多源污泥泥质特性处理技术
多源污泥是广义的城市污泥，是城市建设发展过程中产生的固体废弃物，是长江大保护治理的重要组成部分，包括污水污泥、通沟污泥、河湖底泥、工程泥浆等，其特点是组分复杂、产量巨大、含水率高。污水污泥是污水处理后的产物，其年产生量超过7000×104t；通沟污泥是指排水管网养护过程中清掏出来的沉积物；河湖底泥是江河、湖泊、水库等水体底部长期积存的沉积物。开展长江经济带典型城市多源污泥泥质特性研究，构建多源泥质基础数据库，可为多源污泥协同处理处置规划、设计提供重要参考。
1、材料与方法
1.1 样品采集
污水污泥取自长江经济带典型城市23座生活污水处理厂，共采集109个污泥样品；通沟污泥取自主城区排水管网系统或通沟污泥处理贮存点，共采集69个通沟污泥样品；河湖底泥来源于当地污染较为严重的河道或湖泊，共有38个河湖底泥样品，污泥样品密封保存寄回实验室后，于4℃下保存待测。
1.2 测试方法
有机质参考《城市污水处理厂污泥检验方法》（CJ/T221―2005）中的重量法测定；重金属采用微波高压消解/电感耦合等离子体发射光谱法测定；热值参考《煤的热值测定方法》（GB/T213―2008），采用快速量热仪进行测定，即污泥弹筒热值，高位热值就是将污泥中气态水换算成液态水热值，通过公式换算分别可得空气干燥基高位发热量（kJ/kg）和空气干燥基低位发热量（kJ/kg）。
磷、钾元素采用电感耦合等离子体发射光谱法测定，总氮采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定。取0.01g样品，加入100mL无氨水、50mL碱性过硫酸钾溶液混匀进行加热消解。在紫外分光光度计上，以无氨水做参比，在220nm与275nm处测定吸光度，计算总氮浓度，然后换算成养分含量，以%计。
污泥中砂含量参照德国DWA标准方法测定，将污泥样品在105℃烘干，600℃灼烧，剩余残渣用32%的盐酸浸泡，快速滤纸过滤，同时用32%的盐酸反复淋洗滤渣，直至滤液颜色基本不变为止。
采用气相色谱仪串联三重四极杆质谱仪测试样品的PAHs含量，预处理方式：取0.1g冻干研磨后样品，加入10mL由正己烷和丙酮混合组成的提取液，密闭反应管，并在60℃条件下超声提取30min，分离上清液，并在固相中加入提取液重复提取2次。收集合并上清液，在常温下氮吹浓缩，最终用正己烷定容至1mL，随后加入10µL内标溶液作为待测样品。
2、结果与分析
2.1 多源污泥基础特性
多源污泥中的有机质含量见图1。污水污泥有机质含量大多在30%~50%波动，平均值仅为40%，远低于欧洲国家60%~70%的水平，这主要是由于污水处理厂进水COD浓度较低所致。通沟污泥成分复杂，有机质含量变化较大，范围为5%~90%，推测与周边产业和作业方式有关。河湖底泥有机质含量普遍较低，在5%~15%左右，较低的有机质含量决定了其不适合焚烧，长江沿线河湖众多，水体流速缓慢，水体污染物易沉积在河湖底泥中。
污水污泥样品来自不同的污水处理厂，同一污水处理厂也多次采样，其含砂量见表1。脱水污泥含砂量在20%~40%，变化范围较大，九江、芜湖、六安、镇江4座城市污水污泥含砂量的平均值分别为26.36%、33.44%、34.20%、31.07%。污泥中砂粒如不能有效去除，不仅会加剧设备磨损，堵塞排泥管道，而且会导致污泥中有机质含量低，影响厌氧消化效率。进水水质、污水处理工艺对污泥泥质具有显著影响，进水中砂粒粒径小于沉砂池设计规范中规定值，大部分砂粒无法通过沉砂池有效去除，污水处理厂平均除砂率低于15%，导致了污泥含砂量高、有机质含量低。调研的污水处理厂有机负荷约为0.05kgBOD5（/kgMLSS・d），接近《室外排水设计标准》中延时曝气氧化沟工艺的有机负荷，即0.03~0.08kgBOD5（/kgMLSS・d），部分活性污泥在池内进行内源呼吸，剩余污泥量较少，有机质含量较低。
通沟污泥含砂量较高，且变化幅度较大，易造成管网淤塞，应定期清淤。污水污泥养分含量约为6%~8%，其养分含量相对较高，高于《城镇污水处理厂污泥处置园林绿化用泥质》（CJ248―2007）规定的3%。通沟污泥养分含量约为2%~5%，河湖底泥养分含量约为1%~3%，其养分含量相对较低，大部分仅能达到《城镇污水处理厂污泥处置土地改良用泥质》（GB/T24600―2009）标准。
2.2 多源污泥热值
污水污泥空干基热值平均为6603kJ/kgDS，中位值为6104kJ/kgDS；通沟污泥空干基热值平均为5418kJ/kgDS，中位值为1155kJ/kgDS；河湖底泥空干基热值平均为731kJ/kgDS，中位值为664kJ/kgDS。典型城市多源污泥空干基热值见图2。污水污泥含有一定水分，这些水分在焚烧过程中将转变为蒸汽，并以汽化潜热的形式带走部分能量。污水处理厂脱水污泥含水率在75%～82%之间，经过深度脱水工艺处理后含水率一般为50%～60%，这些水分严重影响污泥焚烧，故污泥收到基低位热值对污泥焚烧处理企业更有参考意义。
根据1个标准大气压下水的汽化潜热（2512kJ/kg）可以确定污泥水分蒸发带走的能量，利用公式计算出不同含水率状况下的污泥收到基低位热值。针对污泥焚烧，《城镇污水处理厂污泥处置单独焚烧用泥质》（GB/T24602―2009）对其理化特性做出一定限制，污泥自持燃烧的低位热值约3500kJ/kg，故浓缩脱水污泥需要干化至含水率为30%~40%后方可自持焚烧。
污泥有机质完全焚烧至灰分释放的热量体现在污泥干基热值上，污泥干基热值计算如下：
Q=2.5×102×(100p-5)（1）
式中：Q为污泥干基热值，kJ/kgDS；2.5×102、5为污泥热值换算系数；p为污泥中有机质含量。
根据实际测得的有机质含量与污泥干基热值，经拟合可得：
Q=223p-1146（2）
污泥热值与有机质含量直接相关，有机质含量越大，污泥热值越高，反之则越低。河湖底泥中有机质含量一般低于10%，其热值也较低，不到1000kJ/kgDS；污水污泥的有机质含量范围为30%~50%，其热值一般在5500~11000kJ/kgDS。通沟污泥的有机质含量变化范围较大。在实际测量过程中，由于取样存在不确定性，会导致污泥热值与有机质的关系不会是线性一一对应，在实际工程中，若污泥处置途径为干化焚烧，需要密切监测污泥中有机质含量与含水率变化。
2.3 多源污泥中重金属
多源污泥中重金属可能对生态环境造成潜在危害，评估方法有内梅罗指数法、潜在生态风险评估等。其中，内梅罗指数（P）是一种兼顾极值或突出最大值的计权型多因子环境质量指数，分为Ⅰ～Ⅴ等5个等级，对应的判别标准依次为P≤0.7、0.7<P≤1.0、1.0<P≤2.0、2.0<P≤3.0、P>3.0，分别代表清洁（安全）、尚清洁（警戒限）、轻度污染、中度污染、重度污染。
参考《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB36600―2018）中第一类用地筛选值，内梅罗指数法中Cu、As、Pb、Cd、Ni、Hg的C0取值分别为2000、20、400、20、150、8mg/kg，由于该标准中给定Cr为六价铬，而本次调研中测得的是总铬，此外，该标准并没有对Zn做出限制，故评估时不考虑这2种重金属。值得注意的是，C0的取值会极大影响评估结果，本次评估只是相对一般建设用地的泥质标准而言，若参考当地背景值进行评估，则会产生不同结果。污水污泥、通沟污泥、河湖底泥样品分别为90、54、38个，其重金属含量见表2。
污水污泥中Zn、Cu、As、Pb、Cd、Cr、Ni、Hg含量均值分别为515.9、130.3、15.8、26.4、0.6、146.7、42.7、0.7mg/kg，95%以上满足《农用污泥污染物控制标准》（GB4284―2018）A级标准，可以考虑农用，部分污泥样品的As、Cr、Zn含量较高，这与西安、北京等地结果较为一致。污水污泥的内梅罗综合污染指数为0.58，处于清洁水平。通常认为，污泥经过厌氧或堆肥处理后，重金属的含量会有所增加，调研过程中，4次采集某污泥厌氧处理厂干化沼渣，Zn、Cu、As、Pb、Cd、Cr、Ni、Hg含量的均值分别为484.62、87.72、20.33、24.61、0.66、87.37、26.11、0.24mg/kg，也满足GB4284―2018的A级标准要求。
通沟污泥上述8种重金属含量均值分别为245.2、37.8、10.2、33.4、0.4、37.1、27.3、1.5mg/kg，满足《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB36600―2018）中第一类用地的筛选值，即通沟污泥可用于城市建设用地。通沟污泥的内梅罗综合污染指数为0.38，处于清洁水平。
河湖底泥中上述8种重金属浓度均值分别为212.3、42.8、9.1、28.8、0.5、50.5、20.2、1.0mg/kg，均满足《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB36600―2018）第一类用地的筛选值，即河湖底泥可用于城市建设用地。河湖底泥的内梅罗综合污染指数为0.34，处于清洁水平。
多数重金属的评价方法通常采用土壤背景值作为C0，得到的污泥内梅罗综合污染指数较高，为重污染或高风险，但在实际应用过程中，应该根据污染物去向，比如土地利用、园林利用或建设用地，选择合适的评估方法，这样得到的结果会更为合理。
2.4 多源污泥中微量污染物
污水污泥、通沟污泥、河湖底泥的多环芳烃测试样本分别为45、30、10个，多源污泥中多环芳烃含量见表3。河湖底泥中多环芳烃含量较低，受到的污染较轻，明显低于通沟污泥，且低环PAHs占比大，可看成当地本底值。通沟污泥的多环芳烃含量最高，可以归结于市区汽车尾气、餐饮废弃物沉积到通沟污泥中，进而进入污水系统，由于污水系统的生化作用可以降解部分多环芳烃，导致污水污泥中多环芳烃浓度较低。2019年开始实施的《农用污泥污染物控制标准》（GB4284―2018）中对污泥中的PAHs含量做出了一定限制（A级污泥产物<5mg/kg，B级污泥产物<6mg/kg），污水污泥中的PAHs浓度满足该规定。
共测试29个污水污泥样品，检测了包括磺胺类、四环素、喹诺酮类在内的13种抗生素，共有22个样品被检出抗生素，检出率为75.86%，13种抗生素浓度之和平均为61µg/kg。罗红霉素、阿奇霉素、环丙沙星、氧氟沙星是几种常被检出的抗生素，罗红霉素和阿奇霉素属于大环内酯类抗生素，在临床应用上较为常见；环丙沙星和氧氟沙星属于喹诺酮类抗生素，被广泛应用于畜牧、水产等养殖业。共测试8个通沟污泥样品，有6个样品被检出抗生素，13种抗生素浓度之和平均为9µg/kg，通沟污泥中，阿奇霉素和氧氟沙星两种抗生素被检出。共测试10个河湖底泥样品，有7个样品被检出抗生素，13种抗生素浓度之和平均为10µg/kg，河湖底泥中，红霉素、罗红霉素、阿奇霉素、氧氟沙星四种抗生素被检出，其中阿奇霉素含量普遍高于氧氟沙星，而氧氟沙星含量略高于红霉素，罗红霉素含量最低。通沟污泥和河湖底泥中的抗生素含量远低于污水污泥，这说明抗生素主要来源于人类活动。整体而言，抗生素的浓度处于µg/kg级，含量较小，风险较低。
2.5 多源污泥协同治理思路
多源污泥具有不同的产生特性。从来源看，污水污泥来源固定，通沟污泥、河湖底泥则来源分散；从产生频率和产量看，污水污泥是连续稳定产生的，通沟污泥间歇、少量产生，河湖底泥产生具有间歇性，产生量大。在各类污泥中，污水污泥产生量和来源较为稳定，多源污泥协同处理应以污水污泥为核心。
依据“分质协同、分类利用”的总体原则，按照有机质含量高低分类处理，3种污泥有机质含量从高到低依次是污水污泥、通沟污泥、河湖底泥。可将污水污泥与城市其他有机固废协同厌氧消化处理，并根据不同城市特征与需求，探索产物的多途径利用方式，例如矿山生态修复、填埋场修复、城市园林绿化、建材利用。通沟污泥可采用预处理―多级筛分―泥水分离―固化等工艺，分离出的有机物与污水污泥协同处理，无机砂石作为道路路基材料、制作防汛沙袋或作为其他建材产品加工原料，泥饼可加工为工程回填土、透水砖、陶粒等。河湖底泥处理工艺与通沟污泥类似，可充分利用已有通沟污泥处理站点，经脱水固化处理后，作为工程土或其他建筑工程材料。同时规划应急处置设施，充分利用现有燃煤电厂、垃圾焚烧厂、填埋场为多源污泥提供托底应急处置。
3、结论
①污水污泥有机质含量为30%~50%，含砂量高，其干基热值一般在5500~11000kJ/kgDS，养分含量为6%~8%，重金属含量较低，远低于《农用污泥污染物控制标准》（GB4284―2018）A级标准，虽然经过后续厌氧消化或好氧发酵后，重金属含量会有所提高，但其土地利用风险依然较小。
②通沟污泥成分复杂，有机质含量范围约5%~90%，热值和养分含量较低，仅能达到土地改良用泥质标准，且不稳定，不适宜土地利用；河湖底泥有机质含量普遍较低，含量通常小于10%，其热值也较低，不到1000kJ/kgDS。
③污水污泥中13种抗生素的检出率较高，但浓度低，风险较小。污水污泥、通沟污泥、河湖底泥的16种多环芳烃之和均值为0.401、2.108、0.813mg/kg，浓度低，风险较小。
④污水污泥处理处置主流工艺技术在我国均有广泛示范，在此基础上，可按照有机-无机分类原则积极探索多源污泥协同处理路径。（来源：上海勘测设计研究院有限公司，中国长江三峡集团有限公司长江生态环境工程研究中心，同济大学环境科学与工程学院）