北方某給水廠污泥資源化利用研究

葛廣星

(東營市財金水務有限責任公司, 山東 東營 257091)

隨著城市化進程的加快,城市居民用水、工業生產用水以及其他城市用水需求量逐年增加,給水廠污泥產量也隨之增加,這些污泥未經處理直接排入自然環境,會對環境造成嚴重的污染[1]。 給水廠處理污泥的成本較高,早期許多未脫水的給水廠污泥被直接排入地表水體,對水生態系統和人類健康產生潛在危害,還有部分未脫水的給水廠污泥經過預處理后排放到污水系統,增加了污水處理廠的污水處理壓力[2]。 近年來,國內新建給水廠一般增設污泥濃縮和脫水工藝,并對脫水濃縮后的泥餅進行無害化、減量化處理或者自行填埋[3],這些處置方式在一定程度上會增加水廠的經濟負擔。

北方某給水廠設計規模為15×104m3/d,包含10×104m3/d 工業用水和5×104m3/d 自來水,工業用水采用絮凝沉淀工藝,自來水采用絮凝沉淀+超濾工藝。 給水廠全年干泥量約2 577 t,經污泥干化場晾曬后的污泥含水率約70%,占地較多,對給水廠運行和未來擴建帶來不便。 本文通過分析給水廠污泥性質,開展種植試驗,對污泥資源化利用方向進行研究探索。

1 給水廠污泥用于種植土的研究現狀

給水廠污泥的處置技術,國內外開展研究均起步較晚,通常研究技術路線借鑒污水污泥的處置方法,包括土壤改良、堆肥、填埋、燒制建材等各方面。

給水廠干污泥成分與土壤類似,主要是由10%的有機物和90%的無機鹽(包括SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO 等)構成,把污泥適量添加到土壤中后,能夠提高土壤的凝聚程度,改善土壤結構,有利于農作物生長。 同時,污泥中的金屬氧化物能夠有效吸附土壤中的重金屬,降低了重金屬濃度,同樣也促進了農作物的生長[3]。 給水廠污泥的生態風險評估結果表明,給水廠污泥不會對湖水中浮游動植物產生顯著的負面影響,其較大的比表面積反而有利于微生物的生長,屬于一種生態風險很低的可回收廢棄物[4]。 劉永康等[5]分析了給水廠污泥的物質組成,發現給水廠污泥的含水率為15.25%,有機物含量為25.85%,無機物含量為58.9%,無機物中有大量的SiO2、Al2O3和Fe2O3,且重金屬含量較低。 通過對上海某給水廠污泥重金屬含量測試核對污泥特殊成分分析結果,其重金屬含量、總烴含量、放射性水平都低于國家和地方標準及上海市土壤環境背景值,不會對環境造成不利影響[6]。 可以看出,給水污泥物質組成與粘土相似,同時其中存在混凝劑的殘渣,因此給水污泥存在資源化利用的價值。 給水廠污泥的金屬析出風險分析結果表明,給水廠污泥成分中雖然包含了很多的重金屬元素,尤其是鐵鋁含量較高,但是其中大多數金屬可以保持穩定性,在給水廠污泥的應用過程中,其包含的大多數重金屬元素不會對環境造成顯著的影響。

不同國家的給水廠污泥中,大部分金屬污染物無生態風險或具有低生態風險,可考慮資源化利用[7]。 李芳[8]將長沙市某給水廠污泥與土壤混合用于種植,結果表明給水廠污泥特性與自然土壤無顯著差異,污泥中存在豐富的有機質、氮、磷等元素,這些物質可明顯增加植物中的葉綠素以及促進植物的生長。 謝敏等[9]對盆栽植物高羊茅和萬壽菊的生長影響研究發現,施用一定量的凈水廠污泥,可以明顯促進二者生長。 與對照組相比,植株的各生長指標和營養元素明顯提高,其中鮮重提高18.6%～264%,氮含量提高4.8%～267.4%,磷含量提高0 ～204.9%,鉀含量提高4.5% ～69.9%,鈣含量提高4.5%～365.1%,鎂含量提高11.9% ～67.1%。 黃游[10]將上海市某給水廠污泥作為研究對象,通過盆栽和田間對照試驗,發現添加污泥后的植物比未添加污泥的植物生物量明顯增加,污泥帶入土壤的活性有機碳源和活性微生物可以增強土壤中脲酶、磷酸酶等酶的活性,證明污泥可以促進植物的生長,提高了園林植物的觀賞價值。 阮琳等[11]利用桉樹進行種植試驗,發現給水污泥堆肥產品配置的種植土保水性能較好, 且隨著生長期的延長,植株株高、樹葉顏色明顯優于對照組。

2 給水廠污泥檢測分析

2.1 污泥來源

試驗污泥取自北方某給水廠,水廠采取分質供水,兩種處理工藝分別采用絮凝沉淀工藝和絮凝沉淀+超濾工藝,添加藥劑有聚合氯化鋁、二氧化氯。該污泥來自水廠沉淀池排泥水,排泥水中的污泥經排泥池濃縮后抽送至污泥干化場晾曬。 選取該給水廠經干化場晾曬后的污泥,晾曬后的污泥呈黑褐色,經自然風干后明顯結塊。

2.2 檢測項目及標準方法

檢測項目包含銅、鋅、鉛、鎳、鉻、鎘、汞、砷 8 種重金屬含量。 銅、鋅、鉛、鎳、鉻使用TAS-990MFG型原子吸收光譜儀,按照HJ 491—2019《土壤和沉積物 銅、鋅、鉛、鎳、鉻的測定 火焰原子吸收分光光度法》測定;鎘使用TAS-990MFG 型原子吸收光譜儀,按照GB/T 17141—1997《土壤質量 鉛、鎘的測定 石墨爐原子吸收分光光度法》測定;汞、砷使用AFS-9700 雙道原子熒光光度計,按照GB/T 22105.1—2008《土壤質量 總汞、總砷、總鉛的測定原子熒光法》測定。

2.3 檢測結果

該給水廠污泥中各類重金屬含量檢測結果見表1。 大部分重金屬指標均未檢出,其他重金屬含量均滿足Ⅰ級綠化種植土[12]和農用污泥中污染物控制要求[13],可嘗試將該給水廠污泥用于種植實驗,進一步了解污泥性質,為污泥資源化利用提供參考。

表1 給水廠污泥中各類重金屬含量Tab.1 The content of various heavy metals in the sludge of the water supply plant

3 污泥種植試驗

3.1 材料與方法

本研究采用盆栽試驗,試驗植物為無架豆,采用播種種植。 選用3 個尺寸為30 cm×20 cm×15 cm 的泡沫箱,盛土約3 kg。 設置3 種試驗土壤:1 號為種植土3 kg;2 號為給水廠污泥1.5 kg+種植土1.5 kg混合均勻;3 號:給水廠污泥3 kg。 3 個對照組設置在相同的陽光照射和澆灌條件下,期間不另外施加肥料。

3.2 試驗過程

5 月13 日在以上三種試驗土壤中播種無架豆,觀察記錄無架豆的生長情況,測定指標包括植株高、豆莢長、莢粗、豆莢重等,觀察周期為90 d,3 種土壤中無架豆生長情況比較見表2。 無架豆在給水廠污泥中的生長變化過程見圖1。

圖1 無架豆在給水廠污泥中的生長變化過程Fig.1 Growth and variation process of frameless beans in sludge of water supply plant

表2 三種土壤中無架豆生長情況比較Tab.2 Comparison of growth of scaffold beans in three soils

6 月12 日在污泥干化場地種植的花生長勢良好,籽粒飽滿,受干化場表面污泥板結影響,花生在開花下針期部分果針無法插入土中,將板結污泥粉碎后可消除此影響。 花生在給水廠污泥中的生長情況見圖2。

圖2 花生在給水廠污泥中的生長變化過程Fig.2 Growth and change process of peanut in sludge of water supply plant

經過約90 天生長觀察,發現無架豆和花生均可以在給水廠污泥中正常生長。 受無架豆種子個體差異影響,發芽時間和開花時間略有差別,其他各處理項之間也存在一定差異,100%使用給水廠污泥種植的無架豆各個性狀顯著優于水廠種植土和使用50%水廠污泥種植的無架豆,這是由于給水廠污泥含有豐富的氮、磷、鉀養分和有物質,使植株長勢更好。 可見給水廠污泥也是一種資源,同其他植物所需元素成分優良配比制成的肥料施于農田,回歸自然環境,不但能改善生態,對于增加作物單位面積產量、提高社會和企業的經濟效益也有積極的意義。

4 結論

① 給水廠污泥中重金屬含量較低,不會對植物生長產生毒害。

② 在給水廠污泥中生長的無架豆和花生長勢良好,籽粒飽滿。

③ 給水廠污泥可促進植物生長,在各項重金屬含量達標的前提下,可探索用于土壤改良,使其變廢為寶。