城市污泥土地利用碳排放/碳汇特征研究及模型构建

Carbon emission from sludge treatment and disposal was one of the focused problems in water treatment system. Much research on sludge land application are focused on the impacts of heavy metals, polluted organic matters and pathogen. However, the study on carbon emission from sludge land application has not been carried out systemetically,especially in calculation modeling and methods. In this proposal, carbon emission and its variation from several methods of sludge land application will be analyzed, which will be focused on farm land, forest land, garden land and remediated land fertilised by stabilized sewage sludge based on static box - gas chromatographic method. In this project, the carbon sink functions from different sludge land application and their mechanism will be investgated, and the calculation models and methods for sewage sludge land application will be analyzed. Finally, the law and mechanism of carbon emission will be studied on, which would become the important theoretical basis of approprite methods for sludge treatment and disposal and carbon emission calculation from sludge land application.

污泥处理处置碳排放是目前城市水处理系统关注的热点问题之一。目前对污泥土地利用的研究主要集中在重金属、有机污染物和病原物方面的影响，而有关污泥土地利用碳排放方面还没有进行系统的研究，也没有形成统一的计算模型和方法。本项目以林地、农地、园林绿化用地和矿山开垦地等为研究对象，分别施用稳定化处理后的城市污泥，采用静态箱-气相色谱法，野外监测和模拟试验相结合，研究分析不同污泥土地利用方式下碳排放情况与动态变化特征，探讨不同污泥土地利用方式的碳汇功能，分析其碳"源/汇"机制，建立城市污泥土地利用碳排放计算模型和方法。进而阐明污泥土地利用碳排放规律与机理，为选择合适的污泥处理处置方式和准确核算污泥土地利用碳排放提供重要的理论依据。

本项目以城市污水厂污泥为研究对象，采用野外研究与室内试验相结合，主要研究了不同季节污泥堆肥过程中温室气体排放特征和变化趋势，考察了生物质炭对污泥堆肥过程碳排放的影响，并研究了污泥堆肥土地利用过程中的温室气体变化特征和排放趋势，探讨污泥土地利用的碳排放与碳汇效应。研究结果表明，冬季堆肥相对春季堆肥较快进入堆肥腐熟期，堆肥持续时间相对较短。与春季堆肥相比，总体温室气体累积排放量出现冬季堆肥CH4排放量较低，而N2O排放量较高的现象。采用木屑作为调理剂相对于玉米秸秆能有效降低总氮损失，然而温室气体总排放当量却高于秸秆处理。木屑与秸秆CH4累积排放量相当，N2O累积排放量表现为木屑高于秸秆处理。CH4的排放75%以上集中在堆肥前两周，而N2O则90%以上出现在后腐熟期。添加生物质炭有助于堆肥的进行，高温期持续时间较长并且降温较慢，同时添加生物质炭的堆肥处理累积CO2排放当量高于未添加生物质炭的堆肥处理，其中CH4排放量占累积排放量的95%以上。不同浓度污泥堆肥土地利用试验发现，整体上污泥土地利用的CH4排放呈现出较弱的吸收状态，而N2O呈现较大的正排放状态，排放值远大于甲烷吸收值。施肥量对于CH4排放具有重要影响，CH4吸收量随施肥浓度的增加而降低，可能是因为氮肥抑制了甲烷氧化菌的活性从而降低了土壤对甲烷的吸收能力。添加生物质炭堆肥对CH4的吸收相对未添加生物质炭的堆肥处理小，呈现显著性差异。N2O的排放集中在植物快速生长期，添加生物质炭堆肥的N2O平均排放低通量和累积排放量均低于未添加生物质炭的堆肥品，并且存在显著性差异。表明添加生物质炭的堆肥品抑制了土壤中N2O的排放。同时，与未种植作物相比，种植作物能够从土壤中吸收堆肥品中的而营养物质，降低了反硝化作用，从而有效降低了土壤N2O的排放。此外，本项目初步开展了污泥堆肥与土地利用产生的汞排放、总汞及甲基汞的形态变化等方面的研究，为进一步深入研究污泥处理过程产生的碳排放与汞排放的关系及环境效应奠定基础。