【污水處理技術】城市污泥植物處理系統(tǒng)與污泥中轉處理場建設
近年來我國興建了大量的城市污水處理廠，城市污泥的數(shù)量也與日俱增，如廣州市目前日產(chǎn)城市污泥約1100 t。城市污泥的急劇增多和人們環(huán)保意識的日益提高，使城市污泥的妥善處置成為當務之急。
表1 國內(nèi)外城市污泥主要處理方法
國內(nèi)外城市污泥的主要處置方法有農(nóng)業(yè)利用、衛(wèi)生填埋、焚燒。主要處置方法中，焚燒處理由于新鮮污泥含水率高，需要外加燃料，費用高。填埋則產(chǎn)生大量難處理的滲濾液、臭味和易滑坡，而且占用大量土地，法國已帶頭在2002年試行禁止直接填埋。污泥農(nóng)用已被證明是最為經(jīng)濟可行，且處理容量大，使其資源化的好方法。歐洲先進國家農(nóng)業(yè)利用率占污泥總量的一半以上，美國、法國、英國等主要國家超過60%。廣州市目前采用制磚處理技術，但費用高，須支付195 元/t 的財政補貼，仍解決不了全部污泥，造成大量積壓和臭氣污染。國內(nèi)外還在探索用城市污泥生產(chǎn)生物塑料、生產(chǎn)微生物農(nóng)藥、用于吸附水中的有機污染物等新技術，但仍處在科學研究探討階段。有些污水處理廠的污泥較隨意堆放，又二次污染水體和大氣。目前國內(nèi)很難用單一處理方法完全處置一個大城市的大量污泥，除非將含水80%的污泥進一步降低水分至60%左右、當作垃圾填埋。而要使污泥水分降低水分至60%左右，又須采用更昂貴的污泥脫水技術，或者加土混合填埋。各種處理處置方法對比列于表1。因此，本研究提出城市污泥植物中轉處理場的設想，把太陽能干燥、堆肥、植物處理系統(tǒng)、有機肥和復合肥生產(chǎn)、甚至建材制造等多項技術集成，最終建立城市污泥專用處理和集散基地，形成永遠填不滿的污泥處理中轉場。
1 污泥農(nóng)用及其限制因素
1.1 污泥農(nóng)用需求
根據(jù)調(diào)查，中國87%的土壤屬于中低產(chǎn)田。土壤質(zhì)量差的一個重要原因是長期偏施化肥，特別是氮肥，以獲得較高的產(chǎn)量，加劇了土壤的退化。土壤有機質(zhì)低，大約3300萬 hm2的的土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)低于1%，土壤肥力差。為此，農(nóng)業(yè)部于1995年提出了“沃土計劃”，目的在于增施有機肥料，保持土壤肥力。特別是在我國的南方，酸性和低有機質(zhì)土壤占主要部分，施用城市污泥具有更明顯的作用。我國南方果樹、蔬菜和水稻生產(chǎn)需要大量的有機肥，加上速生豐產(chǎn)林的發(fā)展，農(nóng)林業(yè)對有機肥的需求很大，加上化肥價格不斷上升，具有廣闊的市場前景。關鍵是如何得到經(jīng)濟合理、肥效顯著、符合環(huán)保要求的產(chǎn)品。
1.2 污泥農(nóng)用受到的限制
污泥的水分含量高，限制了其大范圍運輸和使用，而干燥費用大，通常需200元/t。其次，污泥具有病原生物和臭味，在農(nóng)用前需要加以處理，目前，通常采用堆肥處理解決這些問題。對于重金屬含量合格的污泥，好氧堆肥處理是國內(nèi)外通用的方法。但是，需要干的有機敷料配合，且為了供給堆體氧氣，還需要耗能，增加成本。國內(nèi)由于采用堆肥處理成本偏高，通常也未得到政府合理的補助，尚未廣泛推廣應用這一最國際上常用的處理方法。
另外，城市污泥中重金屬含量可超過農(nóng)用標準，限制了其直接農(nóng)業(yè)利用。據(jù)研究，我國廣州、上海、深圳、蘇州、香港等地的污水處理廠的污泥Zn含量普遍超標。因此，需要找到經(jīng)濟有效地降低污泥中的重金屬的方法。
圖1 城市污泥特種植物處理系統(tǒng)技術路線示意圖
對于降低城市污泥中重金屬的研究，國內(nèi)報道甚少。在國外，從70年代開始就不斷進行了各種去除污泥重金屬的研究工作， 其方法主要是化學清洗法。但這些方法因成本高，操作不便等因素而限制了其推廣應用。加拿大等國研究了微生物淋濾法（Bacterial leaching），前景誘人，但需要較大的新的設備投資。另一種策略則是改變污水處理工藝，如利用污水處理廠剩余活性污泥回流到一沉池， 通過一沉池截留重金屬，使進入生物反應池的重金屬濃度大幅度下降， 使二沉池污泥達標的工藝改造技術，具有明顯的效果。但該法不能使占重要部分的一沉池污泥得到利用，且我國許多新建的污水處理廠無一沉池，處理產(chǎn)生后的污泥便必不可少。
2 特種植物處理系統(tǒng)
早期的一種污泥植物處理系統(tǒng)可以追溯到1960年代的德國：蘆葦床系統(tǒng)（reeds bed system）。該系統(tǒng)在未建立現(xiàn)代污水處理廠的污泥濃縮池和機械脫水之前使用，起到濃縮和穩(wěn)定液體污泥的雙重作用，包括減少污泥的臭味。該方法在1980年代以后基本被淘汰。
上個世紀最后幾年利用植物的超常規(guī)耐性對污染土壤和廢水進行處理成為國內(nèi)外環(huán)境科學研究的熱點和前沿領域。部分植物可在高濃度重金屬條件下正常生長發(fā)育，并在體內(nèi)累積大量的重金屬，最高的可達植物體干質(zhì)量的10000 mg/kg以上(一般植物為幾十mg/kg以下)，稱為超累積植物（hyperaccumulator），近年來得到廣泛重視。但應用于污泥處理的報道甚少。
本課題組將重金屬超累積植物用于處理Zn等重金屬較高的污泥，并和經(jīng)過篩選的、低累積重金屬的玉米品種組合在一起，套種在城市污泥之上，富積在超累積植物體內(nèi)的重金屬灰化后可回收金屬，同時低累積玉米品種可生產(chǎn)出合格的飼料或食品，在植物種植期間使污泥脫毒（去除重金屬）、干化和穩(wěn)定化，從而同步實現(xiàn)重金屬污染污泥的無害化、減量化和資源化，實現(xiàn)城市污泥的農(nóng)業(yè)綜合利用（圖1）。
最近，我們又發(fā)現(xiàn)和利用K高累積植物的山芋，與Cd/Zn超富集植物東南景天進行套種，東南景天中Zn的濃度可高達15000 mg/kg，山芋莖的K濃度也高達78 g/kg，兩者分別比單獨種植時提高52%和47%；與此同時，城市污泥中的Zn濃度和水分含量明顯降低，植物毒性(用發(fā)芽指數(shù)表示)和大腸桿菌也大幅度下降，使其達到城市污泥無害化的要求。因此，東南景天與山芋套種實現(xiàn)了有益養(yǎng)分元素K和有害重金屬Cd/Zn的植物分離。研究結果對于如何分離城市污泥等廢棄物中的重金屬和有益元素提供了一種新的綠色技術，對解決我國城市污泥無害化處理處置問題和鉀肥資源短缺問題提供一種新的啟示。
由于植物處理方法對環(huán)境友好，不需重要投資，處理后的污泥仍含有豐富的N、P、K和有機質(zhì)(優(yōu)于豬、牛糞)，是良好的有機肥源，利用在農(nóng)業(yè)上，對減少化肥污染、保持地力、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展有重要作用。目前的研究結果還表明，城市污泥植物處理系統(tǒng)對地表水和地下水的影響不大，對水體有少量的N、P污染，如果需要，可以通過較簡單的生態(tài)處理措施加以解決。
在經(jīng)濟上，特種植物處理系統(tǒng)每公頃土地每年可處理2400~3200 m3污泥，以廣州垃圾填埋場每噸垃圾收費30元計（該收費不包括垃圾場建設投資），收益為72000~96000元，明顯超過一般農(nóng)地租地費用（每公頃為10000~30000元），而且處理產(chǎn)生的植物和污泥產(chǎn)品的收益可以抵消人工等運行成本，因而是經(jīng)濟可行的。
3 污泥中轉處理場構想
污泥植物處理中轉場，不像垃圾填埋場會填滿、用完后長期占地和需要長期維護，而是不斷周轉。
污泥中轉處理場的選址和建設與普通垃圾填埋場有相似之處，應盡量避開居民區(qū)，但可比標準的垃圾衛(wèi)生填埋場簡單一些，不需要很好的防滲系統(tǒng)，也不需要覆土。污泥中轉處理場儲存的污泥可通過種植特種植物加以覆蓋和綠化，對周遍地區(qū)的影響比普通垃圾填埋場小。因此，建設方案和具體設計可參考垃圾衛(wèi)生填埋場的部分有關參數(shù)。但是，初期的單位處理量所需的面積要大一些，用于植物處理系統(tǒng)，然而，這些面積都可以循環(huán)利用。
污泥中轉處理場將污泥的植物處理系統(tǒng)、好氧堆肥、低成本太陽能干燥、有機肥和復合肥生產(chǎn)、建材制造等多項技術集成，用多種方法同時處理利用城市污泥，并根據(jù)不同城市、不同時期的市場需要生產(chǎn)不同種類的肥料、花卉基質(zhì)、建材等，實現(xiàn)產(chǎn)品多元化，有利于大量銷售污泥產(chǎn)品。當某些產(chǎn)品滯銷時，壓縮生產(chǎn)規(guī)模，而中轉處理場也有較大的場地來儲存污泥及其產(chǎn)品。
污泥植物處理系統(tǒng)、污泥中轉處理場是新的技術與設想，難免有些方面不夠成熟，需要解決以下主要問題：
（1）生產(chǎn)規(guī)模下植物處理系統(tǒng)的最佳工藝參數(shù)；
（2）生產(chǎn)規(guī)模下城市污泥植物處理過程對地表水和地下水的影響及其防治技術驗證；
（3）適合不同地區(qū)的城市污泥中轉處理場的面積大小、水文地質(zhì)條件、環(huán)境保護措施等具體設計參數(shù)；
（4）根據(jù)不同城市對不同污泥產(chǎn)品的需求量及其季節(jié)變化，調(diào)整產(chǎn)品結構和市場銷售策略。
4 小結
隨著我國城市生活污水處理的不斷發(fā)展，城市污泥的妥善處置已成為當務之急。傳統(tǒng)的非資源化的處理處置方法，如填埋和焚燒，在我國應用存在不少問題，農(nóng)林業(yè)資源化利用應當是我國的主要出路，也切合目前資源短缺的國情。植物處理系統(tǒng)能夠實現(xiàn)城市污泥的無害化和資源化，處理過程能生產(chǎn)農(nóng)產(chǎn)品，實現(xiàn)低成本綜合利用。以植物處理系統(tǒng)為主體建設城市污泥處理中轉場，可望較好解決廣州等中心城市的污泥處理處置問題。
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