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泥客庄主旧文(一):污水灌溉与污泥土地利用之比较——土壤污染物控制与安全标准的数量化解读

2015-12-02 14:27来源:泥客庄主的博客关键词:污水处理污泥治理污泥土地利用收藏点赞

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尤为重要的是,土壤保护法中规定了年度进入土壤的污染物最高限值,这也是判断土壤是否被污染的一个基准值。《联邦土壤保护和污染站点条例》(Federal Soil Protection and Contaminated Sites Ordinance, BBodSchV)第5节规定,从各种途径(土、水、植物)向土壤输入污染物有一个上限,高于该值将被认为是对土壤构成污染(单位:克/公顷.年):汞1.5,铬300,铅400,镉6。

如果仅比较污泥的污染物最高限值,人们可能会发现CJ-T 309-2009甚至比德国还严格(王海燕等《国内外污水处理厂污泥标准对比研究与建议》,载给水排水2010.10),但实际上,这种解读有失准确,因为它忽略了与此相关的另两个关键限值:年污染物输入量、污泥施用量。CJ-T 309-2009未规定污染物的输入量,仅规定了污泥的最高施用量和时间:7.5吨/公顷˙年,最长连续十年。通过计算比较(见后),我们会发现,CJ-T 309-2009的A级污泥标准,在污泥施用量上其实是德国的4.5倍,在污染物施用量方面分别是3.75倍(镉)和15倍(汞)。

前面的论述已阐明,污水未经处理就直接进入土壤(污灌)是不可行的,这一点已为惨痛的经验所证实。那么,将污水中的污染物拿出来,浓缩成污泥后再进入土壤,要怎样才能保证土壤是安全的呢?

要回答这个问题,有必要进行一些量化分析。

四、量化比较

1、比较方法

1)施用污泥的土壤污染物浓度

污泥是污水处理所产生的。污水进水中的污染物经过处理,其中的大部分会被凝缩在污泥中。

根据标准,确定污泥的污染物浓度(如汞、镉)。

农业耕作的表层土壤取厚度取30厘米(参考Federal Soil Protection and Contaminated Sites Ordinance),干基密度取1250公斤/立方米,由此得到土壤质量。

根据标准所规定的污泥施用量,得到污染物输入量,并进而得到累积污染物浓度。可考虑经由作物、水汽途径污染物的散失量为总量的一个百分比(如15%)。

同理,考虑有机质的输入量及其降解率(如有机质含量60%,降解率50%)。

考虑当地土壤的污染物本底浓度,由此得到施用期末的土壤中累积污染物浓度。将此浓度与《GB15618-95土壤环境质量标准》的二级标准“为保障农业生产,维护人体健康的土壤限制值” (0.30 mg/kg)进行比较(这里未选择德国标准,而是选择了中国标准进行比较,是因为德国土壤保护法中对土壤镉含量的规定要严格得多:对种植小麦或镉累积作用明显的蔬菜,镉的行动值为0.04 mg/kg,其它为0.1 mg/kg,见Federal Soil Protection and Contaminated Sites Ordinance, Clause 2.2)。

2)污灌的污染物浓度

已知污泥的平均含固率(如20%),可得到折算的湿泥量。

常见市政污水产泥量为70~100吨/10万吨级,取典型值80吨,则污泥量可换算为污水量,作为未经处理的污灌水量。

农业灌溉水量根据作物类型和气候而变化,一般在每年600~1200mm/平方米,如水稻种植在1000mm/平方米,这里取800mm,换算为灌溉水量。

将污泥中的污染物总量除以折算污水量,得到污灌水的平均污染物浓度。

经过二级处理,原进水中的污染物中只有一部分进入了污泥(参考欧盟文献《Pollutants in urban waste water and sewage sludge》,选择PTE removals and transfer to sewage sludge during conventional urban wastewater treatment表中的二级污水处理污染物去除比例的取值)。根据该比例,反推得到原进水的污染物负荷。

将污水处理前后的污染物负荷与《GB20922-2007城市污水再生利用农田灌溉用水水质》中的数值进行比较,以判断污泥土地利用的污染物施用负荷和折算为污灌的污染物负荷对土壤的影响。

2、计算结果

以镉为例,让我们来看一下德国标准的数量概念。

根据欧盟文献(Background values in European soils and sewage sludges II, p58),德国粘土质耕地的镉背景值为0.25mg/kg (50% percentile)。根据德国污泥农用标准,干基污泥中镉浓度不得超过1.5mg/kg,施用年限为30年(Sewage Sludge Ordinance - Klärschlammverordnung – AbfKlärV关于污泥施用记录保存的规定)。污泥所携带的污染物折算为处置湿泥量555公斤/亩.年,相当于694吨未经处理的污水,年度污染物施用量0.0025公斤/公顷.年,此值是美国503标准1.9公斤/公顷.年的0.1%,是德国年度施用量0.0060公斤/公顷.年的42%。德国标准中污泥施用速度限值为5吨/公顷.3年,则干基污泥的施用量不超过1.66吨/公顷.年,是CJ-T 309-2009标准7.5吨/公顷.年的22%。当农业灌溉用水量取值为800毫米/平方米.年时,灌溉用水量533立方米/亩.年,污泥中污染物的折算污水当量694吨比灌溉需求高了30%,这意味着污染物向土壤中转移的速度甚至比污灌还快。在污染物的累积施用量4995毫克/亩中,镉的去除率约64%,则污水进水的镉浓度在0.0004mg/l,出水应在0.0001mg/l左右。这一数据远低于典型的回用水指标(如国标的0.005mg/l)。30年期末土壤镉的最高累积浓度约0.267mg/kg,与污染物土壤安全浓度(GB15618-95二级)0.300mg/kg较为接近。

再对CJ-T 309-2009标准进行计算如下:

假设我国耕地的镉背景值为0.20mg/kg(注意,此值低于我们选择的德国背景值一大截)。根据污泥农用标准,干基污泥中镉浓度不得超过3.0mg/kg,施用年限为10年。污泥所携带的污染物折算为处置湿泥量2500公斤/亩.年,相当于3125吨污水,年度污染物施用量0.00225公斤/公顷.年,此值是美国503标准1.9公斤/公顷.年的1.2%,是德国年度施用量0.0060公斤/公顷.年的375%。CJ-T 309-2009的污泥施用速度为7.5吨/公顷.年,是德国标准的450%。当农业用水量取值为800毫米/平方米.年时,灌溉用水量533立方米/亩.年,污泥中污染物折算的污水当量3125吨是灌溉需求的586%,这意味着污染物向土壤中转移的速度比污灌更快、更集中。在污染物的累积施用量15000毫克/亩中,污水进水的镉浓度在0.0008mg/l,出水应在0.0003mg/l左右。10年期末土壤镉的实际最高累积浓度约0.250mg/kg,接近GB15618-95的二级标准)0.300mg/kg。

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