随着城市化进程的加快，污水处理厂的普及，城市污泥(指城市污水厂处理废水过程中产生的固体废弃物)产生量迅猛增长. 据统计,2010年北京地区产污泥总量为3800 t ·d-1(含水率为80%)，预计2015年污泥产量将达5000 t ·d-1. 目前，进行堆肥和建材利用等处置和资源化利用的污泥不足50%[1]. 而其余污泥，尚无稳定、 可靠、 安全的消纳处置途径，存在着污泥二次污染的严重隐患和环境风险. 因此，如此巨大的污泥量已成为亟待解决的、 无法回避的重大城市环境问题.
一般而言，城市污泥富含有机质和有效营养成分，对土壤修复或改良均有积极或长期的作用[2,3]，即改善土壤理化性质，增加土壤有机质、 氮和磷等营养成分，且改良作用因污泥类型而异[4]. 特别是污泥富含磷，且无机磷和非磷灰石无机磷是污泥中磷的主要成分，而磷是有限且不可替代的资源，即污泥不仅可发挥较高的植物利用率，而且对环境可进行磷的修复[5,6]. 另外，污泥用于土壤修复，可满足资源的有效再循环，为贫瘠或退化土壤提供有机质等营养成分，既有利于退化生境的重建，也有益于环境的可持续发展[7]. 譬如，在退化森林生态系统施用污泥，改良土壤的同时，有效促进树木生长并改善林下灌草层植被[8].
目前，污泥的堆肥处置已成为一条重要的处置途径，且作为有机肥料，业已成为一种普遍措施. 在北京市污泥处理处置方式中，水泥厂焚烧约占31%，污泥用于土地修复的规划比例尚且不足，约为47%[1]. 在估算北京市城市污泥处理处置方式成本的基础上(包括填埋、 焚烧及堆肥等)，填埋仍是北京市的主要处置方式，但所占比例将逐渐下降，而堆肥则经济可行，将是污泥处理处置技术的主要发展方向[9].
然而，污泥含有的营养成分和重金属在土壤中积累，可能对环境造成的污染风险已备受关注[10,11,12,13,14,15,16]，尤其重金属是影响污泥最终处置的主要因素[15]. 譬如，杨树幼苗施用堆肥污泥，随着污泥施用量的增加，土壤重金属Cu和Zn含量大为增加[17]; 而且在长期施用污泥的土壤中，一些土壤重金属(譬如Cu、 Mn、 Zn)的形态会产生变化，且存在潜在的Cu污染风险[18]. 而且，不同来源的污泥，其营养元素或重金属全量存在着很大的差异[14,15]. 因此，为了准确评估污泥风险，以便能真实反映污泥益处和潜在的环境危害，不仅要搞清污泥中的营养成分和重金属含量，而且有必要对污泥分情况或逐个进行评估[14].
鉴于此，本研究对来自北京地区不同城镇污泥处理厂的污泥，通过两种堆肥技术/工艺，探讨堆肥污泥的营养成分和微量元素的变化，并分析重金属含量变化及其环境污染状况，以期为城市污泥合理、 有效地处置提供理论依据.
1 材料与方法
1.1 供试材料和堆肥方式
1.1.1 污泥来源和条垛式堆肥技术
于2008、 2010年同季采集(均在夏季)，初始城市污泥均来自北京高碑店、 卢沟桥及吴家村污水处理厂的混合污泥，并进行条垛式堆肥处理，温度50～60℃，之后浓缩、 脱水，大约25~30 d后成为腐熟的干污泥. 然后风干、 碾碎，过筛，把污泥中的较大块物体等进行细化，经过筛选使之粒度达到60~80目，备用测定. 以上以A型堆肥污泥表示.
1.1.2 污泥来源和高速活性堆肥工艺
于2012、2013年同季采集(均在春季)，初始城市污泥均来自北京市昌平区南口污水处理厂的污泥，并采用一种高速活性堆肥工艺进行处理(high-rate recovery of organic solid wastes system，HiRos System). 该工艺采用机械热化学稳定及活化法，处理工艺中的所有反应釜、 储槽、 传送器等均为密闭系统，在高温高压下，完全杀菌及杀寄生虫性、 并可分解有毒有机化合物,有效去除重金属危害，从而将有机固体废弃物转化为无味无臭、 高品质的有机肥. 之后再进行风干、 碾碎及过筛，把污泥中的较大块物体等进行细化，经过筛选使之粒度达到60~80目，备用测定. 以上以B型堆肥污泥表示.
1.2 测定方法
供试A、 B型堆肥污泥的理化性质均采用常规测定方法[19]; pH采用pH酸度计法(HANNA，pH211酸度计); 汞(Hg)、 砷(As)含量的测定采用原子荧光光度计测定(AFS3000，北京科创海光仪器有限公司); 全磷、 全钾及Cu、 Zn和Cd等其他金属或元素含量的测定均采用酸溶-等离子发射光谱法测定(等离子发射光谱仪IRIS Intrepid Ⅱ XSP，美国Thermo公司). 每个测定项目均设置3个重复，最后算平均值，并以干基表示. 以上测定在国家林业局森林生态环境重点实验室进行.
2 结果与分析
2.1 堆肥污泥的营养含量
如表 1和表 2所示，在A型(条垛式)和B型(高速活性)堆肥污泥中均含有可观的营养含量，且不同类型堆肥污泥和年份间的各项营养指标均表现出较大的差异. A、 B型污泥的有机质、 全氮、 全磷和氮磷钾总养分(N+P2O5+K2O)与往年相较均有所增加，譬如A 型污泥的氮磷钾总养分在2010年较2008年增加了15.6%，B型污泥的氮磷钾总养分在2013年较2012年增加了29.7%; 而A型污泥的速效氮和全钾与往年相较则表现为减少，譬如A型污泥的速效氮含量在2010年较2008年减少了50.7%，与之相反的是B型污泥的速效氮和全钾则比往年都有所增加.
表 1 条垛式堆肥污泥(A型)的营养含量
表 2 高速活性堆肥污泥(B型)的营养含量
由表 1和表 2所示，A、 B型堆肥污泥不同年份的pH平均值分别为7.1和7.2，有机质的平均值分别为203338.0 mg ·kg-1和298531.5mg ·kg-1，氮磷钾总养分(即N+P2O5+K2O)平均值分别为41111.7 mg ·kg-1和65901.5mg ·kg-1. 以上A、 B型污泥各项营养指标的平均值与表 3比较而言，A型堆肥污泥的有机质含量达到了《城镇污水处理厂污泥处置-农用泥质》(CJ/T 309-2009)中A、 B级污泥和《城镇污水处理厂污泥处置-土地改良用泥质》(GB/T 24600-2009)的标准要求，但未达到《城镇污水处理厂污泥处置-园林绿化用泥质》(GB/T 23486-2009)中的有机质标准要求，而A型污泥的pH和氮磷钾总养分以及B型污泥的pH、 有机质含量和氮磷钾总养分均符合各城镇污水处理厂污泥处置类型的标准限值要求(见表 3).
表 3 城镇污水处理厂污泥处置类型的营养标准
2.2 堆肥污泥的营养元素含量和重金属污染
由表 4和表 5所示，A、 B型堆肥污泥中不仅含有丰富的营养元素，同时也含有诸多重金属，而且不同年份间的各元素/金属总量均呈现明显的差异. 2010年与2008年比较而言，A型污泥中Cu、 Zn、 Ca、 Fe、 Mg和Na的总量均表现为增加，而Mn则有所减少; 2013年与2012年相较而言，B型污泥中的Cu、 Zn、 Ca、 Na、 Al、 Cd、 Cr、 Hg、 S的总量均明显增加，而Mn、 As、 B、 Pb、 Fe、 Ni、 Mg总量则有所减少. 另外，各金属/元素的总量在A、 B型污泥中亦呈现较大的差异. 譬如，A型污泥不同年份的Zn、 Fe总量平均值较B型污泥的分别高出85.9mg ·kg-1和1913.0 mg ·kg-1; 而B型污泥不同年份的Mn、 Mg总量平均值较A型污泥的分别高出819.3mg ·kg-1和8827.1mg ·kg-1.
表 4 条垛堆肥污泥(A型)的重金属和元素总量
表 5 高速活性堆肥污泥(B型)的重金属和元素总量
从不同污泥处置类型中重金属的控制限值可知(见表 6)，我国的《城镇污水处理厂污泥处置-农用泥质》(CJ/T 309-2009)中A级污泥的标准限值，在各种污泥处置类型中是最为严格的. 由表 4和表 5所示，A、 B型堆肥污泥不同年份的Cu总量平均值分别为188.5mg ·kg-1 (范围为183.4~193.6 mg ·kg-1)和188.6mg ·kg-1(范围为135.2~241.9mg ·kg-1)以及Zn总量平均值分别为896.1mg ·kg-1 (范围为781.5~1010.7mg ·kg-1)和810.2mg ·kg-1(范围为755.0~865.4mg ·kg-1)，与我国城镇污水处理厂污泥处置类型的标准限值比较得知(见表 6)，其不仅符合《城镇污水处理厂污泥处置-土地改良用泥质》(GB/T 24600-2009)和《城镇污水处理厂污泥处置-园林绿化用泥质》(GB/T 23486-2009)中的Cu、 Zn总量的标准限值要求，而且远低于最为严格的《城镇污水处理厂污泥处置-农用泥质》(CJ/T 309-2009)中A级污泥的标准限值(即总Cu<500 mg ·kg-1和总Zn<1500 mg ·kg-1).
表 6 我国城镇污水处理厂污泥处置类型的重金属控制限
A型堆肥污泥中的Cd、 Cr、 Pb、 As和B的总量(仅为2010年数值)分别为2.9、 82.0、 105.1、 17.0和42.1 mg ·kg-1(见表 4); 如表 5所示，B型堆肥污泥不同年份的Cd总量平均值为2.8mg ·kg-1(范围为2.6~3.0mg ·kg-1)、 Cr总量平均值为140.1mg ·kg-1(范围为130.1~150.0 mg ·kg-1)、 Pb总量平均值为69.2mg ·kg-1(范围为67.9~70.5mg ·kg-1)、 As总量平均值为7.9mg ·kg-1(范围为5.4~10.4mg ·kg-1)以及B总量平均值为80.2 mg ·kg-1(范围为78.7~81.6mg ·kg-1). 上述A、 B型污泥中的重金属含量与表 6中的标准限值比较得知，各金属总量均达到了我国各类型污泥处置的标准限值要求(见表 6)，其中包括达到最为严格的《城镇污水处理厂污泥处置-农用泥质》(CJ/T 309-2009)中A级污泥的标准限值要求(即总Cd<3 mg ·kg-1、 总Cr<500 mg ·kg-1、 总Pb<300 mg ·kg-1、 总As<30 mg ·kg-1).
但是，B型堆肥污泥的Hg、 Ni总量存在超标的情形，且不同年份间存在明显的差异(见表 5). 具体而言，B型污泥不同年份的Hg总量平均值为12.8mg ·kg-1以及2012年的Hg总量为7.1mg ·kg-1，符合《城镇污水处理厂污泥处置-农用泥质》(CJ/T 309-2009)中B级污泥的标准限值要求(即总Hg<15 mg ·kg-1)，以及《城镇污水处理厂污泥处置-土地改良用泥质》(GB/T 24600-2009)和《城镇污水处理厂污泥处置-园林绿化用泥质》(GB/T 23486-2009)中的中性和碱性土壤(pH≥6.5)的标准限值要求(即总Hg<15 mg ·kg-1)，但其它的标准限值要求则不符合(见表 6); Hg总量在2013年为18.4mg ·kg-1，对任何污泥处置类型中的限值要求均不符合. 另外，B型污泥2013年的Ni总量为120.0 mg ·kg-1，符合《城镇污水处理厂污泥处置-农用泥质》(CJ/T 309-2009)中B级污泥的标准限值要求(即总Ni<200 mg ·kg-1)，以及《城镇污水处理厂污泥处置-土地改良用泥质》(GB/T 24600-2009)和《城镇污水处理厂污泥处置-园林绿化用泥质》(GB/T 23486-2009)中的中性和碱性土壤(pH≥6.5)的标准限值要求(即总Ni<200 mg ·kg-1)，但其它的标准限值要求均不符合(见表 6); B型污泥不同年份的Ni总量平均值为246.4mg ·kg-1和2012年为372.8mg ·kg-1(见表 5)，均不符合任何污泥处置类型中的限值要求(见表 6).
3 讨论
城市污泥通过制肥，不仅可解决农田、 园林及绿地急需的有机肥料的来源问题，同时也能寻求城市污泥的合理处置途径，并成为最有效的资源化途径之一. 近年来，我国污泥资源化处置技术投产项目显著上升，其中农业对污泥制肥的吸纳量很大，且污泥制肥资源化处置技术的应用已占30%，具有较好的发展前景[20]. 已有研究表明，污泥经堆肥处理后，可使污泥中腐殖质含量增加，而腐殖质因含有多种多样的官能团从而吸附重金属，或者改变重金属的化学形态，促使污泥中重金属稳定化，即大多数重金属以稳定残渣态或以残渣态和有机结合态兼具的形式存在，从而降低生物毒性和土壤的污染风险[21,22,23,24]. 特别是堆肥污泥相较其它处理方式(譬如厌氧消化和颗粒污泥)而言，堆肥过程更有利于降低Mn、 Ni及Zn等的有效性[25]. 由此说明，堆肥处理是降低污泥在农田、 土地改良及园林绿化中重金属污染风险的重要途径.
北京不同城镇污水处理厂堆肥污泥(即A、 B型)，不仅含有较为丰富的有机质和植物所需的氮、 磷等多种营养元素及微量元素，而且污泥的一些营养成分/元素诸如有机质、 全氮、 全磷和氮磷钾总养分等含量与往年相比均有所增加. 据马学文等[26]对全国范围111个城市共193个污水处理厂污泥营养含量的调查可知，有机质、 氮、 磷、 钾的平均含量分别为41.15%、 3.02%、 1.57%、 0.69%，除了北京地区A、 B型堆肥污泥的磷含量平均值与全国平均水平基本相当外，其有机质、 氮和钾含量均低于全国平均水平，但A、 B型污泥的有机质、 氮、 磷含量比往年均有所增加则与全国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含量则比往年有所减少. 这与我国城市污泥中Cu、 Pb含量在短期的趋势一致[26]. 但是，从长期而言，我国城市污水处理厂污泥中Cu含量则是下降趋势[27]. 除Hg、 Ni有超标现象外，A、 B型污泥的其他重金属含量均低于我国最为严格的《城镇污水处理厂污泥处置-农用泥质》(CJ/T 309-2009)中A级污泥的标准限值，这与姚金玲等[11]对我国东北、 华北、 华东和西北地区116 家污水处理厂污泥的研究结果一致. 另据张丽丽等[27]对我国城市污泥中重金属分布特征及变化规律的研究结果表明，近10年，污泥中 Ni、 Cd、 Hg含量的超标倍数最高. 这与本研究B型堆肥污泥中存在Hg、 Ni超标现象相吻合. 此外，来自北京不同污水处理厂的A、 B型堆肥污泥，其营养和重金属/元素含量存在着明显的差异. 即污泥的不同来源可能是主要原因[14,15]; 亦可能受其它因素诸如污水处理规模、 处理工艺和运行条件以及污泥堆肥工艺的影响[11]. 另有研究表明，污泥成分有时会因工艺过程和分析技术而产生显著的差异[28].
而今后，北京地区A、 B型堆肥污泥的资源化应用中，一方面，可能面临着潜在的Hg、 Ni环境污染情况，需要优先关注; 另一方面，则需要进一步探索污泥堆肥过程中重金属钝化的调控措施，从而最大限度地降低重金属的危害，譬如可利用铁氧化菌对一些重金属进行生物浸矿，可能是污泥制肥的一种可行策略[29]，以及在堆肥过程中加入石灰等物质亦能降低重金属的有效性[30,31]. 另外，除了污泥资源化应用中的重金属污染外，还有一些因素诸如粪大肠菌群菌、 多环芳烃(PAHs)等影响着污泥处置类型的选择，而本研究未涉及这些方面，因此还需进一步研究和分析北京堆肥污泥中其他污染物的含量，从而进行合理、 有效的污泥处置.具体参见污水宝商城资料或http://www.dowater.com更多相关技术文档。
4 结论
(1)北京地区不同城镇污水处理厂堆肥污泥中的pH、 营养成分、 微量元素和重金属含量在不同污泥来源(即A、 B型)以及年份间存在着明显的差异. 除了A型污泥不同年份的有机质平均值未达到《城镇污水处理厂污泥处置-园林绿化用泥质》(GB/T 23486-2009)中的标准要求外，其他A、 B型堆肥污泥不同年份的营养指标平均值均达到各城镇污水处理厂污泥处置类型(即农用、 土地改良和园林绿化)的营养标准要求.
(2)除了Hg、 Ni含量存在超标现象外，A、 B型堆肥污泥中的其它重金属含量均低于我国最为严格的《城镇污水处理厂污泥处置-农用泥质》(CJ/T 309-2009)中A级污泥的标准限值. 总体而言，北京地区A、 B型堆肥污泥在农用、 土地改良以及园林绿化处置中，存在潜在的Hg、 Ni环境污染状况，须优先关注.(作者及来源：中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所 白莉萍、齐洪涛、伏亚萍、李萍)
