基于元素分析的污泥焚燒處置綜合性評估

范雪瀅 盧嘉慧 林健輝 楊旭楠 梁嘉慧 曾國驅*

(1.廣東省科學院 微生物研究所,廣州 510070;2.廣東省微生物分析檢測中心,廣州 510070;3.華南應用微生物國家重點實驗室,廣州 510070;4.廣東省菌種保藏與應用重點實驗室,廣州 510070)

隨著國家污泥無害化處置和資源化利用政策的頒布和推進,市政污泥泥質特性的研究和處置利用方式日益受到關注,目前污泥產量日益增長,但對應的無害化處置及資源化利用未能與之相匹配,導致大部分污泥未能規(guī)范處理,造成巨大的環(huán)境風險,不利于社會的可持續(xù)發(fā)展。污水處理廠收納污水來源不一,導致產生污泥性質的差異,其中包括了污泥中的無機重金屬、有機物和微生物群落多樣性的差異。研究表明縣城污泥較腐熟污泥和市區(qū)污泥中的重金屬含量低,其存在的生態(tài)風險和健康風險較低[1]。而周邊金屬處理和機械維修企業(yè)較多的污水處理廠,其污泥中多環(huán)芳烴含量相對較高[2]。此外,污染土壤中萘、菲降解菌均比活性污泥中的豐度高[3]。污泥性質的差異,導致其適用的處置方式不同,因此,對市政污泥的持續(xù)監(jiān)測,了解不同地區(qū)的污泥泥質特性,為污泥的無害化處置和資源化利用提供科學性參考。

污泥處置方式主要有填埋、焚燒、土地利用和建材利用[4-5]。但目前我國主要的污泥處置方式仍為填埋,且大多采用簡易填埋的處置方式,極可能造成二次污染的風險[6]。江宇等[7]對沈陽市13家污水處理廠污泥中的重金屬進行分析,發(fā)現(xiàn)其Hg、Cd和Cu的單因子污染指數(shù)較高,其污染主要來源于工業(yè)生產。候永俠等[8]也發(fā)現(xiàn)沈陽市的Hg在80%的采樣點中污染程度為偏重污染和中度污染,具有較高的生態(tài)風險。耿源濛等[9]對全國40家污水處理廠的剩余污泥進行監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)城市污泥中Cd和Cu的潛在生態(tài)風險最高。楊瀟[10]采用興義地區(qū)污泥堆肥種植蔬菜發(fā)現(xiàn),其重金屬超過食品安全國家標準的要求,存在健康風險。因此,有必要對污泥中的重金屬元素進行風險評估,以確保其資源化利用的安全性,以免造成二次污染。此外,較發(fā)達地區(qū)由于土地利用緊張,污泥處置方式常選擇焚燒或建材利用,污泥干化后可單獨焚燒或與其他燃料混合焚燒,建材利用需要對污泥進行干化焚燒或協(xié)同焚燒處理[6],因此需考慮污泥熱值、碳含量、氫含量等相關工業(yè)分析指標及其碳排放分析,以評估其資源化利用效果。因此,本研究擬基于8個地區(qū)污水處理機構污泥的工業(yè)元素和重金屬元素分析,研究各指標間的相關性,同時進行碳排放分析和風險性分析,對污泥的資源化利用進行綜合評估,以摸清不同地區(qū)的污泥泥質特性,探明各指標的相關關系,為污泥的無害化處置和資源化利用提供科學性指導。

1 材料與方法

1.1 污泥樣品來源

污泥樣品為廣東省內8個地區(qū)污水處理機構的出廠污泥,各機構污水處理量和污泥產量見表1。采集2021—2022年期間6個批次的出廠污泥各1 kg,主要處置路線為“焚燒+灰渣利用”,灰渣利用方式主要為建材利用。

表1 各地區(qū)污水處理機構基本情況Table 1 Basic information of sewage treatment plants in different regions

1.2 污泥泥質的元素分析

采用相關國家標準和行業(yè)標準對污泥樣品進行元素分析,實驗方法見表2。各元素含量結果均以干基計算。

表2 污泥泥質元素分析方法Table 2 Elemental analysis of sludge characteristics

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 26軟件對污泥工業(yè)分析和重金屬元素分析結果進行單因素方差分析(P<0.05),以判斷各地區(qū)出廠污泥的差異性。同時,根據(jù)各地區(qū)泥質特性對各地區(qū)出廠污泥進行歐氏距離聚類分析(CA)。采用Origin 2021對工業(yè)分析指標進行雙尾皮爾遜相關性分析(P<0.05)。

1.4 碳排放量和補償量計算

根據(jù)污泥工業(yè)分析結果和各地區(qū)污泥產量,參考相關成果[11-12]的計算方法,對不同地區(qū)污泥焚燒和灰渣綜合利用產生的碳排放量進行計算。污泥焚燒產生CO2、N2O和CH4的排放量計算見式(1)～(3),焚燒時的電力供應產生的碳排放量計算見式(4),焚燒熱量回收的碳補償量見式(5)～(6),灰渣綜合利用的碳補償量見式(7),為研究各地區(qū)單位污泥的碳排放量,污泥質量均以1 t計算。

污泥焚燒產生CO2的排放量:

(1)

式中:ECO2,焚燒——污泥焚燒產生的CO2排放量,kgCO2/t;

m——焚燒的污泥質量,t;

dm——污泥的干物質含量,以100%含水率計算,%;

CF——污泥的碳含量,%,采用本研究中的測試結果;

FCF——總碳中化石碳的比例,12%;

OF——氧化因子,100%;

44/12——CO2與碳的分子量轉換系數(shù)。

污泥焚燒產生N2O的排放量:

EN2O,焚燒=m×dm×EFN2O,焚燒×GN2O

(2)

式中:EN2O,焚燒——污泥焚燒產生的N2O碳排放量,kgCO2/t;

EFN2O,焚燒——焚燒過程N2O的排放因子,0.99 kg/t;

GN2O——全球增溫潛勢,298。

污泥焚燒產生CH4的排放量:

ECH4,焚燒=m×dm×EFCH4,焚燒×GCH4

(3)

式中:ECH4,焚燒——污泥焚燒產生的CH4碳排放量,kgCO2/t;

EFCH4,焚燒——焚燒過程CH4的排放因子,0.024 25 kg/t;

GCH4——全球增溫潛勢,25。

焚燒時的電力供應產生的碳排放量:

E電力=m×dm×D×EF電力

(4)

式中:E電力——焚燒時電力供應產生的碳排放量,kgCO2/t;

D——耗電量,300 kW·h/t;

EF電力——電力供應排放因子,0.583 9 kg/(kW·h)。

焚燒熱量回收的碳補償量:

(5)

式中:CH熱電聯(lián)產——熱電聯(lián)產發(fā)電效率,kW·h/t;

Q——污泥干基低位發(fā)熱量,GJ/t,采用本研究中的測試結果;

Q損——能量損失,以熱值的7%計算,GJ/t;

ω熱電聯(lián)產——熱電聯(lián)產效率,80%。

E焚燒,補償=m×dm×CH熱電聯(lián)產×EF電力

(6)

式中:E焚燒,補償——焚燒熱量回收的碳補償量,kgCO2/t。

灰渣綜合利用的碳補償量:

E灰渣利用,補償=m×dm×φ×EF灰渣

(7)

式中:E灰渣利用,補償——灰渣綜合利用的碳補償量,kgCO2/t;

φ——灰渣平均占比,17.5%;

EF灰渣——灰渣綜合利用的排放因子,0.52 t/t。

1.5 風險性評估

分別采用內梅羅指數(shù)法和Hakanson潛在生態(tài)危害指數(shù)法[13-14]對重金屬元素與污泥處置中制磚、水泥熟料的標準限值,以及重金屬浸出液與污泥處置中單獨焚燒的標準限值對各地區(qū)污水處理機構進行環(huán)境污染和生態(tài)風險評價。內梅羅指數(shù)法中單項污染指數(shù)Pi計算見式(8),各地區(qū)污水處理機構的綜合污染指數(shù)P計算見式(9)。Hakanson潛在生態(tài)危害指數(shù)法中多元素綜合潛在生態(tài)風險指數(shù)RI計算見式(10)。

內梅羅指數(shù)法中單項污染指數(shù)Pi:

(8)

式中:Pi——污染物i的單項污染指數(shù);

Ci——污染物i的實測含量,mg/kg;

Si——污染物i在相關標準中的限值,mg/kg。

綜合污染指數(shù)P:

(9)

式中:P——污水處理機構的綜合污染指數(shù);

Pimax——污水處理機構中單項污染指數(shù)的最大值;

Piave——污水處理機構中單項污染指數(shù)的平均值。

依據(jù)Pi和P的計算結果可將污水處理機構污泥的污染程度分為5個級別:≤0.7,Ⅰ級(清潔);0.73.0,Ⅴ級(重度污染)。

Hakanson潛在生態(tài)危害指數(shù)法中多元素綜合潛在生態(tài)風險指數(shù)RI:

(10)

式中:RI——多元素綜合潛在生態(tài)風險指數(shù);

Tri——污染物i的毒性響應系數(shù)[15];

Csi——污染物i的實測含量,mg/kg;

Cni——污染物i在相關標準中的限值,mg/kg。

依據(jù)RI的計算結果可將污水處理機構污泥的生態(tài)風險水平分為4個級別:RI<50,輕微生態(tài)危害;50≤RI<300,中等生態(tài)危害;300≤RI<600,強生態(tài)危害;RI≥600,很強生態(tài)危害。

2 結果與討論

2.1 污泥的工業(yè)分析

對各污水處理機構6個批次的污泥工業(yè)元素進行分析,結果見表3。根據(jù)污泥工業(yè)分析結果,對各污水處理機構進行聚類分析,結果見圖1。

圖1 基于工業(yè)分析的各地區(qū)污水處理機構聚類分析結果Figure 1 Cluster analysis of sewage treatment plants in different regions based on industrial analysis.

表3 各地區(qū)污泥工業(yè)分析結果Table 3 Results of sludge industrial analysis in different regions(n=6)

由表3可得,地區(qū)1、7、8出廠污泥中有機物含量、發(fā)熱量、揮發(fā)分、固定碳、碳含量、氮含量較高,灰分、硫含量較低,有利于污泥的焚燒利用,地區(qū)2污泥的硫含量較高,地區(qū)8的磷含量較高。聚類分析的結果與工業(yè)分析結果基本一致(圖1),總體以有機物含量、熱值和碳含量高低進行分類。地區(qū)1、7、8污泥碳含量和熱值等較高的污水處理機構歸為一類,其他機構歸為一類。其中地區(qū)6污泥的有機物含量和熱值較地區(qū)2、3、4、5高,可單獨劃為一類,地區(qū)8污泥的氮含量、磷含量較地區(qū)1、7高,也可單獨劃分為一類。

工業(yè)分析各參數(shù)間存在一定的相關性,研究發(fā)現(xiàn)同一地區(qū)的油頁巖發(fā)熱量與揮發(fā)分、固定碳、碳含量、氫含量成正比,與灰分成反比[16]。同樣在煤的工業(yè)分析中也發(fā)現(xiàn)其干基灰分與可應用基低位發(fā)熱量間具有很強的負線性相關關系[17]。為探討各地區(qū)污泥工業(yè)分析參數(shù)間的相關性,對各分析參數(shù)進行皮爾遜相關性分析,結果見圖2。

圖2 工業(yè)分析參數(shù)間的相關性分析(*P<0.05)Figure 2 Correlation analysis between industrial analysis parameters(*P<0.05).

由圖2可得,發(fā)熱量與有機物含量、揮發(fā)分、固定碳、碳含量、氫含量和氮含量顯著正相關,與灰分顯著負相關,與前文其他燃料的研究結果一致。研究表明污水處理機構中的污水水質、排水體制、污水及污泥處理工藝可影響污泥的揮發(fā)分含量,從而影響污泥的熱值[18]。根據(jù)揮發(fā)分、水分、灰分、固定碳等參數(shù),通過一定的數(shù)學模型可推測出污泥的發(fā)熱量和碳含量[19-20],也有研究通過碳、氫、氧含量推測燃料的灰分含量[21]。

2.2 污泥的重金屬元素分析

對各污水處理機構6個批次的污泥重金屬元素進行分析,結果見圖3。

圖3 各地區(qū)污泥重金屬元素分析結果Figure 3 Results of sludge heavy metals analysis in different regions(n=6,R represents region).

由圖3可得,地區(qū)1、6污泥的鉻含量較高,均值均高于200 mg/kg,地區(qū)1污泥的鎳含量同樣比其他地區(qū)顯著偏高,均值為187 mg/kg。地區(qū)1、2、6污泥的銅含量較高,均值均高于900 mg/kg,地區(qū)6的污泥鋅和砷含量也較其他地區(qū)顯著偏高,均值分別為1 517和43.7 mg/kg。各地區(qū)的鎘含量分布與其他元素不同,地區(qū)2、8的鎘含量顯著偏高,分別為11.1和17.8 mg/kg,地區(qū)1、6的鎘含量則較低。但地區(qū)1的汞含量較其他地區(qū)高,均值為1.04 mg/kg,而地區(qū)6、7的鉛含量較高,均值分別為76.3和83.1 mg/kg?？傮w來講,地區(qū)1、2、6的8種重金屬元素總量較大,在污泥處置時需關注重金屬污染情況。對8個地區(qū)重金屬含量測試結果進行聚類分析,結果見圖4。

圖4 基于重金屬元素分析的各地區(qū)污水處理機構聚類分析結果Figure 4 Cluster analysis of sewage treatment plants in different regions based on heavy metals analysis.

由圖4可得,地區(qū)3、4、5的污水處理機構可歸為第一類,其污泥中的重金屬含量較低,地區(qū)7、8的機構可歸為第二類,其污泥中某一種重金屬含量較高,地區(qū)7污泥中的鉛可能來源于生活污染,如道路汽車尾氣排放、生活垃圾等[22-23],地區(qū)8主要為農業(yè)生產區(qū),其污泥中的鎘可能來源于大氣沉降和農業(yè)活動[24]。地區(qū)2、6和地區(qū)1的機構可分別歸為第三類和第四類,污泥中的多種重金屬含量較高,大多來源于工業(yè)污染[22]。除進水來源外,污泥中的重金屬含量也會隨著取樣時間和季節(jié)不同而發(fā)生變化[25]。不同機構污泥中的重金屬含量不一,在微酸性條件下浸出后的分布也不盡相同,污泥浸出液的重金屬含量分布見圖5。

圖5 各地區(qū)污泥浸出液重金屬元素含量分布Figure 5 Distribution of heavy metals in sludge leaching solution in different regions.

由圖5可得,各地區(qū)污泥浸出液中鎳、銅、鋅3種元素之和約占總體90%,鉻、砷、鋇、鉛占據(jù)一定比例,但所占比例較小,鈹、鎘、汞占比極少。酸對金屬的浸出作用主要是通過兩種機制實現(xiàn)的,一是固相中吸附的金屬元素被質子交換,可破壞胞外聚合物結構,將吸附于表面的重金屬離子釋放;二是無機金屬沉淀物在酸性條件下的溶解[26-27]。不同酸對重金屬的提取效率不一,STYLIANOU等[28]發(fā)現(xiàn)污泥經硫酸處理后,鉻、鎳、銅、鋅均被大量去除,但鉛的去除率較低,與本研究的結果基本一致。但黎淑端等[29]通過醋酸浸提發(fā)現(xiàn),鋅、鎳提取比例較高,而銅、鉻比例較低。而寇瑩瑩等[30]采用谷氨酸與檸檬酸體積比為2∶1浸提時,對污泥中Cu、Pb、Zn的去除率最高。污泥中鋇元素在中性條件下浸出量比采用硫酸硝酸法高,而鈹則在酸性條件下更容易解析[31]。同時,鈹、鎘、汞在污泥中含量較低,且汞在污泥中的穩(wěn)定性較高,大多殘留在污泥中[32],因此在浸出液中的含量較低。

2.3 污泥處置碳排放分析

對不同地區(qū)污泥焚燒和灰渣綜合利用產生的碳排放量進行分析,結果見圖6,其中由焚燒產生CO2、N2O和CH4所得的碳排放量合并為焚燒產生的碳排放量。由圖6可得,各地區(qū)由焚燒和電力供應產生的碳排放量差距不大,由于相關參數(shù)多采用含水率參與計算,因此含水率較低的地區(qū)(地區(qū)6、7)所得的碳排放量較高,雖然碳含量也參與CO2排放的計算,但由于N2O的全球增溫潛勢較大,焚燒排放量主要以N2O產生的碳排放量為主,因此主要為含水率造成的差異。圖6中負值所表示的為碳補償量,其中地區(qū)1、7、8的碳補償量較高,分別為958.59、909.08和963.39 kgCO2/t,焚燒補償?shù)奶寂欧胖饕愿苫臀话l(fā)熱量參與計算,因此發(fā)熱量較高的地區(qū),碳補償量較高。

圖6 各地區(qū)出廠污泥處置碳排放量分析Figure 6 Analysis of carbon emissions of sludge disposal in different regions.

雖然圖6中所示的碳補償量較碳排放量大,但統(tǒng)計的范圍是由出廠污泥開始的,前期污泥干化過程中產生的碳排放并未計算在內,參照李哲坤等[12]對焚燒+建材利用的碳排放計算,前期干化和運輸過程中產生的碳排放量為1 405.76 kgCO2/t,與現(xiàn)有的結果綜合計算可得,總碳排放量平均約為1 000 kgCO2/t,干基低位發(fā)熱量較高的地區(qū)1、7、8碳排放量較低,結合工業(yè)分析的相關性,說明污泥中的有機物含量、碳含量和發(fā)熱量越高,焚燒的碳補償量越大,可減少總碳排放量。

2.4 污泥處置的風險性分析

根據(jù)污泥處置的3種方式:制磚、水泥熟料和焚燒對各地區(qū)污泥中重金屬(除焚燒外)或浸出液中的重金屬含量(焚燒)進行內梅羅指數(shù)和Hakanson潛在生態(tài)危害指數(shù)評價,結果見表4。

表4 基于不同污泥處置方式下各機構污泥的綜合污染指數(shù)和生態(tài)風險指數(shù)Table 4 Comprehensive pollution index and ecological risk index of sludge from different regions based on sludge disposal methods

由表4可得,地區(qū)1污泥在除焚燒處置的方式外,綜合污染指數(shù)均在警戒線級別,因此對于地區(qū)1的污泥處置,宜采用焚燒處置的方式。從生態(tài)風險指數(shù)來看,3種污泥處置方式的生態(tài)風險指數(shù)均為輕微生態(tài)危害,對生態(tài)危害性較低。單獨焚燒由于標準限值要求為污泥浸出液重金屬濃度限值,且8個地區(qū)污泥浸出液的重金屬濃度較低,因此單獨焚燒處置的P和RI值均比制磚和水泥熟料處置的低。Hakanson潛在生態(tài)危害指數(shù)評價法較內梅羅指數(shù)法增加了生態(tài)學、毒理學的考慮因素,能更客觀地反映研究地區(qū)的潛在風險,但該法僅考慮單一的重金屬生態(tài)危害,未考慮到多種重金屬的復合危害性,具有一定的不足[36]。同時,在計算制磚、水泥熟料和單獨焚燒時,前兩種是依據(jù)污泥中重金屬全量,焚燒是依據(jù)浸出液中的重金屬含量,在水體中的重金屬敏感性與污泥中是存在一定差別的,但本研究中采用相同的毒性響應系數(shù)進行計算,也存在不足。同時,如考慮污泥的農用處置,也可進一步根據(jù)污泥的重金屬特征,評估污泥處置對人體健康的風險[37]。

3 結論

本研究基于元素分析,對各地區(qū)出廠污泥泥質進行分析,探索元素間的相關關系,對各地區(qū)污泥進行碳排放分析和風險性評估,主要研究結論如下:

1)從工業(yè)分析結果可得,地區(qū)1、7、8的出廠污泥中有機物含量、發(fā)熱量、揮發(fā)分、固定碳、碳含量、氮含量較高,污泥處置方式采用焚燒處置較為適用。污泥的發(fā)熱量與有機物含量、揮發(fā)分、固定碳、碳含量、氫含量和氮含量顯著正相關,與灰分顯著負相關,提高污泥的有機物含量有利于污泥的焚燒利用。

2)從重金屬元素分析結果可得,地區(qū)1、2、6污泥的重金屬含量較高,各地區(qū)污泥浸出液中鎳、銅、鋅所占比例較大,在污泥處置時需關注重金屬的污染。

3)從污泥處置的碳排放分析可得,地區(qū)1、7、8的干基低位發(fā)熱量較高,焚燒的碳補償量較大,總碳排放量較小,可通過提高污泥發(fā)熱量,提高碳補償量,降低碳排放量。

4)從污泥處置的風險性分析可得,地區(qū)1污泥在采用制磚、水泥熟料處置時具有污染風險,宜采用焚燒處置,各地區(qū)污泥在焚燒+灰渣綜合利用處置的生態(tài)風險性較低。