廣西城鎮污水廠脫水污泥重金屬形態分布特征

林榮科，王東波，覃理嘉，李　師

(廣西大學環境學院， 廣西高校環境保護重點實驗室， 廣西南寧530004)

?

廣西城鎮污水廠脫水污泥重金屬形態分布特征

林榮科，王東波，覃理嘉，李師

(廣西大學環境學院， 廣西高校環境保護重點實驗室， 廣西南寧530004)

摘要：為了實現污泥的穩定化、無害化和資源化，對廣西城鎮污水處理廠脫水污泥的基本理化性質和污泥中重金屬總量和形態分布特征進行了研究分析。分析結果表明，廣西城鎮污水處理廠的污泥均呈酸性，pH值在6.05～6.35，總氮含量的平均值為49.74 g/kg，總磷含量的平均值為10.72 g/kg，有較好的農用價值。脫水污泥中重金屬As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn的含量分別為26.31～28.83，1.39～3.77，47.01～87.37，78.07～135.28，32.18～42.22，25.79～44.40，320.86～363.72 mg/kg，均滿足CJ/T 309-2009《城鎮污水處理廠污泥處置農用泥質標準》中的B級標準，可施用于相應農作物。其中，Zn、Ni的形態主要集中在遷移性較強的可交換態、可還原態范圍內，極易被生物利用，不穩定；Pb主要集中在可還原態，Cu主要集中在可還原態、可氧化態范圍內，它們遷移性較弱，可被生物間接利用，較為穩定；Cr主要集中在殘渣態、可氧化態范圍內，遷移性最弱，不易被生物吸收利用，最穩定；而As和Cd的形態分布比較均勻。

關鍵詞：廣西污水處理；脫水污泥；重金屬；形態分析.

近年來，城鎮污水處理廠污水處理量逐年增加，其必然產物城市污泥的產生量也逐年增加。由于城市污泥富含有機物、無機物和多種微生物，容易引起環境問題，尤其是其中的重金屬組分，阻礙了污泥農用等資源化利用方式，已逐漸引起人們的關注[1]。目前對于城鎮污水處理廠污泥處理處置研究相對較少，對其重金屬及其形態分布的報道更是缺乏。富含營養物質的城市污泥農用是一個重要方向，因此，對城市污泥中重金屬等限制農用的影響研究變得非常迫切[2]。

各地區重金屬形態特征分布對污泥農用尤為關鍵。2014年，羅艷麗等[3]對烏魯木齊城市污泥進行了重金屬形態特征及農用可行性分析，發現污泥中重金屬Zn、Cd的含量超出了CJ/T 309-2009《城鎮污水處理廠污泥處置農用泥質標準》中的A級標準，不可施用于蔬菜和糧食作物。王雨生等[4]的研究也表明貴州省部分地區的污泥也存在污泥農用重金屬的生態風險。對許多城市污泥的研究也得出了類似的結論[5-7]。對比不同文獻結果發現，不同地域的城市污泥重金屬含量存在一定差異[8]。

為了解廣西城鎮污水廠污泥重金屬形態分布規律，本研究選取了廣西南寧市瑯東污水處理廠、南寧市江南污水處理廠、百色平果縣污水處理廠、北海合浦縣污水處理廠等4個城鎮污水處理廠的脫水污泥進行分析，采用BCR五步提取法提取重金屬，通過ICP-AES分析重金屬的形態分布規律，旨在為廣西城鎮污泥資源化利用提供數據參考。

1材料與方法

1.1污泥來源

脫水污泥分別取自南寧市瑯東污水處理廠、南寧市江南污水處理廠、百色市平果縣污水處理廠和北海市合浦縣污水處理廠。污泥樣品經自然風干后，研磨過100目篩，密封保存，用于理化性質分析。

1.2分析項目與方法

pH值測定采用CJ/T211-2005《中華人民共和國城鎮建設行業標準》中的電極法，含水率測定采用CJ/T211-2005《中華人民共和國城鎮建設行業標準》中的重量法，總磷含量測定采用CJ/T211-2005《中華人民共和國城鎮建設行業標準》中的氫氧化鈉熔融—鉬銻抗分光光度法，總氮含量采用CJ/T211-2005《中華人民共和國城鎮建設行業標準》中的堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，重金屬形態分析采用BCR五步提取法[8-9]，As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn的含量采用ICP-AES (Optima 8000，Perkin Elmer) 測定。

2結果與討論

2.1污泥的pH值

污泥pH值對污泥農用有一定影響[10]。4個污水處理廠脫水污泥的pH值如表1所示?？梢娒撍勰嗑咏行?，pH在6.05～6.35范圍內，呈微酸性。

表1　廣西城鎮污水處理廠脫水污泥pH值情況

2.2脫水污泥的含水率

各污水處理廠脫水污泥的含水率如表2所示?？梢?，脫水污泥含水率均在70%～80%，含水率依次為江南污水處理廠>瑯東污水處理廠>平果縣污水處理廠>合浦縣污水處理廠。廣西全區脫水污泥的含水率在75%～85%[11]，這四個污水處理廠污泥脫水效果處于中上水平。

表2　城鎮污水處理廠脫水污泥含水率情況

2.3污泥中的氮、磷含量

污泥農用價值與其氮、磷含量密切相關[12]。4個污水處理廠脫水污泥中總氮含量相差不大，其中，南寧市江南污水處理廠、北海市合浦污水處理廠的脫水污泥中總氮含量較高，分別為55.13 g/kg和50.19 g/kg，瑯東污水處理廠的次之，為49.77 g/kg，平果縣污水處理廠的最低，為43.87 g/kg。4個污水處理廠脫水污泥中總氮在污泥中所占的百分比分別為4.98%、5.51%、4.39%和5.02%。

南寧市江南污水處理廠脫水污泥、百色市平果縣污水處理廠脫水污泥的總磷含量較高，分別為13.61 g/kg和12.94 g/kg，南寧市瑯東污水處理廠脫水污泥的總磷含量次之，為8.91 g/kg，北海市合浦縣污水處理廠脫水污泥中的總磷含量最低，為7.4 g/kg。4個污水處理廠脫水污泥中總磷在污泥中所占的百分比分別為0.89%、1.36%、1.29%和0.74%。

綜上分析，4個城鎮污水處理廠脫水污泥中總氮、總磷的含量與楊建勞等[13]的研究結果相符，農用價值較高。

2.4污泥中的重金屬總量

各污水處理廠脫水污泥重金屬總量分析結果如表3所示。Cd含量最低，含量范圍為1.39～3.77 mg/kg， As、Ni、Pb含量相對較低，含量范圍分別為26.31～28.83 mg/kg、32.18～42.22 mg/kg、25.79～44.40 mg/kg，Cr、Cu含量次之，范圍分別為47.01～87.37 mg/kg、78.07～135.28 mg/kg，而Zn含量普遍較高，范圍為320.86～363.72 mg/kg。本研究結果與張軍等[14]的研究結果較為吻合。除了廣西平果縣、合浦縣脫水污泥中的Cd含量外，其他重金屬含量均滿足CJ/T 309-2009《城鎮污水處理廠污泥處置農用泥質標準》中的A級標準，可以施用于蔬菜和水果等作物。

表3城鎮污水處理廠脫水污泥重金屬總量情況

Tab.3The total content of heavy metals in dewatered sludge from urban sewage treatment plants

mg/kg

2.5污泥中的重金屬形態分布

4個污水處理廠的脫水污泥重金屬形態分析結果分別見表4、表5、表6、表7。

表4瑯東污水處理廠脫水污泥重金屬形態含量分布

Tab.4The total content of heavy metals in dewatered sludge from Langdong sewage treatment plant

mg/kg

表5江南污水處理廠脫水污泥重金屬形態含量分布

Tab.5The total content of heavy metals in dewatered sludge from Jiangnan sewage treatment plant

mg/kg

表6平果縣污水處理廠脫水污泥重金屬形態含量分布

Tab.6The total content of heavy metals in dewatered sludge from Pingguo sewage treatment plant

mg/kg

表7合浦縣污水處理廠脫水污泥重金屬形態含量分布

Tab.7The total content of heavy metals in dewatered sludge from Hepu sewage treatment plant

mg/kg

重金屬的各個形態中，可交換態是指與可交換吸附的離子和碳酸鹽結合的形態，可交換態可以直接被生物利用，遷移性強；可還原態主要是與鐵錳氧化物、水化氧化物結合的形態，可氧化態則是與有機質和硫化物結合的形態，可還原態和可氧化態可以被植物間接利用；而殘渣態元素主要與硅酸鹽礦物等結合，很難被生物利用，遷移性很小[15]。在污泥農用中需要著重關注其中的可交換態。

4個污水處理廠脫水污泥中7種重金屬的形態分布如圖1～圖4所示。首先，As各形態分布較為平均，可還原態的比例略少，占4.92%～13.11%，其遷移性稍強，不穩定。Cd形態分布規律性不強，各廠污泥中的可還原態和殘渣態所占的比例差異不大，分別占34.86%～51.12%和3.85%～7.42%，瑯東和江南污水廠污泥中Cd可交換態比例遠大于平果縣和合浦縣污水廠污泥中的含量，而Cd可氧化態比例遠小于平果和合浦的污泥，可見重金屬的形態分布有一定的地域性差異?？偟膩碚f，Cd遷移性稍強，不穩定。Cr可交換態占0.26%～0.60%，可還原態、可氧化態占32.33%～65.62%，生物直接或間接利用部分少，遷移性差，穩定性好。Cu的可交換態占0～8.77%，可還原態、可氧化態占80.00%～83.94%，可被生物間接利用部分多，遷移性較弱，較穩定。Ni的可交換態占12.24%～30.66%，可被生物直接吸收利用部分較多；可還原態、可氧化態占22.46%～48.55%，可被生物間接利用；總的來說，遷移性稍強，不穩定。Pb的可交換態未檢測出；可還原態占86.73%～96.27%，生物間接利用部分較多，穩定性較好，遷移性稍差。Zn的可交換態占24.43%～42.05%，可被生物直接利用部分較多；可還原態、可氧化態占33.49%～59.12%，可被生物間接利用部分也較多；遷移性稍強，容易被生物吸收利用，不穩定。

圖1　瑯東污水處理廠脫水污泥中7種重金屬的形態分布情況

圖2　江南污水處理廠脫水污泥中7種重金屬的形態分布情況

圖3　平果縣污水處理廠脫水污泥中7種重金屬的形態分布情況

圖4　合浦縣污水處理廠脫水污泥中7種重金屬的形態分布情況

3結論

①廣西城鎮污水廠脫水污泥中的總氮總磷總量分別為58.68 g/kg、68.74 g/kg、56.81 g/kg、57.59 g/kg，營養成分較高，具有很好的農用價值。

②脫水污泥重金屬含量分析結果表明，廣西平果縣和合浦縣污水廠污泥中Cd僅滿足CJ/T 309-2009《城鎮污水處理廠污泥處置農用泥質標準》中的B級標準外，其他重金屬As、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn含量均滿足A級標準，可施用于蔬菜和糧食作物。

③Zn、Ni形態主要集中在遷移性較強的可交換態、可還原態范圍內，易被生物利用，不穩定；Pb主要集中在可還原態，以及Cu主要集中在可還原態、可氧化態范圍內，遷移性較弱，可被生物間接利用，較為穩定；Cr主要集中在殘渣態、可氧化態范圍內，遷移性最弱，不易被生物吸收利用，最穩定；而As和Cd的形態分布比較均勻；因此，在廣西的土地利用中，應優先關注Zn、Ni。

參考文獻：

[1]顏紫云,劉鴻雁,王雨生,等.重金屬在污泥長期施用土壤—作物系統的累積狀況及淋溶特性[J]安全與環境學報,2014,14(2):254-258.

[2]ZHOU Q X,ZHU Y M,CHEN Y Y.Food-security indexes related to combined pollution of chromium and phenol in soil-rice systems[J]. Pedosphere,1997,7(1):15-24.

[3]羅艷麗,鄭春霞,王夢穎,等.烏魯木齊城市污泥重金屬形態特征及農用可行性分析[J]. 環境工程,2014,32(191):69-72.

[4]王雨生,劉鴻雁,李瑞,等.貴州省城市污泥重金屬組成特征與農用風險評價[J]. 長江流域資源與環境,2014,23(3):392-399.

[5]馬學文,翁煥新,章金駿.中國城市污泥重金屬和養分的區域特性及變化[J]. 中國環境科學,2011,31(8):1306-1313.

[6]譚國棟,李文忠,何春利.北京市污水處理廠污泥特性分析[J]. 科技信息,2011(7):435-437.

[7]姚金玲,王海燕,于云江,等.城市污水處理廠污泥重金屬污染狀況及特征[J]. 環境科學研究,2010,23(6):696-702.

[8]郭廣慧,陳同斌,楊軍,等.中國城市污泥重金屬區域分布特征及變化趨勢[J]. 環境科學學報,2014,34(10):2455-2461.

[9]ALBORéS A F,CID B P,GMEZ E F, et al.Comparison between sequential extraction procedures and single extractions for metal partitioning in sewage sludge samples[J]. Analyst,2000,125(7):1353-1357.

[11]劉中位，張志蓉.廣西污水處理廠污泥處理工藝選擇[J]. 環境管理,2014，20(4):34-37.

[12]周立祥.污泥生物瀝浸處理技術及其工程應用[J]. 南京農業大學學報,2012,35(5):154-166.

[13]楊建勞,劉洪濤,陳同斌,等.廣西壯族自治區城鎮污泥特性與處置方向[J]. 中國給水排水,2013, 29(3):87-89.

[14]張軍,張征世,王敦球,等.廣西城市污水廠污泥分析及其土地利用潛在生態風險評價[J]. 環境工程,2014(1):108-112.

[15]胡忻,陳茂林,吳云海,等.城市污水處理廠污泥化學組分與重金屬元素形態分布研究[J]. 農業環境科學學報,2005, 24(2):387-391.

(責任編輯張曉云裴潤梅)

收稿日期：2015-12-20；

修訂日期：2016-03-02

基金項目：廣西自然科學基金資助項目(2012GXNSFBA053130);廣西科技攻關項目(桂科攻1598016-5)；南寧市環保專項資金計劃項目(南財經2013-265)

通訊作者：王東波(1978-)，男，遼寧錦州人，廣西大學副教授，博士；E-mail:w121308@163.com。

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0896

中圖分類號:X703

文獻標識碼：A

文章編號：1001-7445(2016)03-0896-07

Distribution characteristics of heavy metals in dewatered sludge from sewage treatment plants of town in Guangxi

LIN Rong-ke, WANG Dong-bo, QIN Li-jia, LI Shi

(Key Laboratory of Environmental Protection, College of Guangxi Province,School of the Environment, Guangxi University, Nanning 530004, China)

Abstract:The basic physical and chemical properties and the total amount of heavy metals, as well as the distribution characteristics of heavy metals in dewatered sludge from the sewage treatment plants of towns in Guangxi were investigated. The results showed that the sludge was acidic. The pH values were between 6.05 and 6.35. The average value of total nitrogen content was 49.74 g/kg, and the average value of total phosphorus was 10.72 g/kg, indicating that the sludge was rich in nutrients and had a promosing application prospects in agriculture. The contents of the heavy metals in the sludge, including As, Cd, Cr, Cu, Ni, Pb and Zn, were between 26.31～28.83 mg/kg, 1.39～3.77 mg/kg, 78.07～135.28 mg/kg, 32.18～42.22 mg/kg, 25.79～44.40 mg/kg, and 320.86～363.72 mg/kg respectively, which met the requirement of Disposal of Sludge from Municipal Wastewater Treatment Plant-Control Standards for Agricultural Use (CJ/T 309-2009) of China for B grade sludge, and could be used in relevant crops. The predominant form of Zn and Ni were exchangeable speciation and reducible speciation, which were unstable and could be bioabsorbable easily. Pb existed mainly as reducible speciation, while Cu existed mainly as both reducible speciation and oxidizable speciation, which were more stable relatively, and could not be bioabsorbable directly. Cr existed mainly as residual speciation and oxidizable speciation, which were the most stable, and could not be bioabsorbable easily. Besides, the distribution characteristics of as and Cd were uniform relatively.

Key words:sewage treatment in Guangxi; dewatered sludge; heavy metal; speciation analysis

引文格式：林榮科，王東波，覃理嘉，等.廣西城鎮污水廠脫水污泥重金屬形態分布特征[J].廣西大學學報(自然科學版)，2016，41(3)：896-902.