喀什污水處理廠污泥中重金屬Cd和Pb的形態分析及風險評價

摘要：分析了新疆喀什市污水處理廠污泥的基本性質、污泥中重金屬Cd和Pb的含量及形態，并利用地累積指數（Igeo）法和內梅羅指數法（PI）評估了污泥在土地利用過程中重金屬的潛在生態風險。結果表明，該污泥有良好的農用價值。但是污泥中Cd的總量為5.48 mg/kg，此結果超過中國農用污泥中重金屬的控制標準（酸性土壤中），主要形態為殘渣態和可交換態，分別占44.34%和23.18%，生物可利用態含量較高，易被植物吸收利用，所以農用具有較大的風險。Pb含量在我國農用污泥中重金屬的控制標準范圍內，存在形態主要為殘渣態，占82.64%，在污泥中較穩定；地累積指數法和內梅羅單項指數法的評估結果表明，污泥農用對土壤環境存在嚴重的潛在生態風險。

關鍵詞：污泥；重金屬；化學形態；內梅羅指數；地累積指數

中圖分類號：X52 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）05-1077-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.05.012

Abstract： The basic properties， total contents and speciation of heavy metals Cd Pb in sewage sludge from kashgar sewage plant were analyzed. The potential ecological risk of heavy metals for sludge land application was evaluated by geo-accumulation pollution index （Igeo） and Nemerow .index method（PI）. The results showed that the sludge was organic fertilizer with good value for farmland. The total content of Cd was 5.48 mg/kg， above the Chinese sewage sludge criteria for agricultural use. The main speciation was residual and exchangeable form， accounting for 44.34% and 23.18%， respectively. The proportion of bioavailable forms of Cd can be easily absorbed by plants. Appropriate treatment should be carried out before using in farmland. The total content of Pb was less than the Chinese sewage sludge criteria for agricultural use and its main speciation was residual form accounting for 82.64%. The results of Nemerow and geo-accumulation pollution index showed that heavy metals in sewage sludge caused serious ecological risk when they were directly utilized as fertilizer.

Key words： sludge； heavy metal； chemical fractions； Nemerow pollution index； geo-accumulation pollution index

隨著中國污水處理量的不斷增加，處理過程中產生的剩余污泥也急劇增加。大量產生的污泥若處置不當將會引起嚴重的環境污染問題[1]。污泥中含有大量的有機物和氮、磷、鉀等植物所需的營養物質，因此，污泥的農用成為目前比較理想的一種污泥處置方法[2]。但是污泥中也含有大量的重金屬等污染物質，這些重金屬由于具有毒性大、難降解、潛伏期長及容易富集等特點成為限制污泥農用的一個主要因素[3]。因此，在污泥農用之前需掌握污泥中重金屬的環境行為信息并對其潛在風險進行評估[4]。重金屬在環境中的行為不僅與含量有關，更大程度上取決于其存在形態[5]。重金屬的不同形態表現出不同的生物毒性和環境行為。不穩定態重金屬在環境中易遷移轉化，存在一定的潛在生態風險，所以在污泥土地利用之前對重金屬污染進行評價顯得尤為重要。

目前，對于中國東南部等經濟發達城市污水處理廠污泥的處理，污泥中重金屬的形態分布及其對植物的毒性效應或富集效應研究較多[6，7]，而對于西部經濟欠發達城市污水處理廠污泥中重金屬元素的相關研究較少，針對新疆喀什市污泥重金屬形態研究方面的內容鮮有報道。

基于以上分析，本研究選擇新疆喀什市污水處理廠的污泥為研究對象，采用Tessier連續五步提取法和地累積指數法、內梅羅綜合污染指數法研究了喀什市城市污水處理廠污泥的理化性狀和污泥中重金屬的形態分布特征，并對其進行了潛在生態風險評價，為該廠污泥的合理處置及資源化利用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

試驗污泥取自新疆喀什市污水處理廠脫水后污泥（春季）。污泥帶回實驗室經烘干、磨碎、過100目篩，入廣口瓶備用。

1.2 試驗方法

參照《城市污水處理廠污泥檢驗方法》[8]規定的方法對污泥基本性質進行分析；用火焰原子吸收光譜法測定[9]污泥重金屬總量；采用Tessier等[10]五步提取法對污泥重金屬進行形態分析。

1.3 污泥中重金屬潛在生態風險評估方法

1.3.1 地累積指數法 地累積指數法是由德國學者Muller[11]于1969年提出的，現在已經廣泛地被用于沉積物中重金屬污染程度的定量指標，具體計算方法如下：

式中，Cn是重金屬元素n在沉積物中的含量（mg/kg），本文是采用各重金屬可交換態、碳酸鹽結合態、鐵錳氧化結合態、有機結合態4種形態之和；Bn是沉積物中該元素的地球化學背景值（mg/kg），本研究采用中國土壤中重金屬含量均值[12]。

1.3.2 內梅羅綜合指數法 內梅羅指數法常用于評估土壤中重金屬污染程度[13]，首先根據公式（2）求出污泥樣品中重金屬元素的內梅羅單項污染指數，再根據公式（3）計算所有重金屬的綜合污染指數。

2 結果與分析

2.1 污泥的養分含量

城市污泥組分的含量與污水的來源及處理工藝等因素有關。喀什市污水處理廠污泥中營養元素的含量見表1。

由表1可以看出，喀什市污水處理廠剩余污泥的pH為6.79，呈弱酸性，這與中國其他城市污泥的pH范圍（6.30～6.91）相近。污泥的含水率為62.69%，脫水效果較好。污泥中有機質和鉀的含量較高，超過了全國污泥均值，氮和磷含量低于全國污泥均值，可能是由污水處理廠處理程度不同造成的，喀什市污水處理廠污水處理程度一般只達到二級處理，所以脫氮除磷效果不是很好。總的來說，從污泥的養分含量可知該廠污泥具有很好的農用價值。

2.2 污泥重金屬含量及形態分布

由表2可以看出，喀什污水處理廠污泥中Cd的總量為5.48 mg/kg，Pb的總量為88.84 mg/kg。污泥中Cd的含量已經超過了中國酸性土壤中污泥農用標準（pH<6.5的土壤，Cd<5 mg/kg），且毒性較強的鉛的含量也不低，所以在農用前應該需要用一定的方法去除污泥中的重金屬，使其滿足國家污泥農用標準。

污泥中重金屬的含量與污水來源密切相關。喀什污水處理廠污泥呈現出高Cd的特點，這與喀什周邊的很多小型的塑料生產企業、金屬加工企業和礦業產生的污水有關，這些企業規模小數量多，其污水基本都是排入下水道與喀什市生活污水混合一起匯入污水處理廠。此外，城市面源污染中的重金屬隨地表徑流流入地下管網而進入污水處理廠也是其因素之一。

重金屬的不同存在形態直接影響重金屬的環境行為和生物毒性。水溶態和可交換態對環境條件的變化比較敏感，在環境中易遷移轉化并被植物所吸收。碳酸鹽結合態對pH敏感，pH升高會使游離態重金屬形成碳酸鹽共沉淀，pH下降時易重新釋放出來進入環境中。鐵錳氧化物結合態和硫化物及有機結合態重金屬比較穩定，但在土壤環境條件發生變化時亦可被釋放出來，為生物所吸收，鐵錳氧化物結合態在還原條件下具有較高的生物有效性，而硫化物及有機結合態則在氧化條件下具有較高的生物有效性。殘渣態一般性質穩定，在自然界正常條件下不易釋放，能長期穩定在土壤中，不易為植物吸收。除了殘渣態之外，其他幾種形態的重金屬都具有一定的生物有效性，被植物吸收。圖1為污泥中重金屬Cd和Pb的化學形態分布圖。從表2和圖1可知，Cd化學形態分布趨勢為：殘渣態>可交換態>碳酸鹽結合態>鐵錳氧化物結合態>硫化物及有機結合態。Cd的殘渣態含量最高，占44.34%，殘渣態較穩定，不易被植物吸收；其次是可交換態，占23.18%，可交換態為不穩定態，在環境中易于遷移，被植物吸收；碳酸鹽結合態、鐵錳氧化物結合態和硫化物及有機結合態含量較少，分別為13.87%、11.86%、6.75%，這些形態在土壤環境條件發生變化時可被釋放出來被植物吸收。Pb的化學形態分布趨勢為：殘渣態>可交換態>鐵錳氧化物結合態>碳酸鹽結合態>硫化物及有機結合態。主要存在形態為殘渣態，占82.64%，其次為可交換態，占5.93%，碳酸鹽結合態、鐵錳氧化物結合態和硫化物及有機結合態含量較少，分別占3.12%、5.21%和3.10%。

結合以上內容可知，Cd的生物有效態含量為55.66%，在總量中的比例較大，很容易被植物吸收從而通過食物鏈危害人體健康。Pb的生物有效態含量總體來說雖然只有17.36%，但是可交換態含量占到5.93%，而且Pb的毒性較大，隨著在土壤中易積累，造成潛在危害。污泥中不穩定態比例較高是因為喀什污水處理廠的污泥未經消化處理直接脫水，污泥中重金屬的活性較高，建議可以采用消化處理來降低重金屬活性，提高污泥農用的價值。

2.4 污泥中重金屬潛在生態風險評估

地累積指數一般可分為7個級別，內梅羅綜合污染指數分為5級，內梅羅單項污染指數分級分為4級[13]，具體分級見表3。

本研究采用中國土壤中重金屬含量均值[12]作為Bn，計算地累積指數、內梅羅單項污染指數和內梅羅綜合污染指數，結果見表4和表5。

由表4可以看出，污泥中Pb的Igeo指數小于0，污染級別為0級，說明污泥中Pb對土壤環境無污染風險；污泥中Cd的含量遠遠超過土壤背景值，其Igeo指數較高，污染級別為4級，達到強度污染水平，潛在生態風險程度較高。

由表5中重金屬的內梅羅單項污染指數可以看出，污泥中Pb的內梅羅單項污染指數的污染級別高于地累積指數，為1級低度污染，對環境有一定的潛在風險；污泥中Cd的內梅羅單項污染指數的污染級別與地累積指數相當，為4級嚴重污染，其潛在生態風險較高。由表5中重金屬的內梅羅綜合污染指數可以看出，污泥總體對土壤環境存在較嚴重的潛在生態風險，內梅羅綜合污染指數在考慮各污染因子的平均污染狀況的同時還考慮污染最嚴重的因子，能較好地反映污泥總體潛在生態風險。

由地累積指數、內梅羅單項污染指數和內梅羅綜合污染指數可以看出，喀什污水處理廠剩余污泥中重金屬Cd對土壤存在嚴重的潛在風險，其原因與附近排入污水處理廠的大量小型塑料、金屬加工、采礦等行業污水有關。因此，既要控制含重金屬廢水的排放，還需要對施用于土壤中的污泥在施用之前降低重金屬的含量，尤其是污泥中Cd的含量。

3 結論與建議

1）喀什市污水處理廠污泥中含有大量的營養物質，有很好的農用價值；但是污泥中重金屬Cd的總量較高，超過了中國酸性土壤農用標準。Pb的含量在農用標準范圍之內。

2）污泥中重金屬Pb和Cd的形態分布主要以殘渣態和可交換態為主，尤其是Cd的可交換態含量較高，占23.18%，生物可利用態含量較高，易被植物吸收利用，所以農用具有較大的風險。建議該廠采用消化的方法降低污泥中重金屬的活性，以減少生物有效態的比例。

3）地累積指數法和內梅羅指數法的評價結果表明，污泥中Cd的潛在生態風險較高，達到4級污染，對農用地的風險較大，在農用前應進行穩定化處理或者去除。

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