污水处理厂污泥处理过程中的潜在危害分析

分析了城市污水处理厂污泥的成分和特点，污泥处理处置现状及其对环境造成的污染状况；简述了污泥中盐分、病原微生物、氮磷等营养物质、有机污染物、重金属等物质对环境以及动植物可能造成的危害问题；指出我国现存的污泥处理处置方式带来的潜在危害，并提出避免污泥转移处理过程中造成的潜在危害的对策和思路；还对污泥处置的相关费用进行了简单分析，可供污水处理厂污泥处置运行管理和政府主管部门决策时参考。
1.城市污水处理厂污泥概述
1.1 成分及特点
城市污水处理厂污泥是城市污水处理过程中的副产物，含有大量难降解有机物、重金属(As、Zn、Cd、Cu 等)、盐类，以及病原微生物和寄生虫卵等。同时，污泥又具有丰富的营养物质(N、P、K)和较高的热值，是可再利用的“资源"。但其易腐化、有恶臭，含有重金属及“致畸致癌致突变"的有机污染物等，如果没有得到有效处理，相当于花费巨额资金分离出的污染物会通过大气、地下水、地表水和土壤等进入食物链，造成对环境的二次污染，直接影响人类健康[1-2]。
1.2 处理处置现状
截至2014 年3 月底，全国设市城市、县累计建成城镇污水处理厂3 622 座，污水处理能力达到1.53 亿m3/d。清华大学水政策研究中心主任傅涛预测：到2015 年，全国全年城镇污水处理厂湿污泥(含水率80 %)产生量将达到3 359 万t。由于我国很多污水处理厂的规划设计存在“重水轻泥"的现象，对污泥处理处置的资金投入远远跟不上对污水处理的资金投入，成千上万吨的污泥常常得不到妥善处理，这导致了非法偷排污泥的案例在全国各地层出不穷。2009 年，“京城环保第一案"震惊全国，承包北京市清河、酒仙桥污水处理厂污泥无害化处置的北京环兴园环保科技有限公司法人何涛等，将6 500 t 含有多种重金属和大量污染物的污泥，倒进北京地下水水源保护区的永定河旧河床沙坑内，造成重大污染事故。2010 年6—7 月，岳文艺等将约2 700 t 来自无锡市芦村污水处理厂的污泥倾倒至长江中，造成长江泰兴市滨江镇段团结闸水域水质污染，使灌溉团结河水的滨江镇过船村的大量水稻受灾、受损。2012 年5 月—2013 年2 月，南京江心洲污水处理厂委托南京昶华再生资源利用有限公司处置污泥共计33 583.44 t，后者擅自更改原定处理场所，将污泥运至江宁区凤凰山废矿坑中进行直接填埋，对当地环境造成巨大的潜在危害。天津大学环境科学与工程学院副院长马德刚说：“在一些中西部省区，污泥处理处置则更加粗放野蛮，直接倾倒在河道或者农田里，不做任何处理。"
污泥处理是污水处理厂的“老大难"，有些污水处理厂为了省事，就把这块业务外包出去，不管承包商有没有相关资质，只要能把污泥拉走，怎么处置没有追踪监管。偷倒污泥事件频发，对污泥倾倒点周边环境造成严重污染，影响当地居民的生活，并造成巨大经济损失。如果这类事件得不到遏制，那么再高标准的污水处理效果对环境保护来说也只是徒劳无功。
1.3 处理处置工艺及潜在危害
城市污水处理厂污泥的处理处置工艺一般有下列4 种：
1)剩余污泥→污泥浓缩→机械脱水→处置脱水滤饼。2)剩余污泥→污泥浓缩→机械脱水→污泥焚烧→处置灰分。
3)剩余污泥→污泥浓缩→中温消化→机械脱水→处置脱水滤饼。4)剩余污泥→污泥浓缩→中温消化→污泥脱水→污泥焚烧→处置灰分。
本着对污泥减量化、稳定化、无害化和资源化的目的，我国正在尝试不同途径的污泥处置方式。目前我国的污泥处置方式主要是卫生填埋、焚烧、直接排放、土地利用和用于制砖、制陶粒。《中国污泥处理处置市场分析报告2013》统计表明，我国污泥处置中填埋占60%～65%，好氧发酵农用约占10%～15%，污泥天然干化综合利用占4%～6%，污泥焚烧占2%～3 %，污泥露天堆放和外运占15 %～20 %。
未经处理的污泥会造成下列危害：
1)未经有效处理的污泥会污染地下水和地表水。污泥经过雨水的侵蚀和渗透作用，极易对地下水造成二次污染，其所含丰富的N、P 等进入周边水体或土壤中，多余释放的N、P 等随着水循环系统进入地表水，造成地表水的富营养化。
2)未经有效处理的污泥会造成土壤污染。由于污泥中含有大量病原菌、寄生虫卵，对环境和人类以及动物健康有可能造成危害。
3)污泥中富含的Cu、Zn、Cr、Hg 等重金属以及多种有毒有害物，使土地不再适宜耕作。
4)污泥带来的食物链危害和臭气污染也不容忽视。部分污泥中的重金属渗入地下水后可能通过鱼、虾等进入食物链，重新回到餐桌上。同时，臭气污染是污泥处理处置过程中极易产生的一种污染。污泥隐患的长期存在，不仅污染了环境，威胁着群众身体健康，也消解了污水处理的环保效果。
2 .城市污水处理厂污泥对环境造成危害的主要因素
2.1 盐分可能引起的问题
污泥中的盐分会直接影响土壤的电导率，破坏植物养分平衡，抑制植物对养分的吸收，甚至对植物的根系造成直接伤害，导致植物死亡，而且盐分离子间的拮抗作用会使土壤中的有效养分加速淋失，破坏土壤养分平衡，使土壤板结而贫瘠。2.2 病原微生物可能引起的问题
未经中(高)温消化或其他消毒方法处理的城市污水处理厂污泥中含有大量的细菌、病毒、寄生虫卵等，每克污泥中含有数以亿计的大肠菌、痢疾菌属、噬菌体、寄生虫卵、蛔虫或肠道病毒等微生物。介水传染病菌和病毒的生长环境与大肠菌群基本相同，但比一般细菌生命力更强，由于介水传染病菌、病毒检测比较困难，故流行病学上常用大肠菌群数作为它的间接检测指标。介水传染病菌如沙门菌、痢疾菌、结核杆菌等和肠道病毒如脊髓灰质炎病毒、柯萨奇病毒、肝炎病毒、轮状病毒等都会影响人类健康，若这些微生物污染水体、土壤则会造成相应传染病的发生，痢疾志贺菌污染水源或食品极易造成痢疾流行；沙门菌会使人类产生伤寒、急性肠胃炎、菌血症和败血症等病症。沙门菌和绦虫卵是污泥农用引起的潜在疾病流行的主要因素。因此，污泥中存在的有毒有害微生物不容忽视，在污泥处置时要经过无害化处理，防止其进入食物链，对人类和动物健康造成危害。
2.3N、P 等营养物质可能引起的问题
污泥中含有丰富的N、P 等元素。N、P 等元素是植物生长所必须的营养物质，若大量的N、P 元素进入湖泊、水库和海湾等封闭或者半封闭的水体，以及某些滞留(流速<1 m/min)河流的水体，会造成其富营养化，使某些藻类及其他浮游生物迅速繁殖，降低水体透明度，降低水体溶解氧含量，使大量水生生物死亡，水质变差，造成环境污染。赤潮(海域的水体富营养化)和水华(淡水域的水体富营养化)就是由于水体中N、P 等营养物质含量过多而造成的。因此，在处置污泥时应当考虑污泥中所富含的N、P 等元素可能带来的水体污染问题。
2.4 有机污染物可能引起的问题
污泥中的有机物包含蛋白质、苯、氯酚，以及多氯代二苯并二英(PCDDs)和多氯代二苯并呋喃(PCDFs)(统称二恶英)，其中二恶英/呋喃(PCDD/Fs)是一类多氯代三环芳香化合物，存在210 种异构体，目前已经成为全球最为关注的、毒性最高的、《斯德哥尔摩国际公约》中提出需要消除的持久性有机污染物(POPs)。PCDD/Fs 的大部分化合物不仅具有致癌性，而且具有生殖毒性、免疫毒性和内分泌毒性，其中以2，3，7，8 位氯取代的异构体毒性最大[7-8]。国外一些国家和地区对城市污水处理厂污泥中有机污染物的特征及其在农业环境中的行为、生态效益和调控措施等方面进行了研究，并分析了污泥农用可能带来的问题，对农用污泥中所含有机污染物的质量浓度做了一定的限制，尤其对PCDD/Fs、PCDFs 等提出了一些限定建议；我国仅对苯并[a]芘的质量浓度做了限定。因此，污泥农田利用时需考虑有机污染物，特别是二恶英类物质对环境以及人类造成的危害。
2.5 重金属可能引起的问题 污泥中的重金属包括Cr、Cu、Zn、Mn、Hg、Cd、Ni 等原子量较大的金属物质以及Pb、Al、Sb 等对人体有严重危害的物质。污水处理过程中，通过吸附或者沉淀等方式转移到污泥中的重金属占污水所含重金属总量的70 %～90 %。一方面重金属会对动植物造成危害，并能改变土壤微生物种群结构以及影响土壤酶的活性；另一方面重金属的性质较稳定，溶解度很小，难去除，且易于在土壤、动植物中积累，很难评估重金属所造成的长期危害。阮辰旼研究发现，污泥中重金属的危害性与其形态有关，且不同重金属的不同形态对于不同植物和土壤的危害程度也不可一概而论。当前对污泥中重金属的预处理，能暂时降低其对环境的危害，但不能排除外界环境中的物质与其再发生反应恢复其毒性而带来二次污染的可能性。
3.城市污水处理厂污泥不同处置方式带来的问题
目前我国的污泥处置方式主要是卫生填埋、焚烧、土地利用、直接排放和建材利用。不同的处置方式有各自的特点，同时也伴随着潜在的隐患。
3.1 卫生填埋带来的问题
污泥的卫生填埋始于20 世纪60 年代，是建立在传统填埋的基础上，在环境保护和可持续发展理念的指导下，经过科学选址和场地防护处理，采用科学的工程操作方法，具有投资少、容量大、见效快和适应性强等优点的污泥处置技术。污泥填埋有单独填埋和混合填埋2 种方式。单独填埋对污泥的土工性质以及填埋场的设计技术要求较高。污泥单独填埋时需考虑表面覆土的情况，其填埋厚度不宜过厚，过厚会使底部污泥发生软化，从而威胁堆体的安全。我国通常采用的是污泥与生活垃圾混合填埋，或投加水泥、石灰、黏土等固化性物质的混合填埋方式。其带来的问题有：
1)固化性物质的添加会给填埋场的库容量带来压力，给填埋作业带来严重影响，且需占用土地面积大，大量污泥填埋会引发垃圾填埋场的土地紧张问题。
2)经过雨水的侵蚀和渗透作用，其渗滤液很容易进入地表水和地下水，垃圾渗滤液中的重金属、N、P、有毒微生物等物质会造成水体的重金属污染和富营养化，对水体防疫等构成严重威胁。
3)污泥中的有机物极易散发恶臭，同时自然发酵会产生甲烷等温室气体，所产生的温室气体以CO2计约为675.866 kg/t，有毒有害微生物可能会附着在这些气体中，对大气防疫造成严重威胁。
4)污泥经过脱水后，其含水率一般在80 %左右，很容易堵塞垃圾填埋场的渗滤液管道，影响垃圾填埋场的正常运行，严重时会导致其关闭。
3.2 焚烧带来的问题
焚烧可以将污泥中的有机物彻底氧化，杀死病原菌，使有毒物质彻底碳化，极大地缩小污泥的体积。污泥焚烧是最彻底，最大程度减量化、稳定化、无害化、资源化的污泥处理处置技术，是未来污泥处理处置最重要的发展方向。但在焚烧过程中产生的粉尘、二恶英、酸性气体等大气污染物和焚烧后的飞灰、炉渣等固体污染物都会再次对环境造成污染，焚烧过程中产生的气体以CO2计约为430.562 kg/t。污泥经焚烧后，残留在灰渣中的有Zn、Cu、Pb、Cd 等中度挥发性金属，在飞灰中大量富集的是Hg、As 等易挥发性金属，随着焚烧温度的升高，Cu、Zn、Pb、Cd 等中度挥发性金属元素也会在飞灰中富集。为防止焚烧过程中产生二恶英，焚烧温度要高于850 ℃。如此一来，在减少飞灰中的重金属量和减少二恶英的排放量之间就会发生矛盾，故在避免焚烧过程中对环境造成二次污染方面还需做更多的研究。从我国当前的焚烧技术来看，要完全控制焚烧烟气二次污染的发生，任重而道远。与此同时，制定关于焚烧烟气排放的标准也迫在眉睫。
3.3 土地利用带来的问题
污泥中含有大量的N、P、K 等植物营养元素，以及少量B、Mo、Zn、Mn 等对植物生长有利的微量元素，其丰富的有机质和腐殖质能有效改善土壤性质。将处理后的污泥作为肥料或土壤改良材料用于园林绿化、土壤改良或农业利用等，具有投资省、能耗低、运行费用低的特点。但大量施用污泥必然导致重金属下渗污染地下水和连续使用导致重金属累积超标等问题。如果施加在降雨量较大且土质疏松的土地上，由于有机物分解N、P 的速度大于植物吸收速度，就会造成N、P 随水流失，污染地下水和地表水。此外，污泥堆肥会产生一些腐熟不彻底的污泥肥料，施加到土壤中导致土壤浸提液电导率(EC)变大，造成“烧根"现象。同时，在污泥堆肥过程中会有CO2和N2O 等温室气体产生，以CO2计约为494.152 kg/t。因此，除在污泥农田施用时需考虑土壤容量的大小，制定合适的施用量，可使用地块以及施用时间外，还需完善污泥堆肥技术及其相关标准。
3.4 直接排放带来的问题
我国城市污水处理厂污泥处置的现状是有相当一部分污泥没有经过稳定化、无害化处理，就通过多渠道偷排到农田、林地以及湖泊河流中，未经处理的污泥对植物的生长有一定的抑制作用，严重时会导致植物死亡，造成严重的短期环境危害和长期潜在风险。对偷排污泥来说，由于其隐蔽性而造成的危害更大，处理难度也更大。污泥随意排放，自然发酵产生恶臭，污染水源，影响空气质量，增加大规模传染病的发生概率，严重影响人类的生命健康。同时，由于污泥运出污水处理厂时其含水率一般在80 %左右，在运输过程中污泥的泄露会对道路和周边环境造成影响。
3.5 建材利用带来的问题
污泥中含有Si、Al、Fe、Ca 等元素，其成分与许多建筑材料常用的原料成分相近，可作为替代原料制作建筑材料。Basegio 等的研究结果显示：生活污泥与黏土的成分基本相近，对污泥的燃烧产物作适当的调整，添加一些必要的添加剂，便可生产出质量完全符合标准的建筑用砖。污泥还可用于制陶粒、水泥、纤维板等。污泥建材利用带来的问题有，烧制过程产生的飞灰中含有重金属和二恶英等污染物，建材浸出液可能含有重金属污染地表水和地下水等，都需要采取措施防止其对环境构成危害。4 .城市污水处理厂污泥处置的相关费用分析
城市污水处理厂污泥处理处置的综合成本包括运输费用、能耗费用、药剂消耗费用、设备折旧费用和管理费用等。运输费用是指污泥从污水处理厂运到处理处置地点所需的费用；能耗费用包括维持设备运行消耗的电费及在污泥处理过程中的其他能耗费用；药剂消耗费用包括稳定污泥、处理烟气及维持设备正常运行所必须药品的花费；设备折旧费用是由设备价格与设备年折旧率的乘积比上预计使用年限所得；管理费用则包括设备维护维修费、工资福利费、日常办公费等。
不同的污泥处理处置方式的成本不同，不同地区由于电价、水费、污泥性质等因素的不同，相同的处理处置方式的成本也不同，例如污泥运输费用，运输含水率为80 %的污泥所需费用是运输含水率为30 %的污泥所需费用的3 倍左右。“武汉市城市管理委员会武汉市市政污泥应急填埋工程"项目，投资1 998.50 万元修建占地规模68 400 m2，有效库容21.6 万m3，应急填埋规模400 t/d 的污泥填埋场，由于污泥浓缩的程度不一样，填埋场的能耗和药耗不同，设备的使用年限也不同，污泥填埋场的综合运行成本约为500～760 元/t DS(干污泥)。投资4.8 亿元建成的日处理规模为800 t脱水污泥(含水率80 %)的深圳上洋污泥焚烧厂，其直接成本约为474～584 元/t DS；但由于污泥焚烧厂初始投资较高，其综合成本约为771～1 000 元/t DS。唐山西郊第二污水处理厂污泥堆肥项目，投资约600 万元修建的日处理脱水污泥30 t 的污泥堆肥厂，其运行成本约为300 元/t DS。一般污泥堆肥随电价变化其成本约为300～350 元/t DS。利用污泥制砖，需要对污泥进行预处理，其处理成本为177.12 元/t DS，制砖成本为83.39 元/t DS，故利用污泥制砖的综合成本为260.51 元/t DS。
综上所述，污泥填埋、焚烧的成本较高，而堆肥、建材利用的成本较低，且其处理产物还具有一定的使用价值。因此污泥堆肥、建材利用是污泥处理处置经济有效的途径之一。
5.结论与建议
1)由于资金投入不足导致污泥处理设施建设缓慢，一些建成的污泥处理设施因运行费用问题而被闲置，这些情况都会导致大量污泥随意外运、简单填埋，造成严重的二次污染。政府是污泥处理的责任主体，因此政府有责任加大对污泥处理的资金投入，填补污泥处理处置的资金短缺，可通过提供保障性鼓励措施和在财政税收方面提供更多的优惠政策等方式来促进污泥完善化治理。
2)要认识到污泥不仅是一种资源，处理不当就是二次污染源，只有经过妥善处理的污泥才可进行资源化利用。由于当前我国污泥处理手段比较落后，处置方式偏于单一，处理量小于产量，污泥得不到有效处理就进入环境系统，易造成二次污染。因此，还需根据不同污泥的特性，选取合理有效的污泥处理处置技术和工艺，减少其对环境造成的危害。
3)当前因没有制订对污泥再利用的科学有效体系，制约着污泥处理处置的发展。因此，政府应主导制订和完善相应的体系，如适当降低对农用污泥的重金属质量浓度的限制，制定对病原微生物、有机高聚物等污染物的相关规定，同时对在污泥处理处置过程中产生的温室气体做相应的规定等。
4)应当建立一个完善的污泥监管系统，从各个环节保证能做到污泥全部无害化、稳定化处理。与此同时，还应该对不同污泥处置方案所可能引起的危害做好监控。加快制订相关的法律法规，对偷倒污泥的行为加大惩处力度。同时也应鼓励污泥处理新技术的研发和使用。