污水處理廠脫水污泥中重金屬的分布規律

徐 駿，朱 偉

(河海大學環境學院，江蘇 南京 210098)

隨著我國城鎮化水平不斷提高，污水處理設施建設得到了高速發展，但是污水廠的建設及運行過程中產生了大量剩余污泥，截至2011年底，我國脫水污泥年產量已超過2 000萬t［1］。我國一些城鎮中，各類工業廢水占城市污水總量的百分比一般介于30% ～70%，有的甚至可達80%［2］。由于工業廢水中重金屬含量高，污泥脫水回流至集水井再重復處理，造成重金屬積累，造成了污水處理廠污泥普遍含有不同程度的重金屬。

2003 年，污泥農用在歐洲的丹麥、西班牙、法國等國比較普遍［3］，美國污泥農用比例在30%以上［4-5］。對我國而言，通過堆肥化處理將污泥進行農用是資源化利用的主要途徑之一。然而在污水處理過程中，70%～90%的重金屬會通過吸附或沉淀而轉移到污泥中［6］。遇到降雨時，污泥中的重金屬隨水流遷移，可能會對地下水造成二次污染;隨著水流的搬運作用，污泥中的重金屬還會對水體生物或者土壤耕作植物產生一定的毒害作用。污泥中的重金屬以何種形態賦存，能否容易地被生物利用是污泥資源化利用中必須解決的問題。針對這一問題，本文通過對污泥［7］分離成為有機質殘片、細菌菌體、無機顆粒、膠體4個部分，研究重金屬在4種成分中的賦存特征，希望通過這一特征研究了解重金屬的生物利用性質。

在污泥成分研究方面，MacNicol等［8］通過沉降、離心將污泥區分為顆粒態、生物絮團、膠粒和水溶態4個組分，其中生物絮團組分和顆粒態組分占到了污泥總量的99%。周立祥等［9］針對北京高碑店污水處理廠的濃縮污泥試驗研究發現，污泥大部分由生物絮團組成，且重金屬大部分賦存在生物絮團組分里。巖井重久［10］把處理廠從污水中分離出來的污泥分為有機污物和無機污物組成，消化污泥固體約含55%的有機相和45%的無機相。何品晶等［11］把污泥分為固相和流動相，其中固相包括有機相和無機相，流動相包括水分和水溶性組分。MacNicol對污泥組分的區分方法比較直觀，成為較為常用的分離方法。本文使用這一方法，以江蘇3個污水處理廠為對象，將污泥分離為無機相、有機相和流動相;進一步將無機相分為顆粒組分，有機相分為生物絮團和膠粒組分，流動相分為水溶性組分和水，研究了重金屬在各組分中分布的數量和形態，為污泥的后續資源化利用提供基礎性數據參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗污泥用污泥分別取自南京市江心洲污水處理廠、昆山市污水處理廠和蘇州吳中區城南污水處理廠，污泥取回后裝入密封袋后至于4℃的冰箱中密封保存，3種污泥樣品的基本指標見表1，其中表2數據為干污泥中重金屬含量。

表1 污泥的基本指標 %

表2 污泥中重金屬含量 mg/kg

1.2 試驗方法

1.2.1 污泥組分分離方法

采用文獻［8］方法，利用污泥中各組分密度不同來把污泥區分為顆粒態、生物絮團、膠粒和水溶態。

1.2.2 重金屬質量分析

采用HNO3-HClO4消解法［12］對樣品進行消解，用電感耦合等離子發射光譜儀(ICP－AES)分析樣品中 Cu、Zn、Pb、Cd、Cr和 Ni 6 種重金屬濃度，其中水溶態中重金屬質量是通過取20 mL上清液測定其中的重金屬濃度來計算。其計算公式為

M=ρV

式中:M為重金屬質量，mg;ρ為上清液重金屬質量濃度，mg/L;V為上清液體積，L。

2 結果與討論

2.1 污泥組分分布

污泥采用文獻［8］方法分成4個組分，常溫風干，稱量得到各組分干物質質量，圖1為污泥分離后各組分干物質占干污泥的百分比，以干污泥質量為基數來計算，3種污泥組分分離后，干物質主要由生物絮團組分組成，隨著含固率的降低，生物絮團組分占干污泥總質量的比例也呈現降低趨勢，江心洲污水處理廠生物絮團組分污泥最高達到了干污泥總質量的86%，而昆山污水處理廠的污泥僅為52%。生物絮團和顆粒態組分的總質量分數在江心洲污水處理廠中達到了干污泥總質量的94%、吳中區城南污水處理廠達到了89%，與MacNicol和Beckett得到的生物絮團和顆粒態組分占總量的99%結果相近，而昆山污水處理廠的這兩種組分僅占67%，可能是因為昆山污水處理廠的污泥含固率太低，影響了顆粒態、膠粒和水溶態的分布，使得三者比例越來越接近;另一方面，各地污水處理廠的污水來源與性質不相同，而且處理工藝也不同，因而導致昆山市污水處理廠的污泥組分分布差異。

圖1 各組分干物質占干污泥的質量分數

由于污水處理廠的污泥含水率到達了80%左右，經過 MacNicol和 Beckett的方法［8］分離后，水溶態組分中除了水溶態還應包含了污泥中80%的水分，為了更好地還原污水處理廠污泥性質，現把污泥分為顆粒、生物絮團、膠粒、流動相4個組分，測定在這4個組分在原污泥中的分布。圖2為污泥分離后各組分占污泥原泥總量的百分比，以濕污泥的質量為基數進行計算(把污泥的水分全算入流動相)。從圖2中可以看出流動相組分含量最大，分別占到了江心洲、昆山市、吳中區污水處理廠污泥的77.69%、91.16%、83.57%，而污泥的含水率分別為77.05%、89.61%、82.27%。流動相組分比例大于污泥的含水率是因為流動相組分中除了包括污泥中的可溶性膠狀有機相質和無機離子，還包括污泥本身的水(表面吸附水、間隙水、毛細結合水和內部結合水)。生物絮團組分在污泥中所占比例也比較大，分別占到了3家污水處理廠污泥總量的19.75%(江心洲)、5.42%(昆山市)、12.10%(吳中區)，而污泥的含固率分別為22.95%、10.39%、17.73%(表1)，可以看出，污泥中生物絮團組分的百分比與含固率是基本相等的，而且污泥中的固體主要為生物絮團組分，其次為顆粒組分和膠粒組分，這兩個組分僅占3個污水處理廠污泥中的2.56%、3.42%、4.33%，但是顆粒組分比例大于膠粒組分。

圖2 各組分占污泥的質量分數

由此可見，在污泥原泥中，流動相組分的比例是最大的，其次是生物絮團組分，然后是顆粒組分、膠粒組分。與各組分干物質占干污泥的比例有較大差異，其中起主要原因的還是污泥中的各種狀態的水。由于工程實踐中需要了解污水廠原污泥的性質及重金屬在其中組分的分配，才能更好地進行污泥的資源化利用。

2.2 污泥處理廠原泥各組分中重金屬質量分數

圖3 濕污泥中各組分重金屬分配比例

圖3是4種組分中的重金屬占濕污泥中的重金屬總量的百分比。從圖3中可以看到，在江心洲污水處理廠和昆山市污水處理廠的污泥中重金屬(Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni)主要存在于流動相組分，其次在生物絮團、顆粒和膠粒組分。其中流動相組分中的重金屬質量分數可以占到污泥中重金屬總質量的60%以上，個別可以到達100%。在同種污泥中不同重金屬分布也不同，大致可以分為3類:其中Pb、Cd為第1類，流動相組分中的Pb、Cd質量分數占到了污泥中重金屬總質量的90%以上;Zn、Cr、Ni為第2類，流動相組分的這3種重金屬質量分數占污泥中重金屬總質量的80%左右，生物絮團這3種重金屬質量分數約占污泥中重金屬總質量的10%，膠粒和顆粒組分中的這3種重金屬質量分數大致比例相等，占余下的10%;Cu為第3類，主要存在于流動相組分中，約占重金屬總質量的60%，在其他3種組分中分布均勻。而由于污泥來源不同，吳中區城南污水處理廠中有50%的工業廢水，按重金屬質量分數的分布結果也可以分為3類:其中Pb、Cd為第1類，其存在于膠粒組分中;Zn、Cr、Ni為第2類，其在流動相組分中重金屬質量最多占總質量的65%，膠粒組分最少;而Cu屬于第3類則比較特殊，其大量存在于生物絮團中占到60%，流動相和顆粒組分中分別占20%左右，膠粒中重金屬質量分數較少。

污水處理廠生活污水污泥中的重金屬主要分布在流動相中，Cu在各組分分布較為平均;而在工業污水與生活污水各占50%的污泥中，Pb、Cd均分布在膠粒組分中，其他重金屬主要分布在流動相組分中，其中Cu在各組分分布均勻，Zn主要分布在流動相和顆粒組分中，Ni主要分布在流動相和生物絮團組分中。

2.3 污泥處理廠原泥各組分中的重金屬質量比

表3數據表示的是污泥中顆粒、生物絮團、膠粒、流動相4個組分中重金屬的質量比。

以Cu、Zn為例，從表3中可以看出，Cu、Zn總體上在各組分質量比最大，其中在膠粒組分和顆粒組分中質量比最大，其次是在生物絮團和流動相中。在江心洲污水處理廠的污泥中膠粒組分的重金屬質量比最大;吳中區城南污水處理廠的污泥中顆粒組分、生物絮團和膠粒組分中重金屬質量比較大，而流動相中重金屬質量比較小;而在昆山市污水處理廠污泥中各組分中重金屬質量比相差不大。

由于顆粒態主要由粒徑大于40 μm的礦物顆粒、金屬、染料以及塑料組成，富集了高濃度的重金屬。生物絮團組分里有大量細菌，與重金屬發生了化學反應，并且吸附了分散在水中的無機沉淀，本身組分質量大，從而造成了生物絮團組分重金屬質量比低于顆粒組分的。膠粒組分而因為吸附了小顆粒的無機沉淀，并且本身組分質量小，造成了膠粒組分重金屬質量比很高。流動相組分中的重金屬主要為離子態，重金屬質量比相對較低，與原泥中重金屬質量比接近，進一步表明污泥原泥中重金屬質量比與流動相組分中的重金屬密切相關。

3 結論

a.污泥流動相中的重金屬質量占污泥重金屬總質量的60% ～100%，其中生活污水的污泥重金屬質量分數高于工業與生活污水各占50%的污泥重金屬質量分數。無機相和有機相膠粒組分中，重金屬質量比高于流動相的質量比，但無機相和有機相中膠粒組分含量在污泥中的比例遠小于流動相。

b.污水處理廠中的污水來源不同，污泥各組分中重金屬分布也有差異，生活污水污泥中的重金屬主要分布在流動相中，Pb、Cd分布在流動相中的重金屬占到了污泥重金屬質量分數的90%以上，Zn、Cr、Ni分布在流動相中的重金屬占總量的80%左右，Cu分布在流動相中的重金屬占總量的60%左右;而在混有工業廢水的吳中區城南污水廠污泥中，Pb、Cd存在于有機相中的膠粒組分中;Zn、Cr、Ni在流動相中重金屬質量分數占總量的65%;而Cu大量存在于有機相中生物絮團組分，重金屬質量分數占總量的60%，流動相和無機相中分別占20%左右。

因此在實際污泥處理處置中，需要針對流動相組分中重金屬進行處理。

表3 脫水污泥各組分中重金屬質量比 mg/kg

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