北方某给水厂污泥资源化利用研究

葛广星

(东营市财金水务有限责任公司, 山东 东营 257091)

随着城市化进程的加快,城市居民用水、工业生产用水以及其他城市用水需求量逐年增加,给水厂污泥产量也随之增加,这些污泥未经处理直接排入自然环境,会对环境造成严重的污染[1]。 给水厂处理污泥的成本较高,早期许多未脱水的给水厂污泥被直接排入地表水体,对水生态系统和人类健康产生潜在危害,还有部分未脱水的给水厂污泥经过预处理后排放到污水系统,增加了污水处理厂的污水处理压力[2]。 近年来,国内新建给水厂一般增设污泥浓缩和脱水工艺,并对脱水浓缩后的泥饼进行无害化、减量化处理或者自行填埋[3],这些处置方式在一定程度上会增加水厂的经济负担。

北方某给水厂设计规模为15×104m3/d,包含10×104m3/d 工业用水和5×104m3/d 自来水,工业用水采用絮凝沉淀工艺,自来水采用絮凝沉淀+超滤工艺。 给水厂全年干泥量约2 577 t,经污泥干化场晾晒后的污泥含水率约70%,占地较多,对给水厂运行和未来扩建带来不便。 本文通过分析给水厂污泥性质,开展种植试验,对污泥资源化利用方向进行研究探索。

1 给水厂污泥用于种植土的研究现状

给水厂污泥的处置技术,国内外开展研究均起步较晚,通常研究技术路线借鉴污水污泥的处置方法,包括土壤改良、堆肥、填埋、烧制建材等各方面。

给水厂干污泥成分与土壤类似,主要是由10%的有机物和90%的无机盐(包括SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO 等)构成,把污泥适量添加到土壤中后,能够提高土壤的凝聚程度,改善土壤结构,有利于农作物生长。 同时,污泥中的金属氧化物能够有效吸附土壤中的重金属,降低了重金属浓度,同样也促进了农作物的生长[3]。 给水厂污泥的生态风险评估结果表明,给水厂污泥不会对湖水中浮游动植物产生显著的负面影响,其较大的比表面积反而有利于微生物的生长,属于一种生态风险很低的可回收废弃物[4]。 刘永康等[5]分析了给水厂污泥的物质组成,发现给水厂污泥的含水率为15.25%,有机物含量为25.85%,无机物含量为58.9%,无机物中有大量的SiO2、Al2O3和Fe2O3,且重金属含量较低。 通过对上海某给水厂污泥重金属含量测试核对污泥特殊成分分析结果,其重金属含量、总烃含量、放射性水平都低于国家和地方标准及上海市土壤环境背景值,不会对环境造成不利影响[6]。 可以看出,给水污泥物质组成与粘土相似,同时其中存在混凝剂的残渣,因此给水污泥存在资源化利用的价值。 给水厂污泥的金属析出风险分析结果表明,给水厂污泥成分中虽然包含了很多的重金属元素,尤其是铁铝含量较高,但是其中大多数金属可以保持稳定性,在给水厂污泥的应用过程中,其包含的大多数重金属元素不会对环境造成显著的影响。

不同国家的给水厂污泥中,大部分金属污染物无生态风险或具有低生态风险,可考虑资源化利用[7]。 李芳[8]将长沙市某给水厂污泥与土壤混合用于种植,结果表明给水厂污泥特性与自然土壤无显著差异,污泥中存在丰富的有机质、氮、磷等元素,这些物质可明显增加植物中的叶绿素以及促进植物的生长。 谢敏等[9]对盆栽植物高羊茅和万寿菊的生长影响研究发现,施用一定量的净水厂污泥,可以明显促进二者生长。 与对照组相比,植株的各生长指标和营养元素明显提高,其中鲜重提高18.6%～264%,氮含量提高4.8%～267.4%,磷含量提高0 ～204.9%,钾含量提高4.5% ～69.9%,钙含量提高4.5%～365.1%,镁含量提高11.9% ～67.1%。 黄游[10]将上海市某给水厂污泥作为研究对象,通过盆栽和田间对照试验,发现添加污泥后的植物比未添加污泥的植物生物量明显增加,污泥带入土壤的活性有机碳源和活性微生物可以增强土壤中脲酶、磷酸酶等酶的活性,证明污泥可以促进植物的生长,提高了园林植物的观赏价值。 阮琳等[11]利用桉树进行种植试验,发现给水污泥堆肥产品配置的种植土保水性能较好, 且随着生长期的延长,植株株高、树叶颜色明显优于对照组。

2 给水厂污泥检测分析

2.1 污泥来源

试验污泥取自北方某给水厂,水厂采取分质供水,两种处理工艺分别采用絮凝沉淀工艺和絮凝沉淀+超滤工艺,添加药剂有聚合氯化铝、二氧化氯。该污泥来自水厂沉淀池排泥水,排泥水中的污泥经排泥池浓缩后抽送至污泥干化场晾晒。 选取该给水厂经干化场晾晒后的污泥,晾晒后的污泥呈黑褐色,经自然风干后明显结块。

2.2 检测项目及标准方法

检测项目包含铜、锌、铅、镍、铬、镉、汞、砷 8 种重金属含量。 铜、锌、铅、镍、铬使用TAS-990MFG型原子吸收光谱仪,按照HJ 491—2019《土壤和沉积物 铜、锌、铅、镍、铬的测定 火焰原子吸收分光光度法》测定;镉使用TAS-990MFG 型原子吸收光谱仪,按照GB/T 17141—1997《土壤质量 铅、镉的测定 石墨炉原子吸收分光光度法》测定;汞、砷使用AFS-9700 双道原子荧光光度计,按照GB/T 22105.1—2008《土壤质量 总汞、总砷、总铅的测定原子荧光法》测定。

2.3 检测结果

该给水厂污泥中各类重金属含量检测结果见表1。 大部分重金属指标均未检出,其他重金属含量均满足Ⅰ级绿化种植土[12]和农用污泥中污染物控制要求[13],可尝试将该给水厂污泥用于种植实验,进一步了解污泥性质,为污泥资源化利用提供参考。

表1 给水厂污泥中各类重金属含量Tab.1 The content of various heavy metals in the sludge of the water supply plant

3 污泥种植试验

3.1 材料与方法

本研究采用盆栽试验,试验植物为无架豆,采用播种种植。 选用3 个尺寸为30 cm×20 cm×15 cm 的泡沫箱,盛土约3 kg。 设置3 种试验土壤:1 号为种植土3 kg;2 号为给水厂污泥1.5 kg+种植土1.5 kg混合均匀;3 号:给水厂污泥3 kg。 3 个对照组设置在相同的阳光照射和浇灌条件下,期间不另外施加肥料。

3.2 试验过程

5 月13 日在以上三种试验土壤中播种无架豆,观察记录无架豆的生长情况,测定指标包括植株高、豆荚长、荚粗、豆荚重等,观察周期为90 d,3 种土壤中无架豆生长情况比较见表2。 无架豆在给水厂污泥中的生长变化过程见图1。

图1 无架豆在给水厂污泥中的生长变化过程Fig.1 Growth and variation process of frameless beans in sludge of water supply plant

表2 三种土壤中无架豆生长情况比较Tab.2 Comparison of growth of scaffold beans in three soils

6 月12 日在污泥干化场地种植的花生长势良好,籽粒饱满,受干化场表面污泥板结影响,花生在开花下针期部分果针无法插入土中,将板结污泥粉碎后可消除此影响。 花生在给水厂污泥中的生长情况见图2。

图2 花生在给水厂污泥中的生长变化过程Fig.2 Growth and change process of peanut in sludge of water supply plant

经过约90 天生长观察,发现无架豆和花生均可以在给水厂污泥中正常生长。 受无架豆种子个体差异影响,发芽时间和开花时间略有差别,其他各处理项之间也存在一定差异,100%使用给水厂污泥种植的无架豆各个性状显著优于水厂种植土和使用50%水厂污泥种植的无架豆,这是由于给水厂污泥含有丰富的氮、磷、钾养分和有物质,使植株长势更好。 可见给水厂污泥也是一种资源,同其他植物所需元素成分优良配比制成的肥料施于农田,回归自然环境,不但能改善生态,对于增加作物单位面积产量、提高社会和企业的经济效益也有积极的意义。

4 结论

① 给水厂污泥中重金属含量较低,不会对植物生长产生毒害。

② 在给水厂污泥中生长的无架豆和花生长势良好,籽粒饱满。

③ 给水厂污泥可促进植物生长,在各项重金属含量达标的前提下,可探索用于土壤改良,使其变废为宝。