隨著城市化進程的加快，污水處理廠的普及，城市污泥(指城市污水廠處理廢水過程中產生的固體廢棄物)產生量迅猛增長. 據統計,2010年北京地區產污泥總量為3800 t ·d-1(含水率為80%)，預計2015年污泥產量將達5000 t ·d-1. 目前，進行堆肥和建材利用等處置和資源化利用的污泥不足50%[1]. 而其余污泥，尚無穩定、 可靠、 安全的消納處置途徑，存在著污泥二次污染的嚴重隱患和環境風險. 因此，如此巨大的污泥量已成為亟待解決的、 無法回避的重大城市環境問題.

　　一般而言，城市污泥富含有機質和有效營養成分，對土壤修復或改良均有積極或長期的作用[2,3]，即改善土壤理化性質，增加土壤有機質、 氮和磷等營養成分，且改良作用因污泥類型而異[4]. 特別是污泥富含磷，且無機磷和非磷灰石無機磷是污泥中磷的主要成分，而磷是有限且不可替代的資源，即污泥不僅可發揮較高的植物利用率，而且對環境可進行磷的修復[5,6]. 另外，污泥用于土壤修復，可滿足資源的有效再循環，為貧瘠或退化土壤提供有機質等營養成分，既有利于退化生境的重建，也有益于環境的可持續發展[7]. 譬如，在退化森林生態系統施用污泥，改良土壤的同時，有效促進樹木生長并改善林下灌草層植被[8].

　　目前，污泥的堆肥處置已成為一條重要的處置途徑，且作為有機肥料，業已成為一種普遍措施. 在北京市污泥處理處置方式中，水泥廠焚燒約占31%，污泥用于土地修復的規劃比例尚且不足，約為47%[1]. 在估算北京市城市污泥處理處置方式成本的基礎上(包括填埋、 焚燒及堆肥等)，填埋仍是北京市的主要處置方式，但所占比例將逐漸下降，而堆肥則經濟可行，將是污泥處理處置技術的主要發展方向[9].

　　然而，污泥含有的營養成分和重金屬在土壤中積累，可能對環境造成的污染風險已備受關注[10,11,12,13,14,15,16]，尤其重金屬是影響污泥最終處置的主要因素[15]. 譬如，楊樹幼苗施用堆肥污泥，隨著污泥施用量的增加，土壤重金屬Cu和Zn含量大為增加[17]; 而且在長期施用污泥的土壤中，一些土壤重金屬(譬如Cu、 Mn、 Zn)的形態會產生變化，且存在潛在的Cu污染風險[18]. 而且，不同來源的污泥，其營養元素或重金屬全量存在著很大的差異[14,15]. 因此，為了準確評估污泥風險，以便能真實反映污泥益處和潛在的環境危害，不僅要搞清污泥中的營養成分和重金屬含量，而且有必要對污泥分情況或逐個進行評估[14].

　　鑒于此，本研究對來自北京地區不同城鎮污泥處理廠的污泥，通過兩種堆肥技術/工藝，探討堆肥污泥的營養成分和微量元素的變化，并分析重金屬含量變化及其環境污染狀況，以期為城市污泥合理、 有效地處置提供理論依據.

　　1 材料與方法

　　1.1 供試材料和堆肥方式

　　1.1.1 污泥來源和條垛式堆肥技術

　　于2008、 2010年同季采集(均在夏季)，初始城市污泥均來自北京高碑店、 盧溝橋及吳家村污水處理廠的混合污泥，并進行條垛式堆肥處理，溫度50～60℃，之后濃縮、 脫水，大約25~30 d后成為腐熟的干污泥. 然后風干、 碾碎，過篩，把污泥中的較大塊物體等進行細化，經過篩選使之粒度達到60~80目，備用測定. 以上以A型堆肥污泥表示.

　　1.1.2 污泥來源和高速活性堆肥工藝

　　于2012、2013年同季采集(均在春季)，初始城市污泥均來自北京市昌平區南口污水處理廠的污泥，并采用一種高速活性堆肥工藝進行處理(high-rate recovery of organic solid wastes system，HiRos System). 該工藝采用機械熱化學穩定及活化法，處理工藝中的所有反應釜、 儲槽、 傳送器等均為密閉系統，在高溫高壓下，完全殺菌及殺寄生蟲性、 并可分解有毒有機化合物,有效去除重金屬危害，從而將有機固體廢棄物轉化為無味無臭、 高品質的有機肥. 之后再進行風干、 碾碎及過篩，把污泥中的較大塊物體等進行細化，經過篩選使之粒度達到60~80目，備用測定. 以上以B型堆肥污泥表示.

　　1.2 測定方法

　　供試A、 B型堆肥污泥的理化性質均采用常規測定方法[19]; pH采用pH酸度計法(HANNA，pH211酸度計); 汞(Hg)、 砷(As)含量的測定采用原子熒光光度計測定(AFS3000，北京科創海光儀器有限公司); 全磷、 全鉀及Cu、 Zn和Cd等其他金屬或元素含量的測定均采用酸溶-等離子發射光譜法測定(等離子發射光譜儀IRIS Intrepid Ⅱ XSP，美國Thermo公司). 每個測定項目均設置3個重復，最后算平均值，并以干基表示. 以上測定在國家林業局森林生態環境重點實驗室進行.

　　2 結果與分析

　　2.1 堆肥污泥的營養含量

　　如表 1和表 2所示，在A型(條垛式)和B型(高速活性)堆肥污泥中均含有可觀的營養含量，且不同類型堆肥污泥和年份間的各項營養指標均表現出較大的差異. A、 B型污泥的有機質、 全氮、 全磷和氮磷鉀總養分(N+P2O5+K2O)與往年相較均有所增加，譬如A 型污泥的氮磷鉀總養分在2010年較2008年增加了15.6%，B型污泥的氮磷鉀總養分在2013年較2012年增加了29.7%; 而A型污泥的速效氮和全鉀與往年相較則表現為減少，譬如A型污泥的速效氮含量在2010年較2008年減少了50.7%，與之相反的是B型污泥的速效氮和全鉀則比往年都有所增加.

　　表 1 條垛式堆肥污泥(A型)的營養含量

　　表 2 高速活性堆肥污泥(B型)的營養含量

　　由表 1和表 2所示，A、 B型堆肥污泥不同年份的pH平均值分別為7.1和7.2，有機質的平均值分別為203338.0 mg ·kg-1和298531.5mg ·kg-1，氮磷鉀總養分(即N+P2O5+K2O)平均值分別為41111.7 mg ·kg-1和65901.5mg ·kg-1. 以上A、 B型污泥各項營養指標的平均值與表 3比較而言，A型堆肥污泥的有機質含量達到了《城鎮污水處理廠污泥處置-農用泥質》(CJ/T 309-2009)中A、 B級污泥和《城鎮污水處理廠污泥處置-土地改良用泥質》(GB/T 24600-2009)的標準要求，但未達到《城鎮污水處理廠污泥處置-園林綠化用泥質》(GB/T 23486-2009)中的有機質標準要求，而A型污泥的pH和氮磷鉀總養分以及B型污泥的pH、 有機質含量和氮磷鉀總養分均符合各城鎮污水處理廠污泥處置類型的標準限值要求(見表 3).

　　表 3 城鎮污水處理廠污泥處置類型的營養標準

　　2.2 堆肥污泥的營養元素含量和重金屬污染

　　由表 4和表 5所示，A、 B型堆肥污泥中不僅含有豐富的營養元素，同時也含有諸多重金屬，而且不同年份間的各元素/金屬總量均呈現明顯的差異. 2010年與2008年比較而言，A型污泥中Cu、 Zn、 Ca、 Fe、 Mg和Na的總量均表現為增加，而Mn則有所減少; 2013年與2012年相較而言，B型污泥中的Cu、 Zn、 Ca、 Na、 Al、 Cd、 Cr、 Hg、 S的總量均明顯增加，而Mn、 As、 B、 Pb、 Fe、 Ni、 Mg總量則有所減少. 另外，各金屬/元素的總量在A、 B型污泥中亦呈現較大的差異. 譬如，A型污泥不同年份的Zn、 Fe總量平均值較B型污泥的分別高出85.9mg ·kg-1和1913.0 mg ·kg-1; 而B型污泥不同年份的Mn、 Mg總量平均值較A型污泥的分別高出819.3mg ·kg-1和8827.1mg ·kg-1.

　　表 4 條垛堆肥污泥(A型)的重金屬和元素總量

　　表 5 高速活性堆肥污泥(B型)的重金屬和元素總量

　　從不同污泥處置類型中重金屬的控制限值可知(見表 6)，我國的《城鎮污水處理廠污泥處置-農用泥質》(CJ/T 309-2009)中A級污泥的標準限值，在各種污泥處置類型中是最為嚴格的. 由表 4和表 5所示，A、 B型堆肥污泥不同年份的Cu總量平均值分別為188.5mg ·kg-1 (范圍為183.4~193.6 mg ·kg-1)和188.6mg ·kg-1(范圍為135.2~241.9mg ·kg-1)以及Zn總量平均值分別為896.1mg ·kg-1 (范圍為781.5~1010.7mg ·kg-1)和810.2mg ·kg-1(范圍為755.0~865.4mg ·kg-1)，與我國城鎮污水處理廠污泥處置類型的標準限值比較得知(見表 6)，其不僅符合《城鎮污水處理廠污泥處置-土地改良用泥質》(GB/T 24600-2009)和《城鎮污水處理廠污泥處置-園林綠化用泥質》(GB/T 23486-2009)中的Cu、 Zn總量的標準限值要求，而且遠低于最為嚴格的《城鎮污水處理廠污泥處置-農用泥質》(CJ/T 309-2009)中A級污泥的標準限值(即總Cu<500 mg ·kg-1和總Zn<1500 mg ·kg-1).

　　表 6 我國城鎮污水處理廠污泥處置類型的重金屬控制限

　　A型堆肥污泥中的Cd、 Cr、 Pb、 As和B的總量(僅為2010年數值)分別為2.9、 82.0、 105.1、 17.0和42.1 mg ·kg-1(見表 4); 如表 5所示，B型堆肥污泥不同年份的Cd總量平均值為2.8mg ·kg-1(范圍為2.6~3.0mg ·kg-1)、 Cr總量平均值為140.1mg ·kg-1(范圍為130.1~150.0 mg ·kg-1)、 Pb總量平均值為69.2mg ·kg-1(范圍為67.9~70.5mg ·kg-1)、 As總量平均值為7.9mg ·kg-1(范圍為5.4~10.4mg ·kg-1)以及B總量平均值為80.2 mg ·kg-1(范圍為78.7~81.6mg ·kg-1). 上述A、 B型污泥中的重金屬含量與表 6中的標準限值比較得知，各金屬總量均達到了我國各類型污泥處置的標準限值要求(見表 6)，其中包括達到最為嚴格的《城鎮污水處理廠污泥處置-農用泥質》(CJ/T 309-2009)中A級污泥的標準限值要求(即總Cd<3 mg ·kg-1、 總Cr<500 mg ·kg-1、 總Pb<300 mg ·kg-1、 總As<30 mg ·kg-1).

　　但是，B型堆肥污泥的Hg、 Ni總量存在超標的情形，且不同年份間存在明顯的差異(見表 5). 具體而言，B型污泥不同年份的Hg總量平均值為12.8mg ·kg-1以及2012年的Hg總量為7.1mg ·kg-1，符合《城鎮污水處理廠污泥處置-農用泥質》(CJ/T 309-2009)中B級污泥的標準限值要求(即總Hg<15 mg ·kg-1)，以及《城鎮污水處理廠污泥處置-土地改良用泥質》(GB/T 24600-2009)和《城鎮污水處理廠污泥處置-園林綠化用泥質》(GB/T 23486-2009)中的中性和堿性土壤(pH≥6.5)的標準限值要求(即總Hg<15 mg ·kg-1)，但其它的標準限值要求則不符合(見表 6); Hg總量在2013年為18.4mg ·kg-1，對任何污泥處置類型中的限值要求均不符合. 另外，B型污泥2013年的Ni總量為120.0 mg ·kg-1，符合《城鎮污水處理廠污泥處置-農用泥質》(CJ/T 309-2009)中B級污泥的標準限值要求(即總Ni<200 mg ·kg-1)，以及《城鎮污水處理廠污泥處置-土地改良用泥質》(GB/T 24600-2009)和《城鎮污水處理廠污泥處置-園林綠化用泥質》(GB/T 23486-2009)中的中性和堿性土壤(pH≥6.5)的標準限值要求(即總Ni<200 mg ·kg-1)，但其它的標準限值要求均不符合(見表 6); B型污泥不同年份的Ni總量平均值為246.4mg ·kg-1和2012年為372.8mg ·kg-1(見表 5)，均不符合任何污泥處置類型中的限值要求(見表 6).

　　3 討論

　　城市污泥通過制肥，不僅可解決農田、 園林及綠地急需的有機肥料的來源問題，同時也能尋求城市污泥的合理處置途徑，并成為最有效的資源化途徑之一. 近年來，我國污泥資源化處置技術投產項目顯著上升，其中農業對污泥制肥的吸納量很大，且污泥制肥資源化處置技術的應用已占30%，具有較好的發展前景[20]. 已有研究表明，污泥經堆肥處理后，可使污泥中腐殖質含量增加，而腐殖質因含有多種多樣的官能團從而吸附重金屬，或者改變重金屬的化學形態，促使污泥中重金屬穩定化，即大多數重金屬以穩定殘渣態或以殘渣態和有機結合態兼具的形式存在，從而降低生物毒性和土壤的污染風險[21,22,23,24]. 特別是堆肥污泥相較其它處理方式(譬如厭氧消化和顆粒污泥)而言，堆肥過程更有利于降低Mn、 Ni及Zn等的有效性[25]. 由此說明，堆肥處理是降低污泥在農田、 土地改良及園林綠化中重金屬污染風險的重要途徑.

　　北京不同城鎮污水處理廠堆肥污泥(即A、 B型)，不僅含有較為豐富的有機質和植物所需的氮、 磷等多種營養元素及微量元素，而且污泥的一些營養成分/元素諸如有機質、 全氮、 全磷和氮磷鉀總養分等含量與往年相比均有所增加. 據馬學文等[26]對全國范圍111個城市共193個污水處理廠污泥營養含量的調查可知，有機質、 氮、 磷、 鉀的平均含量分別為41.15%、 3.02%、 1.57%、 0.69%，除了北京地區A、 B型堆肥污泥的磷含量平均值與全國平均水平基本相當外，其有機質、 氮和鉀含量均低于全國平均水平，但A、 B型污泥的有機質、 氮、 磷含量比往年均有所增加則與全國的略增走向是一致的.

　　在B型堆肥污泥中，Cu含量比往年有所增加，而Pb含量則比往年有所減少. 這與我國城市污泥中Cu、 Pb含量在短期的趨勢一致[26]. 但是，從長期而言，我國城市污水處理廠污泥中Cu含量則是下降趨勢[27]. 除Hg、 Ni有超標現象外，A、 B型污泥的其他重金屬含量均低于我國最為嚴格的《城鎮污水處理廠污泥處置-農用泥質》(CJ/T 309-2009)中A級污泥的標準限值，這與姚金玲等[11]對我國東北、 華北、 華東和西北地區116 家污水處理廠污泥的研究結果一致. 另據張麗麗等[27]對我國城市污泥中重金屬分布特征及變化規律的研究結果表明，近10年，污泥中 Ni、 Cd、 Hg含量的超標倍數最高. 這與本研究B型堆肥污泥中存在Hg、 Ni超標現象相吻合. 此外，來自北京不同污水處理廠的A、 B型堆肥污泥，其營養和重金屬/元素含量存在著明顯的差異. 即污泥的不同來源可能是主要原因[14,15]; 亦可能受其它因素諸如污水處理規模、 處理工藝和運行條件以及污泥堆肥工藝的影響[11]. 另有研究表明，污泥成分有時會因工藝過程和分析技術而產生顯著的差異[28].

　　而今后，北京地區A、 B型堆肥污泥的資源化應用中，一方面，可能面臨著潛在的Hg、 Ni環境污染情況，需要優先關注; 另一方面，則需要進一步探索污泥堆肥過程中重金屬鈍化的調控措施，從而最大限度地降低重金屬的危害，譬如可利用鐵氧化菌對一些重金屬進行生物浸礦，可能是污泥制肥的一種可行策略[29]，以及在堆肥過程中加入石灰等物質亦能降低重金屬的有效性[30,31]. 另外，除了污泥資源化應用中的重金屬污染外，還有一些因素諸如糞大腸菌群菌、 多環芳烴(PAHs)等影響著污泥處置類型的選擇，而本研究未涉及這些方面，因此還需進一步研究和分析北京堆肥污泥中其他污染物的含量，從而進行合理、 有效的污泥處置.具體參見污水寶商城資料或http://www.jianfeilema.cn更多相關技術文檔。

　　4 結論

　　(1)北京地區不同城鎮污水處理廠堆肥污泥中的pH、 營養成分、 微量元素和重金屬含量在不同污泥來源(即A、 B型)以及年份間存在著明顯的差異. 除了A型污泥不同年份的有機質平均值未達到《城鎮污水處理廠污泥處置-園林綠化用泥質》(GB/T 23486-2009)中的標準要求外，其他A、 B型堆肥污泥不同年份的營養指標平均值均達到各城鎮污水處理廠污泥處置類型(即農用、 土地改良和園林綠化)的營養標準要求.

　　(2)除了Hg、 Ni含量存在超標現象外，A、 B型堆肥污泥中的其它重金屬含量均低于我國最為嚴格的《城鎮污水處理廠污泥處置-農用泥質》(CJ/T 309-2009)中A級污泥的標準限值. 總體而言，北京地區A、 B型堆肥污泥在農用、 土地改良以及園林綠化處置中，存在潛在的Hg、 Ni環境污染狀況，須優先關注.(作者及來源：中國林業科學研究院森林生態環境與保護研究所 白莉萍、齊洪濤、伏亞萍、李萍)