不同干燥處理對(duì)城市污泥物理性質(zhì)和農(nóng)業(yè)利用的影響
行業(yè)動(dòng)態(tài)
污泥資源化利用的常用方法中，土地利用投資少、能耗低，運(yùn)行費(fèi)用低，其中有機(jī)物可轉(zhuǎn)化為土壤改良劑的有效成分，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，被認(rèn)為是較有前景的污泥處理處置方式，污泥農(nóng)用正在成為世界上各國(guó)主要的污泥處置方式，歐洲先進(jìn)國(guó)家農(nóng)業(yè)利用率占污泥總量的一半以上，美國(guó)、法國(guó)等主要國(guó)家超過60%。對(duì)于污泥農(nóng)用后的環(huán)境影響，國(guó)內(nèi)外都有不少的研究，一般認(rèn)為在一定限度內(nèi)施用污泥或其堆肥產(chǎn)品，不會(huì)污染農(nóng)作物，也不會(huì)對(duì)地表和地下水產(chǎn)生不良影響。
新鮮污泥的含水率太高（一般為80%～96%），給農(nóng)用造成運(yùn)輸困難、運(yùn)輸量大，或因脫水泥餅分散困難需借助機(jī)械設(shè)備支持田間操作，使該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中存在較多的困難。因此，脫水和干燥是污泥資源化利用的前提，而干燥后的狀態(tài)又對(duì)其資源化產(chǎn)生重要的影響。污泥干燥后通常結(jié)塊程度高，硬度大，較難粉碎，對(duì)污泥的后續(xù)利用產(chǎn)生影響。污泥在植物處理干燥、自燃干燥，塑料棚內(nèi)干燥和棚外干燥后，污泥的狀態(tài)、硬度、結(jié)塊程度等都有較大的差異，為進(jìn)一步了解污泥干燥后的物理性質(zhì)等的變化，本研究設(shè)置了污泥在不同處理下的干燥狀態(tài)差異的試驗(yàn)，以探討不同干燥方式下污泥顆粒分布狀況以及對(duì)農(nóng)用的影響，為城市污泥的農(nóng)用資源化提供科學(xué)依據(jù)。
1 材料與方法
1.1 試驗(yàn)設(shè)備
通風(fēng)塑料大棚：用鐵條和聚氯乙烯薄膜自行設(shè)計(jì)的敞開式塑料大棚，呈七面體，長(zhǎng)、寬和高分別為8m、5m和2m（頂部為等邊三角形，高0.8m）。
塑料框：購(gòu)于廣州塑料市場(chǎng)，長(zhǎng)、寬、高分別為0.50m、0.375m、0.29m。每個(gè)框底部均勻的鉆有洞，以達(dá)到可以漏水。
尼龍網(wǎng)布：孔徑為0.5mm，購(gòu)于廣州材料裝飾城，將網(wǎng)布剪成長(zhǎng)、寬分別為1m、0.5m和長(zhǎng)、寬分別為0.5m、0.4m的長(zhǎng)方形，面積分別為0.5㎡和0.2㎡，備用。
1.2 供試材料
供試污泥：廣州市大坦沙污水處理廠污泥。
供試材料的基本性質(zhì)如下：
| 材料名稱 | 含水率/% | 密度/（g/cm3） | 狀態(tài) | 顏色 |
污泥 | 80 | 1.0035 | 半固體 | 黑褐色 |
1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
在底部均勻鉆有小洞的塑料框的底面和四周用剪好的0.5mm孔徑的尼龍網(wǎng)布鋪好，然后小心向框內(nèi)放入污泥，放置污泥的量為50kg，約27cm高；另在空曠的地方放置三個(gè)底部未鉆洞的，大小和體積一樣的塑料框，用來接收降水，備用。
本試驗(yàn)設(shè)計(jì)三個(gè)處理，每處理設(shè)置三個(gè)重復(fù)，形成三處理三重復(fù)，各處理設(shè)置如下：
處理一（露天處理）：將裝好一定量的城市污泥的塑料框直接放置于露天的環(huán)境中，其上方無擋雨露的其余東西，使之可以完全接收自然降雨。
處理二（棚內(nèi)澆水）：將裝好一定量的城市污泥的塑料框放置于通風(fēng)防雨的塑料大棚內(nèi)，并且每次降雨后，澆與降雨量相同的雨水。
處理三（棚內(nèi)不澆水）：將裝好一定量的城市污泥的塑料框放置于通風(fēng)防雨的塑料大棚內(nèi)，試驗(yàn)期間不澆水。
試驗(yàn)從2007年9月11日開始，11月10日結(jié)束，持續(xù)進(jìn)行60d。
1.4 試驗(yàn)測(cè)定方法
城市污泥樣品的分析主要按照常規(guī)的分析方法：含水率采用烘干法，硬度采用土壤堅(jiān)實(shí)器測(cè)定，粒徑分布采用比重計(jì)法，污泥pH值采用水土比2.5：1混合后用pH計(jì)測(cè)定。
粒徑分布測(cè)定采用比重計(jì)法：
（1）用天平稱取簡(jiǎn)單壓碎的污泥50g置塑料瓶中，先加50mol/L的NaOH約30mL左右，用研棒研磨，使其分散呈糊狀。再加入20mLNaOH到塑料瓶中，再繼續(xù)研磨1min（主要目的是使污泥充分分散）。
（2）用燒杯裝去離子水將塑料瓶中分散處理后的土樣，少量多次地洗入1000mL量筒中，定容至刻度1000mL。
（3）先測(cè)定空白量筒中的液溫或室內(nèi)溫度，根據(jù)溫度查表，以確定不同粒級(jí)的沉降時(shí)間（實(shí)際上就是我們比重計(jì)讀取數(shù)據(jù)的時(shí)間）。時(shí)間確定后用攪動(dòng)桿攪動(dòng)懸液1min（上、下約30此，攪動(dòng)時(shí)不要將攪動(dòng)桿底板露出液面，以免產(chǎn)生氣泡影響讀數(shù)），然后立即記錄開始靜置時(shí)間，讀取比重計(jì)數(shù)據(jù)時(shí)，必須提前完成15～20s，將比重計(jì)輕輕地放入懸液中。靜置時(shí)間一結(jié)束，立即讀出比重計(jì)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過校正計(jì)算后就得出了所求粒級(jí)的土粒%含量。
（4）空白校正：另取一量筒加入試驗(yàn)所用的分散劑用量和去離子水定容至1000mL，與測(cè)定過程相同的溫度下，放下比重計(jì)，穩(wěn)定后，讀出水平面與比重計(jì)相交的讀數(shù)（在0點(diǎn)以上為負(fù)值，0點(diǎn)以下為正值），作為空白校正值（c）。
結(jié)果計(jì)算：
各級(jí)粒（%）=[讀數(shù)（R）—空白校正值（c）/烘干污泥樣（g）]×100
烘干污泥質(zhì)量=風(fēng)干污泥質(zhì)量/[1+水分%（烘干）]
1.5 數(shù)據(jù)分析
數(shù)據(jù)用Excel整理和作圖，采用SAS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行T檢驗(yàn)、方差分析和多重比較。
2 結(jié)果與分析
2.1 處理后城市污泥外觀
各處理后污泥的外觀有明顯的差異。棚內(nèi)澆水處理的污泥產(chǎn)生的裂縫較大，形成的裂塊也較大；而棚內(nèi)不澆水處理的污泥裂縫較多，裂塊較小，這可能是由于污泥干燥過程中的收縮量與其含水率有關(guān)。
露天狀態(tài)的污泥收縮明顯，分裂的碎塊小而均勻，說明太陽輻射和雨水對(duì)污泥干燥程度有影響。在實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，經(jīng)露天狀態(tài)和棚內(nèi)澆水處理的污泥顏色較棚內(nèi)不澆水的要深，這可能是因?yàn)榕飪?nèi)不澆水處理的污泥長(zhǎng)期處于干燥條件下，污泥干燥濃縮后的表面析出一層鹽分，而露天狀態(tài)和棚內(nèi)澆水的污泥分別由于雨水和澆水的沖刷和稀釋，表面的鹽分容易淋失和下滲。
處理后污泥形變表現(xiàn)為整體收縮，裂縫擴(kuò)大，各個(gè)裂塊相互排斥，這一現(xiàn)象是污泥干燥過程中特有的現(xiàn)象。通過對(duì)干燥后的污泥塊觀察發(fā)現(xiàn)，各個(gè)裂塊之間有許多絲狀纖維連接物，有的裂縫之間僅靠這種絲狀纖維連接，這些絲狀纖維的兩端在不同的裂塊中，由于裂塊內(nèi)部的干燥收縮造成裂塊變形，通過絲狀纖維使得裂塊相互連接，當(dāng)然，絲狀纖維并非裂塊相互靠攏的唯一原因。
太陽光中的紫外線會(huì)引起污泥中蛋白質(zhì)和氨基酸的變性。污泥中含有大量的微生物殘?bào)w，有機(jī)物質(zhì)含量高。污泥中的蛋白質(zhì)類物質(zhì)（如酪蛋白等）在紫外線的照射下，會(huì)遭到破壞。氨基酸中的色氨酸、胱氨酸、甲硫氨酸等在日光照射下，會(huì)因光分解而受到破壞損失。污泥中的油脂、脂肪酸脂也發(fā)生氧化。因此，造成了棚內(nèi)的的處理與棚外處理之間的差異。露天狀態(tài)處理的污泥要明顯松散，結(jié)塊程度較低。
2.2 處理后城市污泥物理指標(biāo)變化
60d后，與初始污泥相比較，各處理的污泥質(zhì)量、體積和厚度均有顯著下降，質(zhì)量均下降了50%以上，體積和厚度也都下降了40%以上?？梢娢勰嘣谕L(fēng)狀態(tài)下（不管是棚內(nèi)還是棚外）可以達(dá)到較好的干燥效果。
與初始污泥相比較，處理后污泥的含水率都有明顯的下降，各處理間都達(dá)到顯著水平（p=0.05）。其中棚內(nèi)不澆水污泥的含水率下降幅度大，比初始污泥下降了35.44%，而露天處理和棚內(nèi)澆水處理的污泥含水率比初始污泥分別下降了27.44%和21.75%。
就棚內(nèi)外三個(gè)處理間的比較而言，處理后污泥的質(zhì)量和厚度處理間沒有顯著差異，體積則是露天處理和棚內(nèi)不澆水處理顯著低于棚內(nèi)澆水，而污泥的堅(jiān)實(shí)度隨著水分的減少而成反比增加，不澆水處理顯著高于澆水處理。因此，從處理后所測(cè)的污泥各項(xiàng)指標(biāo)變化可以看出，棚內(nèi)澆水處理的干燥效率低，這可能是由于棚內(nèi)雖然有一定的增溫效果，但是通風(fēng)效果仍然沒有棚外的露天狀態(tài)好。
2.3 處理后城市污泥的pH和水堇種子發(fā)芽系數(shù)的變化
| 處理 | pH | 種子發(fā)芽系數(shù)/% |
露天處理 | 7.13 | 25±4.0ab |
棚內(nèi)澆水 | 6.48 | 44±1.8a |
棚內(nèi)不澆水 | 6.70 | 18±1.2c |
初始污泥 | 7.01 | 44±6.1a |
由上表可以看出，通過處理后，各處理的pH值有所變化，跟初始污泥的pH值比較而言，露天處理污泥的pH值有所上升，而棚內(nèi)處理的pH值都有所下降，這可能根塑料棚具有一定的過濾太陽光中的部分紫外光，使得棚內(nèi)的污泥的有機(jī)酸類物質(zhì)得不到足夠的紫外光來氧化和降解，而棚外的污泥在陽光作用下可以將有機(jī)酸類物質(zhì)基本降解，所以造成棚內(nèi)污泥pH值下降，而露天污泥則上升。棚內(nèi)澆水處理的污泥pH值要低于棚內(nèi)不澆水的污泥，這可以是由于澆的是雨水，而廣州地區(qū)的雨水通常是酸性的。
由上表還可以看出，各處理后污泥的種子發(fā)芽系數(shù)也變化各異。與初始污泥相比較，棚內(nèi)澆水處理的污泥的種子發(fā)芽系數(shù)沒有差異，這可能是由于棚內(nèi)澆水處理的污泥含水率較高，在一定程度上對(duì)污泥中的鹽分和有毒有害物質(zhì)起到稀釋作用，減少了對(duì)水堇種子的毒害。而露天處理和棚內(nèi)不澆水處理污泥的種子發(fā)芽系數(shù)要顯著低于初始污泥處理，其中棚內(nèi)不澆水和露天處理的污泥在處理后污泥的含水率低，鹽分和有毒有害物質(zhì)濃縮，造成對(duì)水堇種子的毒害較大，尤其是棚內(nèi)不澆水處理，由于長(zhǎng)期不澆水，水分蒸發(fā)后，污泥濃縮導(dǎo)致有害物質(zhì)毒性增大，鹽分濃度增加，污泥顏色變白。
2.4 處理后城市污泥粒徑分布情況
干燥后污泥的顆粒大小狀況對(duì)污泥的農(nóng)業(yè)利用有較大的影響。通過對(duì)不同干燥處理的污泥的過篩后，各粒級(jí)的分布差異很大。
露天處理后污泥粒徑大于10mm的含量要顯著低于棚內(nèi)澆水和棚內(nèi)不澆水處理，而相應(yīng)的粒徑5～10mm和小于5mm的污泥顆粒含量則是露天處理要顯著高于棚內(nèi)澆水和棚內(nèi)不澆水處理。這是由于露天處理的污泥暴露在環(huán)境中，受到雨水和日光等自然因素的影響，結(jié)塊程度低，形成的小顆粒污泥數(shù)量多，污泥較為松散。
2.5 處理后城市污泥水穩(wěn)性微團(tuán)聚體和粘粒分布情況
PAM（聚丙烯酰胺）是一種高分子聚合物，典型的PAM是水溶性的陰離子聚合物聚丙烯酰胺，分子量介于12～15mg/mol（即每個(gè)分子中含有150000單體單位），商業(yè)上它們是作為工業(yè)絮凝聚合物（可以加速固體從液體懸浮液中的分離，如在陰溝污泥脫水、采礦、造紙業(yè)、精制糖和果汁的分級(jí)）和動(dòng)物飼料制備的稠化劑。污水處理廠通常把PAM用于污泥機(jī)械脫水前的調(diào)理劑，可以大大改善污泥的脫水性能。但是，脫水后PAM幾乎全部殘留在脫水污泥中，使得污泥干燥后因PAM的強(qiáng)烈的粘性變得很硬，結(jié)塊程度高，不利于污泥干燥后粉碎及后續(xù)的資源化利用。
PAM降解后，由大分子生成許多低聚物以及丙烯酰胺單體，使PAM的粘度損失，根據(jù)PAM的降解與其粘度損失的正比關(guān)系，本試驗(yàn)通過對(duì)處理后的污泥用不同的分散劑（氫氧化鈉和蒸餾水）進(jìn)行分散試驗(yàn)，并計(jì)算出各級(jí)粒徑的分布情況，以間接反映各處理對(duì)污泥中PAM的降解情況。
通過氫氧化鈉的分散后，各處理污泥粒徑的各級(jí)分布有一定的差異，在污泥粒徑大于0.05mm部分所占的比例，各處理之間沒有明顯的差異；污泥粒徑在0.05～0.001mm范圍內(nèi)所占比例，露天處理要顯著高于棚內(nèi)澆水和棚內(nèi)不澆水處理，而棚內(nèi)2處理之間并沒有出現(xiàn)顯著差異；污泥粒徑小于0.001mm的粘粒所占的比例，則各處理間都出現(xiàn)顯著差異，所占比例由大至小依次為棚內(nèi)不澆水，棚內(nèi)澆水，露天處理。
通過蒸餾水的分散后，對(duì)各處理的各級(jí)粒徑所占比例進(jìn)行多重比較結(jié)果表明，小于0.001mm級(jí)的粒徑含量露天處理要顯著高于棚內(nèi)澆水和棚內(nèi)不澆水處理，其余各級(jí)粒徑各處理之間無顯著差異。
蒸餾水分散與氫氧化鈉分散相比較，總體趨勢(shì)一致，但各處理的各級(jí)粒徑含量都比氫氧化鈉分散的低，這可能因?yàn)闅溲趸c（堿性）有很強(qiáng)的分散作用，甚至可以打斷PAM結(jié)構(gòu)。不管是氫氧化鈉還是水分散后，各處理在各粒徑范圍內(nèi)所占比例的差異初步推斷與污泥中PAM的降解程度不一致有關(guān)。
根據(jù)土壤的粒徑和性質(zhì)的關(guān)系，卡慶斯基制將土壤中0.05～0.001mm的粒級(jí)成為粉粒（也稱物理性粘粒），小于0.001mm的粒級(jí)稱為粘粒，當(dāng)土壤中的物理性粘粒和粘粒多，土壤板結(jié)，不利農(nóng)業(yè)耕作。根據(jù)本試驗(yàn)研究，露天處理干燥的污泥中水穩(wěn)性團(tuán)聚體（在氫氧化鈉作用下容易分散，在水作用下穩(wěn)定的顆粒物）所占的比例大，對(duì)農(nóng)業(yè)利用有利；而棚內(nèi)不澆水處理的污泥中小于0.001mm的粒級(jí)（粘粒）所占比例大，農(nóng)用后易造成土壤板結(jié)。
3 結(jié)論
（1）污泥經(jīng)干燥處理后，會(huì)產(chǎn)生裂紋，并有收縮、結(jié)塊現(xiàn)象。其中，露天狀態(tài)處理的污泥明顯松散，且結(jié)塊程度較低。
（2）根據(jù)對(duì)各處理污泥粒級(jí)分布的分析得出，露天處理后污泥粒徑大于10mm的含量要顯著低于棚內(nèi)澆水和棚內(nèi)不澆水處理，而相應(yīng)的粒徑5～10mm和小于5m的污泥顆粒含量則是露天處理要顯著高于棚內(nèi)澆水和棚內(nèi)不澆水處理；根據(jù)對(duì)處理后污泥分散試驗(yàn)的結(jié)果，露天處理干燥的污泥中水穩(wěn)性團(tuán)聚體（在氫氧化鈉作用下容易分散，在水作用下穩(wěn)定的顆粒物）所占的比例大，對(duì)農(nóng)業(yè)利用有利；而棚內(nèi)不澆水處理的污泥中小于0.001mm的粒級(jí)（粘粒）所占比例大，農(nóng)用后易造成土壤板結(jié)。
