城市污泥中重金属的处理及污泥资源化利用现状

龙源期刊网城市污泥中重金属的处理及污泥资源化利用现状作者：熊科胜檀华蓉司雄元来源：《安徽农学通报》2017年第12期摘要：随着我国居民生活水平的提高和城市经济的发展，我国城镇污水处理设备的建设不断加强。在大规模的处理污水后，城市污泥中重金属的处理成为了污泥再次利用的主要问题。该文综述了城市污泥中重金属的形态分布及特点，并介绍了当前我国处理城市污泥重金属主要技术及其优缺点，最后对污泥处理技术及污泥应用进行了展望。关键词：城市污泥；重金属；处理技术中图分类号X703文献标识码A文章编号1007-7731（2017）12-0083-05Abstract：Withtheimprovementoflivingstandardsinourcountryandurbaneconomy，constructionofurbansewagetreatmentequipmentcontinuestostrengthen.Inlarge-scalesewagetreatment，thetreatmentofheavymetalinmunicipalsludgehasbecomeamajorproblemofsludgerecycling.Thispapersummarizedthedistributionandcharacteristicsofheavymetalsinthemunicipalsludge，andintroducedthecurrentmainprocessingtechnologiesofheavymetalinmunicipalsludgeandtheiradvantagesanddisadvantages.Theapplicationprospectsofmunicipalsludgetreatmentsanditsapplicationwerealsodiscussed.Keywords：Municipalsludge；Heavymetals；Processingtechnology在城镇污水处理过程中，活性污泥作为吸收污染物的载体而被大量使用。截至2016年3月底，我国城镇共计建成污水处理厂3910座，污水处理能力约1.67亿t/d[1]。在污水处理过程中会产成大量的污泥堆积，这些污泥如果得不到及时有效的处理，将会给环境带来严峻的污染问题[2]。目前对城市污泥的有效处理方法主要有填埋、焚烧、投海和农用，而填埋、焚烧和投海都会不同程度的再次带来环境污染问题[3]。由于城市污泥含有大量可以作为肥料的生物化合物和有机质，可以提高土壤的肥力[4]，污泥堆肥是目前研究的热门方向之一，也是城市污泥最有前景的处理方式之一，但其中的重金属污染难以去除[5-6]，是污泥堆肥最主要的障碍。1城市污泥中重金属含量和种类由于我国地幅广阔，且城市污泥的来源和种类均有所不同，所以导致城市污泥中重金属含量和种类差异较为明显。郭广慧等[7]统计了近8年的国内外文献报道的中国城市污泥重金属含量，结果表明，主要的超标金属有As、Hg、Cu、Cr、Zn、Cd、Ni和Pb，且不同金属在不同区域超标量有一定差异。邓炳波等[8]对合肥市5家污水处理厂中重金属进行了分析，结果表龙源期刊网明，各污水处理厂污泥重金属浓度各异，其中部分污水处理厂污泥中As、Cd超出农用泥质A级标准，但测得各污水处理厂污泥中各重金属浓度均低于GB/T23486-2009限值。林荣科等[9]对广西城镇污水处理厂污泥中重金属进行了分析，结果表明As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn的含量均满足CJ/T309-2009《城镇污水处理厂污泥处置农用泥质标准》的B级标准，可施用于相应农作物。刘亚纳等[10]研究了洛阳市3个污水处理厂污泥中Cu、Zn、Ni、Cr和Pb的含量，结果表明仅有1个污水处理厂污泥中Cu、Zn和Ni含量超过了农用泥质A级标准的限值（CJ/T309-2009）。张亚婧[11]选取了29个污泥样品对Hg、Cd、As、Pb、Cr、Cu、Ni、Zn进行了分析，结果表明不同的污泥样品具有较大的变化范围。王涛[12]汇总并分析了国内90个污水处理厂的污泥泥质数据，结果表明城镇污水处理厂的污泥泥质总体上是适合土地利用的，重金属风险由大到小排序为：Hg、Ni、Cd、Zn、Cu、Cr、Pb、As、B。古丽戈娜等[13]对喀什污水处理厂污泥重金属进行了分析，结果表明，污泥中Cd的含量较高，超出中国酸性土壤的农用标准，而Pb含量未超出农用标准范围。王哲等[14]对包头市污水处理厂污泥重金属进行了分析，结果表明Zn、Cu、Cr、Pb、Mn5种重金属均为低潜在生态风险，所以污泥经过适当处理可以比较安全地用于园林绿化当中。白莉萍等[15]对北京地区不同污水处理厂堆肥污泥的营养元素含量变化和重金属含量状况进行了研究，结果表明，A、B型堆肥污泥的重金属含量因污泥来源和年份而异。张丽丽等[16]对我国近30年来城市污水处理厂污泥中重金属分布特征和年代变化规律进行了分析，结果表明，近30年来城市污水处理厂污泥中Cd、Pb、Cr、As、Hg、Cu、Ni、Zn平均值或中位值虽然符合GB18918-2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》中污泥农用时重金属控制标准限值，但数据离散且呈偏态分布，所以其中部分污泥的Cu、Zn、Cr、Hg、Ni和Cd的含量依然超标，其中Ni、Hg和Cd超标倍数相对最高。2城市污泥中重金属的形态重金属的生物毒性不仅与其总量有关，更大程度上由其形态分布所决定[17]。关于重金属的形态分级，还没有统一的定义方法，目前重金属形态分级采用最广泛的方法是Tessier等[18]提出的可交换态、铁-锰氧化物结合态、碳酸盐结合态、有机物结合态和残渣态5种形态。不同形态的重金属迁移能力有所不同，具体表现为：可交换态碳酸盐结合态铁锰氧化态有机物结合态，残渣态比较稳定，几乎不迁移[19]。重金属的生物利用率与其迁移能力正相关，碳酸盐结合态和可交换态等迁移能力强、生物利用率高的形态称为有效态。有机结合态和铁锰氧化态迁移能力较弱，称为潜在有效态，但较容易转变为有效态。残渣态由于稳定性很强，生物利用率极低，所以又称为不可利用态[3]。BeataJanowska等[20]对污泥中Hg的形态进行了分析，结果表明虽然污泥中总Hg的浓度较高，但是其有效态含量不到总量的0.4%。邓炳波等[8]对合肥5个污水处理厂的污泥重金属形态进行了分析，结果表明不同污泥样品中各重金属元素形态分布呈现出不同规律，Cr、Cu和Pb较稳定，生物利用率较低；As的稳定性相对较差，生物利用率相对较高；Zn在污泥中稳定性最差，生物利用率最高；而Cd在不同污泥样品中的形态分布差异较大。Braga等[21]研究了6个污水处理厂污泥重金属形态与发酵产甲烷活性的关系，结果表明，Se、Zn、Ni和Fe在全部样品中均主要以有机物和硫化物形式存在，生物利用率很低；而Co和K主要以可交换态和碳酸盐态形式存在，生物利用率较高；而总Cr和总Pb的浓度很低，不会影响产甲烷活性。吴小卉等[22]利用SBR对城市污泥进行了生物沥滤，结果表明在生物沥滤后，污泥中Zn和Cu均以残渣态存在。邱明芳[23]对29个城市的污水处龙源期刊网、Cr和As的形态进行了分析，结果表明污泥中的Hg97%以上以残渣态存在，Cr和As存在的形态差别较大，但有效态比例均不足重金属全量的10%。3城市污泥重金属处理及污泥利用现状3.1城市污泥重金属的处理现状污泥的有效处理技术一直是世界各国持续关注的焦点。当前常用的处理方式包括填埋、焚烧、投海和农用等。我国当前研究的最主要处理方式是农用，由于对农用污泥中的重金属浓度有严格的控制，所以城市污泥中重金属的去除技术十分重要。目前对于污泥中重金属的常用处理技术主要有物理、生物、化学和联合技术处理。3.1.1重金属的物理处理技术物理处理技术主要是电动修复技术（electrokineticremediation，EK）。该技术是一项较新的重金属去除技术，其最大的特点在于高效廉价，安装简单，能够进行原位修复。其原理是向污染污泥两端施加电场，利用电场产生的电场力使污泥中重金属沿电场方向定向迁移，从而将重金属富集至固定区域后进行集中处理[24-25]。RongbingFu等[26]利用柠檬酸和聚天冬氨酸作为电解液修复被Cr污染的土壤，结果表明以柠檬酸作为电解液可以提高总Cr和Cr6+的去除率；而使用聚天冬氨酸只能提高Cr6+的去除率，总Cr去除率低是因为其将可交换态Cr转变为碳结合态Cr。樊光辉等[27]研究了电解时间、电解电压和污泥pH对重金属去除效率的影响。结果表明污泥pH越低，污泥中重金属溶解和解析就越彻底，去除重金属的效果就越好；电解时间越长，污泥中Pb、Cu和Zn的去除率越高，但从经济效益看，电解时间并不是越长越好，需综合考虑重金属的去除效率和处理成本；电场压力越大，污泥中重金属的迁移速度越快，其去除率就越高。电动修复技术的优势是处理时间短、对重金属去除率高，但是单次处理的污泥数量有限，与其他处理技术联合使用较多。3.1.2重金属的生物处理技术重金属的生物处理技术主要有生物淋滤技术和植物修复技术。生物淋滤技术是利用以氧化亚铁硫杆菌和氧化硫硫杆菌为主的细菌，通过细胞内特定反应，将污泥中重金属去除[28-29]。植物修复技术就是利用植物对重金属的富集作用来去除污泥中的重金属，使其转移到植物体内，并且植物自身不会受到影响[30]。张娟等[31]以实际污泥作为培养基质，培养驯化获得以优势嗜酸性硫杆菌群为主的菌落去除城市污泥中高浓度重金属，在硫粉投加量为4g/L、污泥回流比为50%、污泥浓度为4%、温度为30℃的条件下，生物淋滤系统pH值可降低至1.5左右，污泥中残留重金属Zn、Cu、Cr、Ni分别可降低至400、400、900和200mg/kg左右，且均主要以稳定形态存在。邱秀文等[32]从活性污泥中分离纯化得到一株嗜酸异养菌JJU-2，研究发现JJU-2菌株与氧化硫硫杆菌JJU-1联合作用去除污泥中的Cu、Ni、Cd和Cr效率分别为84%、96%、100%和71%。李桃等[33]以氧化硫硫杆菌为功能微生物，以S0为能源物质对不同污水处理厂干化污泥进行了生物淋滤研究，结果表明干化污泥中Cu、Zn、As、Cd和Cr的去除率分别达到23.69%～77.62%、89.67%～97.80%、30.24%～84.31%、18.18%～97.05%和28.55%～67.11%，而污泥有机质、全氮、全磷和全钾的损失率分别为3%、1%、44%和8%。该方法可以有效去除城市污泥中重金属，同时可以有效维持污泥中有机质含量。何芳芳等[34]研究了6种植物对Cu、Zn和Pb的去除效果，结果表明6种植物对Cu、Zn和Pb均有不同程度的去除效果，其中黄菖蒲对Cu的去除效果最好，菖蒲对Zn的去除效果最佳，水竹芋对Pb的去除效果最佳，综合考虑对3种重金属的去除效果，水龙源期刊网、Zn和Pb均有较高的去除率。宋力等[35]研究了荷花和睡莲对黑臭河道沉积物中重金属进的去除效果，结果表明荷花对沉积物中重金属平均去除率为20.42%，睡莲为18.23%，且种植睡莲和荷花后沉积物重金属含量呈减小趋势，经植物修复后沉积物中Cr、Pb和Ni的主要形态为残渣态，危害相对较小。Fiorentino等[36]利用芦竹修复被重金属污染的土壤，结果表明芦竹不仅能降低重金属Pb和Zn的全量，还能有效增加土壤中N、C有机物的含量。冉建平[37]研究了吊兰和蝴蝶梅对土壤中重金属的去除效果，结果表明吊兰对污泥中Cr和Cd的富集效果最好，蝴蝶梅对Zn和Cd的富集能力最强，但蝴蝶梅在35d之后出现了严重的生长异常，而吊兰的生长状况良好。重金属的生物处理技术优势是操作简单，运行成本较低，且对重金属去除效果较好