城镇污水处理厂污泥处置用于土地改良的思考
1、概述
据有关方面统计，我国土地总面积居世界第三位，人均占地仅为世界人均的1/3；森林覆盖率约为12.5%（世界平均22%），人均林地1.8亩，在世界排名121位；已利用土地中耕地占有耕地面积7%，居第三位，人均只及世界人均的30%，养活着全球22%的人口。目前我国的耕地不但占有量少，而且还在逐年下降。 “六五”期间我国平均每年净减耕地700亩，1986年《土地管理法》颁布施行后，情况有所好转，但1991年后又在大幅度减少，土地资源匮乏是显而易见的。同时，我国也是产煤大国，其他金属和非金属矿藏的开采也具相当规模，有大量的矿区土地未加改良；修筑铁路、公路和修浚港湾航道以及其他基本建设，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，需要恢复林木，还有相当数量的盐碱地、滩涂地、沙化地等极待土壤改良复垦。
另一方面，城镇污水处理厂处理过程中，必然会产生大量污泥，既会造成污染，又可进行综合利用。污泥中所含的有机物是有效的生物能源；污泥中的有机物分解产生的腐殖质可以改良土壤，避免板结，干燥污泥还可以作为工程回填土；而污泥中丰富的氮、磷、钾等则是植物和农作物生长不可缺少的营养物。因此，污水污泥的处理处置与污泥资源化的相结合，必将成为城镇污水污泥的最终出路。在大多数国家中，特别是发展中国家，污泥土地利用和卫生填埋经常是污泥处置的主要途径。我国是一个发展中的国家，又是一个农业大国，城市污水污泥的土地利用目前应是一项重要的技术政策，符合可持续发展战略。
2、污泥土地改良机理
改良土地的近期目的是恢复植被及防止冲刷，长远目标是建立与稳定土壤生态系统。美国EPA认为土地改良作为污泥土地处置的一种，目的是为了获得最大程度的污泥施用率（可高达220～900Dt/ha.a）。污泥连续的施用到土壤中，在土壤中微生物的作用以及不断进行的降解作用、吸附作用、挥发扩散作用、氧化还原、过滤、渗透等物理化学作用中，污泥中的有机物，包括部分有机污染物质被降解，重金属被固定去除，土地起到了处理系统作用。由于大量地、重复地施用污泥，专用处置场通常用来种植不进入人类食物链的植物，如玉米（用作生产工业酒精、工业原料等），或用来种植草皮及树木已达到防蚀保土和改善环境（生态林）的作用。尽管污泥的土地利用有能耗低、可回收利用污泥中养分等优点，但是，污泥中也含大量病原菌、寄生虫（卵），以及铜、铝、锌、铬、汞等重金属和多氯联苯、二恶英、放射性核素等难降解的有毒有害物。一般来说，污泥要作土地利用处置必须经无毒无害化处理后（污水处理过程的净化和污泥高温堆肥），否则，污泥中的有毒有害物会导致土壤或水体污染。污泥用于土地改良与污泥的农用、污泥的园林绿地施用在污泥泥质的要求上应有所不同，由于土地改良可以为污泥的进一步稳定化、矿化提供较长的时间和空间，所以污泥中对土壤不利的指标可以适当放宽一些，有利的指标可以适当降低一些，但污泥土地利用的物理、化学及生物反应过程是一致的：即污泥中含有对土壤植物有益的多种化学元素、有机成分和营养物质；盐碱地、沙化地、废弃矿场地、建筑废渣场地为污泥中残留的污染物提供一定的稳定化、矿化作用和条件；它们与污泥的矿物组成有较大的相似性；污泥经处理后，具有接近土壤的土力学特性。
3、污泥土地改良的安全性
3.1重金属及其化合物
施用污泥的安全主要指重金属及其化合物。目前，世界上已经发现的化学元素有109种，其中83中是金属。比重大于5的称重金属，金属元素与其它元素生成化合物，一般多为硫化物、氯化物或与一氧化碳结合生成的盐类。
全球大气、水、土壤环境受到自然发生源和人类活动的中金属污染。由于重金属本身的系统毒性，造成的污染是危害极大的，有机金属化合物可通过血脑屏障侵犯神经组织，如铅、汞、砷等金属和类金属中毒；氧化镉、氧化铬、三氧化二砷、氧化硒等引起呼吸系统中毒；砷中毒性胃肠炎近似霍乱，氯化钡、硫酸镉、硫酸镁、氯化锌、锑盐类等均可引起急性肠胃炎，严重着可发生休克；中毒性肝炎由砷、硒、汞、铍、铝、铊等毒物引起；其他如循环系统、泌尿系统、生殖系统、血液和造血系统均可能遭受重金属入侵而发病；更有甚者，某些重金属的过量吸入，造成致畸、畸胎、致癌、致突变。重金属超量会致病，如钼过量引起的痛风；缺乏也导致疾病，如锌缺乏导致侏儒、皮肤色素沉着，锰缺乏造成骨骼畸形等。但微量元素和某些重金属是人体每日必需的，镉、铬、锌、汞、镍、锰、铅、铜等是人体组织内常见的重金属元素。
城镇污水处理厂在污水处理过程中，除了生物合成所需的微量元素外，含在水里大量的重金属及有毒有害物质，会随污泥沉积下来，即使污泥经过稳定化处理（包括污泥厌氧消化、好氧消化），重金属及有毒有害物质也不会得到有效地降解。在污泥用于土地改良时要避免对土壤植物系统、地表水、地下水系统、产生危害，以致对环境和通过土壤—食物链对人类健康造成风险。重金属的毒性对土壤的影响，因其危害程度不同控制其浓度而有所不同，各个国家也因其国情各异。主要重金属包括Cd、Hg、Pb、Cr、Ni、As、Zn、Cu、B九项(美国40CFR 503不设B)。
我国44个城镇污水处理厂污泥中重金属含量统计值，从重金属九大指标含量统计分析可以看出，一方面除锌元素普遍超标外，其他重金属指标均低于国家污泥农用标准（GB4284）；另一方面也说明了我国城镇污水处理厂污泥中重金属含量的多寡，因污水厂服务排水范围内的地域环境、上游污染源、城镇工业布局、工矿企业生产产品类别等的不同而有较大的差异，重金属含量时空分布的极不均匀性也是显而易见的，不但不同地区的差异，即便同一座污水处理厂随时间变化，重金属含量最大值与最小值差之千倍万倍是可能的。
美国环境保护局40CFR 503节有关《制备供农田利用或地表处置的污泥》规定“污泥用于农田、牧场、林地、公共场地和填筑地时，污泥污染物限制执行A级或B级标准；在未加衬垫的污泥地表处置场地，污泥泥质也按A级或B级标准” 。我国污泥中铅、镍、砷等重金属含量的最大值均超出控制限制较宽的美国B级标准。
3.2有机污染物
除重金属外，污水污泥中最大的安全隐患是有机污染指标。有机物、人工化合物、农药成分等污染元素，80年代的水污染主要是微生物和重金属污染，国内外在水中可捡出的有机物有2000余种，其中114中具有或被疑具有“三致物质”，我国水源中已经能捡出100种有机污染物。当然污水污泥中同样也存在隐患。矿物油、苯并（a）芘 、多氯代二笨并二恶英/多氯代二笨并呋喃、可吸附有机卤化物（AOX）（以Cl计）、多氯联苯、挥发酚及总氰化物等有机物高聚物污染。
矿物油：随着石油工业的发展，NGW矿物油类的污染越来越严重，矿物油使有机体包盖或窒息，有机体由于摄入油类、烃类（碳氢化合物总称）化合物和提内类脂肪或其他组织结合，破坏新陈代谢和正常功能，直至死亡。污染物的主要来源是原油的开采、加工、运输和各种炼制油的使用。土壤中含油达到10000mg/kg时，水稻就会出现类似缺氧的生长和发育的障碍。土壤的严重污染会导致石油类的某些成分在粮食中积累，影响粮食品质，并通过食物链危害人类健康。
挥发酚：酚类属于可降解有机物。挥发酚是指能随水蒸汽挥发的酚类，其沸点小于230，通常指一元酚。酚类为原生质毒，属高度物质。人体摄入一定量的酚时，可出现急性中毒症状，长期饮用被酚污染的水，可引起头晕、出疹瘙痒贫血及各种神经系统疾病。
灌溉水中的酚，高浓度时（50～1000mg/l）可影响作物的正常生长和产量，甚至造成作物的死亡。低浓度时（30mg/l）可促使作物增产含酚的污水进入土壤，主要分布在土壤表层，50厘米以下的土层中酚的含量极少。土壤对酚有极强的净化能力，酚在土壤中的年净化率在90％以上。
总氰化物：氰化物是一种剧毒物，对人体的毒性主要是与高铁细胞氧化酶结合，生成高铁细胞色素氧化酶而失去传递氧的功能，引起组织缺氧窒息。水中含氰达0.30.5mg/l，鱼类无法存活。自然界氰化物有较强的自净作用，氰化物能与溶于水的CO2作用产生HCN排向空气，水中氰化物在游离氧化下可生成NH4和CO3。自然界中氰化物的来源主要是工业废水排放的含氰废水，如电镀废水、焦炉和高炉的煤气洗涤冷却水、化工厂的含氰废水以及选矿废水。土壤中也普遍含有氰化物，并随土壤的深度增加而递减，其含量为0.003～0.130mg/kg。天然土壤中的氰化物来自土壤腐殖质。腐殖质是一种复杂的有机化合物，其核心由多元酚聚合而成，并含有一定数量的氮化合物。在土壤微生物的作用下，可生成酚和氰。
由于目前国内外对污泥中有机物高聚物污染研究不多，发达国家对污泥中有机污染有一定控制。德国1992年修订的净化污泥规程，着重指出对双羟基喹啉/呋喃、聚合氯化双苯基、总有机氯化合卤族（AOX）有害有机物的限制，德国和法国还制定了相关的控制标准。迄今为止的试验研究证明，通过植物根部有效地吸收和在植物中转移的二恶英/呋喃及六种重要的PDB衍生物的量很少。对我国城镇混合污水污泥需从严要求，本标准列入苯并（a）芘 、多氯代二笨并二恶英/多氯代二笨并呋喃、可吸附有机卤化物（AOX）（以Cl计）、多氯联苯有机污染物的限值。
3.3卫生防疫安全性
污泥用于土地利用时，其卫生防疫安全指标极为重要，尤其近些年，全球性的疾病如禽流感、疯牛病、SARS等的传播，提高了人们对卫生防疫安全的认识和警惕，2003年我国SARS疾患，在防止传染和预防的同时，城镇污水处理厂出水进行了消毒再消毒，甚至污泥采取热喷灭菌，所以污泥的卫生防疫安全指标的制定有现实和长远意义。未经灭菌处理的污泥中含有较多的病源微生物和寄生虫卵，即便消化后的污泥蛔虫卵也是可观的。发达国家在污泥土地利用是对病原体和带菌体有严格的要求，例如美国EPA40CFR Part503规定9种病原体的污泥允许水平（污泥的农田利用和土地处置），诸如粪性大肠菌、沙门氏菌书的细菌、肠道病毒和有活力的蛔虫卵；带菌体是指动物和昆虫（鼠类、鸟类和苍蝇等）它们能潜在的将病源生物从污泥传染给人类，带菌体能被污泥的气味和易腐性所吸引，标准规定了污泥中挥发性固体的降解率，来表征带菌体吸引的减少指标。40CFR Part503还用大量篇幅提出上述指标的检测频率、、取样和分析的工序，同时提出严密的质量保证和质量控制要求，甚至包括记录保存的规定。美国有些地区在污泥土地卫生学指标控制方面，还增加了保健风险的评价，有沙门氏伤寒菌、骨髓灰质炎病毒等的灭活指标，最低探测极限值为：病毒100传染单位（IU）/（kg干泥）、蛔虫卵500可繁殖卵/（kg干泥）、沙门氏菌1000MPN/（kg干泥）、总大肠菌10000 MPN/（kg干泥）（超过106的不大于20％、超过127 MPN/（kg干泥）不得捡出）。表1 我国GB18918污泥稳定处理及美国、法国污泥土地施用过程中病原菌限值卫生防疫指标。表2 美国EPA40CFR Part 503的土地利用泥质的质量限制，美国联邦政府EPA40CFR Part503对城市污泥的土地利用有严格的规定，在《有机固体废弃物（污泥部分）处置规定》中，经脱水、高温堆肥无菌化处理后，各项有毒有害物指标达到环境允许标准的为A类，可作肥料、园林植土、生活垃圾填埋坑覆盖土等所有土地类型；经脱水或部分脱水简单处理的为B类污泥，只能林业用土，不能直接用于改良粮食作物耕地。
表1 我国标准及美国、法国污泥土地施用过程中病原菌限值卫生防疫指标
| 中 国 | ||||||||||
| 污泥标准 | 粪大肠菌值 | 蛔虫卵死亡率 | 粪大肠菌群 | 细菌总数 | 有机物减量 | |||||
|
GB 18918 污泥消化 |
>10－2 | >95％ |
>40％(厌氧) >50%（好氧） |
|||||||
|
GB 8172 农用垃圾 |
>10－1～10－2 | >95～100％ | ||||||||
|
污水厂 污泥泥质 |
<105MPN/kgTS | <108MPN/kgTS | ||||||||
| 园林用泥 | >95％ | <105个/kgTS | ||||||||
| 填埋用泥 | >0.01 | >95％ | ||||||||
| 美 国 和 法 国 | ||||||||||
|
EPA40CFR503 美国土地施用 |
粪大肠杆菌 <1000CFU/gTS |
沙门氏菌 <3MPN/4gTS |
肠道病菌 <1MPN/4gTS |
寄生虫卵 <1ova/4gTS |
38％ | |||||
|
Arrete du8/1/98 法国土地施用 |
<8 MPN/10gTS | < 3PN/10gTS | <31ova/10gTS | 38％ | ||||||
| 项目 | 合格 | A类 | B类 |
| 病原菌 | <1000MPN/g干污泥 | <1000MPN/g干污泥 |
<2000000MPN/g 干污泥 |
|
病源传播 动物栖息 |
<1000MPN/g干污泥 | <1000MPN/g干污泥 | <1000MPN/g干污 |
| 土壤调理剂 | 许可 | 许可 | 许可 |
| 市售 | 许可 | 许可 | 禁止 |
有资料介绍，对不同污泥处置技术的技经分析得出大致结论如下表：
表3不同污泥处置方式和成本
| 处置方式 | 成本①（元/吨泥饼） | 成本（元/吨污水） | 现状 |
| 污泥弃置 | 15 | 0.01 | 使用 |
| 污泥填埋 | 40 | 0.03 | 有困难 |
| 简易堆肥 | 70 | 0.05 | 有使用 |
| 机械化堆肥 | 120 | 0.09 | 尝试 |
| 污泥热干化 | 220 | 0.17 | 个别使用 |
| 污泥焚烧 | 220以上 | 0.17以上 | 极个别使用 |
5、结束语
近悉，我国有关部门正在编制和陆续出台有关城镇污水处理厂污水污泥泥质的系列标准，其中包括污泥用于土地改良的泥质控制指标，这将有利于城镇污水污泥处理和处置目标的规范化、标准化，不但使污水污泥有效地防止污泥二次污染，而且促进其稳定化、减量化、无害化进而资源化，是节能减排的重要举措。
作者简介；张大群，天津水工业工程设备有限公司总经理,兼任国家城镇给水排水标准化技术委员会主任、国家水工业学会机电委员会副主任、国家建设部给水排水产品标准化技术委员会副主任、是享受国务院特殊津贴、天津市政府授衔专家。
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