城市生活污水污泥理化性質(zhì)分析

薛紅艷, 戰(zhàn) 友, 張勁勇, 吳 鵬

(黑龍江科技大學 環(huán)境與化工學院， 黑龍江 哈爾濱 150022)

0 引 言

隨著我國城市化水平的不斷提高，生活污水的排放量日益增多，污水處理量也在不斷增高，城市生活污水污泥產(chǎn)量急劇增加。據(jù)中國水網(wǎng)《中國污泥處理處置市場分析報告(2011版)》，到2015年末，我國脫水污泥年產(chǎn)量將超過2 600萬t，折合干污泥約 520～780萬 t/a。目前，污水處理廠污泥的處置是脫水至含水量80%左右外運[1-2]。由于含水率高、成分繁雜，污泥無害化處理、資源化利用量還不到20%。因此，城市生活污水污泥的合理利用成為環(huán)境領(lǐng)域的研究熱點。

城市生活污水污泥中含有豐富的碳、氫、氮、磷等營養(yǎng)元素及蛋白等有機質(zhì)，是一種可利用性極高的二次資源，可以土地利用、燃燒發(fā)電、低溫熱解制油等[3]。城市污泥資源化處置已被證明是最有意義且經(jīng)濟可行的污泥處置方法[4-5]。因此，分析研究城市污泥的理化性質(zhì)及其成分是科學合理進行污泥無害化處置和資源化利用的前提條件。

本文以黑龍江科技大學生活污水處理廠脫水污泥為研究對象，對污泥理化性質(zhì)及無機成分進行研究，分析污泥資源化利用途徑，為城市生活污水污泥的無害化、減量化、資源化利用奠定基礎。

1 實驗部分

1.1 實驗原料與藥品

原料：黑龍江科技大學水廠帶式壓濾機的脫水污泥。

藥品：硫酸銨，氫氧化鈉，鹽酸，硫酸銅，硫酸鉀，濃硫酸，硼酸，磷酸氫二鈉，磷酸二氫鈉，磷酸二氫鉀，磷酸氫二鉀，碳酸鈉，硫酸鉀，碳酸鈉，過硫酸鉀，硝酸鉀，重鉻酸鉀，磷酸，碳酸鈣，抗壞血酸，鉬酸銨，酒石酸銻鉀。以上藥品均為分析純。

實驗儀器：凱氏定氮裝置一套，酸度計，922型紫外可見分光光度計(上海菁華科技儀器有限公司)，WZR-1A型計算機輔助全自動微量熱計(國營長沙儀器廠)， 101-1A電熱恒溫鼓風干燥箱(鶴壁市儀表廠)，XL-1型馬弗爐(鶴壁市儀表廠)， S4- EXPLORER型X射線熒光光譜儀(XRF，德國Bruker 公司)， D8 X射線衍射儀(XRD，德國Bruker 公司), MX-2600FE掃描電鏡(SEM，英國CamScan公司)。

1.2 實驗過程

(1) 泥樣制備。將脫水污泥在105 ℃烘箱中烘干后壓散,篩除其中異物,用粉碎機粉碎后,過孔徑0.2 mm 篩,取篩下泥樣,貯存于棕色瓶中備用。

(2) 污泥的工業(yè)分析。參考GB212-91《煤的工業(yè)分析方法》分析污泥的水分、灰分、揮發(fā)分；參考GB213-87《煤的工業(yè)分析方法》分析污泥的發(fā)熱量。

(3) 蛋白質(zhì)、總氮、有機質(zhì)、總磷、pH值的測定。采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(GB 11894-89)測定污泥中的總氮[6]；過硫酸鉀消解-鉬銻抗光度法測定脫水污泥中的總磷含量[7]；凱氏定氮法(GB/T 5009.5—1985)測定污泥中蛋白質(zhì)含量；酸度計測定污泥pH值；重鉻酸鉀法測定污泥中的有機質(zhì)含量，測定過程參考文獻[8]中的方法進行。

(4) 污泥的XRF和XRD分析。采用XRF和XRD分析城市生活污水污泥泥樣中除碳、氫、氧外的其他元素成分及其存在形式。

(5) 干化污泥吸濕性和掃描電鏡分析。將污泥干燥至水分1.0%以下后，置于25℃、空氣濕度為70%的環(huán)境中24 h，測定吸潮后污泥的水分含量。

對干化污泥采用SEM檢測其表面形態(tài)特征。

2 結(jié)果與討論

2.1 污泥工業(yè)分析結(jié)果與討論

城市生活污水污泥工業(yè)分析結(jié)果見表1。從表中數(shù)據(jù)可以看出,污水處理廠脫水污泥含水率較高，達81.45%，這與文獻報道的帶式脫水工藝所得到的污泥含水率范圍相符，但無法滿足污泥直接填埋對含水率65%的要求[9]。因此經(jīng)初步脫水的污泥不能直接填埋處理。

表1 城市生活污水污泥工業(yè)分析結(jié)果

污泥干基的灰分含量16.75%，因為黑龍江科技大學生活污泥處理過程中采用的是生物法，污泥主要成分之一是死亡的菌體中所含的蛋白和纖維素等可燃物質(zhì)，污泥中還存在其他易于燃燒著腐殖質(zhì)，因此污泥的灰分低，發(fā)熱量較高。污泥干基彈筒發(fā)熱量為18.007 MJ/kg，相當于洗選中煤的發(fā)熱量。污泥的干基揮發(fā)分為70.44%，說明污泥中存在大量的易分解、易氣化的物質(zhì)。

由污泥的工業(yè)分析數(shù)據(jù)可以看出，初步脫水的污泥不適合直接填埋，應進一步脫水處理；因干化污泥具有較高發(fā)熱量、低灰分、高揮發(fā)分的特點，干化污泥可作為燃料和氣化原料。

2.2 污泥中總氮、總磷的測定結(jié)果分析

2.2.1總氮的測定結(jié)果

根據(jù)GB 11894-89中的實驗步驟測定標準曲線，所得總氮質(zhì)量與225、275 nm波長條件下吸光光度值見表2。根據(jù)表1數(shù)據(jù),以m1為橫坐標,ΔA為縱坐標,進行一次多項式擬合,擬合出泥樣總氮標準曲線,見圖1。

標準曲線回歸方程y=0.002 58x+2.199，相關(guān)系數(shù)r=0.989 9。由于0

表2 總氮吸光度的測定數(shù)據(jù)

2.2.2總磷的測定結(jié)果

按照文獻[4]中的實驗過程，根據(jù)測定磷含量與700 nm波長條件下的吸光度繪制標準曲線，見圖2。

標準曲線回歸方程y=0.006x+0.006，相關(guān)系數(shù)為r=0.9955。由于0

由總氮和總磷的分析數(shù)據(jù)可以看出，污泥中的氮、磷含量適中，若用于堆肥，不但可以改善土壤的生物質(zhì)循環(huán)，提高土壤結(jié)構(gòu)，有利于土壤的肥力保持。但氮、磷可能隨著水土的流失而進入水體，形成水體富營養(yǎng)化，進入地下水引起水體污染，因此選擇堆肥污泥處理途徑時應重點考慮污泥對水體造成的二次污染問題。

2.3 蛋白質(zhì)、有機質(zhì)、pH值測定結(jié)果分析

對城市生活污水污泥中蛋白質(zhì)、有機質(zhì)、pH值測定結(jié)果為：蛋白質(zhì)含量24.65%，有機質(zhì)72.98%，pH6.8。污泥的pH值為6.8，呈中性，這與我國其他城市污泥的pH范圍 (6.30 ～6.91)基本一致[10]。

污泥干基中蛋白質(zhì)含量為24.65%，蛋白質(zhì)主要來源于菌體細胞。污泥干基有機質(zhì)含量為72.98%，說明污泥含有許多的C—H有機結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，主要存在形式為菌體細胞壁的纖維素和菌體蛋白等[11]。

由蛋白質(zhì)和有機質(zhì)含量分析數(shù)據(jù)可以看出，城市生活污水污泥是價值較高的可利用資源，可以從中提取微生物蛋白，制備動物飼料添加劑等[12-15]。

2.4 干化污泥的XRF和XRD結(jié)果分析與討論

2.4.1干化污泥的XRF分析

對干化污泥中元素組成進行XRF分析，見表3。

表3 干化污泥元素組成分析

由表3可以看出，干污泥中金屬元素有Mn、Sr、Ca、Fe、Al、K等，非金屬元素主要為S、Cl、Si、P。P元素主要來源于污水處理過程中添加的磷營養(yǎng)源；Si的主要來源可能是污泥在污泥池中時混入了砂石等；Al則主要來源絮凝劑聚合AlCl3。而對于其他的元素則可能是污泥中微生物細胞和腐殖質(zhì)中所含有的，例如細胞中大量含有的元素有Ca、Mg、S、P，微量元素有Fe、Mn、Zn、Cu等。將黑龍江科技大學污水處理廠污泥中重金屬含量與國家城鎮(zhèn)建設行業(yè)標準《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置：農(nóng)用泥質(zhì)(CJ/T309-2009)》[12]中重金屬含量的限值相比，金屬含量均值均不超過農(nóng)用泥質(zhì)A級泥質(zhì)限值，符合我國農(nóng)用泥質(zhì)標準中的A級泥質(zhì)。

根據(jù)檢測的總氮含量，計算氮磷鉀含量(N+P2O5+K2O)為39.21 g/kg干污泥，高于污泥農(nóng)用時的營養(yǎng)學要求指標(30.0 g/kg干污泥)。

以上數(shù)據(jù)分析說明，該污泥可以用于農(nóng)業(yè)堆肥。

2.4.2干化污泥的XRD分析

對干化污泥樣中元素存在形式進行XRD分析，XRD衍射圖見圖3。

從干化污泥的XRD晶體結(jié)構(gòu)測試可知：在2θ為15.99°～26.56°處出現(xiàn)了一個饅頭峰，其他衍射峰的強度整體都比較低，說明污泥含有大量非晶體結(jié)構(gòu)的C—H物質(zhì)，污泥的結(jié)晶度不高2θ為26.18°的強尖峰，說明Si元素主要存在于石英SiO2中，這與XRF分析結(jié)果相符；干化污泥中含有黏土成分結(jié)構(gòu)峰值，表現(xiàn)為2θ為23.89°、29.95°、27.58°等衍射峰體現(xiàn)出方解石、六方鉀霞石的結(jié)構(gòu)特征。

根據(jù)XRF分析可知，除碳氫外，其他元素的氧化物合計含量為42.53%，說明城市生活污水污泥中碳、氫元素含量較大，其存在形式應為蛋白體和纖維素等。

因城市生活污水污泥中含有蛋白質(zhì)、纖維素、類黏土等成分， 推測其可用于型煤等工業(yè)黏結(jié)劑生產(chǎn)。

2.5 干化污泥吸濕性及SEM分析

2.5.1干化污泥吸濕性試驗結(jié)果分析

干化污泥吸濕性實驗結(jié)果見表4，結(jié)果表明，干燥后的污泥經(jīng)24 h放置后，其水分含量升至12.81%。說明城市生活污水污泥應具有較發(fā)達的空隙結(jié)構(gòu)和良好的吸附能力。

表4 干化污泥吸濕性測定結(jié)果

2.5.2干化污泥SEM分析

干化城市生活污水污泥的SEM掃描圖見圖4。從圖4可以看出，干化污泥表觀結(jié)構(gòu)比較粗糙，具有層狀結(jié)構(gòu)和類孔結(jié)構(gòu)，使其比表面較大。這種結(jié)構(gòu)的形成原因可能是干燥過程中污泥中微生物的細胞壁破裂，細胞壁不斷堆積、成孔和疊加造成的。而這種層狀結(jié)構(gòu)和類孔結(jié)構(gòu)會使干化污泥的比表面積增大。因為城市生活污水污泥含有的大量有機物及微生物，使其具有大量的極性或非極性官能團。這些因素為城市生活污水污泥吸附的發(fā)生提供了可能。

圖4 干化污泥表觀結(jié)構(gòu)

基于干化污泥具有較發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)、易吸潮的原因，推測干化污泥經(jīng)過改性后可以制備干燥劑、緩蝕劑等，如將干化后的城市生活污水污泥吸附植物肥料后，為作物施肥，可以起到緩釋作用，減少肥料的流失，延長肥效時間。

3 結(jié) 語

城市生活污水污泥的工業(yè)分析表明，城市生活污水污泥具有高發(fā)熱量、低灰分、高水分、高揮發(fā)分的特點，可用做燃料或氣化原料。

黑龍江科技大學城市生活污水污泥的蛋白質(zhì)和有機質(zhì)含量分別為24.75%(干重)和72.98%(干重)可用于提取微生物蛋白。

污泥的農(nóng)用泥質(zhì)營養(yǎng)學指標為39.12%，且其中無超標的重金屬元素，說明城市生活污水污泥可用于堆肥。

污泥中Si、Al、Ca等元素以石英、六方鉀霞石、硬石膏等形式存在，污泥中含有大的蛋白和纖維結(jié)構(gòu)，說明城市生活污水污泥可用于制備粘結(jié)劑等。

干化污泥具有片層和類孔結(jié)構(gòu)，可用于制備肥料等物質(zhì)的緩釋劑。

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