（采矿工程专业论文）城市污泥作为矿山废弃地生态恢复覆盖材料研究.pdf

摘要 摘要 论文阐述了我国目前面临的城市污水厂污泥处理问题，针对唐山市目前的矿山 废弃地生态恢复状况，指出了污泥作为矿山废弃地生态恢复覆盖材料的必要性与迫 切性 利用污泥产品、废弃土和粉煤灰进行配施，并对污泥配施土壤进行试验性质分 析结果表明：1 污泥、废弃土和粉煤灰配施后，可以使原废弃土的p h 值得到有效 改善；2 在理化性质方面，污泥、废弃土和粉煤灰有很强的互补性：3 污泥和粉煤 灰的施加能改善土壤结构和t n 、t p 、t k 营养元素。通过对混配土壤的质量评价， 发现污泥含量控制在3 0 范围内未见重金属污染，污泥混配土壤大多数指标基本符 合土壤种植标准。 污泥含量控制在o ，5 ，1 0 ，1 5 ，2 0 ，3 0 ，分别与废弃土和粉煤灰进 行配施，并选择黑麦草、小麦进行盆栽试验，考察它们的生长状况、污泥混配土壤 基本理化性质以及污泥混配土壤中t n 、t p 、t k 迁移规律和重金属的富集规律。盆 栽试验表明：1 黑麦草和小麦在混配土壤中的生长响应良好，当污泥含量在5 1 5 时，植物的生物量较大，长势旺盛。2 污泥施加达到2 0 以上时，植物对t n 、 t p 、t k 营养的吸收基本饱和；3 种植过程中，污泥混配土壤t n 、t p 的迁移和种植 前相比有所流失，而混配土壤t k 含量却在种植后增加；4 试验植物中，黑麦草重金 属富集能力强；5 污泥、粉煤灰投施增加了土壤中的微生物数量，改善土壤微生物 环境 图【1 7 】表f 2 0 】参【6 3 】 关键词：城市污泥；土地利用；矿山废弃地；生态恢复 分类号：t d 8 8 河北理工大学硕士学位论文 t h et h e s i se l a b o r a t e st h ec o n d i t i o no fs l u d g eo fd i r t yw a t e ri nc h i n a , e s p e c i a l l yi n t a n g s h a nc i t y a c c o r d i n gt ot h ep r e s e n tc o n d i t i o nt h a tt h ee c o l o g yo f a b a n d o n i n gm i n di s i np r o c e s s i n go fr e c o v e r i n g , t h et h e s i st r i e s 协t e s t i f = yt h ei m p o r t a n c eo fs l u d g ei n r e c o v e r i n gt h ee c o l o g y , w h i c hw a ss p o i l e dd u et om i n i n g t h ea u t h o rm s k e sa l le x p e r i m e n tt h r o u g ha d o p t i n gt h ew a yt om i xt h es l u d g ev r o d u a , t r a s he a r t ha n dt h ep u l v e m 宅dc o a la s ha n da n a l y z et h ee l e m e n t a r yo fb l e e d i n gs l u d g e t h o nt h er e s u l ti n d i c a t e st h a t , 1 t h es l u d g ec o u l di m p r o v et h ep ho f a b a n d o n i n gs o i la l t e r m i x i n gw i t ht h et r a s he a r t h ；2 t h es l u d g eh a sad i s t i n c t i v es u p p l e m e n tw i t hb o t ht h et r a s h e a r t ha n dt h ep u l v e r i z e dc o a li nt h ea s p e c to f p h y s i c sa n dc h e m i s t r y ；3 t h es l u d g ee n a b l e s t h es o i lc o n t a h 协gm o r ct n , t p ，a n dt kn u t r i t i v ee l e m e n t s t h r o u g ho b r v i n gt h er e s u l t o f e x p e r i m e n t ，t h ea u t h o rd o e sn o td i s c o v e rt h ed i s e a s eg e r mi nm i x i n gs o i l ，a n dt h e r ei sn o h e a v ym e t a lp o l l u t i o ni nc o n d i t i o no ft h ec o n t e n to fs l u d g es m a l l e rt h a n3 0 a n dt h e m a j o r i t yt a r g e to f m i x i n gs o i lc o n f o r m st op l a n t a c c o r d i n gt ot h en u m b e ro f c o n t e n t0 ，5 ，1 0 ，2 0 a n d3 0 t h ea u t h o rs e p a r a t e l y m i xw i t ht r a s h e a r t ha n dp u l v e r i z e dc o a la s h a n dh es e l e c t st h eb l a c kw h e a ts t r a wa n dt h e w h e a ta st h es a m p l e t h e nt h ea u t h o rt r i e st os u m m a r i z ei t sr u l eb yo b s e r v i n gb o t ht h e p l a n t s g r o w t hr e s p o n s e , t h ec h a n g eo ft h eb l e e d i n gs l u d g ea n dt h et r a n s f o r m a t i o no ft n , t p ，t ka n dh e a v ym e t a l t h er e s u l ti n d i c a t e st h a t , 1 t h eb l a c kw h e a ts t r a wa n dw h e a t g r o w sw e l lw h e nt h ec o n t e n to fs l u d g ei sb e t w e e n5 a n d1 5 i ns o i l ；2 t h ep l a n t a b s o r b st h en ，p ，kn u t r i t i v ee l e m e n t sv e r yw e l lw h e nt h ec o n t e n to f s l u d g ea r r i v e sa t2 0 ； 3 i nt h ep r o c e s so fg r o w i n g ，t h et na n dt pn u t r i t i v ee l e m e n t sc o n t a i n i n gt h eb l e n d i n g s l u d g eh a sd r a i n e db e f o r ep l a n t i n ga n dt h et kn u t r i t i v ei n c r e a s e sa f t e rp l a n t i n g ；4 t h e b l a c kw h e a ts t r a wc o u l ds t r o n g l yc o n c e n t r a t et h eh e a v ym e t a l ；5 t h es l u d g ec o u l di n c r e a s e s u p e r i o r i t ym i c r o o r g a n i s mi n s o i la n dm a k et h et y p eo fm i c r o o r g a n i s mi n c r e a s e ，t h u s e n a b l ei m p r o v i n gt h ee d a p h o ne n v i r o n m e n to f s o i l f i g u r eb t ，t a b l e 【2 0 ，r e f e r e n c e 【6 3 】 k e y w o r d s ：m u n i c i p a ls e w a g es l u d g e ，l a n da p p l i c a t i o n , m i n ed i s p o s a ls i t e ，e c o l o g i c a l r e s t o r a t i o n c h i n e s el i b r a r yc a t a l o g ：t d 8 8 一 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 河北理工大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 躲牡眺埤年蜘丝日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河北理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 虢却缸导师躲盛卜瞧丝年蜘瑚 引言 引言 矿产资源开发引起的环境问题，已不单纯是一个环境污染的问题，而是关系到 一个国家、民族经济发展和人类生存的根本性问题。采矿活动及其废弃物的排放不 仅破坏和占用大量的土地资源，而且矿山废弃物的捧放和堆存也带来了一系列影响 深远的环境问题，如土地退化、生态系统和景观受到破坏，农作物减产、对土地的 侵占和环境污染等严重制约了当地的社会经济发展并危害到人体的健康因此，矿 山废弃地的生态恢复问题已成为我国当前所面晒的紧迫任务之一，也是我国实施可 持续发展战略应优先关注的问题之一 在矿山废弃地生态恢复研究中首要的就是覆盖层材料的研究城市污泥是城市 污水处理过程中的副产品，它含有大量的有机质和植物生长所需的营养元素，但污 泥中还含有一些有机、无机污染物，若采用堆肥法处置，使人们担心城市污泥直接 农用会造成产品品质不良，如果将污泥用作矿山废弃地生态恢复的基质，不但可避 开食物链，同时又解决污泥的出路问题，而且对于矿山废弃地的生态环境的改善将 起到推动作用因此，利用城市污泥作为矿山废弃地生态恢复覆盖层材料可以实现 以废治废，变废为宝的目的，对城市污泥的利用及矿山废弃地生态恢复具有重要的 现实指导意义。 - 1 一 河北理。i = 大学硕士学位论文 1 1 课题背景 1 1 1 城市污泥的处置现状 1 文献综述 随着我国社会经济和城市化的发展，城市污水的产生及其数量在不断增长目 前，全国已建成并运转的城市污水处理厂4 2 7 座，年处理能力为l1 3 6 x l o s m 3 根据 有关预测，我国城市污水量在未来加年还会有较大增长，2 0 1 0 年污水捧放量将达 到4 4 0 x 1 0 8 m 3 ，d ；2 0 2 0 年污水排放量将达到5 3 6 1 0 s m 3 d ”。 城市污泥是污水处理后的副产品。是一种由有机残片、细菌菌体、无机颗粒、 胶体等组成的极其复杂的非均质体。污泥量通常占污水量的0 3 o 5 ( 体积) 或者 约为污水处理量的l 2 ( 质量) ；如果属于深度处理，污泥量会增加0 5 1 倍。 污水处理效率的提高，必然导致污泥数量的增加目前我国污水处理量和处理率虽 然不高“5 ) ，但城市污水处理厂每年排放干污泥大约3 0 x1 0 4 t ，而且还以每年大约 1 0 的速度增长。然而，在这些污水厂中只有不到1 0 具备完善的污泥处理处置工 艺，这种状况势必造成大量污泥未经过无害化处理即应用于农田、苗木或被直接倾 倒此外，近几年污水处理中还增加了脱磷除氮深度处理的要求，由此演变出了不 少污泥排放量更高的污水生物处理工艺。在这些污水工艺的设计中，面对污泥的处 置，往往只考虑将脱水污泥外运，丽未计算其资源化的投资和处理费用，这势必会 造成严重的二次污染总之，城市污泥的处置现状严重挑战了中国污水处理与环境 保护规划。 1 1 2 唐山市污泥处置规划 由于唐山市工业生产的发展和城市人口的增加，工业废水和生活污水的排放量 日益增多，使得城市污水处理厂的污泥产量增加。唐山市现有污水处理厂三座，其 中两个污水处理厂产生的污泥采取填埋的处理方式，仅一个污水处理厂产生的污泥 经污泥干化处理后制作成化肥。污泥填埋不仅占用大量土地，且由于污泥中含有重 金属、病菌、寄生虫卵等有毒有害物质，一旦处理不当，会造成地下水的污染、传 播疾病、污染土壤和作物等危害；在污泥的处理与处置中，必须遵循减量化、稳定 化、和无害化原则，其中污泥的无害化处理是污泥处理与处置的关键环节。随着资 2 r i 文献综述 源短缺和能源危机的加剧，正是因为污泥含有大量的有机物、营养元素( n 、p 、k 等) ，因此污泥的资源化技术受到了人们的广泛关注，如污泥的堆肥化、污泥的沼气 化，污泥的建材化和污泥的能源化。为此，分析并掌握污泥的性质是科学合理地进 行污泥处理处置与污泥资源化利用的先决条件 2 1 表l ，2 为唐山市各污水处理厂污 泥的情况和特性。 襄l 唐山市各污水处理厂生产基本情况 t a b l elt h es i t u a t i o f lo f m u n i c i p a ls e w a g ei nt n n g s h a n 裹2 唐山市各污水处理厂污泥性质 t a b l e2t h ec h a r a c t e ro f m t m i c i p a ls e w a g es l u d g ei nt a a g s h a n 污水处理厂气努嚣分夏菱水分蕞磬细瑟数釜慧 东郊 “4 96 9 0 74 6 72 6 2 66 8 7 5 - 6 2 7 2 5 西郊二厂 7 5 2 74 0 4 95 4 05 4 111 3 3 5 0- 2 0 3 6 0 3 北郊 舯4 95 4 舯6 1 93 9 o l1 5 2 0 01 4 6 9 5 6 1 1 3 矿山废弃地生态恢复的基质改良 土壤作为植物生长的基质，其理化性质和营养状况是生态恢复与重建成功与否 的关键。l i n g a o 等认为，在生态环境恢复与重建的过程中，研究用于废弃地基质改 良的材料和土地整理技术是非常重要的。影响植物生长的土壤条件主要有三种：物 理条件、某些营养物质的缺乏，毒性【3 l 。因此，基质改良的目的有三个：一是改善 基质的结构；二是改善基质的营养状况：三是去除基质中的有毒物质。 1 表土覆盖 有些矿山废弃地上根本没有土壤层，必须先在废弃地上覆土，再改良，或者废 弃地的毒性很大，必须在废弃地上面先铺一层隔离层，以阻挡有毒物质通过毛细管 作用向上迁移，然后再覆土 3 河北理工大学硕士学位论文 土壤是生态系统的基质与生物多样性的载体。因此，恢复过程中首先要解决的 问题是如何将废渣或新土所形成的恶劣的基质转变成能够适应植物生长的土壤。 回填表土是一种常用且最为有效的措施。很多研究都表明，在无表土回填的矿 山废弃地，生物多样性的恢复速度受到抑制。因此，要想在短期内将无表士覆盖的 矿山实施生态恢复是不大可能的表土是当地物种的重要种子库，它为植被恢复提 供了重要种源。而且回填表土也保证了根区土壤的高质量，包括良好的土壤结构， 较高的养分与水分含量等，并包含有比新土多的参与养分循环的微生物与微小动物 群落 无论所形成的植被如何，回填表土所产生的改土效果与恢复效果都是显而易见 的因此，只要有可能，在采矿前就应将表土挖掘放在一边，采矿结束后再尽快覆 上如果原地表土无法保留，也可采用客土法，即将别处的表土挖来覆上。客土法 的关键是寻找土源和确定覆盖的厚度与方式为了解决土源问题，有些国家或企业 要求，在采矿工程动工前，先把表层及亚表层土壤取走并加以保存，留待工程结束 后放回原处。考虑到土壤的地带性和工程的费用，土源应该尽量在当地解决。覆土 的方式与厚度根据废弃地类型、特点及生态恢复的目标而定，一般覆土5 c m 1 0 c m 即可。如果想在废弃地上种植农作物或果树，则覆土厚度应在5 0 c m 以上，防止有 毒有害物质进入农作物或果树中嗍 2 直接改良 废弃地类型不同，废弃地所处的区域不同，废弃地土壤基质改良具体方法亦不 同。开采过后，矿山废弃地的土壤结构不可避免地遭到破坏，大多数变得紧密研 究表明，当土壤容重超过l 。8 时，就会限制植物根系的生长1 5 】 基质物理条件改善的目标是提高土壤孔隙度、降低土壤容重，改善土壤结构 短期内可以采用犁地和施用农家肥等方法，但从长远角度来看，植被覆盖才是解决 这个问题的永久性方法。 3 改善p h 值 矿山开采过程中，基质的结构和功能几乎完全丧失。有些酸性或碱性的矿物质 在开采和生态恢复过程中会影响表层土壤的酸碱性。因此，废弃地基质的酸碱性问 题是基质改良的关键问题之一土壤的p h 值不仅会影响植物品种的选择和植物的 生长、影响土壤养分的活性，而且影响植物的生长发育，甚至杀死土壤中的动物和 微生物，使食物链断裂，破坏生态系统。当矿山废弃地表面局部区域存在这种危害 时，可以利用化学方法进行处理。 4 l 文献综述 4 去除土壤中的重金属 矿山废弃地如果存在不利的p h 条件、盐浓度或高浓度毒性重金属离子，那 么，即使对废弃物添加各种主要养分( n 、p 、k ) 也不能促进植物生长废弃地中可 能含有多种有毒物质，关键是找出影响植被恢复的限制因素，并根据限制因素进行 基质改良 治理重金属污染的废弃地可采用两种方法：一是在废弃地上覆盖一层隔离物质。 以阻隔重金属向上迁移，可以用压实的粘土或高密度的聚乙烯膜，也可以用厚度在 1 0 m 1 5 m 的粗石砾层；二是在此类废弃地中种植耐重金属污染的植物。 对于重金属含量过高的废弃地可施用碳酸钙或硫酸钙来减轻重金属毒性研究 表明，c a 2 + 的存在能显著地降低植物对重金属的吸收，因此富c i h 的废弃地中重金 属的毒性较低。 5 改善土壤的营养水平 由于矿山废弃地的土壤缺乏营养、结构不良、n 、p 、k 等大量元素极为缺乏， 常成为植物生长的限制因子。因此，经常性的施用n 、p 、k 等肥料来补充土壤肥力 是矿山废弃地生态恢复的重要措施用于改良废弃地营养状况的材料极为广泛化 肥、有机废弃物、绿肥、固氮植物都可以用于废弃地土壤的改良。 6 粉煤灰的利用 我国的矿山废弃地占地面积最大，生态恢复问题引人注目鉴于煤矿废弃地多 为采空区或塌陷区，而当地又有大量的粉煤灰，因此，在一些塌陷区，利用粉煤灰 做填充材料，其上覆以3 0 c m 4 0 c m 的黄土，进行造林或种植农作物，结果表明， 刺槐、柳树、泡桐和火炬树等树种都可以获得正常生长，尤以刺槐、柳树生长较 快，其根系可以扎入粉煤灰中1 6 1 粉煤灰复田后再辅以正常的水肥供应，一般农作 物如小麦、玉米、花生、白菜等也能正常生长，作物中的微量元素和放射性元素均 符合我国的食品卫生标准。粉煤灰是矿山大量存在的固体废弃物，以它作为填充材 料一举两得。在缺少填充材料的塌陷区，可采用“挖深补浅”的办法，这样可以营 造一部分耕地和一部分养殖水塘。 总之，基质改良是矿山废弃地生态恢复的最主要问题，但对其所出现的每一个 问题，基本上都能找到即时的或长期的解决办法。 5 - 河北理工大学硕士学位论文 1 2 国内外城市污泥处理方法研究 1 2 1 污泥堆肥处理 污泥堆肥是在好氧条件下，利用好氧的嗜温菌、嗜热菌的作用，将污泥中有机 物分解，并杀灭传染病菌、寄生虫卵和病毒，提高污泥肥分，产生的肥料可以用于 园艺和农业目的 7 1 污泥堆肥化过程中经常要用调理剂和膨胀剂调理剂是指加进堆肥化物料中的 有机物，以减小单位体积的质量，增加碳源及与空气的接触面积，以利于好氧发 酵：污泥堆肥化过程中常用的调节剂有木屑、秸秆、稻壳、粪便、树叶、垃圾等有 机废料膨胀剂是用有机或无机物制成的固体颗粒，当它加入湿的堆肥化物质中 时，能有足够的空间保证物料与空气的充分接触，并能依靠颗粒之间的接触起到支 撑作用。常用的膨胀剂有木屑，团粒垃圾和破碎成颗粒状的轮胎、塑料、花生壳、 秸秆、树叶、岩石及其它物质。 根据污泥的组成和微生物对混合堆料c 悄比、c p 比、颗粒大小、水分含量和 p h 值等要求，给其中加入一定量的调理剂与膨润剂，保持适当的水分；然后进行堆 积，利用堆肥材料中的微生物分解其有机物产生的热量，使堆体温度达到5 0 c 7 0 c ，从而使堆料中有害的病原菌及寄生虫( 卵) 达到无害化，同时堆料中有机碳转 化为稳定性较高的腐殖质。经过堆肥化处理后，污泥的物理性状改善，含水率降低 ( 小于4 0 ) ，疏松、分散、细粒状，便于贮藏、运输和使用l s l 1 2 2 污泥卫生填埋 填埋处置是从传统的堆放和填地处置发展起来的一项最终处置技术唧，它是将 固体废弃物铺成一定高度，通过压实、覆土等一系列操作过程，利用固体废弃物中 微生物的活动实现有机物降解，使其稳定化的一种处理和处置方式。 污泥的填埋处置主要可以分为两类：一是在专门填埋污水污泥的填埋场进行填 埋处置；二是在可以和生活垃圾( 固体垃圾) 一起在城市固体废弃物填埋场( m s w ) 进 行填埋处置。 污泥填埋的技术要求：1 对污泥的要求。为了减少填埋场的渗出水和保证机具 ( 如推土机、运输车辆等) 在填埋场上正常运行，对填埋污泥最重要的要求是含固率 和其在填埋场上的水载能力两项指标。进行填埋的污泥含固率要求不低于3 5 ，垃 6 l 文献综述 圾填埋场承载力要求大于2 5 k n n f i 姗此外。污泥中重金属含量、污泥的p h 值等方 面也有一定的要求。2 对污泥填埋处置场的要求在填埋场的选址、设计时，要充 分考虑相应的法规、技术场址和经济状况，还要求考虑公众的参与3 填埋后对环 境可能产生的影响。如填坑中含有各种有毒有害物质，会通过雨水的侵蚀和渗透作 用污染她下水环境，这对以地下水为生活水源的地区来说是个严重问题而填埋场 构筑物中沼气的累积可能产生火灾或爆炸，这将可能造成对填埋场操作者、填埋场 的使用者或附近的居住者和周围建筑的损害 1 2 3 污泥焚烧处理 城市污泥中含有大量的有机物和一定量的纤维木质素焚烧正是利用污泥中有 机成分高、具有一定热值等特点来处置污泥l l ”污泥焚烧的原理是在高温和气相充 分有氧的条件下，使污泥中的有机质发生燃烧反应，反应结果使有机质转化为 c 0 2 、h 2 0 、n 2 等相应的气相物质，反应过程释放的热量则维持反应所需的温度条 件，使处理过程能持续进行下去。 根据所焚烧污泥的种类不同，污泥焚烧又可分为两大类：一类是直接焚烧，即 将脱水污泥直接送往焚烧炉焚烧；一类是干化焚烧，它是指将脱水污泥进行干化处 理后再进行焚烧。直接焚烧工艺一般是指焚烧含水率为7 5 8 0 的脱水污泥。由 于含水率高，污泥的低位热值一般很低为了保证污泥的稳定燃烧，并对污泥含水 率的波动具有一定的适应性，直接焚烧工艺一般都需要在焚烧炉中掺入适量的引燃 剂、催化剂、疏松剂和因疏剂等添加物配制成。合成燃料”，可供工业炉窑和生活 锅炉的辅助燃料 与直接焚烧相比，干化焚烧的关键在于污泥在焚烧之前所进行的干化处理。干 化可以提高污泥的低位热值，使污泥燃烧释放的热量足以提供加热其它污泥到达燃 烧温度所需要的热量和发生燃烧反应所必须的活化能。因此，从技术要求来说，干 化污泥焚烧比垃圾焚烧简单，接近于劣质煤燃烧【1 2 1 。干化污泥焚烧可以迅速将污泥 矿化，并释放出一定的能量，但由于焚烧过程中能耗多，氧化反应放出的能量不能 自给，需另外补充能量，所以造成大量的能量消耗。在日本【1 3 1 ，污泥焚烧耗能量占 污泥处置耗能量的7 0 ，每年耗重油达3 9 1 0 5 m 3 。 焚烧技术的优势在于其处理的彻底性，污泥焚烧所产生的灰烬具有吸水性、凝 固性，因而可以用来改良土壤、筑路等，也可作为沥青填料和轻质基材等建筑材 料，如作为制砖瓦和陶瓷等原料另外，污泥灰也可以作为混凝土混料的细填料 7 一 河北理1 ：大学硕士学位论文 k h a n b i l v a r d i 1 乙【1 4 1 研究表明，污泥灰可替代高达3 0 混凝土的细填料( 按重量计) ， 具有很高的商业价值。o k u n o n 1 ”l 发展了一种用1 0 0 焚烧污泥灰制砖技术 e n d o h 【1 6 1 发展了一种利用污泥生产玻璃陶瓷的技术。因此，污泥焚烧是一种可同时 实现污泥减量化、无害化和资源化的处理技术。 污泥在焚烧前必须脱水，从目前所掌握的技术来看，机械脱水成本比较高，自 然脱水虽然成本低，但时间长、占地方，而且在凉晒期间污泥散发的腐臭气会污染 空气。污泥在焚烧时会产生二氧化硫、二恶英等气体而造成空气污染，污染中的重 金属也会随烟尘的扩散而污染空气同时，污泥焚烧的一次性投资和处理成本都高 于一般污泥处理方法【m 嘲因此，在经济尚不发达的中国，污泥焚烧还难以迅速推 广此外，从废物资源化的角度来看，污泥焚烧是将污泥直接转换为热能，而没有 充分利用污泥中的有用成分，这可以说是一大缺陷。 1 2 4 污泥水体消纳 利用水体消纳城市污泥一般不需要进行严格的无毒无害化处理，也不需要脱水 就直接排入水体，而且容量大。但这种方法只能是解决污泥出路的一种权宜之计， 并没有从根本上解决环境污染问题。污泥进入水体后，其中的有毒有害物溶入水环 境，导致水生环境恶化；另一方面，污泥经长年累月进入水体，其中的泥沙会导致 水位升高，甚至堵塞河道，对人类生存产生潜在的威胁。鉴于此，污泥水体消纳已 受到越来越多的反对，国际公约已明令禁止1 9 8 8 年美国已禁止向海洋倾倒污泥， 并于1 9 9 1 年全面加以禁止f 1 9 1 。欧盟1 2 0 1 在1 9 9 1 年5 月颁布( d i r e c t i v ec o n c e r n i n g u r b a nw a s t e w a t e rt r e a t m e n t 中指出：在1 9 9 8 年1 2 月3 1 日后，不得在水体中处置 污泥 1 2 5 污泥土地利用 污水处理厂污泥中含有丰富的n 、p 、k 、有机质等，是良好的土壤改良剂。污 泥的土地利用是把污泥用于林地，市政园林中的树木、花卉、草坪、容器育苗、草 地、农田、矿区及其它严重扰动的土地，迅速恢复植被，促进土壤熟化。污泥及生 物固体是有用的生物资源，科学的土地利用，可减少其负效应而充分发挥其正效 应，使污泥回归自然环境，减少对环境的恶化。对于污泥经稳定后施用于避开食物 链的土地的一些使用领域，更是具有广阔的前景i i ”j 。 i 农田利用 8 i 文献综述 城市污泥农用资源化有利于农业的可持续发展实践证明，污泥农用资源化是一 种具有广阔前景的污泥处置方法，一直深受世界各国重视。早在1 9 8 5 年，据国际统 计中心的资料报道，欧共体4 0 的污泥作为农用，每年约达2 0 5 x l o h 干重，提供的 n 、p 、k 每年约为8 1 1 0 t 、4 0 x l o t 、1 1 1 0 4 t ，美国农用污泥的比例已经从1 9 8 2 年的4 0 0 o 增至1 9 9 2 年的4 9 1 ) 作为有机肥施用 污水处理过程中产生的污泥含有大量植物所需的营养成分和微量元素，肥效高 于一般农家肥口卜2 2 1 ，城市污泥可作为有机肥在农田施用。研究表明。在番茄、大白 菜、辣椒、小青菜、花椰菜、包菜、玉米、水稻中施用城市污泥可显著提高产量， 且明显高于普通农家肥，并有利于后茬作物的稳健生长 2 3 2 4 1 山西省郭媚兰鲫等人 的盆栽和田间试验表明：施用污泥后，土壤中n 、p 、k 、t o c 等营养成分及田间持 水量、c e c 、团粒结构、土壤空隙度都相应增加，土壤结构得以明显改善所以施 用城市污泥不仅可以显著提高作物产量，还可以明显改善土壤物理性质、增加土壤 有机质和n 、p 、k 水平，并增加土壤生物活性和数量。城市污泥虽含有丰富的有机 质和n 、p 、k 等营养元素，但其养分含量毕竟远远低于化肥，且k 的含量相对较 低，养分不平衡。因此，城市污泥应和少量化肥配合使用，这样施用效果更好1 2 6 1 。 2 ) 生产有机无机复合肥 城市污泥经适当处理与不同比例的化肥混合。可生产出适合各种作物的有机无 机复混肥。张学洪鲫等田间试验表明，在水稻上施用污泥有机复合肥，可增产 1 8 1 9 ，肥效略低于市售的复合肥；对施用污泥有机复合腮的稻谷进行的测试 表明，其重金属含量与施用其它肥料的稻谷无明显差别。因此，利用污泥生产有机 无机复混肥是处理污泥的有效途径。 2 林地利用 随着城市污水处理工业的不断发展，城市污泥在林地方面的应用越来越多。美 国森林覆盖率约4 0 ，广大林地具有施用污泥的极大可能性。许多地方用污泥罐车 把液体污泥运至林地喷施。 污泥用于造林或成林施肥，不会威胁人类食物链，林地处理场所又远离人口密 集区，所以很安全。由于森林环境的强大影响，林地、荒山往往比农田更缺乏养 料，因此，致使病原微生物的存活时间大大缩短，从而使过量的n 、p 养料得以充 分利用。 9 一 河北理工大学硕士学位论文 张天红哪】等在杨树、泡桐、油松等林木上进行污泥施用实验，结果表明，林木 的高度和直径都随污泥施用量的增加而增加；同时，未引起地下水污染，重金属均 累积于土壤表层，未向下层转移。李贵宝 2 9 1 等在丘陵地区进行的野外试验结果表 明，施用城市污泥可有效地促进树木的生长发育，增加株高和地径，对林中的灌、 草层植被也有促进和改善；同时可提高林地土壤肥力因此，城市污泥在森林土壤 中使用，一方面可以促进树木生长，另一方面不会对人类健康造成危害 3 园林绿化利用 城市污泥作为有机肥料用于城市园林绿地的建设，实现城市废物的循环利用， 不仅是有效的污泥处置途径，而且是城市绿化的需求刚 近几年，城市污泥已开始用于园林绿化、花卉培养等。施用于花卉、草坪等既 远离食物链，又可就近消化污泥，还能减少化学肥料的用量。目前我国市政绿化及 花卉市场发展很快，因此应用污泥施用是一个很有前途的方向。张增强1 3 1 l 等将堆肥 污泥用于花卉，发现施用后花卉的花期延长，开花量增加，花茎增大而华南农业 大学与广州市园林研究所合作，把污泥与木屑( 绿化公司修剪下来的树枝粉碎) 混合 堆肥，作为育苗和花卉基质，效果不亚于用泥煤土开发的花卉基质。而在经济上， 由于不需要再购买高价的泥煤土，代之以污泥为原料，变废为宝，经济效益更好。 4 用于严重扰动的土地改良 污泥中的有机质可以改善土壤的物理性质，因此污泥除了做肥料使用外，还可 以用作土壤改良剂。严重扰动的土地包括采煤场、各种矿业开采场( 包括金属矿、黏 土矿、沙子的采掘场等) 、露天矿坑、尾矿堆、取土坑、因化学作用使土壤退化的土 地、城市垃圾场、粉煤灰堆积场以及森林采伐地、森林火灾毁坏地、滑坡和其它天 然灾害需要恢复植被的土地等。这类土地一般已失去土壤的正常特性，无法直接进 行种植。施入污泥可以增加土壤养分，改良土壤特性，改善土壤结构，促进土壤熟 化。我国污水厂污泥养分含量如表3 所示。 表3 我国不同类型污水污泥的植物养分含量( ) t a b l e3t h en u t r i e n tc o n t e n to f f i c ep l a n ti nm u n i c i p a ls e w a g es l u d g e 在这方面，国外学者做了很多研究p 2 3 3 l 。其中s o p p 拶等在4 h m 2 煤矿废弃地 上进行了小区试验，表明施用污泥种草和豆科植物3 个月后，小区全部覆上植被， - l o i 文献综述 第一年高度达3 2 c m 3 5 0 n b a y e s 3 5 】等的研究表明，露天采矿区因水土流失和养分 有效性低，植被疏松，施用消化污泥或非消化污泥后，草地生长量和密度急剧增 加，对灰化土等土壤上云杉和松树的生长都有显著作用，大大减少了地表径流的危 害 国内林春野 3 6 1 等以北京市朝阳区何家坟为试验基地，施用燕山石化污水厂的剩 余污泥后发现：土壤有机质，土壤中速效氮、速效磷、速效钾含量显著增加，大大 提高了土壤的肥力薛澄泽【3 7 l 等在西安进行了复合污泥堆肥施用于高速公路绿化带 的研究，已取得了初步进展莫测辉嗍等在矿山废弃地的复垦中施用污泥1 3 5 4 0 0 f f h m 2 ，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 物的活动性，防止水土流失 。 我国土地资源十分匮乏。同时，我国也是产煤大国，其它金属和非金属矿藏的 开采也具有相当的规模，有大量的矿区土地未加改良；修筑铁路、公路、修浚港湾 航道以及其它基本建设。有大量的取土坑及挖出物需要恢复植被；平整土地、修筑 梯田，有许多生土熟化问题：森林火灾、采伐的林地，需要恢复树木，以上这些土 地已经改良的很少。如果将我国城市污泥应用到上述这些严重扰动的土壤中，一方 面利用污泥改善了土壤结构，另一方面也可以缓解污泥带来的环境污染。污泥可以 采用表施或耕层施肥( 2 5 c m 4 0 c m ) 的方式施用施用后，播种牧草，以尽快覆盖地 表，过2 3 年后牧草长起来，再植树造林。 1 3 污泥土地利用影响因素 城市污泥资源化土地利用的影响因素主要包括病原菌、恶臭、重金属和有毒有 害有机污染物等，其中重金属和有毒有害有机物会显著降低土壤质量，影响植物的 生长，并可能对植物和地下水质造成累积性的污染；而病原体和恶臭的控制直接关 系到污泥处置过程中的作业条件和操作人员的身体健康，并影响到污泥最终土地利 用的生态风险评估，因此污泥土地利用必须采用快速有效的方式解决好病原菌、重 金属及除臭问题。 1 3 1 加强病原菌和寄生虫的控制 城市污泥中有大量的病原体，主要是寄生虫、细菌、真菌和病毒四类。它们可 以通过各种途径传播，如人畜与城市污泥( 或施用城市污泥的土壤) 直接接触、食用 河北理工大学硕士学位论文 被污泥污染的食物或饮用水均可能受到感染。因此，污泥在处置或利用前进行辐 射、好养法或厌养法处理以及消化处理是不可或缺的环节 城市污水厂污泥中的寄生虫病病原体达3 6 0 4 - 升，包括蛔虫卵、鞭虫卵、兰氏 鞭毛虫包囊等。自然堆积需要8 1 0 年，寄生虫病病原体才可完全灭活 3 9 4 0 1 美国 e p a 根据土地利用要求的不同，将污泥产品规定为a 和b 两类，其中b 类( 7 6 ) 主要 用于非食物链的使用，a 类( 1 2 ) 可以进行农业利用，可以装袋销售，但e p a 严格规 定a 类产品必须进行采用附加病原体去除工艺e p a 病原体当量委员会的研究报告显 示，污泥中主要含有7 种典型的致病体t i l l 9 种具有潜在危险的病原体1 4 l 4 2 1 a n d r e w w b r e i d e n b a c h 环境研究中心的s m i t h 等针对这些病原体可能导致疾病的剂量、曝露 途径、病原体灭活的时间和温度( 见表4 ) 等进行了详细的研究嗍 裹4 病菌在不同温度下的杀死时问 t a b l e4t h ed e a dt i m eo f p a t h o g e n sw i t hd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e 1 3 2 重视对污泥中重金属的控制 城市污泥由于其含有毒性较大的重金属元素，如果处理不当将会对污水处理厂 乃至使用污水污泥地区的周边生态环境构成严重危害。所以城市污泥中的重金属已 成为污泥土地利用的重要限制因素，因此，降低或去除污泥中的超杯重金属元素成 为有效处置和利用污泥的关键。 污泥中重金属的种类和含量变化很大，无一定规律。主要取决于工业废水排入 污水处理厂的情况，污泥中的重金属一部分为水溶性的，可被作物吸收；另一部分 为非水溶性的，不易被作物吸收。 污泥中一般含有c u 、p b 、c d 、办、c r 、n i 、h g 、a s 等重金属元素，若长期施 用会导致土壤污染，它们被农作物吸收后又通过食物链进入人体，影响人体健康。 所以对污泥中重金属的控制是能否有效利用污泥的关键因素。表5 为我国部分城市 污泥重金属含量。 1 2 l 文献综述 衰5 我国部分城市污泥中重金成分及含量( m 如) t a b l e5h e a v ym e t a lc o m p o s i t i o n sa n dc o n t e n l so f m t m i e i p a ls l u d g e ( 注l 部分引自陈同斌等中国城市污泥的重金属含量及其变化趋势环境科学学报，2 0 0 3 ( 5 ) t 5 6 1 5 6 9 ) 从表中可以看出我国城市污水处理厂污泥有超标现象，因此污泥在土地利用前 应注意污泥中重金属含量超标问题若长期使用城市污泥肥料需进行必要的定位测 试。 1 3 3 污泥中恶臭气体的有效消除 恶臭气体按组成可分为5 类 4 4 4 习：1 含硫的化合物，如硫化氢、二氧化硫、硫 醇、硫醚；2 含氮化合物，如胺、酞胺等；3 卤素及衍生物，如氯气、卤代烃；4 烃类，如烷烃、烯烃、炔烃、芳香烃；5 含氧的有机化合物，如醇、酚、醛酮、有 机酸等。污泥处理过程所产生的恶臭气体中浓度较高和影响较大的有氨气、硫化 氢、硫醇及甲硫醇，它们是污泥脱臭的主要控制指标。 目前，污泥中恶臭气体的去除方法有：1 化学除臭法，即添加化学药剂( 如： 氢氧化钙) 与具有臭味的物质反应，从而达到除臭的目的；2 物理除臭法，如活性 炭吸附法、闪蒸法等；3 生物除臭法，主要是利用微生物除臭，通过微生物的生理 代谢将具有臭味的物质加以转化，达到污泥除臭的目的 4 6 7 1 。针对污泥处置过程的 脱臭工艺，一般是用生物除臭工艺进行除臭( 如生物滤床吸收除臭等) ，或者对臭气 进行集中收集，再用碱液进行吸收，然后对吸收液进行处理。 同济大学的袁志文嗍利用海藻酸钠包埋固定微生物的颗粒填充床去除含甲硫醇 的恶臭气体，研究得出，当空塔停留时间不超过1 3 秒时，对低浓度甲硫醇气体 1 3 河北理工大学硕士学位论文 ( 1 0 o p p m ) 的去除率大于 9 0 o ，其研究中使用的微生物菌群是在活性污泥中通入甲硫醇进行驯化得到的，气 体是甲硫醇的标准配气 1 4 污泥土地利用限制标准 国内外研究普遍认为，污泥可作为土壤改良剂和中等级的化肥再利用予农业 嗍但是，污泥的土地利用需要具备的一个重要的条件是：其所含的有害成分不超 过环境所能承受的容量范围。污泥由于来源于各种不同成分和性质的污水，一般不 可避免地含有一些有害成分。如大量病原菌、寄生虫( 卵) ，以及铜、砷、铝、锌、 铅、汞等重金属和多氯联苯、二恶英、放射性核素等难降解的有机化合物。这都在 一定程度上限制了污泥在土地利用方面的发展。因此污泥用于农业需要解决3 个主要 问题； 1 污泥中重金属能否造成土壤及作物的二次污染。 2 污泥中的病毒病原体能否对环境造成影响。 3 氮磷等物质浓度过高是否会造成对地下水污染。 因此，污泥利用前一般需要经过一定的无害化处理，来降低污泥中易腐化发臭 的有机物，减少污泥的体积和数量，杀死病原物，降低有害成分的危险性。目前， 较为先进的技术为堆肥化和用碱稳定，经处理后的污泥不但可增加其效应，而且可 减少有害物质。我国大陆地区多用堆肥化技术，香港多用碱稳定处理技术。 为了减轻以至避免因施用污泥而导致重金属对农作物的污染，我国在2 0 0 2 年颁 布了最新的农用污泥中污染物控制标准( g b l 8 9 1 8 - 2 0 0 2 ) ，欧洲一些国家也制订 了农用污泥标准。许多国家先后制定了污泥中重金属最高含量的控制标准，超标污 泥不许用于农业f 5 0 5 2 】。 我国目前城市污水处理厂污泥已成为城市迫切需要解决的固体废弃物处置问题 之一。纵观国内外研究和实践的发展趋势，结合中国国情，污泥的减量化、资源 化、无害化是今后的发展方向，而农业，特别是林业、花卉园林是污泥处置的良好 场所，污泥可根据国家颁布的污泥控制标准，宜农则农，宜林则林，也可根据经济 和技术条件及环境保护要求，采取其它处置方式，还可将污泥作基质制成各种复合 肥，使其商品化，以获得一定的经济、社会和环境效益。 1 4 1 文献综述 1 5 矿山废弃地土壤改良 1 5 1 矿山废弃地覆盖土土壤性质 矿由废弃地土壤质地差，无任何土壤结构，渗透性差，壤坚实，土壤有效水 分和有机质含量极低，不利于植物生长，因此，必须进行土壤改良和熟化 1 5 2 土壤改良遵循的生态学原理 实践证明，在土壤改良过程中，应遵循协同适应原理以及限制因子原理 1 协同适应原理 生物与其生存环境之问的适应和反适应是一个持续的、螺旋式的发展过程。随 着选择压力的不断作用，会导致一种稳定状态此时，每一方都以这样的方式发生 适应，即尽量减少对对