城市污泥和煤渣复合基质在道路植被护坡中的工程性研究

吕超、黄敏、王章琼

武汉工程大学土木工程与建筑学院，湖北省武汉市洪山区雄楚大街 693号

摘 要：本论文主要以武汉市江夏区污水处理厂的城市污泥与煤渣复合基质为基础，研究城市污泥和煤渣复合基质在道路植被护坡中的工程性研究。研究内容主要包括：城市污泥理化性质分析、不同污泥质量配比复合基质对高羊茅生长影响研究。具体成果如下：

（1）对城市污泥进行相关的理化性质及成分分析可以发现，其物理性质、化学性质均满足规范要求。

（2）通过将不同比例的城市污泥与煤渣复合基质应用于高羊茅的生长实验中可以发现，其发芽率、苗高、根长、鲜重和干重呈现出了先增大后减小的趋势。当复合基质比例处于20%-40%的时候，其实验各项指标的数据均接近营养组。通过分析可知，0%的实验组可能是由于基质中的有机质和营养物质含量过低。而60%实验组可能是由于机制中的重金属含量随着污泥含量的增加而增加，从而对高羊茅的生长产生了相应的抑制作用，且比例愈高，抑制效果愈加明显。

关键词：城市污泥，复合基质，高羊茅。

作者简介：吕超（1996.07-至今），男，硕士，主要从事城市污泥复合基质相关工作

该论文依托项目:城市污泥用于生态护坡基质的关键技术研究，湖北大学生创新训练项目，项目编号201810490025。

1 引言

随着社会的发展，中国的城市污泥产生量愈来愈多。目前我国城市污泥的主要处置方法为就地填埋，这种方法虽然具有处理成本低，处理量大的优点，但污泥中含有的重金属、细菌及腐蚀性物质会导致一些无法挽回的后果。例如大量的重金属会随着食物链进入人体引发疾病，细菌和腐蚀性物质会污染土壤破坏环境。

从资源循环利用、能耗物耗和经济价值等方面综合考虑，经过相关技术处理后的污泥土地利用相对于焚烧和填埋更具有优势和潜在的经济价值。但无论是厌氧消化还是好氧发酵技术处理的污泥最佳适用的污泥种类都是来源于生活的污泥污水。虽然污泥处置方式多种多样，但土壤是经济社会可持续发展的物质基础，污泥的最终归属还应该是土地。污泥能实现资源化利用是污泥处理的初衷，也是最理想的结果，并且污泥作为肥料、土壤调节剂的农业再利用及园林绿化的资源化利用已经被广泛接受。

本文的研究目的就是寻找一种资源化利用和无害化处理污泥的处置方式，这是控制环境污染、解决能源短缺难题的重要措施之一。现在许多具有利用潜力的有机废弃物被用作园林绿地的生长介质，均取得了较好的实验效果。因此本文将城市污泥用于道路边坡复合生态基质的制作，既可以促进植物的生长，避开食物链，又可以实现废弃资源再利用，最终使污泥达到安全有效的资源化利用。

因此如果将城市污泥与煤渣复合成生态基质用于道路边坡，这样既可以提高污泥在土地资源化利用方面的比例，也可以对植物的生长起到促进作用，具有重要的科学价值和实验意义。

2 原材料的选择及处理

2.1原材料的选择

经过对武汉周围的生活区污泥处置点进行分析后，我们决定从污水处理厂取用污泥进行实验，此污水厂位于武汉市江夏区，主要的污泥来源为附近的小区生活污泥，重金属含量较少且营养成分含量高。这样做具有的优点是：实验的材料具有量大、易于取用的特点，以及实验结果具有普遍性。

本次实验中所采用的蜂窝煤渣来自于相关企业，该煤渣具有改良土壤，使土壤松散不板结，透气透水等特点，而且该煤渣里面含有完全烧透的煤矸石，这能够为植物的生长提供大量的钙元素，有利于植物根系的发育。实验高羊茅种子取自园林相关草场，品种为进口高羊茅，该品种具有耐寒能力强、极强耐贫瘠、生命能力强等特点，特别适合道路护坡。

2.2城市污泥理化性质分析

理化性质是城市污泥能否资源化利用最重要的指标之一，本次测定主要是依据GB/T23486-2009《城镇污水处理厂污泥处置园林绿化用泥质》使用标准，对实验材料即城市污泥主要理化性质进行测定，。

2.2.1城市污泥基本物理性质分析

城市污泥基本物理性质如下表2-1所示：

表2-1 城市污泥基本物理性质

项目	PH值	含水率（%）	有机质（%）
实验污泥	7.28	78.2	38.7
园林绿化标准	≥6.5	＜40	＞25

表2-1列出了实验所用城市污泥基本物理性质成分，可以看出经过厌氧消化处理后的污泥，其PH值和有机质含量已经达到GB/T23486-2009《城镇污水处理厂污泥处置园林绿化用泥质》使用标准，且有机质含量超过规范要求54.8%，这说明该污泥中富含有机质。而含水率略高于园林绿化标准，因此，实验前需要进行处理以降低含水率。因此该城市污泥基本物理性质满足实验要求。

2.2.2城市污泥养分含量分析

城市污泥养分含量如下表2-2所示：

表2-2 城市污泥养分含量

项 目	总氮	总磷	总钾	矿物油	挥发酚	总氰化物	多氯联苯	苯并芘
	全量（mg/kg）
实验污泥	353	1.84x104	1.67x104	528	0.87	0.838	ND	ND
园林绿化标准	总氮+总磷+总钾≥3			＜3000	/	/	＜3	＜3

上表列出了实验所用城市污泥养分含量分析，可以看出经过厌氧消化处理后的污泥，其总氮、总磷、总钾、矿物油等养分含量均已经达到GB/T23486-2009《城镇污水处理厂污泥处置园林绿化用泥质》使用标准。因此，该污泥养分含量满足实验要求。

2.2.3城市污泥重金属含量分析

城市污泥重金属含量如下表3-4所示：

表3-4 城市污泥重金属含量

项 目	镉	汞	砷	铅	铬	镍	锌	铜	硼
	全量（mg/kg）
实验污泥	0.54	0.978	18.2	17.2	64.9	22	270	56.5	63.1
园林绿化标准	＜1000	＜15	＜75	＜1000	＜1000	＜200	＜4000	＜1500	＜150

上表列出了实验所用城市污泥的重金属含量分析，这说明经过厌氧消化处理后的污泥，其镉、汞、砷等各种重金属含量均远远小于GB/T23486-2009《城镇污水处理厂污泥处置园林绿化用泥质》使用标准，因此该城市污泥重金属含量满足实验要求。

第3章：结果与讨论

3.1实验方案设计

本文的草坪栽培实验设计如下：供试草种为高羊茅种子，每盆播种600粒。为保证实验情况与实际情况相吻合，于室外采用仿真边坡种植高羊茅，其中边坡倾角为30°。相对应的实验组分别用N1、N2、N3、N4、CK来表示。同时为了防止偶然误差对实验数据的干扰，本次实验各个实验组均设置3个平行实验组，最后取得的结果采用平均值（部分过于偏大或者偏小的数据将舍弃）。

表3-1 实验对照表

组号 number	编号 number	污泥比例 proportion	种植土 Soil	珍珠岩 perlite	污泥 sludge	煤渣 cinder	备注remarks
1	N1	0	3KG	0.5Kg	0 Kg	0 Kg	空白对照
2	N2	20%	3KG	0.5Kg	0.4Kg	1.6Kg
3	N3	40%	3KG	0.5Kg	0.8Kg	1.2Kg
4	N4	60%	3KG	0.5Kg	1.2Kg	0.8Kg
5	CK	化肥和 尿素	3KG	0.5Kg	0Kg	0Kg	营养组

图3-1 八周生长情况表 图3-2 两周时N2生长情况表

3.2城市污泥与煤渣复合基质对高羊茅形态指标的影响

3.2.1城市污泥与煤渣复合基质对高羊茅发芽率的影响

图3-3 城市污泥与煤渣复合基质对高羊茅发芽率的影响

表3-2 城市污泥与煤渣复合基质对高羊茅发芽率的影响

组别（number）	N1	N2	N3	N4	CK
发芽率%（sprouting）	84	94	86	82	90

图3-3和表3-2列出了不同配方基质对高羊茅发芽率的影响。当污泥比例处于0%-20%的时候，N2的发芽率相对增长率为11.90%。这表明当污泥比例处于0%-20%的时候，随着污泥质量配比的增加，其对高羊茅种子的促进效果也得到了大幅提升（提升效果明显）。当污泥比例处于30%-60%的时候，N3、N4的发芽率相对增长率分别为-8.51%、-4.65%。这表明当污泥比例处于30%-60%的时候，随着污泥质量配比的增加，重金属含量也随之增加了，其对高羊茅种子的抑制效果也愈加明显。有研究已经表明，污泥中含有一些促进生长激素类激素，对植物种子的萌发有一定的促进作用，但是当含量增加之后，重金属也随之增加了，对种子的抑制效果也越加明显，本实验结果与该研究结果相符。

3.2.2城市污泥与煤渣复合基质对高羊茅苗高的影响

图3-4 不同比例复合基质对高羊茅苗高的影响

图3-4列出了不同配方基质对高羊茅苗高的影响。从表中可以看出，高羊茅在前面5周内生长迅速，随后增长率逐渐放缓直至停止。N3无论是苗高、还是苗高增长率均高于其他组。因此可以得出，污泥对高羊茅的生长具有一定的促进效果，且当污泥比例在40%的时候，对高羊茅的苗高促进效果最好。而当污泥比例在60%的时候，抑制效果最强，其无论是苗高还是增长率均远远低于对照组。

3.2.3城市污泥与煤渣复合基质对高羊茅根长的影响

图3-5 不同比例复合基质对高羊茅根长的影响

图3-5列出了不同配方基质对高羊茅根长的影响。从表中可以看出，当污泥比例处于0-20%的时候，N2的最终苗高相对增长率分别为18.46%。这表明当污泥比例处于0-20%的时候，高羊茅的生长得到了促进。当污泥比例处于40%-60%的时候，N3、N4的相对增长率分别为-5.19%、-20.55%。这表明当污泥比例处于40%-60%的时候，高羊茅生长受到的抑制效果也愈加明显。

3.2.4城市污泥与煤渣复合基质对高羊茅鲜重与干重的影响

图3-6 不同比例复合基质对高羊茅鲜重和干重的影响

表3-3 不同比例复合基质对高羊茅鲜重和干重的影响

	N1	N2	N3	N4	CK
鲜重	5.8g	7.4g	7.6g	6.2g	7.8g
干重	1.1g	1.2g	1.2g	1.0g	1.2g

图3-6和表3-3列出了不同配方基质对高羊茅鲜重和干重的影响。从表中可以看出，与N0和CK对比N4的鲜重与干重最高，当污泥比例处于0%-30%的时候，N1、N2、N3的鲜重和干重相对增长率分别为27.59%、2.70%。这表明当污泥比例处于0%-40%的时候，随着污泥质量配比的增加，高羊茅的鲜重和干重随之增加，且在40%的时候达到最大值7.6g、1.2g。当污泥比例处于60%的时候，鲜重和干重相对增长率为-18.42%。这表明当污泥比例处于60%的时候，随着污泥质量配比的增加，高羊茅的鲜重及干重质量逐渐减少，且在60%的时候达到最小值6.2g、1.0g，仅仅占对照组的79.5%、83%。

4 结语

城市污泥中含有丰富的植物营养元素、有机质和微量元素，比如钾、磷、氮等，这些元素都是植物生长过程中所必须的营养物质，所以这也是为城市污泥和煤渣复合基质在道路植被护坡中的工程性研究提供了理论依据。经过对城市污泥的化学实验分析，城市污泥中含有一些重金属元素比如镉、汞、铅、铬、砷、镍、锌、铜等。如果将城市污泥农用，存在让这些有害物质进入食物链的风险。若是将它用于道路边坡复合基质的制作，其含量是符合国家及行业标准的。本研究得出的主要结论如下：

（1）对武汉市江夏区污水处理厂采用的城市污泥进行相关的理化性质及成分分析可以发现，其物理性质中的PH值、有机质均满足规范要求。化学性质中的总氮、总磷、总钾、矿物油、挥发酚、总氰化物、多氯联苯和苯并芘均满足规范要求，特别是重金属如镉、汞、砷、铅、铬、镍、铜和硼的含量也满足规范要求。因此可以看出经过厌氧消化处理后的污泥，其各种指标含量均已经达到GB/T23486-2009《城镇污水处理厂污泥处置园林绿化用泥质》使用标准。

（2）通过将不同比例的城市污泥与煤渣复合基质应用于高羊茅的生长实验中可以发现，其发芽率、苗高、根长、叶宽、鲜重和干重呈现出了先增大后减小的趋势。当复合基质比例处于20%-40%的时候，其实验各项指标的数据均接近营养组，而0%和60%实验组可以很明显的看出低于营养组。通过分析可知，0%的实验组可能是由于基质中的有机质和营养物质含量过低，不利于高羊茅的成长。而60%实验组可能是由于机制中的重金属含量随着污泥含量的增加而增加，从而对高羊茅的生长产生了相应的抑制作用，且比例愈高，抑制效果愈加明显。

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