（環(huán)境工程專業(yè)論文）生物瀝濾法去除城市污泥中cd、cu、zn的研究.pdf

桂林理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 我國多數(shù)城市污水廠的剩余污泥中的c u 、z n 等重金屬元素含量普遍超過農(nóng)用污 泥中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)g b4 2 8 4 8 4 的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，因此，采取有效的措施對城市污泥中高 濃度重金屬的生物毒性和含量加以控制顯得十分迫切和必要。針對這一課題，不少學(xué)者 提出一些新穎的城市污泥中重金屬剔除技術(shù)和方法，其中生物瀝濾技術(shù)被眾多學(xué)者譽為 城市污泥的綠色潔凈化技術(shù)。本文以桂林市城市污水污泥為研究對象，采用s b r 反應(yīng)器 作為生物瀝濾運行裝置，從生物瀝濾運行參數(shù)優(yōu)選、生物瀝濾過程中污泥中重金屬遷移 及各化學(xué)形態(tài)釋放特征和瀝濾后污泥潛在生態(tài)危害評價等幾個方面對工程中應(yīng)用生物瀝 濾技術(shù)這一課題進行了系統(tǒng)的研究。 1 ) 本文對桂林城市污水污泥成分進行詳細(xì)分析，得出桂林城市污泥有機質(zhì)和總養(yǎng) 分分別為4 2 6 9 k g 和9 9 1g k g ，具有較高的農(nóng)用價值。污泥中c u 、z n 、c d 含量超過我國 污泥農(nóng)用的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，是研究生物瀝濾去除的主要對象。研究采用t e s s i e r 連續(xù)提取法對 污泥中重金屬化學(xué)形態(tài)進行了分析，污泥中c u 、p b 、n i 、c r 主要以穩(wěn)定性較好的硫化 物及有機結(jié)合態(tài)( o r g a n ) 和殘渣態(tài)( r e s d ) 形式存在，z l l 和c d 以不穩(wěn)定態(tài)形式存在 為主，污泥中各重金屬的潛在生物有效性強弱為：c d z n n i p b c u c r 。 2 ) 文中采用氧化亞鐵硫桿菌為主要瀝濾微生物，以二沉池出泥( 剩余污泥) 作為瀝 濾對象進行生物瀝濾的各影響因素研究，確定了最佳運行條件為：底物投加量l o g l 、溫 度2 5 c 、曝氣強度0 4 l ( m i n l ) 、接種量為3 0 。并對氧化亞鐵硫桿菌瀝濾體系的適宜運 行周期和多批次運行的穩(wěn)定性進行了分析，表明氧化亞鐵硫桿菌瀝濾體系的最佳運行周 期為2 天，經(jīng)多批次運行檢驗，污泥的酸化和重金屬去除效果較好且運行穩(wěn)定。 3 ) 文中對瀝濾過程中污泥中重金屬的含量和化學(xué)形態(tài)進行了分析，結(jié)果表明經(jīng)過生 物瀝濾處理后，污泥中主要高濃度重金屬c u 、z n 和c d 的殘余濃度均符合農(nóng)用污泥污中 染物控制標(biāo)準(zhǔn)g b4 2 8 4 8 4 的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，瀝濾后污泥中c u , z n 和c d 均能以化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn) 定的o r g a n 態(tài)和r e s d 態(tài)形式存在，并對c u 、z n 、c d 的各化學(xué)形態(tài)在瀝濾體系中的釋放能 力進行分析研究。 4 ) 文中采用了當(dāng)前較為先進的h a k a n s o n 指數(shù)法對瀝濾前后污泥中重金屬的潛在生物 毒性進行了定性和定量的評價，結(jié)果表明氧化亞鐵硫桿菌對c u 、c d 、n i 具有較強的脫毒 作用。瀝濾前污泥中c u 、z n 、c d 、p b 、c r 、n i 的潛在生態(tài)危害性強弱為：c d c u z n n i p b c r ，瀝濾后污泥中各重金屬的潛在生物危害性強弱為：c d c u z n p b n i c r 。瀝濾后污泥中重金屬的綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)為8 4 7 5 ，屬輕微生態(tài)危害水平。 關(guān)鍵詞：城市污泥；重金屬；生物瀝濾；氧化亞鐵硫桿菌 桂林理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t t h ec o n t e n t so fc ua n dz no fs e w a g es l u d g ew e r ee x c e e dt h er e l e v a n tl i m i t so ft h e c o n t r o ls t a n d a r d sf o rp o l l u t a n t si ns l u d g e sf r o ma g r i c u l t u r a lu s e ( g b 4 2 8 4 8 4 ) i nm o s tc i t i e so f c h i n a s oi tw a sa ni m p o r t a n ta n du r g e n tm i s s i o nf o ru st ot a k ee f f e c t i v em e a s u r e st oc o n t r o l t h ec o n c e n t r a t i o na n db i o t o x i c i t yo ft h eh i 曲c o n t e n th e a v ym e t a l s m o s tr e s e a r c h e sh a v eb e e n c a r d e do u tm o s tt h ep r o b l e m ，a n dm a n yn e w t e c h n o l o g i e so nr e m o v i n gh e a v ym e t a l sf i o m m u n i c i p a ls l u d g ew e r ee x p l o i t e d a m o n gw h i c h t h eb i o l e a c h i n gw a sp r a i s e d 嬲ag r e e ns l u d g e c l e a n i n gt e c h n o l o g ya n db e c o m et h er e s e a r c hf o c u so nh e a v ym e t a lp o l l u t i o nc o n t r 0 1 t h es e w a g es l u d g ef r o mg u i l i ns e w a g et r e a t m e n tp l a n tw a st a k e na n ds t u d i e d t h e r e s e a r c ha i m sa l et oe f f e c t i v e l yr e m o v et h ep o i s o n o u sh e a v ym e t a l sa n dr e d u c et h eb i o l o g i c a l t o x i c i t y b yu s i n go ft h i o b a c i l l u sf e r r o o x i d a n s 嬲t h em a i nm i c r o b ei nb i o l e a c h i n g ，o n e s y s t e m a t i cr e s e a r c ha b o u tt h ee n g i n e e r i n ga p p l y i n gw a sc o n d u c t e df r o mt h ef o u ra s p e c t s ：t h e s e l e c t i o no fb i o l e a c h i n gr e a c t o r , t h eo p t i m i z a t i o no f b i o l e a c h i n gp a r a m e t e r sa n dt h ep o t e n t i a l t o x i c i t ya s s e s s m e n to f t r e a t e ds l u d g e t h ea n a l y s i so fs l u d g ec o m p o n e n t ss h o w e dh i g h e ra g r i c u l t u r a lv a l u ef o rg u i l i ns e w a g e s l u d g e ，a n dt h ec o n t e n t so fo r g a n i cm a t t e ra n dt o t a ln u t r i t i o nw e r e4 2 6 9 k ga n d9 9 1g k g r e s p e c t i v e l y , c u ，z n , c de x i s t e di ng u i l i ns e w a g es l u d g ew e r es e l e c t e da st h em a i nr e m o v a l o b j e c t si nt h i ss t u d yd u et o t h ec o n t e n t so ft h o s ee l e m e n t se x c e e d i n gt h ea g r i c u l t u r a ls t a n d a r d t h et e s s i e rm e t h o dw a sa d o p t e dt oc o n t i n u a l l ye x t r a c tv a r i o u sc h e m i c a ls p e c i a t i o mf o rs l u d g e h e a v ym e t a l s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tm o s tc u , p b ，n i ，c ri ns l u d g ee x i s t e di nt h e i rf o r m so f s u l f i d e ，o r g a n i cc o m b i n a t i o na n dr e s i d u a l ，a n dt h em a j o r i t yo fz n , c dw e r eb o u n dt ot h e u n s t a b l ef o r m s ，嬲e x c h a n g e a b l e ，c a r b o n a t e sa n df e - m no x i d e s t h eh e a v ym e t a ls t a b i l i t yw a s d e c i d e d 勰c d z n n i p b c u c r t h es u r p l u ss l u d g ew a st h et r e a t m e n to b j e c ti n t h i ss t u d y t h em a j o re f f e c tf a c t o r so f t h i o b a c i l l u sf e r r o o x i d a n sw a sr e s e a r c h e d t h eb i o l e a c h i n go p t i m u mo p e r a t i o np a r a m e t e r s f o rt h i o b a c i l l u s f e r r o o x i d a n sa r ea sf o l l o w s ：s u b s t r a t ed o s a g e ，10 9 l ；t e m p e r a t u r e ，2 0 3 0 c ； a e r a t i o nr a t e ，0 4 l ( m i n l ) ；i n o c u l a t i o nv o l u m e ，3 0 t h ef u r t h e rs t u d yo i lo p t i m u mo p e r a t i o n p e r i o da n ds t a b i l i t yo fb i o l e a c h i n gu n d e rt h eo p t i m u mt r e a t m e n tc o n d i t i o ni n d i c a t e dt h a tt h e p r o p e ro p e r a t i o np e r i o d sw e r e2d a y sf o rt h i o b a c i l l u s f e r r o o x i d a n s t h ec h a r a c t e r i s t i c so f t r a n s f e ra n dr e l e a s eo f d i f f e r e n ts p e c i a t i o n sw e r ed i s c u s s e db yt h e a n a l y s i so f t h ec o n t e n to f c u , z n , c d i nf r e s hs e w a g es l u d g ea n dt r e a t e ds l u d g e t h er e s u l t 桂林理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 s h o w e dt h a tt h er e s i d u a lc o n t e n t so fc u , 執(zhí)c da l la r ea c 煳r d 謝t hc o n t r o ls t a n d a r df o r p o l l u t a n t si ns l u d g e sf r o ma g r i c u l t u r a lu s e ( o b 4 2 4 8 8 4 ) t h eo r g a n i cc o m b i n a t i o na n d r e s i d u a l w e r et h em a j o r s p e c i a t i o n so f c u , z n a n dc di nb i o l e a c h e ds l u d g e t h eh a k a n s o ni n d e x m e t h o dw e r eu s e dt oa s s e s st h ep o t e n t i a lb i o l o g i c a lt o x i c i t yo ff r e s hs l u d g ea n db i o l e a c h e d s l u d g e t h ea s s e s s m e n tr e s u l t ss h o w e dt h a tt h i o b a c i l l u s f e r r o o x i d a n sh a sp l a y e d as i g n i f i c a n t d e t o x i f i c a t i o nr o l ef o rc u , c d , n i t h ep o t e n t i a lb i o l o g i c a lt o x i c i t i e so f m a i nh e a v ym e t a l sw e r e i i lt h ef o l l o w i n go r d e r ：c d c u z n n i p b c r , t h es y n t h e t i cp o t e n t i a lb i o l o g i c a lr i s ki n d e xw a s 8 4 7 5 ，a tt h el e v e lo fm i n o re c o l o g i c a lr i s k k e y w o r d s ：s e w a g es l u d g e ，h e a v ym e t a l ，b i o l e a c h i n g ，t h i o b a c i l l u s f e r r o o x i d a n s u 桂林理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 研究生學(xué)位論文獨創(chuàng)性聲明和版權(quán)使用授權(quán)書 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明：所呈交的論文是蠢人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的研究成果。 據(jù)我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫 過的研究成果，也不包含為獲得其它教育機構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。對論文的 完成提供過幫助的有關(guān)人員已在論文中作了明確的說明并表示謝意。 學(xué)位論文作者( 簽字) ： 簽字e l 期： 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解( 學(xué)校) 有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，有權(quán)保留并向國 家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的印刷本和電子版本，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)( 學(xué) 校) 可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或 掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。同時授權(quán)中國科學(xué)技術(shù)信息研究所將本學(xué)位論文 收錄到中國學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫，并通過網(wǎng)絡(luò)向社會公眾提供信息服務(wù)。( 保密的學(xué) 位論文在解密后適用本授權(quán)書) u 導(dǎo)師嫁欲澎良 簽字日期：必巧年鄉(xiāng)月日 慚 各 三 捌，年 利7 作 少 嫦 緲 謝 瑚 倒 鉬 靴 嬋 桂林理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第1 章前言 1 1 我國城市污泥的處理、處置現(xiàn)狀 目前，我國所建的城市污水處理廠，大都是采用活性污泥二級生化處理工藝。活性 污泥法處理污水的必然結(jié)果就是產(chǎn)生大量的剩余污泥，以含水率9 7 計算，其體積占處 理污水量的0 3 , - - 0 5 ( 或為污水處理量l o - - 2 0 9 k g ) ，若深度處理產(chǎn)泥量還將增加 5 0 - 1 0 0 t 。按照我國國民經(jīng)濟和城市人口增長速度預(yù)測，2 0 1 0 年我國城市污水排放 總量較2 0 0 4 年增長1 0 ，將達4 6 4 x10 s m 3 ，污水處理率達6 0 ，屆時我國每年將產(chǎn)生 0 1 2 5 x1 0 8 - - - 0 2 1 l o s t 濕污泥( 含水率8 0 ) 【2 j 。此外，2 0 0 6 年建設(shè)部又根據(jù)國務(wù)院 關(guān)于落實科學(xué)發(fā)展觀加強環(huán)境保護的決定提出，到2 0 1 0 年，所有設(shè)市的城市，污水處 理率不低于7 0 3 j ?？梢灶A(yù)見，隨著我國城鎮(zhèn)污水處理廠的相繼建成，城市污水處理量 將大大提高，同時也會產(chǎn)生大量的污泥，要妥善處理這些污泥，需要大量基建投資和高 昂的運行費用。傳統(tǒng)的污泥處理費用約占污水處理廠總運行費用的2 0 5 0 投資占 污水處理廠總投資的3 0 , - - - 4 0 t 4 1 。根據(jù)我國目前的經(jīng)濟狀況，把巨大的資金用于污泥 處理工程建設(shè)及運行維護具有較大的困難。在我國現(xiàn)有的污水處理設(shè)施中，有污泥穩(wěn)定 處理設(shè)施的還不到2 5 ，處理工藝和配套設(shè)備完善的不到1 0 1 5 1 。由于經(jīng)濟和技術(shù)原因， 已建成的污泥處理設(shè)施正常運行的也很少，大部分污水處理廠將未做任何處理的污泥外 運，隨意棄置，簡單填埋或直接農(nóng)用，給生態(tài)環(huán)境帶來了隱患。據(jù)報道1 6 1 ，2 0 0 7 年我國 污水廠污泥約7 0 棄置，2 0 填埋，不足1 0 0 , 4 的污泥通過堆肥等形式利用。盡管國家花 費了大量人力、物力、財力治理了污水，但污水處理的伴生產(chǎn)品污泥卻得不到充分有效 的處置，可能會造成二次污染，大大削弱了污水處理廠的凈化功能。因此尋求妥善、經(jīng) 濟地處理或利用污泥的技術(shù)具有深遠(yuǎn)意義。 1 2 污泥的最終處置技術(shù) 1 2 1 傳統(tǒng)的污泥處置技術(shù) 在我國多數(shù)中小城市污水處理廠，污泥通常經(jīng)過簡單的機械脫水處理后即進入污泥 后期處置，傳統(tǒng)的污泥處置方法有衛(wèi)生填理、焚燒、海洋處理和土地利用，這些處置方 式在不同時期確實發(fā)揮了一定的作用，但隨著環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的更加嚴(yán)格化，其固有的缺點就 明顯暴露出來，使其應(yīng)用受到諸多限制。 桂林j e _ v - 大學(xué)碩士學(xué)位論文 ( 1 ) 衛(wèi)生填埋 污泥衛(wèi)生填埋已發(fā)展成為一項成熟的污泥處置技術(shù)。該法操作相對簡單，投資費用 少，處理容量大、見效快等特點，適應(yīng)性強，稱為許多城市污泥處置的首選技術(shù)。污泥 填埋分為單獨填埋和混合填埋，歐洲脫水污泥與城市垃圾混合填埋比較多，而美國多數(shù) 采用單獨填埋【7 】。但該方法對污泥的土力學(xué)性質(zhì)要求較高，且需要大面積的填埋場地和 大量的運輸費用，地基也需要作防滲處理，若處理不好將會對地下水源造成較大的污染， 因此在大多數(shù)國家諸如美國、英國、日本等填埋污泥的比例在逐年減少。此外，污泥的 高含水率大大增加了填埋場滲濾液處理量，由于污泥細(xì)小，經(jīng)常堵塞滲濾液收集系統(tǒng)和 排水管，加重了垃圾壩的承載負(fù)荷，給填埋場安全和管理帶來極大困難。因此，我國的 許多城市的垃圾填埋場已開始拒絕接納高含水率的城市污泥進場填埋。綜合以上，多方 面因素都限制了污泥的衛(wèi)生填埋技術(shù)的今后發(fā)展，使其不會成為污泥最終處置的主流方 向。 ( 2 ) 污泥焚燒 污泥焚燒技術(shù)是利用污泥有機成分高、具有一定熱值等特點來處置污泥。污泥焚燒 后的殘渣無菌、無臭，體積大大減少，減容率可達到9 5 9 9 左右，使運輸和最后處 置大為簡化【引。但這種處置方式的弊端在于，污泥必須保證在比較低的含水率，而城市 污泥即使經(jīng)脫水后含水率仍然比較高，為7 5 8 0 左右。這樣的污泥在進行焚燒處理 時，要維持燃燒溫度在7 5 0 。c - - - , 8 5 0 ( 2 以上，需要加入大量的燃料輔助燃燒，因此其處理 成本較高，是其他工藝的2 - 4 倍1 9 1 。此外，污泥中有機污染物在高溫焚燒過程中，容易 產(chǎn)生大量二惡英，同時污泥中的重金屬也會隨著煙塵飛灰等擴散到空氣中，對環(huán)境造成 二次污染。因此，污泥焚燒使用較多的是日本和歐盟等發(fā)達國家。在我國部分經(jīng)濟發(fā)達 城市( 上海、紹興、常州等) 也有采用，但總體而言我國是發(fā)展中國家，經(jīng)濟發(fā)展水平 相對落后，污泥焚燒技術(shù)在全國范圍內(nèi)難以全面推廣。 ( 3 ) 遠(yuǎn)洋投海 污泥遠(yuǎn)洋投海是利用海洋巨大的稀釋與自凈作用來處置污泥。對于靠近海岸的大型 污水處理廠，將其液態(tài)污泥排海是一種方便的污泥處置方法。但因其可能會污染海洋、 危害海洋生態(tài)系，對海洋生態(tài)系統(tǒng)和人類食物鏈已構(gòu)成威脅，已受到強烈反對。美國19 9 1 年已禁止向海洋傾倒污泥，歐共體也規(guī)定從1 9 9 9 年開始禁止在海洋中處置污泥【i o l 。目 前，污泥投海處置已經(jīng)在世界范圍內(nèi)受到了限制。 ( 4 ) 土地利用 污泥的土地利用很早就得到了應(yīng)用，具有投資少、處理費用低等優(yōu)點，且充分利用 了n 、p 和k 等植物性營養(yǎng)成分。該法主要應(yīng)用于農(nóng)田、菜地、果園、草地、市政綠化、 育苗基質(zhì)及嚴(yán)重擾動的土地修復(fù)與重建等f i i 】。但污泥土地利用應(yīng)注意方法，防止污泥中 2 桂林理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 有機物、病原菌及高濃度重金屬對受施土壤造成二次污染，目前，主要通過污泥消化、 堆肥等方法提高污泥土地利用的安全性，而對污泥中重金屬的總量控制技術(shù)的研究也逐 漸成為熱點。隨著污泥可填埋的范圍日益減少，而焚燒法處理費用高昂，投海被禁止， 多種形式的污泥資源化農(nóng)用越來越受到人們的重視。李艷霞等人【1 2 1 對我1 垂1 2 9 個城市污泥 組成的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，中國城市污泥( 不包括工業(yè)污泥) 的有機質(zhì)平均含量達至l j 3 8 4 9 k g ， 全氮、全磷和全鉀分別為2 7 、1 4 3 和7 9 k g ，高于國家堆肥需要的養(yǎng)分標(biāo)準(zhǔn)，是很好的有 機肥源，可以作為資源加以回收利用。因此，污泥處理處置的總體思路以無害化為主導(dǎo)、 在堅持“安全、環(huán)?！钡脑瓌t下實現(xiàn)污泥的土地利用。 1 2 2 污泥的綜合利用新技術(shù) 由于對污泥的片面認(rèn)識，長期以來人們僅將污泥視為一種毫無利用價值的廢棄物加 以處置。在傳統(tǒng)的污泥處置方法中僅土地利用將污泥作為一種資源。隨著分析技術(shù)的進 步，污泥的各項物理化學(xué)性質(zhì)被充分認(rèn)識，由此，污泥處置技術(shù)開始轉(zhuǎn)變?yōu)橐晕勰喟踩?處置為最終目的的多元化污泥綜合利用技術(shù)。 ( 1 ) 建材利用 污泥中除有機物之外還含有很多的無機物，主要是硅、鋁、鐵、鈣等，這與許多建 筑材料常用的原料成分相近。污泥制建材主要應(yīng)用于制磚、生產(chǎn)水泥、替代瀝青細(xì)骨料、 制輕質(zhì)陶粒、制生化纖維板、制熔融材料等方面【1 ”4 1 。 ( 2 ) 能源利用 城市污泥中含有大量的有機物，脫水污泥發(fā)熱量很高，可以作為能源加以利用。能 源利用最直接的方法有兩種：一是在脫水污泥中加入添加劑制成合成燃料用于工業(yè)和生 活鍋爐；二是改進焚燒爐的設(shè)計和操作，直接利用污泥焚燒的能量來發(fā)電。此外還可以 通過熱解制油技術(shù)【1 5 】將污泥中的脂類和蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)變成碳?xì)浠衔?，最終產(chǎn)物為油、碳、 非冷凝氣體( n g c ) 和反應(yīng)水，可用來做燃料。 ( 3 ) 環(huán)境保護利用 污泥的環(huán)保利用主要用在一下幾個方面【1 6 ，17 】：污泥改性制得的活性炭吸附劑對c o d 及某些重金屬離子有很高的去除率，不僅常用于水處理中吸附去除重金屬離子、有機污 染物和染料水脫色，還可用于有害氣體的處理，且處理效果都十分顯著：用活性污泥制 得的可降解塑料無毒無害，給解決白色污染帶來了希望：氯代化合物毒性強且降解非常 困難，不少研究表明污泥對氯代化合物的降解有一定的作用。 3 桂林理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 ( 4 ) 污泥蛋白質(zhì)利用 污泥中含有2 8 7 - 4 0 9 粗蛋白，其中7 0 的粗蛋白以氨基酸形式存在，以蛋氨 酸、胱氨酸、蘇氨酸和纈氨酸為主，幾乎包含了所有家畜飼料所需的氨基酸，且各種氨 基酸之間相對平衡，因此可以作為飼料蛋白加以利用1 8 1 。另外，李亞東等1 9 1 利用剩余活 性污泥制成蛋白質(zhì)滅火劑，經(jīng)測試其滅火特性均達到相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。 1 2 3 污泥的土地利用技術(shù)概況 隨著污泥可填埋的范圍同益減少，而焚燒法處理費用高昂，投海也被禁止，綜合利 用技術(shù)多數(shù)還處于研究階段，實際應(yīng)用很少，污泥土地利用也成為污泥處置一個主要的 發(fā)展方向。土地利用，就是把經(jīng)過熱干化或生物堆肥、化學(xué)穩(wěn)定化處理的污泥施用于土 地。目前常用的污泥土地資源化利用途徑有農(nóng)田施用、林地施用、受損土壤的改良和修 復(fù)等1 2 0 。 ( 1 ) 農(nóng)田施用 污泥中含有大量的有機營養(yǎng)成分和微量元素，施用于農(nóng)田后會提高土地的氮、磷、 鉀等的濃度，增加土地的肥效，從而促進作物的生長。而且污泥也不像化肥會使土壤板 結(jié)，因此施用污泥既可肥田，又有利于土壤質(zhì)量的改良，并減低了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的成本。張 學(xué)洪等人【2 l l 利用桂林城市污水處理廠污泥經(jīng)好氧發(fā)酵，與粉煤灰、無機肥料等原料混合 制成有機復(fù)合肥，對水稻生長進行肥效試驗，結(jié)果表明，該污泥有機復(fù)合肥對水稻的增 產(chǎn)效果顯著，肥效與n 、p 、k 三元復(fù)合肥相當(dāng)。 ( 2 ) 林地施用 污泥除可用于農(nóng)田外，還被使用在森林、土地的施用上。一方面污泥中的營養(yǎng)成分 和微量元素可促進樹木生長；另一方面由于污泥林地施用不進入食物鏈，不會對人類健 康造成危害。一般林場、森林等地區(qū)均非人口密集地區(qū)，所以污泥施用較為安全。為避 免施用污泥后可能對地下水產(chǎn)生的污染，可以采用分少量多次投加的策略。林地、荒山 等面積都較大，相對環(huán)境容量也較大，可吸納大量的污泥，林木本身也可利用污泥中氮、 磷等加速生長。 ( 3 ) 受損土壤的修復(fù)與改良 污泥中的有機質(zhì)可以改善土壤的物理性質(zhì)，因此污泥除了做肥料使用外還可以用作 土壤改良劑。較常見的受損土壤有采礦殘留礦場、取土后的凹坑、垃圾填埋場、地表嚴(yán) 重破壞地區(qū)等。這類土地一般已失去土壤的正常特性，無法直接進行種植。施入污泥可 以增加土壤養(yǎng)分，改良土壤特性，改善土壤結(jié)構(gòu)，促進土壤熟化。這樣在促進地表植物 的生長的同時避開了食物鏈，對人類生活潛在威脅較小，既處置了污泥，又恢復(fù)了生態(tài) 環(huán)境，是一種很好的利用途徑。 4 桂林理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 3 我國污泥處置適用技術(shù)分析 由于我國長期以來追求高產(chǎn)，大量使用化肥，已造成土壤沙化、板結(jié)、肥力下降， 尤其是在我國干旱地區(qū)，土壤中的有機質(zhì)含量較低。污泥中含有豐富的有機質(zhì)和多種植 物性養(yǎng)分，可以彌補長期使用無機化肥給土壤帶來的缺陷。在控制其他限制因子的前提 下，適量的推動我國污泥土地利用具有積極意義。此外，污泥土地利用還具有消納范圍 廣闊、操作簡單、處理費用低等優(yōu)點。我國是一個發(fā)展中的國家，又是一個農(nóng)業(yè)大國， 廣闊的土地資源是是發(fā)展污泥土地利用的天然優(yōu)勢，無論從肥效利用因素還是從經(jīng)濟因 素出發(fā)，相對其它污泥處置方式而言，城市污泥的土地利用是更符合我國國情的處置方 法。 但污泥的土地利用存在一定的風(fēng)險，重金屬是限制污泥土地利用的主要因素之一 1 2 2 ，2 3 1 。依據(jù)農(nóng)用污泥中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)( g b 4 2 8 4 - 8 4 ) ，我過大多數(shù)污水處理廠污泥 中都有一種或一種以上的重金屬含量超標(biāo)斟2 5 l 。長期施用一些重金屬含量較高的污泥， 會使重金屬元素在土壤中發(fā)生積累，造成環(huán)境污染，危害動植物，并有可能經(jīng)過作物的 吸收和富集，通過食物鏈與生物鏈的傳遞對人類產(chǎn)生毒害作用，要控制污泥農(nóng)用時重金 屬的毒副作用，除了系統(tǒng)研究農(nóng)用污泥的特征、控制污泥施用條件、限制污泥的施用總 量外，更應(yīng)該從根本上對污泥中的重金屬的毒性和總量加以控制陶。 1 4 城市污泥重金屬控制技術(shù)現(xiàn)狀 當(dāng)前我國污泥處理和處置的主要目的在于污泥減容、殺滅細(xì)菌和寄生蟲卵和降解有 機物，污泥中重金屬一直都沒有作為主要的關(guān)注對象。從技術(shù)上看，污泥的減量化、穩(wěn) 定化和殺滅污泥病菌及寄生蟲卵都可以通過污泥消化和高溫堆肥等技術(shù)加以實現(xiàn)，但對 污泥中重金屬污染缺乏有效的控制?？v觀近年來污泥重金屬污染控制技術(shù)的發(fā)展，從其 處理目標(biāo)的差異，大致可將現(xiàn)有的重：金屬污染控制技術(shù)分為兩大類：以控制污泥中重金 屬生物活性為主的穩(wěn)定化技術(shù)和以污泥中重金屬總量控制為主的總量削減技術(shù)。 1 4 1 污泥中重金屬的穩(wěn)定化技術(shù) 污泥重金屬的穩(wěn)定化是目前解決污泥重金屬污染的主要措施，其目的是降低污泥重 金屬的生物有效性或活性，使污泥資源化利用后重金屬不易發(fā)生遷移和被植物吸收利用， 從而減少對人類健康和環(huán)境的危害。污泥中重金屬穩(wěn)定化措施主要有堆肥、堿性穩(wěn)定和 熱穩(wěn)定等。 桂林理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 污泥中重金屬的生物有效性與其化學(xué)形態(tài)密切相關(guān)，通稱可按t e s s i e r 法或b c r 法分 析，重金屬形態(tài)可分為水溶可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化態(tài)、有機及硫化物結(jié)合 態(tài)和殘渣態(tài)或分為酸可提取態(tài)、可還原態(tài)、可氧化態(tài)和殘余態(tài)【2 7 2 s 。其中水溶可交換態(tài) 和碳酸鹽結(jié)合態(tài)或酸可提取態(tài)容易被植物直接吸收或易受外界環(huán)境影響發(fā)生溶出，因此， 污泥中以離子態(tài)形式存在的或以易于酸化溶出的不穩(wěn)定形態(tài)存在的部分是穩(wěn)定化處理的 主要對象。 1 4 1 1 堆肥固定 堆肥工藝是目前普遍采用污泥中重金屬穩(wěn)定化處理技術(shù)，也是進行污泥資源化利用 主要手段，在國內(nèi)被廣泛采用。其主要是在污泥堆肥過程中添加適宜的調(diào)理劑或鈍化劑， 如石灰，粉煤灰等，將污泥中重金屬由不穩(wěn)定態(tài)形式轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定態(tài)形式，降低其生物毒 性，實現(xiàn)污泥重金屬的穩(wěn)定化處理陟3 5 1 。 1 4 1 2 堿性穩(wěn)定 污泥的堿性穩(wěn)定技術(shù)是由石灰穩(wěn)定發(fā)展而來，它直接向污泥中加入一定的堿性化學(xué) 物質(zhì)，使混合物的p h 值超過1 2 。處理過程中的高溫、高p h 值和適宜濕度等多種因素 的協(xié)同作用使污泥達到穩(wěn)定、消毒、除臭和干燥的目的。堿性穩(wěn)定除了可殺死9 9 病原 菌外，在重金屬固化，降低重金屬生物有效性方面也有突出優(yōu)勢 3 6 1 。l o g a n 等k 1 3 t i ( 1 9 9 7 ) 連續(xù)三年進行田間試驗，研究施用堿性生物固體后，植物對金屬吸收并不顯著，長期的 農(nóng)藝施用對食物鏈并不構(gòu)成威脅。但d i n e l 等人( 2 0 0 0 ) 【3 8 】發(fā)現(xiàn)，土壤用堿性生物固體改良 后，雖然重金屬的浸提態(tài)和交換態(tài)含量降低，但重金屬的潛在可浸提態(tài)和交換態(tài)卻升高。 自然條件下，潛在可浸提態(tài)和交換態(tài)的重金屬能轉(zhuǎn)變?yōu)橐捉釕B(tài)和易交換態(tài)，從而易于 被植物的根系吸收利用或釋放到土壤環(huán)境中。 1 4 1 3 熱化學(xué)處理 城市污泥的熱化學(xué)處理可以有效殺滅病原菌，也能使其中的重金屬形態(tài)發(fā)生改變， 達到對其進行固定，降低生物有效性的目的，主要包括污泥的焚燒和熱解。 污泥焚燒是污泥在不低于6 0 0 的高溫下，使污泥中有機組分與氧氣發(fā)生反應(yīng)生成無 機物，同時使污泥中重金屬元素的化學(xué)形態(tài)更為穩(wěn)定。污泥熱解主要是在無氧或低于理 論需氧量的條件下，將污泥加熱到一定溫度，使污泥中的脂類和蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)樘細(xì)浠?物。o b r a d o r 等) k ( 2 0 0 1 ) 3 9 】將空氣干燥過的污泥分別在1 8 0 。c ，3 0 0 。c ，4 0 0 。c 下加熱3 h ，結(jié) 果表明，重金屬形態(tài)在熱處理后發(fā)生轉(zhuǎn)化，交換態(tài)和弱酸溶解態(tài)的含量比未經(jīng)處理污泥 中的含量明顯降低。但熱化學(xué)處理技術(shù)能耗高，污泥進行高溫?zé)崽幚磉^程中容易造成污 泥中有機質(zhì)的分解或碳化，并釋放出一定的有毒有害氣體或焚燒飛灰，容易對周圍空氣 環(huán)境產(chǎn)生污染。 6 桂林理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 ( 1 ) 衛(wèi)生填埋 污泥衛(wèi)生填埋已發(fā)展成為一項成熟的污泥處置技術(shù)。該法操作相對簡單，投資費用 少，處理容量大、見效快等特點，適應(yīng)性強，稱為許多城市污泥處置的首選技術(shù)。污泥 填埋分為單獨填埋和混合填埋，歐洲脫水污泥與城市垃圾混合填埋比較多，而美國多數(shù) 采用單獨填埋1 7 1 。但該方法對污泥的土力學(xué)性質(zhì)要求較高，且需要大面積的填埋場地和 大量的運輸費用，地基也需要作防滲處理，若處理不好將會對地下水源造成較大的污染， 因此在大多數(shù)國家諸如美國、英國、日本等填埋污泥的比例在逐年減少。此外，污泥的 高含水率大大增加了填埋場滲濾液處理量，由于污泥細(xì)小，經(jīng)常堵塞滲濾液收集系統(tǒng)和 排水管，加重了垃圾壩的承載負(fù)荷，給填埋場安全和管理帶來極大困難。因此，我國的 許多城市的垃圾填埋場已開始拒絕接納高含水率的城市污泥進場填埋。綜合以上，多方 面因素都限制了污泥的衛(wèi)生填埋技術(shù)的今后發(fā)展，使其不會成為污泥最終處置的主流方 向。 ( 2 ) 污泥焚燒 污泥焚燒技術(shù)是利用污泥有機成分高、具有一定熱值等特點來處置污泥。污泥焚燒 后的殘渣無菌、無臭，體積大大減少，減容率可達到9 5 - - - 9 9 ；左右，使運輸和最后處 置大為簡化【8 】。但這種處置方式的弊端在于，污泥必須保證在比較低的含水率，而城市 污泥即使經(jīng)脫水后含水率仍然比較高，為7 5 - - 8 0 左右。這樣的污泥在進行焚燒處理 時，要維持燃燒溫度在7 5 0 - 8 5 0 以上，需要加入大量的燃料輔助燃燒，因此其處理 成本較高，是其他工藝的2 4 倍【9 】。此外，污泥中有機污染物在高溫焚燒過程中，容易 產(chǎn)生大量二惡英，同時污泥中的重金屬也會隨著煙塵飛狄等擴散到空氣中，對環(huán)境造成 二次污染。因此，污泥焚燒使用較多的是r 本和歐盟等發(fā)達國家。在我國部分經(jīng)濟發(fā)達 城市( 上海、紹興、常州等) 也有采用，但總體而言我國是發(fā)展中國家，經(jīng)濟發(fā)展水平 相對落后，污泥焚燒技術(shù)在全國范圍內(nèi)難以全面推廣。 ( 3 ) 遠(yuǎn)洋投海 污泥遠(yuǎn)洋投海是利用海洋巨大的稀釋與自凈作用來處置污泥。對于靠近海岸的大型 污水處理廠，將其液態(tài)污泥排海是一種方便的污泥處置方法。但因其可能會污染海洋、 危害海洋生態(tài)系，對海洋生態(tài)系統(tǒng)和人類食物鏈已構(gòu)成威脅，已受到強烈反對。美國1 9 9 1 年已禁止向海洋傾倒污泥，歐共體也規(guī)定從1 9 9 9 年開始禁止在海洋中處置污泥【l o l 。目 前，污泥投海處置已經(jīng)在世界范圍內(nèi)受到了限制。 ( 4 ) 土地利用 污泥的土地利用很早就得到了應(yīng)用，具有投資少、處理費用低等優(yōu)點，且充分利用 了n 、p 和k 等植物性營養(yǎng)成分。該法主要應(yīng)用于農(nóng)田、菜地、果園、草地、市政綠化、 育苗基質(zhì)及嚴(yán)重擾動的土地修復(fù)與重建等【l l 】。但污泥土地利用應(yīng)注意方法，防止污泥中 2 桂林j e z r _ 大學(xué)碩士學(xué)位論文 尋地下礦體的一種技術(shù)方法。由于p e m 法在外加電場作用下使礦體中的硫化物得 以溶解，并發(fā)生電遷移現(xiàn)象。而在城市污泥中硫化物和有機物是重金屬的主要載體， 在外加電場作用下，能使剩余污泥中的重金屬元素發(fā)生一系列的電化學(xué)反應(yīng)，使重 金屬化合物發(fā)生溶解產(chǎn)生游離態(tài)的金屬離子，并在電場作用下發(fā)生定向遷移，從而 達到降低污泥中重金屬的目的。國內(nèi)廖凌研究表明，直接電解污泥能夠明顯減少正 極附近污泥中的重金屬，加硫酸通電1 0 天后正極附近的污泥c u 降低到1 5 0 m g 爪g ， z l l 降低到5 0 0 m g k g 以下，達到酸性土的污泥農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)1 4 7 1 。采用動電修復(fù)技術(shù)，存 在對處理裝置要求較高，運行操作也較為復(fù)雜，一次性處理污泥量有限等缺點，用 于處理日產(chǎn)量巨大的城市污泥顯然不切實際。 1 4 2 3 離子交換 離子交換法 4 8 巧1 1 是利用鰲合離子交換樹脂對重金屬的強親和力，去除廢水或污泥中 重金屬的一種技術(shù)。其中利用離子交換法處理含重金屬廢水的研究較多，且處理效果較 好。而利用該技術(shù)去除城市污泥中重金屬的研究卻鮮有報道。國外s e i 】舀l p t a 等人( 1 9 9 3 ) 【5 2 1 開發(fā)了一種復(fù)合離子交換材料( c r m ) ，將直徑小于1 0 0 u m 的離子交換微球嵌入多孔聚四 氟乙烯膜，由于其為多孔結(jié)構(gòu)，使陽離子和陰離子自由通過，并能選擇性去除特定的重 金屬元素。但是，離子交換樹脂往往為小于5 m m 的小球，而污泥中s s 含量很高，污泥與 樹脂小球難以分離；另一方面，離子交換技術(shù)以去除離子態(tài)重金屬為主，而污泥中重金 屬多以難溶化合態(tài)的形式存在，因此，去除效率上也難達到要求。 1 4 2 4 氯化技術(shù) 氯化技術(shù) 5 3 , 5 4 1 利用污泥中水分與氯氣反應(yīng)的過程中，形成大量的h c l ，使p h 值降低， 溶出重金屬。其反應(yīng)可用下式加以表示： c 1 2 “ 2 0 h o c1 + h c l m s l u d g e + h + 一h s l u d e + m 2 + 但污泥氯化處理對于重金屬溶解的總效率不高，所需的化學(xué)試劑成本較高，氯化原 料的貯存和操作方式也存在很多限制，最為重要的是污泥氯化處理過程極有可能生成一 些毒性氯代有機物。因此，氯化技術(shù)用于污泥重金屬去除難以實施。 1 4 2 5 動物修復(fù) 動物修復(fù)是利用土壤中的某些低等動物蚯蚓、鼠類等吸收土壤中的重金屬，因而能 一定程度上降低污染土壤中重金屬的含量。劉小麗研究表明，重金屬濃度在一定范圍內(nèi) 時，蚯蚓對污泥中的c d 、a s 、p b 和c r - 有富集作用，并且能有效降低污泥中重金屬元素生 物可利用態(tài)含量1 5 5 】。針對以蚯蚓為主的土壤或污泥中重金屬污染的動物修復(fù)技術(shù)仍有待 進一步研究。 8 桂林理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 4 2 6 生物瀝濾 生物瀝濾法是指利用自然界存在的一些嗜酸微生物的直接作用或利用其代謝產(chǎn)物的 間接作用，將固相中某些不溶性成分( 如重金屬、硫以及其它金屬) 分離浸出的一種技 術(shù)。該技術(shù)源于冶金工業(yè)中的濕法微生物冶金技術(shù)，由于設(shè)備簡單、操作方便、處理成 本低、二次污染少等特點，被廣泛的用于提取貧礦、尾礦和廢曠中的c u 、a u 等重金屬【5 鈾。 隨著人們對生物浸礦技術(shù)的深入研究，對其作用機理的不斷認(rèn)識，不少學(xué)者嘗試將生物 浸礦技術(shù)應(yīng)用于煤的脫硫、廢氣和廢水除硫以及粉煤灰、河流底泥、城市污泥和工業(yè)污 泥中重金屬的去除等領(lǐng)域，并取得了不錯的效果，表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景 6 2 0 7 0 。 綜上所述，減輕污泥中重金屬的不利影響可從兩方面考慮，一是使污泥中重金屬轉(zhuǎn) 化為穩(wěn)定形態(tài)，即穩(wěn)定其毒性，二是去除污泥中重金屬。重金屬穩(wěn)定化技術(shù)只是將污泥 中的重金屬轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定性好的化合物形態(tài)，能在一定程度上和一定時期內(nèi)減輕重金屬的 危害，但不能從根本上降低重金屬含量，因此，這類污泥資源化產(chǎn)品的施用，對人類健 康和環(huán)境存在著巨大的潛在威脅。因此，污泥重金屬的去除是保障城市污泥長期資源化 利用安全性的有效措施。污泥中重金屬去除的各項技術(shù)和方法中，生物瀝濾技術(shù)以其快 速高效受的廣泛的關(guān)注，發(fā)展前景良好，將成為今后研究城市污泥重金屬去除關(guān)鍵技術(shù) 的主要方向。 1 5 生物瀝濾技術(shù)概述 1 6 7 0 年西班牙人從里奧廷托( r i o t m t o ) 礦坑水中回收細(xì)菌浸出銅標(biāo)志著生物浸礦 技術(shù)的開端【7 l 】。但是，直到2 0 世紀(jì)人們才開始對生物浸礦過程中的微生物種類和其生 態(tài)機理進行詳細(xì)的研究，細(xì)菌浸礦技術(shù)也逐漸轉(zhuǎn)入實際生產(chǎn)應(yīng)用。 1 5 1 生物瀝濾中的主要微生物及生物學(xué)特性 生物瀝濾中存在的微生物主要有化能自養(yǎng)菌( a u t o t r o p h i cb a c t e r i a ) 、異養(yǎng)細(xì)菌 ( h e t e r o t r o h i cb a c t e r i a ) 和異養(yǎng)真菌( h e t e r o t r o p h i cf u n g i ) 。國外的研究表明由于異養(yǎng)微生 物只能利用有機碳源進行生命活動，其瀝濾處理成本較自養(yǎng)菌瀝濾要高 7 2 - 7 7 1 。所以，通 稱的生物瀝濾微生物主要指化能自養(yǎng)性微生物( 表1 1 ) 。 9 桂林理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 表1 1 生物瀝濾中的主要細(xì)i 騎特性 目前可用來進行生物淋濾的細(xì)菌有硫桿菌屬( t h i o b a c i l l u s ) 、氧化亞鐵鉤端螺旋菌 ( l e p t o s p i r i l l u mf e r r o o x i d a n s ) 、硫化桿菌屬( s u l f o b a c i l l u s ) 、酸菌屬( a c i d i a n u s ) 、嗜酸 菌屬( a c i d i p h i l i u m ) 以及其它與硫桿菌聯(lián)合生長的兼性嗜酸異養(yǎng)菌【硎。根據(jù)各類細(xì)菌適 宜溫度的不同，生物淋濾細(xì)菌可以分為：( 1 ) 中溫性菌如氧化亞鐵硫桿菌、氧化硫硫桿 菌、器官硫桿菌( t o r g a n o p a r u s ) , 嗜酸硫桿菌( t a c i d o p h i l u s ) 、溫浴硫桿菌( t t e p i d a r i u s ) 與氧化亞鐵鉤端螺旋菌( l e p t o s p i r i l l u mf e r r o o x i d a n s ) 。( 2 ) 中等嗜高溫菌，如熱氧化硫 化桿菌( s u l f o b a c i l l u st h e r m o s u l f i d o o x i d a n s ) 。( 3 ) 嗜高溫古細(xì)菌，如嗜酸熱硫化葉菌 ( s u l f o l o b u sa c i d o c a l d r i u s ) 、硫磺礦硫化葉菌( s u l f o l o b u ss o l f a