污泥的土地利用及其环境影响

污泥的土地利用及其环境影响乔显亮骆永明吴胜春摘要本文介绍了目前国内外污水污泥处置与利用的现状和趋势；重点综述了污泥土地利用的途径、利益、风险、管理以及我国近十年来研究进展；认为将稳定化、无害化、资源化处理的污泥作为一种有机肥料或土壤改良剂进行土壤利用，将成为我国污泥处置与利用方面很有应用前景的一种途径，但有必要开展污泥土地利用后污染物的环境行为、影响评价、控制管理等方面的长期研究。关键词污泥；处置；土地利用；环境影响污泥(SewageSludge或Biosolids)是污水处理厂对污水进行处理过程中产生的沉淀物质以及污水表面漂出的浮沫所得的残渣，简单地讲，污泥是污水中的固体部分。随着世界工业生产的发展，城市人口的增加，工业废水与生活污水的排放量日益增多，污泥的产出量迅速增加。据有关资料统计，目前美国所积累的干污泥总量已达1000万吨，欧洲各国总计达660万吨，日本为240万吨左右［1］。我国由于环境产业起步较晚，目前污水处理量和处理率虽然不高(4.5%)，但年产污泥量已达30万t(干重计)［2］。根据《中华人民共和国国民经济与社会发展的“九五”计划和2010年远景目标纲要》的要求，到2000年我国污水处理率要达到25%，那就意味着一年有几百万吨的污泥产量。大量积累的污泥，不仅将占用面积广大的土地，而且其中的有害成分如重金属、病原菌、寄生虫、有机污染物及臭气将成为影响城市环境卫生的一大公害。因此，妥善科学地处理处置污泥已是一个亟待解决的环境问题。1污泥的主要处置方式目前，污水污泥的主要处置方式有：填埋、投海、焚烧、土地利用。一般来说，各地区对于污泥处置方式的选择是根据本地区的地理环境、经济水平、技术措施、交通运输等因素而确定的，而且会随着公众认识的提高和兴趣的改变而发生变化。据王联［3］的资料统计，目前，美国污泥中有49%的生活污泥农用，35%填埋或丢弃，15%焚烧，其它方式只占1%；而日本填埋和焚烧却占污泥处置总量的82%，其它方式则较少。总体来讲，各种处置方法在实际的应用上都存在着一定的优点和限制条件。填埋处置存在以下问题，如合适的场地不宜寻找，污泥运输和填埋场地建设费用较高，填埋场容量有限，有害成分的渗漏可能会对地下水造成污染，填埋场的废气排放等。在发达国家，这种方法过去采用较多，但目前可供填埋的场地越来越少。大海投弃是利用海洋巨大的稀释和容纳能力来处理污泥。相对而言，这种途径操作起来比较简单，对于海岸城市来讲费用也较低。但是，随着生态环境意识的加强，沿海国家越来越关注污泥投海后对海洋生态环境可能存在的影响。美国于1988年已禁止向海洋倾倒污泥，并于1991年全面加以禁止。欧共体规定1998年以后禁止将污泥向大海投弃。日本也对污泥的海洋投弃作了严格的规定。中国政府在1994年初接受三项国际协议，承诺于1994年2月20日起不在海上处置工业废物和污水污泥［2］。这种趋势必然会引起污泥处置方式的很大转变，特别是对于那些过去污泥投海量较大的国家，更是给污泥的处置增加了很大的压力。焚烧是利用污泥中有机成分较高、具有一定热值等特点来处置污泥。但焚烧在过去一直存在着以下几个问题。1)投资和操作费用较高；2)计划实施较困难；3)焚烧产生的气体若控制不当可能会产生二次污染；4)污泥中的有用成分未得到充分的利用。土地利用被认为是最有发展潜力的处置方式。这种处置方式是把污泥应用于农田、菜地、果园、林地、草地、市政绿化、育苗基质及严重扰动的土地修复与重建等。污泥中含有大量的有机质和植物所需的营养成分，是有价值的生物资源，科学合理的土地利用，可减少其负面效应，使污泥重新进入自然环境的物质、能量循环中。林地、园林绿地施用污泥可促进树木、花卉、草坪的生长，提高其观赏品质，并且不易构成食物链污染的危害。因此，污泥的林地和市政绿化的利用是一条很有发展前途的利用方式。污泥还可以用于严重扰动土地的修复。严重扰动的土地是指各种采矿后残留的矿场、建筑取土排废用的深坑、森林采伐场、垃圾填埋场、地表严重破坏区等需要复垦的土地。这类土地一般已失去土壤的优良特性，无法直接植树种草，施入污泥可以增加土壤养分，改良土壤特性，促进地表植物的生长。这种方法也避开了食物链，对人类生活潜在威胁较小，既处置了污泥，又恢复了生态环境，是一种很好的利用途径。但是，污泥的土地利用需要具备的一个重要的条件是：其所含的有害成分不超过环境所能承受的容量范围。污泥由于来源于各种不同成分和性质的污水，一般不可避免地含有一些有害成分，如各种病原菌、重金属和有机污染物等，这都在一定程度上限制了污泥在土地利用方面的发展。因此，污泥利用前一般需要经过一定的无害化处理，来降低污泥中易腐化发臭的有机物，减少污泥的体积和数量，杀死病原物，降低有害成分的危险性。此外，污泥还有其它几种处置利用方式，如炼油，作建材等，但都未得到广泛采用。2土地利用2.1用于土地的污泥稳定化和无害化方法目前，稳定的方法有：好氧消化、厌氧消化、堆肥化、双消化、以及加石灰或氯气等。堆肥化处理是其中最常用的。将污泥与调理剂(如秸秆、锯末、树叶、粪便、垃圾等)及膨胀剂(木屑、秸秆、树叶、花生壳、玉米芯等可增加污泥与空气接触的成分)在一定的条件下(如pH、C/N、通气、水分、温度)进行好氧堆沤，即是污泥的堆肥化，其产物也叫生物固体(Biosolids)。污泥经堆肥化后，病原菌、寄生虫卵、杂草种子等几乎全部被杀死，挥发性成分减少，臭味减低，重金属有效态的含量也会降低，速效养分含量有所增加，污泥成为一种比较干净而且性质比较稳定的物质。随着污泥处理技术的发展，污泥堆肥化的工艺也在不断发展更新，从原始的厌氧发酵、自然通风发酵，逐渐发展到现代的机械通风、高温好氧发酵法。污泥中的养分一般对于植物吸收来讲不太平衡，因此，有人尝试在污泥堆肥中补充一些含量较低的元素，进行搭配，制成复合堆肥后使用，发现效果更好［4，5］。80年代，美、英、澳等国家开发了一种污泥处理的新方法——西蒙-N-Viro法。其过程为：首先用螺旋搅拌器把固体含量18%以上的污泥饼和特定的碱性掺合剂进行适当混合，使之变为泥土状易拿的碱性稳定的浓缩污泥。当浓缩污泥pH值超过12时，利用碱性掺合剂的放热反应，使整体温度升至52℃以上，并保持12小时，再间歇吹入干燥空气或用其它干燥方法(保持pH12)直到污泥的干燥度达到50%。处理后，可以杀死绝大部分病原菌，而且高pH也降低了重金属的溶解性。此外，还有良好的物理特性，没有恶臭或臭味极低，贮存稳定，外形美观，易处理和利用等优点。由于其具有高pH的特点，不宜使用于原来pH已较高的土壤。针对我国来讲，南方有大面积的酸性土壤，其中一些地区长期以来靠使用石灰来调节土壤的pH，若采用这种方法处理的碱化污泥，可达到施肥和改良土壤的双重目的。因此，在我国应是一种有发展前途的技术。2.2污泥土地利用的利益污泥中含有丰富的植物所需的各种养分，施入后，会明显地增加土壤氮、磷养分［6］，并能有效地向植物提供养分，减少化学肥料的施用量，从而可降低农业生产的成本。郭媚兰等对太原市污泥所做的肥效试验表明，污泥肥效相当于优质的农家肥［7］。污泥中的有机物质可以改善土壤的物理性质。周立祥等在苏州的试验表明，使用生活污泥可以明显改善土壤的结构性，使土壤的容重下降，孔隙增多，土壤的通气透水性变好［2，6］。郭媚兰的研究也发现，随着污泥及污泥堆肥用量的增加，土壤可供植物吸收的氮、磷等营养成分和有机质含量相应递增，污泥或污泥堆肥的施用不同程度地提高了土壤的田间持水量［8］。污泥还能提高土壤的阳离子代换量，改善土壤对酸碱的缓冲能力，提供养分交换和吸附的活性位点，从而提高土壤保肥性。此外，污泥还能够改变土壤的生物学性状，使土壤中微生物总量及放线菌所占比例增加，土壤的代谢强度提高［9］。2.3污泥土地利用的风险2.3.1盐分一部分含盐量高的污泥会明显提高土壤的电导率，过高的盐分会破坏养分之间的平衡，抑制植物对养分的吸收，甚至会对植物根系造成直接的伤害。离子之间的拮抗作用也会加速有效养分如K＋、NO-3、NH＋４等的淋失。一般地，堆肥化会明显降低盐分，提高污泥的适用性。2.3.2病原物未经处理的污泥中含有较多的病原微生物和寄生虫卵［10］。在污泥的应用中，它们可通过各种途径传播，污染土壤、空气、水源，并通过皮肤接触、呼吸和食物链危及人畜健康，也能在一定程度上加速植物病害的传播。前面提到的堆肥化处理和西蒙-N-Viro法均可有效地杀死绝大部分病原菌。此外，辐射处理、巴氏灭菌法也是较常用的灭菌处理。至于厌氧消化、干燥法及超声波处理等虽也有一定的杀菌效果，但常因杀菌不完全或其它缺点，不如上面几种方法常用。2.3.3重金属重金属是限制污泥大规模土地利用的最重要因素。污泥虽然会因其污水来源不同，成份存在一定差异，但一般都或多或少含有一定量重金属。一般地，生活污水污泥养分较高，重金属主要以Zn、Cu为主，其他金属含量较低。我国城市大量使用镀锌管道，因此，生活污水污泥中含有较高的Zn。工业污水污泥则因不同行业排放的污水成分不同而不同。如皮革行业污水中含较高的Cr，电镀污水中含较高的Cd，冶炼制造行业含较高的Pb塑料行业含较多的Hg。这些重金属随污泥进入土壤，就可能对环境造成一定的危害。因此，应该尽可能地减少其在污泥中的含量。但重金属不象有机物可以通过降解除去。而且，重金属一般溶解度很小，在污泥中性质较稳定，较难除去。目前，主要通过化学和生物学两种方法来降低污泥中的重金属含量。化学方法就是利用H２SO４、HCl、HNO３、EDTA等化学物质从污泥中提取重金属，但此法存在投资费用高、操作困难、需大量的强酸和生石灰等问题，使之难于得到广泛应用。生物学法是利用细菌循环还原-氧化S，使重金属的难溶硫化物转变成可溶性硫酸盐而滤出污泥系统。相对于化学提取法，该方法提取率较高(可达90%)，且投资费用低，易于操作，因此，生物学法具有较为乐观的应用前景。2.3.4氮磷等养分污泥中通常含有丰富的N、P等各种养分，如果在降雨量较大地区的土质疏松土地上大量施用，有机物分解速度大于植物对N、P的吸收速度，就很可能会随水流失，进入地表水体造成水体的富营养化，进入地下引起地下水的硝酸盐污染。养分的迁移是一个需长期监测研究的工作。2.3.5有机污染物一些生产部门排放的污水中含有一定的有机污染物，如聚氯二酚、多环芳烃以及农药的残留物。这些物质在污水和污泥的处理过程中会得到一定程度的降解，但一般难以完全除去，在污泥的使用时还需考虑其可能产生的危害。国外学者对此研究较多，国内还罕见这方面的报道，需要进行研究。3我国在污泥土地利用方面的研究进展我国污泥土地利用很早就开始了，如1961年北京高碑店污水处理厂的污泥大多被当地的农民施用于土地［11］。接下来几十年，我国污水处理事业飞速发展，污水处理厂已由当时的几家发展到现在的300多家，相应的污泥年产量已达30多万吨。关于污泥农用的研究，经过“七．五”、“八．五”、“九．五”几个阶段的努力，已经有几十家研究单位正在进行，就污泥的肥效、科学施用，污泥有害成分的潜在威胁及其防治对策等方面做了一定的工作。3.1提高土壤肥力，保进植物生产，营造生态环境污泥中含有机质和多种植物所需的养分，施用污泥后，对土壤物理、化学及生物学性状有一定的改良作用。污泥中的有机物质可明显改善土壤的结构性，使土壤的容重下降，孔隙增多，土壤的通气透水性和田间持水量提高［2，6］，从而改善土壤的物理性质。施用污泥可提高土壤的阳离子代换量，改善土壤对酸碱的缓冲能力，提供养分交换和吸附的活性位点，从而提高土壤保肥性［8］。污泥中丰富的各种养分，明显地增加土壤氮、磷养分，并能有效地向植物提供养分［6］，减少化学肥料的施用量，从而可降低农业生产的成本。此外，污泥使土壤中微生物量增加和代谢强度提高而改变土壤的生物学性状［9］。施用污泥对粮食、蔬菜均有一定的增产效果［2，12］。钟熹光和吴启堂的研究表明，污泥用于养分水平较低的砂质土效果较好；施用于生长期较长的块根类作物的增产效果比茎叶类、果实类作物更显著［13］。郭媚兰等对太原市污水