2 0 1 7年3月 沈阳建筑大学学报(自然科学版) Journal of Shenyang Jianzhu University(Natural Science) Mar. 2017 第33卷第2期 Vo1.33.No.2 文章编号:2095—1922(2017)02—0371—07 doi:10.11717/j.issn:2095—1922.2017.02.22 沈阳某污泥堆放场地贮存污泥性质分析 黄殿男,谭 杰,李 微,赵玉君,傅金祥,于鹏飞,张贺凯 (沈阳建筑大学市政与环境工程学院,辽宁沈阳110168) 摘要目的探明随着填埋时间的延长贮存污泥物理化学性质变化规律.方法通过 对沈阳市某污泥堆放场地不同填埋时间的4#、6#、10#三个污泥储坑采样分析,检测 污泥含水率、pH值、有机质质量分数、TN、TP和重金属形态及质量分数等指标,并与 于沈阳市北部污水处理厂新鲜污泥性质对比.结果试验结果表明4#、6#和10#贮存 污泥的含水率为分别为76.O1%、75.06%和82.17%;pH值分别为7.89、8.79和 8.72;有机质质量分数分别为37.8%、36.4%和42.0%;TN、TP质量分数在 1.57%一2.23%和2.28%~3.96%.重金属中Cu质量分数达0.81%o,超过《城镇污 水处理厂污泥处置农用泥质》(CJ/T 309--2009)标准中A级污泥最高含量限值. 结论随着填埋时间延长,有机质含量降低;重金属残渣态百分含量增多,可交换态百 分含量减少. 关键词贮存污泥;理化性质;有机质;重金属 中图分类号X708 文献标志码A Properties of the Stored Sludge in a Municipal Solid Waste Landfill in Shenyang HUANG Diannan,TAN Jie,LI Wei,ZHA0 rujun,FU Jinxiang,YU Peng— fei,ZHANG Hekai (School of Municipal and Environmentla Engineering,Shenyang Jianzhu University,Shenyang,China,110168) Abstract:The aim of this study is to investigate the changes of physical and chemical properties of sludge in a municipal solid waste landfill in Shenyang.The sludge was sampled in 4挣.6撑and 1 O挣 sludge storage pit.The results showed that Water content of sludge in 4#.6#and 10#were 76.01%,75.06%and 82.17%,;pH value 7.89,8.79 and 8.72,respectively;organic matter con— tents were 37.8%。36.4%and 42.O%:TN。TP content of 1.57%~2.23%and 2.28%一3.96%. Heavy metals CU content of 0.8 1%0.more than the highest content in“A standard of sludge dis— posal in urban sewage treatment plnta lndfia11 mixed wih mud—tfarm argillaceous”(CJ/T 309— 2009).Wih ltandfill prolonged,the organic content decreased and residual heavy metal percentage content increased.however。exchangeable percentage content reduced. 收稿日期:2016—03—30 基金项目:国家水体污染控制与治理科技重大专项(2014ZX07202一O11);沈阳建筑大学青年基金项目 (2015010);辽宁省教育厅科学研究项目(LJZ2016028);辽宁省博士科研启动基金项目 (201501069);沈阳建筑大学博士后基金项目(SJZUBSH201625) 作者简介:黄殿男(1983一),女,副教授,博士,主要从事污泥处理处置研究. 372 沈阳建筑大学学报(自然科学版) 第33卷 Key words:stored sludge;physical and chemical properties;organic matter;heavy metal 近年来,城市污水污泥排放量逐年增加. 据统计,到2015年,全国每年湿污泥(含水率 80%)产量达3 359万t.《城镇污水处理厂污 泥处置混合填埋用泥质》(GB/T 23485— 2009)和《城镇污水处理厂污泥处置一农用 泥质》(CJ/T 309--2009)标准中明确规定将 污泥进行填埋或农用时,含水率必须低于 60%l1 J.但目前大部分污水厂通过常规机 械脱水后,污泥的含水率都在80%左右,远 远达不到上述要求 。 .该类污泥通常从污 水处理厂排出后直接简易堆置或填埋于自然 环境中 ¨.而污泥属于生物活性固体,在 长期填埋贮存过程中,会发生自然降解过程, 其理化性质和污染特征会发生系列改变,增 大该类污泥的处理处置难度. 目前国内外针对污泥的研究多集中于污 水处理厂内剩余污泥展开,对于受环境扰动 的长期贮存污泥性质研究较少.同济大学赵 由才和河海大学的张春雷等 H 分别对上 海老港填埋场和江苏省某污泥简易填埋场内 污泥的物理化学性状变化进行了分析研究. 赵由才等将污泥填埋场视为一个大的厌氧生 物反应器,采用自制污泥填埋场模拟单元,研 究了不同性质污泥在填埋场中稳定化过程, 以及填埋过程污泥有机质、粒径、pH、TOC和 脱氢酶活性等指标变化,研究发现随着填埋 时间的增加,污泥稳定化程度不断提高,植物 毒性降低.张春雷等研究发现简易污泥填埋 场中主要污染类型为有机污染,填埋污泥的 渗透系数为10~cm/s,水分排出困难. 上述研究均表明随着填埋时间的增长, 污泥各指标均出现不同程度变化,但是对于 北方严寒地区填埋场贮存污泥性质的分析少 有报道.由于缺乏对此类污泥性质的系统研 究,制约了其后续处理处置技术的优选和污 染场地施工的合理设计.基于此,笔者以沈阳 市某污泥堆放场地贮存近10年的污泥为研 究对象,分析其含水率、pH、有机质质量分 数、总氮、总磷等营养元素含量以及重金属形 态及含量等指标,并选取沈阳市具有典型性 和代表性的沈阳北部污水处理厂机械脱水后 新鲜污泥做对比,分析贮存污泥和新鲜污泥 各自理化性质,研究随着填埋时间的增长,贮 存污泥理化性状及有毒有害物质形态含量变 化规律,为其后续合理处理处置和场地修复 提供理论参考. 1 污泥堆放场地概括 该污泥堆放场位于沈阳市东陵区祝家 镇,2007年5月正式投入使用.运行期间每 日接收来自于沈阳市各市政污水处理厂(主 要包括北部污水处理厂、仙女河污水处理厂、 沈水湾污水处理厂、西部污水处理厂等)排 放的污泥.其中包括污水处理厂脱水后80% 含水率的污泥和初沉池栅渣等废物.该污泥 储坑厂区总占地面积约为31.2 hm。,场区西 高东低,南北长约780 m,东西宽约400 m.场 内共有1 1个大小不等的污泥储坑,污泥总量 达150万t. 2试验材料与方法 2.1污泥样品采集 笔者于2014年9月进行现场取样和调 研.依据现场污泥储坑实际情况和样品的代 表性,基于填埋时问顺序调研分析,对填埋前 期(4#)、中期(6#)和后期(10#)不同填埋时 问污泥样品进行采样,所有样品于密封袋中 避光保存.样品取回后存放于4℃冰箱内, 取回当日测得污泥的含水率和有机质质量 分数.同时测定污泥pH值、总氮、总磷、重 金属形态和质量分数等指标.污泥样品在避 光处自然风干后剔除其中杂质和石块等废 物,用研钵磨碎后过筛,放入4℃冰箱冷藏 待用. 第2期 黄殿男等:沈阳某污泥堆放场地贮存污泥性质分析 373 2.2主要材料、试剂和仪器 试验用污泥分别取自沈阳某污泥堆放场 内4#、6#和10#坑,以及沈阳北部污水处理厂 污泥脱水车间. 试验主要试剂:30%双氧水、浓硫酸、 硼酸、过硫酸钾、碘化钾、碘化汞和钼酸铵等. 试验主要仪器:BPG一9070A电热 鼓风干燥箱(上海实业有限公司);SP一 752型紫外可见分光光度计(上海光谱仪器 有限公司);Seveneasy¥20型精密pH计(瑞 士TOLEDO公司);YX—HF马弗炉(上海 娥江仪器);HITACHIZ一5000原子吸收光谱 仪(日立公司). 2.3主要指标和分析方法 污泥pH:取l0 g污泥样品于小烧杯中, 加入25 mL去离子水,用玻璃棒剧烈搅动 1~2 min,静置30 min后用pH计测定污泥 上清液的pH值.污泥总磷:取污泥样品0.2 g,在450℃的马弗炉中高温灼烧3 h,剩余的 残渣中加入20 mL浓度3.5 mol/L的HC1, 室温震荡16 h.所得上清液用磷钼蓝法测定 磷质量分数.污泥总氮:采用碱性过硫酸钾一 紫外分光光度法.污泥有机质:采用灼烧法. 污泥中重金属各形态质量分数测定:采样改 进BCR法 提取后用HITACHIZ一5000原 子吸收光谱仪测定.污泥细菌总数测定:平皿 计数法.为保证实验数据的准确性,所有样品 指标平行测定3次,取其平均值. 3结果与分析 3.1含水率、pit和有机质质量分数变化 该污泥堆放场污泥和沈阳市北部污水处 理厂新鲜污泥的含水率、pH和有机质质量分 数的测试结果如图1、图2所示. 3.1.1污泥中含水率变化 从图1可以看出4拌、6#和10#坑污泥含 水率分别为76.01%、75.06%和82.17%,沈 阳市北部污水处理厂新鲜脱水污泥含水率为 81.92%.4#和6#坑污泥含水率小于新鲜污 泥,造成上述现象的原因主要是由于4#和6# 坑填埋使用时间较久,长期露天放置,受日照 和自然蒸发等气象因素影响,导致贮存污泥 含水率降低.而10#坑由于填埋贮存时间较 短,受自然气象因素扰动变化较小,且其堆体 表面积小于4#和6#坑,不利于其水分蒸发, 因此10#坑污泥含水率与沈阳北部污水处理 厂新鲜脱水污泥含水率较为相近. 100 80 堡60 40 2O 0 样点位置 图1贮存污泥和北污新鲜污泥含水率和有机质 质量分数对比图 Fig.1 Comparison of water content and organic matter content between stored sludge and fresh sludge 3.1.2污泥中pH变化 试验测得4#、6#和10#坑pH值分别为 7.89、8.79和8.72,而沈阳北部污水处理厂 新鲜脱水污泥pH值为6.95(见图2).研究 发现,与新鲜脱水污泥相比,长期堆放贮存时间 较长的污泥呈弱碱性,原因一方面可能是由于 填埋储坑中污泥处于厌氧消化产甲烷阶段,随 着产甲烷菌合成甲烷的过程中,污泥中的有机 酸不断被消耗,造成污泥pH值升高;另一方面, 该储坑在填埋过程中由于地方为治理 恶臭,人为添加大量漂白粉,而漂白粉中的主 要成分次氯酸钙在遇水水解,大量氢氧根离子 游离,也是造成填埋坑内污泥呈碱性的重要 原因. 374 沈阳建筑大学学报(自然科学版) 第33卷 4# 6# 10# 北拧 样点位置 图2贮存污泥和北污新鲜污泥pH对比图 Fig.2 Comparison of pH between stored sludge and fresh sludge 蠡 删 3.1.3污泥中有机质质量分数 6 5 4 3 从图1可以看出,从4# ̄lJ 10#,污泥中有 机质质量分数逐渐增大.其中沈阳北部污水 处理厂新鲜脱水污泥有机质质量分数最高为 50.86%,4#、6#、10#坑污泥中有机质质量分 数分别为37.8%、36.4%和42.0%,远低于 沈阳市污水处理厂污泥有机质质量分数平均 值54.3%¨ .研究结果表明随着填埋时间的 增长,污泥自身发生厌氧消化反应,污泥中有 机质被分解,质量分数呈降低趋势,且填埋时 间越长,有机质分解的越多. 3.2 总氮和总磷质量分数变化 为了进一步研究该类污泥后续资源化利 用潜力,对其中营养元素TN、TP质量分数进 行了分析.贮存污泥和北污新鲜污泥中TN、 TP质量分数如图3所示.试验结果表明三个 污泥储坑中污泥TN质量分数在1.57%一 2.23%,TP质量分数在2.28%~3.96%.其 中填埋场中TN质量分数小于沈阳北部污水 处理厂新鲜污泥TN质量分数(4.89%)和我 国城市污泥中总氮平均质量分数 (2.96%) .研究结果表明随填埋时间的增 长,污泥中氮素流失,质量分数逐渐下降.TP 质量分数与新鲜污泥中差异并不显著,与全 国城市污泥中TP平均质量分数水平相 当 .由于填埋初期的初始质量分数较高, 所以污泥中TN、TP质量分数仍旧远远高于 一般土壤的TN、TP质量分数.因此贮存污泥 较高质量分数的N、P有利于作为土壤改良 剂或园林绿化用土. 1 O 4# 6# 1O# 北行 样点位置 图3贮存污泥和北污新鲜污泥TN、TP质量分 数对比图 Fig.3 Comparison of concen ̄ations of TN and TP between stored sludge and flesh sludge 3.3重金属形态及质量分数变化 3.3.1 污泥中重金属质量分数变化 对贮存污泥和北污新鲜污泥中重金属 (Cu、zn、Pb、Ni)质量分数进行分析,分析结 果如图4所示. 0.9 O_8 O.7 0.6 0.5 蚓 莲o. 州 0.3 O.2 0.1 0 4样 6# 1O# 北污 样点位置 图4不同采样点污泥中重金属质量分数 Fig.4 Comparison of concentrations of heavy metals between stored sludge and fresh sludge 2 第2期 黄殿男等:沈阳某污泥堆放场地贮存污泥性质分析 375 从图中可以看出,各样点污泥中Cu、Zn 中各重金属形态质量变化可以看出,与新鲜 污泥相比,污泥中可交换态比例减小,残渣态 比例增多.其中重金属Pb、Ni表现尤为明显. 北污新鲜污泥中可交换态Pb质量占总量的 质量分数较高.新鲜污泥中Cu、Zn质量分数 最高,分别达0.81%o和0.82%o,其中Cu质量 分数超过《城镇污水处理厂污泥处置一农用 泥质(CJ/T 309--2009)》标准中A级污泥最 高质量分数限值(0.50%0).贮存污泥中Cu、 Zn质量分数低于新鲜污泥,其质量分数分别 介于0.57%o~0.62%o,0.41%o~0.60%o.Cu 84.5%,而在堆放场4}}、6样和10#坑中贮存污 泥中未检出.相反,新鲜污泥中残渣态Pb质 量占总量的3.7%,而堆放场4#、6#和10#坑 中贮存污泥中残渣态Pb比例分别增至 64.2%、17.3%和14.3%.Ni在不同污泥储 坑和新鲜污泥中各形态变化也表现为相似趋 势,北污新鲜污泥中可交换态Ni质量占总量 的57.3%,堆放场4#、6}}和10#坑中可交换 态Ni分别降至未检出、24.0%和20.8%.新 超标率较高,最高超标0.25倍.Pb、Ni质量 分数不超标,且各样点之间质量分数差异不 显著. 3.3.2污泥中重金属形态变化 笔者对贮存污泥和北污新鲜污泥中重金 属(Cu、Zn、Pb、Ni)4种形态进行分析,结果 如图5所示.对比不同污泥储坑和新鲜污泥 100 鲜污泥中残渣态Ni质量占总量的2.5%,而 堆放场4#、6#和10#坑中贮存污泥中残渣态 加 0 lOO ∞ 堡 蒌60 面唧 瞧 目残渣态 四可氧化态 啊可还原态 塞 。 罂 誓 o 目残渣态 厨可氧化态 田可还原态 日可交换态 誓40 誓 u 圈可交换态 2O 0 6# 1O# 北污 4# 6# 10# 北污 样点位置 (a)Cu lOO 样点位置 (h)Zn 80 熹 删 目残渣态 圈可氧化态 衄可还原态 熹 倒 目残渣态 目可氧化态 岫可还原态 圈可交换态 越 日可交换态 Z 磐 山 20 2O O 0 6# 10# 北污 6# 1O# 北污 样点位置 (c)Ni 样点位置 (d)Pb 图5不同采样点污泥中各重金属不同形态质量分数 Fig.5 Heavy metal speciation in different sampling sites 376 沈阳建筑大学学报(自然科学版) 第33卷 Ni质量分数分别增至32.7%、13.0%和 12.7%.各样点残渣态Pb、Ni占总量质量分 数大小表现为4#>6#>10#>北污. 上述研究结果表明长期久置污泥中重金 属各形态质量分数会发生转化.其中可交换 态重金属在环境中最活泼,易于迁移转化,具 有较强的生物活性,潜在环境风险最高.通过 长期贮存,环境中此部分形态存在的重金属 质量分数降低.残渣态多是指重金属被包含 在原生矿物和次生硅酸盐矿物晶格中的部 分,性质十分稳定,对重金属的迁移和生物可 利用性贡献不大 J,表明填埋场中污泥重金 属得到了有效固定,迁移性降低,环境风险减 小. 3.4细菌总数变化 笔者对贮存污泥和北污新鲜污泥中细菌 总数进行分析测试,测试结果见表1.从细菌 总数检测结果来看,贮存污泥和新鲜污泥中 细菌总数并无显著差异,说明长期贮存对污 泥细菌总数没有明显的影响. 表1不同采样点污泥中细菌总数 Table 1 Comparison of bacteria number between stored sludge and fresh sludge 样点 细菌总数/(个・g一) 4# 7.8×10 6# 1.9×10 10# 6.4×10 北污 4.8×10 4结论 (1)堆放场中污泥经长期贮存后,pH升 高至7.89~8.79,呈弱碱性.有机质质量分 数显著降低,最低降至36.4%,远远小于新 鲜污泥中有机质质量分数(50.86%),含水 率变化不显著. (2)堆放场中污泥总氮质量分数低于新 鲜污泥,表明随填埋时间的延长,污泥中氮素 较易流失.但污泥中TN、TP质量分数仍远远 高于一般土壤的TN、TP质量分数,表明该类 污泥具有较高的资源化利用潜力. (3)堆放场中重金属Cu超标,最高超标 0.25倍。堆放贮存后污泥中重金属总量小于 北污新鲜污泥.堆放场中污泥中可交换态降 低,残渣态增多. (4)堆放场中污泥细菌总数和新鲜污泥 没有显著性差异. 参考文献 [1] 中国国家标准化管理委员会.城镇污水处理 厂污泥处置一混合填埋用泥质:GB/T 23485--2009[S].北京:中国标准出版社, 2009. (Standardization Administration of China. Standard of sludge disposal in urban sewage— treatment plant—land fill mixed with mud:GB/ T 23485--2009[s].BeOing:China Standards Press,2009) [2] 中国国家标准化管理委员会.城镇污水处理 厂污泥处置一农用泥质:CJ/T 309--2009 [S].北京:中国标准出版社,2009. (Standardization Adminisrtaifon of China. Stnadard of sludge disposal in urban sewage rteatment plnat—・land fill mixed with mud--Farm ragillaceous:CJ/T 309--2009[S].Seijing: China Stnadards Press,2009.) [3] 邵立明,顾伟妹,徐华成,等.脱水污泥生物干 化及产物农用性质评价[J].农业环境科学学 报,2011,30(11):2379—2383. 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