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城市污泥堆肥资源化过程与污染物控制机理研究

花莉  
【摘要】: 随着城市化水平的加快和城市污水处理率的不断提高,污水处理过程产生的污泥量急剧增加。然而,由于缺乏合理有效的管理方法和处理处置技术,大量城市污泥只能临时堆放,由此引起的二次污染给环境带来了巨大的危害。寻求合理的处理处置途径已成为世界各国亟待解决的热点问题。土地利用是目前公认的最有效的污泥资源化利用方式,然而污泥中大量存在的污染物限制了污泥的安全土地利用。论文针对目前污泥土地资源化和土地利用过程中存在的主要问题,重点开展了污水厂污泥污染物调查、污泥堆肥过程养分控制、重金属和有机污染物多环芳烃(PAHs)的生物解毒技术研究,探讨了生物质炭人为输入对污泥堆肥及堆肥污泥污染物迁移转化机制的影响,研究结果可以为城市污泥资源化利用过程中的污染控制及其技术研发提供理论依据。取得的主要结论有: (1)调查了浙江省境内12家具有典型性、代表性的污水处理厂剩余城市污泥中营养成分含量、主要污染物的浓度、分布特征、赋存形态,并对污染物进行了源解析。结果表明,浙江省城市污泥中氮、磷等营养物质和有机质含量比较丰富,具有良好的土地利用基础;污泥中重金属含量则普遍低于国家污泥农用安全限制标准(GB18918-2002),表明重金属已经不是阻碍其安全土地利用的主要限制性因素。然而,研究发现污泥中9种优先控制多环芳烃(PAHs)的总含量(∑9PAHs)均远远超过了欧盟规定的污泥安全农用建议标准,其中6家污水厂污泥苯并(a)芘含量超过了我国的污泥农用安全限制值,表明PAHs污染问题已经成为限制浙江省主要城市污泥安全资源化利用的重要因素,而工业污水的混入是城市污泥中PAHs含量超标的最主要因素。 (2)根据污泥中的主要污染物特性,利用好氧堆肥技术对污泥中的PAHs进行了生物解毒处理。研究结果表明,好氧堆肥是一种降低污泥中PAHs污染风险的有效措施。经过50天的堆肥处理后,污泥种所含的16种美国国家环保总局(USEPA)优先控制PAHs的总量(∑16PAHs)减少了79%左右,∑9PAHs含量从53.4mg·kg~(-1)下降到11.5mg·kg~(-1)。污泥中有机质的矿化和PAHs的去除存在显著的相关性,表明微生物的降解对PAHs的有效去除具有决定性的作用。原污泥存在的三种主要PAHs组分中,菲、二苯并(a)蒽和芴的去除率分别达到了92.8%、83%和30%,芴也是堆肥污泥中最难降解的PAH。堆肥过程对污泥重金属的生物有效性也有一定的抑制作用,堆肥结束后,重金属Cu、Zn可提取态含量均比堆肥初期有明显下降。 (3)针对在污泥堆肥过程中普遍存在的氮素损失严重及污染物解毒效率低的问题,以生物质炭为堆肥调理剂,研究了生物质炭输入对堆肥过程中氮素损失和污染物控制的影响。结果表明生物质炭输入可显著减少堆肥过程中的氮素损失。与对照相比,在添加9%竹炭的情况下,堆肥过程结束时的氮素损失下降了约64.1%。氮素损失率降低的主要机理是由于竹炭对氨的吸附作用。而堆肥过程的生物氧化作用促使竹炭表面酸性基团的数量增加,促进了与氨的螯合作用,对于提高竹炭的保氮效果有积极意义。此外,由于竹炭对重金属有较好的吸附能力,因此竹炭的添加亦能明显降低污泥中重金属的生物有效性。在堆肥结束后,与对照相比Cu和Zn的生物有效性分别下降了27.2%和8.2%。与此同时,PAHs的去除率也明显提高。与对照相比,添加9%竹炭的污泥堆肥结束后PAHs的去除率提高了15%。 (4)利用末端标记限制性片段长度多态性分析(T-RFLP)技术和平板计数法研究了竹炭添加对污泥堆肥过程微生物菌群结构的影响。结果表明生物质炭对微生物的生长具有很好的促进作用。有竹炭和无竹炭两个处理在堆肥各阶段微生物群落组成、数量和丰度呈现明显的差异。竹炭可以提供一个有较大表面积的多孔性疏水环境,增强了孔隙中微生物保护作用,并且竹炭富含对微生物生长有益的营养充分和微量元素。因此生物质炭添加不仅能明显促进堆肥过程细菌、真菌及放线菌的数量,而且有助于提供堆肥污泥中的微生物多样性。堆肥污泥产品施用到土壤中后能更好的增加土壤的微生物活性,提高土壤的生态功能,促进植物生长。同时,微生物生长情况的改善,也会加强PAHs降解菌的活性,提高堆肥过程中PAHs的降解效率。因此由于竹炭输入导致的微生物多样性的提高和微生物数量的增加对于堆肥污泥品质、提高微生物对污染物的降解能力有积极意义。 (5)以堆肥污泥为种植基质开展了盆栽实验,研究了生物质炭输入对堆肥污泥的肥效及污染物累积效应的影响。结果表明,堆肥污泥施用能够显著地改善土壤养分状况;但在较高的施用量情况下也会导致土壤重金属、PAHs残留量的增加,提高土壤盐分,增加土壤污染的风险。同时,堆肥污泥施用,也会增加植株体内的重金属和有机污染物的含量。相反,由于生物质炭对重金属和PAHs的吸持固定作用,降低了Cu、Zn的生物有效性和PAHs的迁移性,添加生物质炭的堆肥污泥对植物的毒害作用明显降低。与对照相比,生物质炭的输入可以提高离子交换能力,导致营养物质的缓慢释放及有机质的稳定化,从而有效促进植物对营养成分的吸收,并对土壤养分有一定的束缚作用,使其不易随灌溉水冲洗而流失,可以促进土壤中营养元素的保留。因此有生物质炭输入的堆肥污泥更有利于改善土壤性质,对植物的生长促进作用更为明显,甚至在高的施用量下,对植物生长的负面影响都比较小,生物质炭堆肥处理植株中Cu、Zn和PAHs的累积量均低于相应的对照相植株。但不同植物对土壤PAHs残留的影响也不同,种植黑麦草后土壤中残留的PAHs含量明显低于高羊茅。


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