污水處理廠剩余活性污泥中重金屬形態分析
2017-07-19 12:59:07鄭波
環境與發展 2017年4期
摘要：選取5個典型的城市污水廠的污泥樣品，用火焰原子吸收分光光度法分析其污泥中重金屬元素的含量以及賦存形態特征。結果表明：剩余污泥重金屬（Ni、Co、Cu、Zn、Fe）均低于全國水平；黃石市污水處理廠污泥中重金屬的形態分布主要由重金屬元素的性質決定，污泥中各重金屬的遷移或穩定性順序Co（21.73%）< Ni（29.42%）< Cu（31.09%）< Fe（39.49%） 關鍵詞：污水處理廠；剩余污泥；重金屬；BCR 中途分類號：X833 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2017）04-0157-02 DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2017.04.075 Abstract： The samples of five typical municipal wastewater treatment plants were selected and analyzed. The content of heavy metal elements and their morphological characteristics were analyzed by flame atomic absorption spectrophotometry. The results show that the heavy metals （Ni， Co， Cu， Zn， Fe） of the remaining sludge are lower than the national level. The distribution of heavy metals in the sludge of Huangshi City sewage treatment plant is mainly determined by the nature of heavy metal elements. （21.73%） Key words： sewage treatment plant； surplus sludge； heavy metal； BCR 活性污泥法是目前應用最廣泛的污水處理方法，具有效率高、占地少等顯著優點。但在污水處理過程中同時也會產生大量剩余污泥。據調查，國內1個普通二級污水處理廠，只有30%～40%的資金是用于處理剩余活性污泥。據中國國家環保總局提供的數字，中國目前每年大約排放401億m3的污水，污泥的產量為7.602萬m3/d～12.67萬m3/d （以含水率97%計）[1]。因此，隨著污水處理方面不斷取得進步，我國將面臨巨大的污泥處理處置壓力。 重金屬是環境污染物和潛在的有毒污染物，其遷移性導致了其處理的難度；大多重金屬具有致癌性，會毒害人體肝和腎等，同時導致消化系統和神經系統癱瘓，給人體健康造成嚴重危害[2]。因此，根據剩余活性污泥中重金屬的含量所存在的形態來對活性污泥進行處理與處置是非常必要的。 1 材料與方法 1.1 研究區概況 黃石市中心城區已建成磁湖、花湖、青山湖、團城山、黃金山、汪仁等6座污水處理廠，日處理規模達到26.5萬t，建成配套的7座污水中途提升泵、421公里污水管網及1座日收集處理規模為80t的污泥集中處理設施，截至2014年末，污水處理率達到92.5%。 1.2 樣品采集 于2015年12月，采集黃石市花湖污水處理廠、青島啤酒廠、青山湖污水處理廠、磁湖污水處理廠、汪仁污水處理廠5座污水處理廠脫水濃縮階段的剩余活性污泥樣品，用干凈的聚乙烯塑料袋裝好，立即運至實驗室保存。污泥樣品經實驗室自然風干、研磨，過100目尼龍篩去除動植物殘體等雜質裝入自封袋中密封保存，避免樣品間相互干擾。污水處理廠運行情況見表1。 1.3 實驗方法 采用BCR三步連續提取法，提取程序所對應形態依次為酸可交換態（F1）、可還原態（F2）、可氧化態（F3）和殘渣態（F4），污泥中重金屬的形態提取具體步驟見參考文獻[3，4]。重金屬總量采用HCl+HNO3+HF+HClO4四酸法消解。用火焰原子吸收分光光度儀（美國varian AA240）分析測定不同形態以及總量中Ni、Co、Cu、Zn、Fe元素含量。 1.4 質量控制及數據處理 在樣品消解過程中所用試劑均為優級純，污泥樣品分析中加入空白樣、平行樣和國家土壤成分分析標準物質（GSS-3、GSS-5）進行質量控制，回收率處于81.5%～116.5%之間，平行樣之間相對誤差小于15%，在誤差允許范圍之內。 2 結果與討論 2.1 污泥中重金屬元素的含量 黃石市主要污水處理廠污泥中重金含量水平，見表2。可以看出，同污水處理廠的污泥樣品中重金屬元素Ni、Co、Cu、Zn、Fe的總量存在較大的差異，黃石市剩余污泥中重金屬平均含量大小為Co（14.53mg/kg）< Ni（72.90mg/kg）< Zn（220.13mg/kg） 2.2 污泥中重金屬的形態特征
黃石市5座污水處理廠整體和不同污水處理廠剩余污泥中重金屬元素連續提取各形態分布，如圖1和圖2所示。
大量研究表明[6，7]，重金屬4種形態的生物有效性和遷移性由強到弱排序為F1（交換態）>F2（可還原態）>F3（可氧化態）>F4（殘渣態），由圖1可以看出，污泥中重金屬形態分布總的特征是：交換態所占比例較低，殘渣態所占比例較高；Ni和Co各結合形態所占比例的平均值分別為F1 此外，由圖2 也可以看出，5種污泥中重金屬（Ni、Co、Cu、Zn、Fe）的形態分布具有明顯差異，主要是重金屬元素的離子形態及污泥中理化性質不同所致，這與已有的研究報道一致[8]；同時，同種元素在不同的污泥樣品中不同形態也存在較大差異，其中以S1污泥中Zn（350.76mg/kg）含量最高，這可能與城市排水管道大多采用鍍鋅材料以及Zn的理化性質有關[9]；按從S1到S5順序比較，除S2外，Ni 和Co的共同規律性均是酸可交換態（F1）和可還原態（F2）所占形態之和的比例減小，相應的可氧化態（F3）和殘渣態（F4）的比例增大，即污泥中Ni和Co元素的生物可利用性和遷移性呈逐漸減弱的趨勢；而Cu和Fe元素表現與此完全相反；Zn在不同污泥樣品中F1+ F2變化趨勢規律不明顯，酸可交換態和可還原態的含量明顯相對較高，F1+ F2為55.14%，具有較強的潛在危害；由圖 2中還能看出，不同污泥樣品中Ni、Co和Zn重金屬元素的可交換態含量相對較高，表現出較強的遷移性與危害程度，經雨水沖刷，會對地表水、地下水均存在一定的污染潛力。 3 結論 通過對湖北黃石地區5家污水處理廠中活性污泥中重金屬各形態與總量的分析得出以下結論： 1.黃石地區剩余活性污泥中含量最高的金屬是Fe，其次是Zn、Cu、Ni、Co。Ni主要以可氧化態和殘渣態存在；Zn均勻分布于各個形態；Cu和Fe主要以可還原態、可氧化態和殘渣態存在；Co主要存在于殘雜態中。 2.通過與農用污泥的所含重金屬的標準值對比，除青島啤酒廠外其它廠家的活性污泥均可作農用污泥，再根據各污水處理廠剩余活性污泥的有機質含量的對比，可得出花湖污水處理廠最適合，其次是青山湖污水處理廠和磁湖污水處理廠。 參考文獻 [1]付融冰，楊海真，甘明強.中國城市污水廠污泥處理現狀及其進展[J].環境科學與技術，2004，（27）：11-14. [2] Pociecha M， Lestan D. Using electrocoagulation for metal and chelant separation from washing solution after EDTA leaching of Pb， Zn and Cd contaminated soil[J]. Journal of Hazardous Materials， 2010，174（1-3）：670-678. [3]涂劍成，趙慶良，楊倩倩.東北地區城市污水處理廠污泥中重金屬的形態分布及其潛在生態風險評價[J].環境科學學報，2012，32（3）：689-695. [4]劉敬勇，孫水裕，許燕濱等.廣州城市污泥中重金屬的存在特征及其農用生態風險評價[J].環境科學學報，2009，29（12）：2545-2556. [5]陳同斌，鄭國砥，高定等.關于《農用污泥中污染物控制標準》中鋅限量值的討論[J].環境科學學報，2007，27（7）：1057-1065. [6]胡忻，王超，陳茂林等.中國部分城市污泥中礦質元素形態與生物可利用性研究[J].環境污染與防治，2004，26（6）：455-457. [7]李曉晨，馬海濤，馮士龍等.污泥中重金屬的形態及在小麥幼苗中的富集[J].環境科學與技術，2007，30（3）：1-6. [8]關天霞，何紅波，張旭東等.土壤中重金屬元素形態分析方法及形態分布的影響因素[J].土壤通報，2011，42（2）：503-512. [9]李天國，王利軍，徐曉軍等.西安市市政污水廠剩余污泥中重金屬形態特征及潛在生態風險評價[J].城市環境與城市生態，2014，27（3）：6-10. 作者簡介：鄭波（1973-）男，本科，環境工程中級職稱， 研究方向為環境工程。
