濮陽市城市污泥成分及資源化利用生態風險評價*

程偉娜 李光明 王 冰

(濮陽市環境監測站，河南 濮陽 457000)

城市污泥是城市污水處理廠污水處理過程中產生的固體廢棄物，主要成分除了有機質(約占污泥干質量的30%～40%)和氮、磷、鉀等營養元素外，還存在重金屬、致病菌和寄生蟲(卵)等有毒有害物質[1]。因此，必須及時對城市污泥進行減量化、穩定化、無害化處理，否則極易引起二次污染。近年來，我國經濟和城市化發展進程加快，公眾環境保護意識增強，環境污染治理力度逐漸加大，大量污水處理設施建成并投入使用，城市污泥產生量急劇增長。但我國大多數污水處理廠未建成配套的城市污泥處置設施，只是將城市污泥送往垃圾填埋場簡單填埋或直接堆放在曠野中，有些城市污泥甚至被傾倒在河流附近[2]。城市污泥的不規范處置已成為一個新的環境污染源，一定程度上還抵消了污水處理廠的環境凈化效果[3]。所以，安全、經濟、合理地處置城市污泥必須引起高度重視。

濮陽市自20世紀80年代開始建設污水收集、輸送和處理設施，目前濮陽市的城市污泥全部送往垃圾填埋場簡單填埋，但垃圾填埋場庫容在不斷減小，且簡單填埋會帶來一系列安全隱患。因此，該處置方式不是長久之計。本研究以濮陽市9座規模較大且運行穩定的污水處理廠為研究對象，對城市污泥的理化性質和重金屬濃度、形態分布進行研究，并對其資源化利用的生態風險進行評價，旨在為濮陽市城市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 樣品采集和預處理

表1 污水處理廠基本情況

城市污泥均取自濮陽市9座污水處理廠(濮陽城市污泥均取自濮陽市9座污水處理廠(濮陽市某污水處理廠、濮陽市某油田污水處理廠、濮陽市某第二污水處理廠、濮陽縣某污水處理廠、清豐縣某污水處理廠、南樂縣某污水處理廠、范縣某污水處理廠、范縣濮王某污水處理廠、臺前縣某污水處理廠分別簡稱為市污水、油田污水、市二污、濮陽縣、清豐縣、南樂縣、范縣、范縣濮王和臺前縣)，污水處理廠基本情況見表1。于2014年8月在上述污水處理廠的污泥終端傳送帶出口處采集城市污泥，每隔15 min采集1次，共采集4次，混合均勻后作為1個樣品。有些指標需使用新鮮城市污泥分析測定，采集后剔除石塊和雜物，放入密封容器中盡快分析測定；而另一些指標需使用風干城市污泥分析測定，采集后進行風干，剔除石塊和雜物后，采用四分法縮分，再用瑪瑙研缽研磨至全部通過100目(有機質通過60目)尼龍篩，混合均勻備用。

1.2 分析方法

參考《土壤農業化學分析方法》[4]和《城市污水處理廠污泥檢驗方法》(CJ/T 221—2005)[5]中的分析方法測定pH、含水率、有機質及營養元素(總氮、總磷和總鉀)濃度；Cu、Pb、Zn、Cd、Ni、Cr、As濃度采用高壓微波消解/電感耦合等離子體發射光譜法測定，Hg濃度采用常壓消解/原子熒光法測定；重金屬形態分布采用三步連續提取法測定[6]。測定過程中，采用平行樣、加標回收等措施對測定精密度和準確度進行質量控制。

2 結果與討論

2.1 pH、含水率、有機質和營養元素

濮陽市城市污泥的pH、含水率、有機質和營養元素濃度見表2。樣品pH為6.52～12.42，含水率為50.4%～86.5%。pH及含水率與污水處理工藝，城市污泥處理中的絮凝劑種類、用量呈現出明顯的相關性[8]。市污水、油田污水、清豐縣、范縣、范縣濮王的城市污泥脫水工藝均為帶式壓濾，含水率較高，其余污水處理廠的城市污泥脫水工藝為板框壓濾，含水率較低。市二污和南樂縣在城市污泥濃縮時使用石灰穩定技術，從而導致其pH明顯偏大。

以生活污水為主要污水來源的污水處理廠，其有機質與營養元素濃度明顯高于以工業廢水為主要污水來源的污水處理廠。以生活污水為主要污水來源的污水處理廠中，市級污水處理廠(包括市污水、油田污水)有機質與營養元素濃度普遍高于縣級污水處理廠(濮陽縣、清豐縣、南樂縣、范縣和臺前縣)。與豬廄肥相比，濮陽市城市污泥是高有機質、高氮、高磷的有機肥，具有較高的資源化利用價值。

表2 pH、含水率、有機質與營養元素質量濃度

表3 重金屬質量濃度1)

注：1)ND表示未檢出，表4同。

2.2 重金屬濃度與形態分布

濮陽市城市污泥的重金屬質量濃度見表3。其中，標準限值(pH≥6.5)是指《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)規定的，在pH≥6.5的中性和堿性土壤上，城市污泥農用時的城市污染物控制標準限值。從表3可以看出，不同污水處理廠城市污泥的重金屬濃度存在較大差異，8種重金屬濃度平均值表現為Zn>Cu>Cr>Ni>Pb>As>Hg>Cd。這與陳同斌等[10]統計的我國城市污泥重金屬濃度基本一致。

按照標準限值(pH≥6.5)，濮陽市城市污泥的重金屬濃度均達標。與河南省土壤背景值相比，9座污水處理廠的城市污泥重金屬濃度基本都偏高，直接施用于農田具有一定的生態風險。

重金屬的生物毒性不僅與濃度有關，更大程度上由其形態分布決定。不同的形態產生不同的環境效應，直接影響到重金屬的毒性、遷移性及其在自然界的循環[11]。因此，研究重金屬的形態分布可提供更為詳細的重金屬遷移性和生物可利用性信息。表4列出了濮陽市城市污泥中Cu、Pb、Zn、Cd、Ni、Cr、As、Hg的形態分布。

根據三步連續提取法，可將重金屬形態劃分為酸可交換態、易還原態、可氧化態和殘渣態。前兩種形態統稱為不穩定態，容易被植物吸收，存在一定的生態風險；后兩種形態統稱為穩定態，在自然條件下難以釋放，對環境一般不產生污染。

由表4可知，不同重金屬在城市污泥中的形態分布存在差異；Cu、Pb、Cd、Ni、Cr、As、Hg主要以可氧化態和殘渣態存在，在自然環境下相對比較穩定；Zn主要以酸可交換態和易還原態存在，具有較強的生物活性和遷移性。

2.3 資源化利用的生態風險評價

為進一步說明城市污泥中重金屬的污染程度和潛在生態風險，選用地累積指數法[12]和潛在生態風險指數法[13]對城市污泥中Cu、Pb、Zn、Cd、Ni、Cr、As、Hg 8種重金屬的生態風險進行評價。

地累積指數法的計算公式如下：

Igeo=log2(cn/(Bn×K))

(1)

式中：Igeo為地累積指數；cn為重金屬n在沉積物中的質量濃度，mg/kg，本研究采用各重金屬不穩定態的質量濃度總和；Bn為重金屬n在普通頁巖中的地球化學背景值，mg/kg，本研究采用河南省土壤背景值；K為考慮各地巖石差異可能引起背景值變動而取的修正系數，通常為1.5。

Igeo分為7個等級。當Igeo≤0、05時，污染程度分別為無污染、輕度、偏中度、中度、偏重度、重度、嚴重。

潛在生態風險指數法的計算公式如下：

En=Tn×cn/Bn

(2)

RI=∑En

(3)

式中：En為重金屬n的潛在生態風險指數；Tn為重金屬n的毒性響應系數，Cu、Pb、Zn、Cd、Ni、Cr、As和Hg的毒性響應系數分別為5、5、1、30、5、2、10、40；RI為多種重金屬的潛在生態風險指數。

表4 重金屬形態分布

表4 重金屬形態分布(續)

En分為5個等級。當En<40、40≤En<80、80≤En<160、160≤Igeo<320、En≥320時，重金屬n的潛在生態風險程度分別為低、中、較重、重、嚴重。RI分為4個等級。當RI<150、150≤RI<300、300≤RI<600、RI≥600時，多種重金屬的潛在生態風險程度分別為低、中、重、嚴重。

對城市污泥中重金屬污染程度及潛在生態風險進行評價，結果見表5、表6。

由表5可以看出，濮陽市城市污泥中的污染元素有Cu、Zn、Hg，其中Zn的污染程度最高，清豐縣、范縣檢測出Cu為輕度污染，南樂縣檢測出Cu為偏中度污染，油田污水檢測出Hg為輕度污染；Pb、Cd、Ni、Cr、As為無污染。地累積指數法對濮陽市城市污泥的評價結果表明，在城市污泥資源化利用過程中，Zn可能對環境帶來較大污染，應制定相應防范措施。

由表6可以看出，市污水檢測出Cd具有中度潛在生態風險，油田污水、市二污、范縣濮王和臺前縣檢測出Hg具有中度潛在生態風險。盡管上述污水處理廠的城市污泥中Cd和Hg的不穩定態濃度并不高，但由于Cd和Hg毒性響應系數較高，潛在生態風險不可忽視。從多種重金屬潛在生態風險指數看，各污水處理廠的城市污泥重金屬RI<150，說明濮陽市城市污泥中重金屬的潛在生態風險總體較低。

3 結 論

(1) 濮陽市城市污泥是高有機質、高氮、高磷的有機肥，資源化利用價值較高。

(2) 濮陽市城市污泥中8種重金屬濃度的平均值表現為Zn>Cu>Cr>Ni>Pb>As>Hg>Cd，均低于GB 18918—2002中的標準限值。

表5 重金屬地累積指數和污染程度

表6 重金屬潛在生態風險指數和風險程度

(3) Cu、Pb、Cd、Ni、Cr、As、Hg主要以可氧化態和殘渣態存在，在自然環境下比較穩定；Zn主要以酸可交換態和易還原態存在，具有較強的生物活性和遷移性。

(4) 地累積指數法和潛在生態風險指數法的評價結果表明，Cu、Zn、Cd、Hg為風險元素，其中Zn污染程度最高，在城市污泥資源化利用時應制定相應防范措施。從多種重金屬潛在生態風險指數看，濮陽市各污水處理廠的城市污泥重金屬RI<150，說明濮陽市城市污泥中重金屬的潛在生態風險總體較低。

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