 城镇污水处理厂达标排放的污泥中磷含量是很高的 , 如果直接农用必将产生显著的经济和生态效益。 3 污泥中能量及经济效益分析 3. 1 污泥运输的情况分析 污泥的运输负荷主要取决于污泥处理工艺和污 泥中含 水率。依 据污泥处理工艺和污泥含水率 2～ 96 的不同, 奥地利的污泥量为每人每年 10～ 500 kg不等 [ 3] 。污泥运输的距离和负荷决定其运 行费用以及能耗情况 ,这也是用于比较不同的污泥处 置方案的重要考察因素之一。我国城镇污水处理厂 的污泥在外排前 ,一般均经过脱水处理 , 尽管脱水后 污泥的含水率 80, 但其运输费用仍是相当可 观的 。 3. 2 污泥所蕴含的能量分析 污水中的 COD 蕴含大量的化学能 14 kJ/g , 这 部分有机能源的回收与利用对我国目前大力提倡循 环经济以及所面临的全球性能源危机现状而言有着 重要的现实意义。污水经生物处理后约一半以上的 有机物转化为生物污泥, 尤其是营养物去除工艺中磷 的去除以形成的高磷污泥排放 。因此, 污水中 COD 所蕴含的能量转移至污泥中, 而污泥中潜在能源的常 见利用途径主要有两种 第一种是对分离的污泥直接 焚烧进行发电, 这种方法需有复杂的焚烧 、 发电设备, 所以实际应用并不多; 第二种是将污泥厌氧消化, 将 COD转化为能源物质 甲烷后发电利用, 这种能 源利用形式运行成本低, 所需设备较为简单, 因此 ,多 年来在工程上获得广泛应用。表 4 所反应的是奥地 利污水和稳定化后的污泥中所蕴含的能量。当然 ,从 能量回收的角度 ,将浓缩后的污泥直接厌氧消化是最 适宜的能源转化途径 。 表 4 污水污泥中的能量分析 污水中所蕴含的能量 kWh人- 1a - 1 稳定化污泥中所蕴 含的能量 kWh人- 1a - 1 29273 3. 3 污泥农用的经济效益分析 污泥农用的经济利用价值最初主要着眼于污泥 中的营养元素氮和磷作为农肥主要成分来代替化学 肥料的使用价值 ,而其中有机物质及其蕴含的能量和 其它成分并未给予充分的重视和评估 。污泥农用所 需费用主要包括运输 、 污泥分配到农田以及整个管理 工作所需的支出。通常农业生产中所能取得的利润 与施入的化学肥料密切相关 , 若将污泥代替化学肥 料,将直接节省农业成本, 体现其经济效益 。以奥地 利为例,肥料的价格以氮 、 磷元素折合,约0. 7 欧元/kg 和约 2. 3 欧元/kg 。综上所述, 污泥中所含的营养物 质 氮和磷等 的经济价值约为2. 8 欧元/ 人a 。 奥 地利农业年收入约 60亿欧元 ,即750 欧元/ 人a 。 因 此,若全部污泥代替部分化学肥料可节省农业收入的 4‰ [ 3] 。但是目前奥地利的污泥农用实际上只应用了 不到 20 的剩余污泥 。 4 污泥的生态安全性分析 污泥作为一种有价值的生物资源,对其进行科学 合理的土地利用 ,可减少其负面效应, 使其重新进入 自然环境的物质 、 能量循环中 。但在污泥处理处置中 如何保证其生态安全性是至关重要的问题 。在奥地 利,污泥处置方法的安全性保障主要通过以下原则来 体现 [ 3] 1 没有有害物质 如重金属 、 病原菌和其他微污 染物等 在土壤 、 农作物及其产品中积累 。 2 对土壤的生物群落和农作物没有明显的副 86 环 境 工 程 2008年 6 月第26 卷第3 期 作用 。 3 不影响地下水质。 基于上述原则, 污泥处理处置最可靠最彻底的方 法是将污泥焚烧 ,再将焚烧后的灰分利用。但是污泥 焚烧的高投入和运行费用限制了其发展 。因此,土地 利用迄今为止仍被认为是最有发展潜力的处置方式。 这种处置方式可把污泥应用于农田 、 果园、 林地、 市政 绿化及被严重破坏的土地修复与重建等 。我国土壤 研究专家万洪富指出 [ 4] ,污泥农用从资源循环利用的 角度来看, 其出发点是好的 ,但如果不加区分就大量 使用 ,其造成的后果就会很严重。因为不同的污泥性 质和成分差异很大 ,而且污泥施用对象不同 ,其土壤 条件对污泥污染物具有不同的环境容量 ,不同的植物 种类对污泥的适宜施用量也不同, 因此应根据土地的 承受能力 、 植物的敏感程度、 食物链风险 、 作物种类对 肥量的需求不同等因素综合考虑, 科学地确定污泥施 用的土壤类型、季节和数量 ,以使污泥农用的生态风 险降至最小,而使经济效益最大化 。 5 结论 寻求污泥经济安全的处理处置方法 ,合理利用污 泥中的资源,并保障污泥利用的生态安全性是污水处 理中众多亟待解决的问题之一 。就污泥农用而言 ,加 强源头的污染控制且遵循有效可靠的污泥处置原则 和标准,才能使污泥农用的风险降至最低。各国应结 合实际情况 ,从污水产生的源头、处理工艺以及土壤 环境容量和农作物的特点等对污泥中可利用资源的 含量进行系统性地量化分析, 综合经济和生态效益的 诸多因素 ,对污泥农用或其它处置方法进行有效的管 理,并尽快完善污泥综合利用的标准和配套政策。比 较而言,目前我国对污泥处理处置的关注更多停留在 技术层面, 污泥处理处置的管理体制 、 责任划分、 相关 政策 、 公众参与等尚有待完善和促进 。 参考文献 [ 1] Kroiss H. 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Tech. , 2004, 49 10 191 -208 作者通信处 曹秀芹 100044 北京市西城区展览馆路 1号 北京建 筑工程学院环能学院市政工程系 E -mail caoxiuqinbucea . edu. cn 2007- 09-26 收稿 上接第 74页 2 根据试验结果, 控制水解酸化池 即进水 的 COD 有 机 负 荷 在 0. 36 ～ 0. 49 kg m 3d , 温 度 42 2 ℃,曝气生物滤池的 COD 有机负荷在 0. 25～ 0. 44 kg m 3d ,温度 452 ℃, 停留时间 10 h 时处 理系统可获得较高的处理效率, 处理出水清澈透明, 水质稳定 ,出水 COD≤60 mg L ,油≤5 mg L ,可充分满 足现场处理要求 。 3 微生物相可以起到指示生物的作用 ,由此可 以检查 、 判断生物膜反应器的运转情况和污水处理 效果 。 参考文献 [ 1] 邓波, 祝威.生化法处理高温高盐油田采出水. 中国给水排水, 2003, 19 4 76 -78 [ 2] 邹启贤, 陆正禹. 油田废水处理综述. 工业水处理, 2001, 21 8 30 -31 [ 3] 高明霞, 张劲. 油田采出水达标外排处理技术. 国外油田工程, 2005, 21 1 39 -42 作者通信处 姜海洋 101102 北京市通州区马驹桥北京桑德环保 集团研发中心 电话 010 60504462 E -mail jianghaiyang-upc126. com 2007- 11-07 收稿 87 环 境 工 程 2008年 6 月第26 卷第3 期 ENVIRONMENTAL COMPREHENSIVE TREATMENTLiu Jiping 82 Abstract This article introduced the specific practices that Chengdu City has carried out in its long -term water environment control works and analyzed the general features and existing major problems in this field.It further gives the suggestions on deepening the water environment comprehensive treatment task. Keywords water environment comprehensive treatment practice countermeasure ANALYSIS OF RESOURCE UTILIZATION IN THE USE OF SLUDGE FOR AGRICULTURE Cao Xiuqin Tan Jingjing 84 Abstract The valuable ingredients of sludge, such as organics, nitrogen and phosphorus etc inAustria was quantitatively analyzed, and the economical benefit and ecological safety in the use of sludge in agriculture were also discussed. Considering the actuality of sludge treatment and disposal in China, the correlative issues were discussed along with the above analysis, in order to use for reference to achieve the sustainable development and utilization of sludge in our country. Keywords use of sludge in agriculture resource utilization economic benefit ecological safety INDUSTRIAL EXPERIMENTS ON BIOTREATMENT OF THE OILY SLUDGE IN SHENGLI OILFIELDSun Zhenggui 88 Abstract Biodegradation technology of petroleum was used to treat the oily sludge in Binyi Oil-Containing Sewage Disposal Station, Shengli oilfield. Two different treatments, i. e. adding extraneous microorganisms and biostimulating the degradation activity of indigenous organisms, were made to treat the oil sludge in a 2 400 m2prepared bed.The initial content of oil in sludge is 126 g kg. The content of total petroleum hydrocarbon, the amount of different kinds of microorganisms and the physical and chemical properties of oily sludge were measured in the 230 d treatment course. The results indicates that adding extraneous oil -degradation microorganisms or biostimulating is an effective to decrease the oil content of sludge, improve the physical and chemical properties and reduce the biotoxicity of oily sludge. Keywords oily sludge biotreatment extraneousmicroorganisms indigenous organisms RESEARCH ON PREPARATION OF LOW -CLINKER CEMENTITIOUS MATERIAL VIA HEAT TREATMENT OF RED MUD AND FLY ASHDong Lumin Ni Wen Zheng Yongchao et al 92 Abstract According to the composition of red mud and fly ash, a low-clinker cementitious material has been made in our experiment via heat treatment of their mixture. The strength influencing factors and the hydration capability of the low-clinker cementitious material have been studied. The results are as follows The choice of mixture ratio is 47. 5 of red mud, 47. 5 of fly ash, 5of gypsum, which then is calcined at 700℃for 5 hours. The high -strength cementitious material can be made by adding 70 of the calcined material, 30 of cement clinker, 0. 5 of water reducing agent. The flexural and strengths compressive of 28 d are 7. 8MPa. and 45. 2 MPa respectively. Keywords redmud fly ash heat treatment strength THE DESIGN AND EXPERIMENT ON A NEW TYPE NATURAL VENTILATION WINDOW WITH HIGH SOUND INSULATIONYu Wuzhou Wang Zuomin 96 Abstract A new type natural ventilation window with high sound insulation using double -layer transparent micro -perforated panels is put forward to abate the effect of traffic noise. The design and theoretical calculation of the window are introduced in detail as well as experiment results in laboratory and in-situ.It is shown that the new type window has high sound insulation with sound insulation index of 28 dB and noise reduction of 31 dB in situ, as well aswith satisfactory ventilation to meet indoor air quality requirement. Keywords micro -perforated panel natural ventilation sound insulationwindow A FEASIBILITY STUDY ON NOISE CONTROL FOR NORTH FACTORY AREA OF TANGSHAN STEEL COMPANYWang Xiaopeng Wang Yupeng Li Shende et al 100 Abstract It was investigated that all the sound sourcesin a factory area. Itwas also selected the sound sourceswhichwouldprobably affect borderline of the yardfactory area on the basisof primary calculation. The acousticalmodelswere made by simplifying these noisy instruments. The radiation of sound of these instruments for the sensitive points on borderline of the factory area was calculated by programme.Estimated the correcteness and integrity of the calculationwere judgedby contrasting the calculationwith actualmeasurement. After they were affirmed, made the noise control scheme was made and calculationswere also done to see if the goalwould be reached. Keywords noise control sound source sensitive points of noise on borderline of factory Manager China Iron and Steel Association SponsorCentral Research Institute of Building and Construction of MCC Group PublisherIndustrial Construction Magazine Agency EditorThe Editorial Department of Environmental Engineering 33,Xitucheng Road,Haidian District, Beijing 100088, China Telephone 01082227638 82227678 Chief EditorBai Yun Vice Chief EditorShen Guiqiu Domestic All Local Posts DistributorChina International Book Trading Corporation P . O . Box 399, Beijing China China Standard Serial Numbering ISSN1000-8942 CN 11-2097 X E -mailhjgcpublic . yj. cn. net hjgctg 163. com http www. hjgc . com. cn http www. hjgc . net . cn 6 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 26, No. 3, June ,2008