喀什污水處理廠污泥中重金屬Cd和Pb的形態(tài)分析及風(fēng)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(zhì)、污泥中重金屬Cd和Pb的含量及形態(tài)，并利用地累積指數(shù)（Igeo）法和內(nèi)梅羅指數(shù)法（PI）評估了污泥在土地利用過程中重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險。結(jié)果表明，該污泥有良好的農(nóng)用價值。但是污泥中Cd的總量為5.48 mg/kg，此結(jié)果超過中國農(nóng)用污泥中重金屬的控制標(biāo)準(zhǔn)（酸性土壤中），主要形態(tài)為殘渣態(tài)和可交換態(tài)，分別占44.34%和23.18%，生物可利用態(tài)含量較高，易被植物吸收利用，所以農(nóng)用具有較大的風(fēng)險。Pb含量在我國農(nóng)用污泥中重金屬的控制標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，存在形態(tài)主要為殘渣態(tài)，占82.64%，在污泥中較穩(wěn)定；地累積指數(shù)法和內(nèi)梅羅單項指數(shù)法的評估結(jié)果表明，污泥農(nóng)用對土壤環(huán)境存在嚴(yán)重的潛在生態(tài)風(fēng)險。

關(guān)鍵詞：污泥；重金屬；化學(xué)形態(tài)；內(nèi)梅羅指數(shù)；地累積指數(shù)

中圖分類號：X52 文獻標(biāo)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(chǎn)生的剩余污泥也急劇增加。大量產(chǎn)生的污泥若處置不當(dāng)將會引起嚴(yán)重的環(huán)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(yǎng)物質(zhì)，因此，污泥的農(nóng)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(zhì)，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(nóng)用的一個主要因素[3]。因此，在污泥農(nóng)用之前需掌握污泥中重金屬的環(huán)境行為信息并對其潛在風(fēng)險進行評估[4]。重金屬在環(huán)境中的行為不僅與含量有關(guān)，更大程度上取決于其存在形態(tài)[5]。重金屬的不同形態(tài)表現(xiàn)出不同的生物毒性和環(huán)境行為。不穩(wěn)定態(tài)重金屬在環(huán)境中易遷移轉(zhuǎn)化，存在一定的潛在生態(tài)風(fēng)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(jīng)濟發(fā)達城市污水處理廠污泥的處理，污泥中重金屬的形態(tài)分布及其對植物的毒性效應(yīng)或富集效應(yīng)研究較多[6，7]，而對于西部經(jīng)濟欠發(fā)達城市污水處理廠污泥中重金屬元素的相關(guān)研究較少，針對新疆喀什市污泥重金屬形態(tài)研究方面的內(nèi)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(xù)五步提取法和地累積指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)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(tài)分布特征，并對其進行了潛在生態(tài)風(fēng)險評價，為該廠污泥的合理處置及資源化利用提供科學(xué)依據(jù)。

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(jīng)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(guī)定的方法對污泥基本性質(zhì)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(tài)分析。

1.3 污泥中重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險評估方法

1.3.1 地累積指數(shù)法 地累積指數(shù)法是由德國學(xué)者Muller[11]于1969年提出的，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛地被用于沉積物中重金屬污染程度的定量指標(biāo)，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(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化結(jié)合態(tài)、有機結(jié)合態(tài)4種形態(tài)之和；Bn是沉積物中該元素的地球化學(xué)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(nèi)梅羅綜合指數(shù)法 內(nèi)梅羅指數(shù)法常用于評估土壤中重金屬污染程度[13]，首先根據(jù)公式（2）求出污泥樣品中重金屬元素的內(nèi)梅羅單項污染指數(shù)，再根據(jù)公式（3）計算所有重金屬的綜合污染指數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 污泥的養(yǎng)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(guān)。喀什市污水處理廠污泥中營養(yǎng)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(zhì)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(yǎng)分含量可知該廠污泥具有很好的農(nóng)用價值。

2.2 污泥重金屬含量及形態(tài)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(jīng)超過了中國酸性土壤中污泥農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)（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(nóng)用前應(yīng)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(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)。

污泥中重金屬的含量與污水來源密切相關(guān)。喀什污水處理廠污泥呈現(xiàn)出高Cd的特點，這與喀什周邊的很多小型的塑料生產(chǎn)企業(yè)、金屬加工企業(yè)和礦業(yè)產(chǎn)生的污水有關(guān)，這些企業(yè)規(guī)模小數(shù)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(wǎng)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(tài)直接影響重金屬的環(huán)境行為和生物毒性。水溶態(tài)和可交換態(tài)對環(huán)境條件的變化比較敏感，在環(huán)境中易遷移轉(zhuǎn)化并被植物所吸收。碳酸鹽結(jié)合態(tài)對pH敏感，pH升高會使游離態(tài)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(huán)境中。鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)和硫化物及有機結(jié)合態(tài)重金屬比較穩(wěn)定，但在土壤環(huán)境條件發(fā)生變化時亦可被釋放出來，為生物所吸收，鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)在還原條件下具有較高的生物有效性，而硫化物及有機結(jié)合態(tài)則在氧化條件下具有較高的生物有效性。殘渣態(tài)一般性質(zhì)穩(wěn)定，在自然界正常條件下不易釋放，能長期穩(wěn)定在土壤中，不易為植物吸收。除了殘渣態(tài)之外，其他幾種形態(tài)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(xué)形態(tài)分布圖。從表2和圖1可知，Cd化學(xué)形態(tài)分布趨勢為：殘渣態(tài)>可交換態(tài)>碳酸鹽結(jié)合態(tài)>鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)>硫化物及有機結(jié)合態(tài)。Cd的殘渣態(tài)含量最高，占44.34%，殘渣態(tài)較穩(wěn)定，不易被植物吸收；其次是可交換態(tài)，占23.18%，可交換態(tài)為不穩(wěn)定態(tài)，在環(huán)境中易于遷移，被植物吸收；碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)和硫化物及有機結(jié)合態(tài)含量較少，分別為13.87%、11.86%、6.75%，這些形態(tài)在土壤環(huán)境條件發(fā)生變化時可被釋放出來被植物吸收。Pb的化學(xué)形態(tài)分布趨勢為：殘渣態(tài)>可交換態(tài)>鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)>碳酸鹽結(jié)合態(tài)>硫化物及有機結(jié)合態(tài)。主要存在形態(tài)為殘渣態(tài)，占82.64%，其次為可交換態(tài)，占5.93%，碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)和硫化物及有機結(jié)合態(tài)含量較少，分別占3.12%、5.21%和3.10%。

結(jié)合以上內(nèi)容可知，Cd的生物有效態(tài)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(tài)含量總體來說雖然只有17.36%，但是可交換態(tài)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(wěn)定態(tài)比例較高是因為喀什污水處理廠的污泥未經(jīng)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(nóng)用的價值。

2.4 污泥中重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險評估

地累積指數(shù)一般可分為7個級別，內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)分為5級，內(nèi)梅羅單項污染指數(shù)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(shù)、內(nèi)梅羅單項污染指數(shù)和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)，結(jié)果見表4和表5。

由表4可以看出，污泥中Pb的Igeo指數(shù)小于0，污染級別為0級，說明污泥中Pb對土壤環(huán)境無污染風(fēng)險；污泥中Cd的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過土壤背景值，其Igeo指數(shù)較高，污染級別為4級，達到強度污染水平，潛在生態(tài)風(fēng)險程度較高。

由表5中重金屬的內(nèi)梅羅單項污染指數(shù)可以看出，污泥中Pb的內(nèi)梅羅單項污染指數(shù)的污染級別高于地累積指數(shù)，為1級低度污染，對環(huán)境有一定的潛在風(fēng)險；污泥中Cd的內(nèi)梅羅單項污染指數(shù)的污染級別與地累積指數(shù)相當(dāng)，為4級嚴(yán)重污染，其潛在生態(tài)風(fēng)險較高。由表5中重金屬的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)可以看出，污泥總體對土壤環(huán)境存在較嚴(yán)重的潛在生態(tài)風(fēng)險，內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)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(yán)重的因子，能較好地反映污泥總體潛在生態(tài)風(fēng)險。

由地累積指數(shù)、內(nèi)梅羅單項污染指數(shù)和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)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(yán)重的潛在風(fēng)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(yè)污水有關(guān)。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(jié)論與建議

1）喀什市污水處理廠污泥中含有大量的營養(yǎng)物質(zhì)，有很好的農(nóng)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(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)。Pb的含量在農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)。

2）污泥中重金屬Pb和Cd的形態(tài)分布主要以殘渣態(tài)和可交換態(tài)為主，尤其是Cd的可交換態(tài)含量較高，占23.18%，生物可利用態(tài)含量較高，易被植物吸收利用，所以農(nóng)用具有較大的風(fēng)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(tài)的比例。

3）地累積指數(shù)法和內(nèi)梅羅指數(shù)法的評價結(jié)果表明，污泥中Cd的潛在生態(tài)風(fēng)險較高，達到4級污染，對農(nóng)用地的風(fēng)險較大，在農(nóng)用前應(yīng)進行穩(wěn)定化處理或者去除。

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