曹贵华，徐永亮，张 程，刘 军*

（1.江苏天雨环保集团有限公司，江苏扬州 225000；2.江苏大学，江苏镇江 212000）

0 引言

自21世纪70年代以来，全球的经济高速发展，世界范围内的自然资源遭到了过度开发，与此同时导致的环境污染也受到众多国家政府和社会各界的重视。在污水处理领域中，生物法相较于物化污水处理工艺具有发展工艺成熟、处理效果好、费用较低等优点，因此得到了广泛应用。目前世界上约有90%的污水厂使用的是活性污泥法，然而越来越多的污水被净化的同时产生的污泥产量也随之增加［1］。

污泥是污水处理时产生的附加产物，其产量若按照浓缩后污泥计算，大约只有处理污水量的0.3%～0.5%，但是污泥的处理处置费用却达到了全部设施建设费用的20%～50%，甚至更高［2］，处理污泥的难度可见一斑。污泥的成分非常复杂，除了很难被自然降解的有机物和重金属外，还有少量的病原体、寄生虫卵等［3］。由于污泥每年产量巨大、含水率高、占地面积大，还经常伴随有恶臭，在贮存、运输和装卸过程中操作不便，可能引发周边环境问题。其危害主要表现在：

（1）未经妥善处置的污泥随意堆放或填埋不仅侵占大量土地资源，还会散发出难闻气味，影响当地公共环境卫生。

（2）污泥的组成成分复杂，堆放时会发生厌氧消化等化学反应，破坏土壤的原有环境及内部结构，使其内部微生物菌落被破坏，从而失去了自然降解能力。

（3）污泥在露天堆放时，经历风吹日晒后，表面被风干形成扬尘，内部有机物逐渐被分解，同时散发出大量异味和有害气体，对周围大气造成一定的影响［4］。

（4）污泥中含有众多的病原体微生物，其中包括细菌、病毒和寄生虫卵等。如致病性大肠杆菌、沙氏门菌、蛔虫卵和脊髓灰质炎病毒等病原体，能够随污泥渗入地下水和土壤，从而进入食物链对人体和生物造成安全隐患［5-7］。

（5）据统计，在污水被净化的过程中，其中Cu，Zn，Cr，Pb，Hg 等重金属会逐渐吸附或沉降到污泥中［8-10］，这些重金属主要来自工业废水、给水管道系统、人为施放的农药化肥和生活垃圾等。污泥在露天堆放时重金属会逐渐转移到土壤和水体中，由于其难以降解，易被生物富集，进而危害人体和生物的安全。

（6）污泥中存在着多种多样的有机污染物，目前发现约有300 多种。其中包含氯酚、多氯联苯、多环芳烃和呋喃等持久性有机污染物［11-13］。这些有机污染物都具有“三致性”，在环境中难以降解，进入人体后会造成极大的危害。

对污泥的基础特性进行研究，有利于污泥的后续处理处置和资源化利用。

1 基础特性

1.1 含水率

实验所选用污泥分别来自镇江市京口区、谏壁和征润州污水处理厂的市政污泥。采样的污泥湿基含水率如表1 所示，实验方法参考国家标准CJT 221—2005。

表1 采样湿污泥含水率

由表1 可知，征润州、京口区与谏壁污水处理厂脱水污泥含水率较高，几乎都超过了GB18918中规定的80%要求。结合不同污水厂脱水污泥处置途径不同，含水率偏高对污泥后续的处理也会造成不同程度的影响。征润州和谏壁污水厂采用的是脱水后污泥外运焚烧的处置方式，湿污泥含水率高会导致污泥本身的热值偏低，需要掺混更大比例的燃料煤，这就造成了资源的浪费，增加了焚烧的成本；京口区污水厂采用的是脱水后污泥运送至附近的协同有机质处理中心进行厌氧消化产甲烷+太阳能干化的处置方式，但是含水率偏高也会导致厌氧消化反应提前，进而导致甲烷产量降低［14］。

1.2 工业分析

污泥的工业分析是指污泥干基中挥发分、灰分和固定碳的比例。污泥干基中的挥发分和灰分分别表示污泥中的有机物和无机物含量，其余的部分被称为固定碳。污泥干基热值主要与固定碳和有机物含量有关。因此对污泥的工业分析不仅能够得出污泥中的有机物、无机物和固定碳成分的含量，还能够作为选择污泥农用或焚烧等不同处置方式的依据。

城市污泥中挥发分的测定参考国家标准CJT 221—2005，灰分的测定参考国家标准GB/T 30732—2014。

图1 污泥干基的工业分析百分比堆积

由图1可知，征润州与京口区污泥挥发分与固定碳含量较高，潜在热值较高，具有与可燃煤混合焚烧发电和作为农用泥质的潜质。谏壁厂的污泥挥发分与固定碳的含量较低、灰分的含量较高，若采用农用泥质和焚烧处置，资源利用率低，将其作为制砖用泥质处置会是更好的选择。

1.3 非金属元素的测定

国内关于污泥C，H，O，N和S等非金属元素的检测标准没有严格的限定和统一，因此与污泥非金属元素含量检测相关的资料较少。传统的测定一般以煤的元素检测方法为依据，其原理比较简单，但是操作步骤烦琐，也不能保证测量结果的准确度。因此本实验委托青岛衡立检测机构对污泥的非金属元素含量进行检测，检测项目包括C，H，O，N和S的含量，检测标准为GBT 31391—2015，GBT 476—2008，GBT 19227—2008和GBT 214—2007。检测结果如图2所示。

根据图2中各元素质量百分比可以计算得出1 kg干污泥中含有的C，H，O，N 和S 的物质的量，其结果如表2所示。

图2 污泥干基的非金属元素含量

表2 1 kg干污泥中C，H，O，N，S的物质的量 （单位：mol/kg干泥）

根据表2可以直观地看出H的物质的量最高，N，S 的物质的量最小且相差不大。一般来说，C 与H 的含量越高代表着干污泥的热值越高［15］，征润州与京口区污泥的C，H含量明显高于谏壁，这也与图1中征润州、京口区污泥挥发分、有机碳含量高从而得出这两处污泥热值高、利于焚烧处置的推论一致。

1.4 金属元素的测定

由于城镇污水处理厂在处理污水的过程中，添加了诸多如PAC，PFS 絮凝剂和NaClO 消毒剂等化学物质，再加上污水水质的原因，致使污泥中富含金属元素。其中部分元素如Na，K和Al 等元素浓度适当的情况下对植物的生长具有积极的作用，而另有一部分重金属如Cr，Ni和Cu等元素若不妥善处置会逐渐富集于动物体中，对人类及其他生物体造成极大的危害，因此对污泥金属元素含量的检测非常重要。本次实验检测以《等离子体电感耦合发射光谱法（HJ781—2016）》为依据，检测结果如图3—4所示。

3 处污水厂污泥干基的金属及部分重金属元素的含量如图3—4 所示。由图3 可知污泥中常规金属元素含量较高的是Al，Fe，Ca 和K，主要与污水厂添加的PAC与PFS等絮凝剂有关，其中Fe，Ca，K和Mg等元素也是构成污泥中黏土矿物的重要元素。图4显示重金属中Zn和Cu的含量较高，其中污泥中Zn的含量高，主要与我国供水市政管网中采用镀锌管道有关［16］；Cu的含量差异较大主要与污水厂间水质差异有关。

根据城镇污水处理厂污泥处置农用泥质、制砖用泥质、混合填埋泥质、园林绿化泥质等法规要求，对污泥Cr，Ni，Cu和Zn等重金属含量以及有机物、氮磷钾等营养指标的限值如表3 所示。由表3 可知，3 个污水厂泥样中的Cr，Ni和Zn含量都低于制砖、土地改良地和农用等相关泥质标准，京口区污泥的Cu 含量超过了园林绿化、土地改良用泥在酸性土壤（pH 小于6.5）和A类污泥在农田中施用的最高限值，但是符合中碱性土壤（pH 不低于6.5）和B 类污泥的施用要求。此外，3处污泥均满足园林绿化、土地改良和农用泥质标准中对有机物、氮磷钾最低含量等营养指标的限定。考虑到京口区污水厂的污泥采用脱水后进行厌氧消化产甲烷以及残渣干化后作为园林绿化土质，因此还需对污泥重金属进行长期追踪检测，并对酸性和中碱性土壤的施用泥质进行明确的划分［17］。

图3 污泥的常规金属元素含量

图4 污泥的重金属元素含量

表3 污泥处置控制项目及限值 （单位：mg/kg干泥）

2 结语

本文通过对征润州、京口区与谏壁污水处理厂污泥进行工业分析、非金属元素含量检测、常规金属以及部分重金属元素含量检测，得出以下结论：

（1）这3 处污水厂的污泥含水率都偏高，都不低于80%，这对后续的厌氧消化产甲烷或者掺混可燃煤焚烧等污泥后续处理处置会造成不利的影响；征润州与京口区的挥发分与固定碳含量较高，潜在热值较高，具有与可燃煤混合焚烧发电和作为农用泥质的潜质；而谏壁厂的污泥挥发分与固定碳的含量较低，灰分的含量较高，若作为农用泥质和焚烧处置，资源利用率低，将其作为制砖用泥质处置会是更好的选择。

（2）干污泥中氢元素的物质的量最高，氮、硫元素的物质的量最小且相差不大。征润州与京口区污泥的C，H 含量明显高于谏壁，这说明征润州与京口区这两处污泥热值更高，若选择焚烧处置时会更具有优势。

（3）在污泥的金属元素含量检测中，常规金属元素含量较高的是Al，Fe，Ca和K，主要跟污水厂添加的PAC 与 PFS 等絮凝剂有关，其中 Fe，Ca，K 及 Mg 等元素也是构成污泥中黏土矿物的重要元素；重金属中Zn和Cu的含量较高，其中污泥中Zn的含量高主要与我国供水市政管网中采用镀锌管道有关，Cu 的含量差异较大，主要与身处不同地域的污水厂间水质差异有关；3个污水厂泥样中的Cr，Ni 与Zn的含量都低于制砖、土地改良地和农用等相关泥质标准，京口区污泥的Cu 含量超过了园林绿化、土地改良用泥在酸性土壤和A类污泥在农田中施用的最高限值，但是符合中碱性土壤和B 类污泥的施用要求；3 处污泥都满足园林绿化、农用泥质和土地改良标准中对有机物、氮磷钾最低含量等营养指标的限定。考虑到京口区污水厂的污泥采用脱水后进行厌氧消化产甲烷、残渣干化后作为园林绿化土质，因此还需对污泥重金属进行长期追踪检测，并对酸性和中碱性土壤的施用泥质进行明确的划分。