城市污泥堆肥资源化过程与污染物控制机理研究

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，∑9 PAHs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。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

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致谢

第一章文献综述

1.1我国城市污泥产生与处置现状

1.2城市污泥的基本性质及主要污染物特征

1.3污泥处理处置技术及发展趋势

1.3.1卫生填埋

1.3.2焚烧处理

1.4污泥土地资源化利用的生态效应及存在的主要问题

1.4.1污泥土地利用对土壤环境及生物生长的影响

1.4.2污泥土地资源化利用中存在的主要问题

1.5污泥污染物的化学和生物控制技术研究进展

1.5.1污泥重金属无害化技术

1.5.2污泥中有机污染物的处理技术

1.6堆肥技术对污泥性质的影响及存在的主要问题

1.6.1堆肥过程对污泥无害化的作用

1.6.2堆肥过程对污泥微生物群落多样性的影响

1.6.3堆肥技术当前面临的主要问题

1.7生物质炭及其在农业环境中的研究进展

1.7.1生物质炭的稳定性

1.7.2生物质炭的养分持留作用

1.7.3生物质炭对缓解气候变化的作用

1.7.4生物质炭对改良土壤的作用

1.7.5生物质炭对降低农业面源污染的作用

1.8论文的研究意义、研究目标和研究内容

1.8.1研究意义

1.8.2研究目标

1.8.3研究内容

第二章浙江省城市污泥主要污染物调查与源解析

2.1引言

2.2试验材料与方法

2.2.1污泥采集地点分布情况

2.2.2污泥基本性质分析

2.2.3污泥中主要重金属浓度及形态分布分析

2.2.4污泥中16种USEPA优控PAHs测定

2.3实验结果与讨论

2.3.1污泥基本理化性质

2.3.2污泥重金属含量及化学形态

2.3.3污泥多环芳烃浓度及源解析

2.4本章小结

第三章城市污泥堆肥过程PAHS降解及重金属形态变化研究

3.1引言

3.2材料与方法

3.2.1堆肥原料

3.2.2污泥堆肥工艺

3.2.3采样及分析

3.3结果与讨论

3.3.1污泥堆肥过程中温度、pH值及种子发芽指数的变化

3.3.2污泥堆肥过程中全N含量的变化及有机质降解

3.3.3重金属形态在污泥堆肥过程中的转化

3.3.4污泥堆肥对PAHs的去除作用及机理分析

3.4本章小结

第四章生物质炭对城市污泥堆肥过程污染物的影响及机理研究

4.1引言

4.2实验材料和方法

4.2.1实验材料及堆肥处理

4.2.2相关堆肥工艺参数测定

4.2.3竹炭表面基团测定与吸附-解吸实验

4.2.4扫描电镜与红外光谱分析

4.2.5微生物计数

4.2.6末端标记限制性片段长度多态性分析

4.3结果与讨论

4.3.1竹炭输入对污泥堆肥过程温度和有机质的影响

4.3.2堆肥对竹炭表面基团的影响

4.3.3竹炭输入对污泥Cu、Zn有效态性变化的影响及作用机理

4.3.4竹炭输入对污泥堆肥保氮效果的影响及作用机理

4.3.5竹炭输入对污泥堆肥过程PAHs含量的影响

4.3.6竹炭输入对污泥堆肥过程微生物数量和多样性变化的影响

4.4本章小结

第五章生物质炭对堆肥污泥肥效及污染物控制的影响研究

5.1引言

5.2材料与方法

5.2.1实验材料

5.2.2盆栽实验设计

5.2.3测试项目及方法

5.3结果与讨论

5.3.1堆肥污泥施用对土壤性质的影响

5.3.2植物对堆肥污泥施用的生长响应及作用机理

5.3.3城市污泥重金属及有机污染物的环境效应评价及控制标准建议

5.4本章小结

第六章结论和展望

6.1主要研究结论

6.1.1城市污泥主要污染物调查与源解析

6.1.2城市污泥堆肥过程PAH降解及重金属形态变化研究

6.1.3生物质炭输入对城市污泥堆肥过程主要污染物的控制作用研究

6.1.4生物质炭对堆肥污泥肥效及污染物迁移性能的影响研究

6.2主要创新点

6.3研究展望

参考文献

作者简历及攻读博士期间发表的文章、专利及奖励