電熱板消解—火焰原子吸收法對污泥中鉛、銅、鋅的測定研究

陳思奇，羅 盈，胡潔瓊，李進平

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電熱板消解—火焰原子吸收法對污泥中鉛、銅、鋅的測定研究

陳思奇，羅 盈，胡潔瓊，李進平*

（武漢紡織大學 環境工程學院，湖北 武漢 430073）

取武漢市某污水處理廠脫水污泥為實驗研究對象，用BCR三步提取法對污泥中Pb、Cu、Zn的4種存在形態進行分離提取，用電熱板消解法進行全量消解，利用火焰原子吸收（FAAS）檢查污泥樣品中Pb、Cu、Zn的總量和各形態含量。結果表明，武漢市某污水處理廠脫水污泥中Pb和Cu的含量較低，Zn的含量較高，其中，Pb主要以殘渣態的形態存在，弱酸提取態較少，Cu的弱酸提取態僅占0.2%，主要以氧化態的形態存在；Zn的4種形態分布較平均，可氧化態所占比例略高于其它三種形態。

城市污泥；重金屬；BCR三步提取；電熱板消解；火焰原子吸收

隨著經濟的發展，人們生活水平的不斷提高，城市人口數量快速增加，城市污水處理廠的數量和處理規模快速增長，產生的城市污泥量也隨之快速增長。城市污泥的處理處置的方法有很多，目前國內外常規的處理處置方法有：污泥衛生填埋、污泥堆肥、污泥焚燒、污泥土地利用等[1]。目前，污泥土地利用處置方法己經被廣泛應用于污泥處理處置，主要用于農田、林地、墾荒地、露天礦坑的固定及用于恢復植被等[2]。污泥中富含大量有可利用價值的有機質、N、P、K等營養物質[3]，所以污泥土地利用成為污泥資源化利用的有效途徑之一，但是污水處理的過程中，重金屬大部分被濃縮在污泥中，成為污泥土地利用的一大障礙[4-5]。污泥的重金屬污染不僅和進入環境的重金屬總量有關，還取決于重金屬的生物效應和環境行為[6]。本研究通過電熱板消解—火焰原子吸收測定污水處理廠脫水污泥中重金屬（Pb、Cu、Zn）總量，并采用BCR三步提取法分析測定污泥中重金屬的4種存在形態，為污泥中重金屬的生物效應和環境行為提供科學參考，為污泥的土地利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

SB-1.8-4電熱板（上海實研電爐有限公司）；TAS-986（G）原子吸收分光光度儀（北京普析通用儀器有限公司）；電熱鼓風干化箱ST368-1（武漢松濤分析儀器有限制造公司）；KS-130B 振蕩器（德國IKA公司）；HH.SII-6自動恒溫水浴鍋（俊騰電子儀器有限公司）；分析天平（北京賽多利斯儀器系統有限公司）

HCl（AR）、HNO3（AR）、HClO4（AR）、HF（AR）、0.1mol/L HOAc、0.5mol/L的NH4OH·HCl（用硝酸調pH=1.5）、H2O2（30%）、1mol/L的NH4OAc、去離子水等。

1.2 樣品的采集與制備

污泥樣品采自武漢市某污水處理廠。采樣點選擇在該污水處理廠污泥脫水車間連續穩定運行的污泥脫水機出泥口，樣品使用聚乙烯封口袋收集，封口后帶回實驗室待處理。將采集的污泥樣品置于陰涼、通風處晾干，平鋪于硬質紙板上，去除枝葉以及碎石等雜物后，用研缽研磨至樣品通過200目篩，貯與干燥潔凈的聚乙烯塑料試管中備用。

1.3 實驗方法

1.3.1 重金屬的總量測定

準確稱取0.2g樣品于聚四氟乙烯坩堝中，用少量去離子水潤濕后加入10ml濃鹽酸，置于電熱板上加熱，溫度控制在150℃左右。待溶液體積減少一半時，再加入1ml濃硝酸和5ml氫氟酸繼續加熱。最后，在坩堝內加入5ml高氯酸，繼續加熱直至坩堝內不再冒出白色煙霧。用去離子水沖洗坩堝，將消解完全的樣品全部轉移至50ml的比色管中待測。

最后，將轉移完畢的樣品過0.45μm的濾膜，按一定比例稀釋后用原子吸收分光光度計測定其各金屬元素的含量（mg/l），并最終換算至污泥中重金屬元素的濃度（mg/kg）。

1.3.2 重金屬的形態分析

BCR三步提取法是歐共體標準局在Tessier分析方法的基礎上提出的，該方法將重金屬的形態為弱酸提取態、可還原態、可氧化態和殘渣態4種[7]，已被許多學者應用于預測土壤中重金屬的遷移能力[8]。具體操作步驟如下：

弱酸提取態（可交換態）：準確稱取過篩污泥樣品0.5g于50ml離心管中，加入20ml 0.1mol/L HOAc，室溫下160r/min振蕩16h，然后3000r/min離心20min。上清液經0.45μm濾膜過濾后置于4℃冰箱內保存，待測。將離心管中的污泥殘渣用25ml去離子水沖洗后振蕩15min，然后3000r/min離心20min，棄掉上清液，離心管中的污泥殘渣供下一步提取。

可還原態：向上一步殘渣加入20ml 0.5mol/L的NH4OH·HCl（用硝酸調pH=1.5），室溫下160r/min振蕩16h，然后3000r/min離心20min。上清液經0.45μm濾膜過濾后置于4℃冰箱內保存，待測。將離心管中的污泥殘渣用25ml去離子水沖洗后振蕩15min，然后3000r/min離心20min，棄掉上清液，離心管中的污泥殘渣供下一步提取。

可氧化態：向上一步污泥殘渣中加入5ml H2O2（30%），振蕩均勻后室溫下靜置1h，然后水浴加熱至85℃，待試管中溶液減少至2ml左右時，加入5ml H2O2（30%），繼續85℃水浴，至試管中的液體近干。冷卻至室溫后，加入25ml 1mol/L的NH4OAc，室溫下160r/min振蕩16h，然后3000r/min離心20min。上清液經0.45μm濾膜過濾后置于4℃冰箱內保存，待測。將離心管中的污泥殘渣用25ml去離子水沖洗后振蕩15min，然后3000r/min離心20min，棄掉上清液，離心管中的污泥殘渣供下一步提取。

殘渣態：將殘渣在小于40℃條件下烘干，準確稱量0.2g樣品，消解、測定步驟同總量測定。

2 結果與討論

2.1 城市污泥中重金屬的總量

武漢市某污水處理廠污泥中重金屬含量見表1。從表1可以看出，武漢市該污水處理廠產生的脫水污泥中各金屬元素含量差異較大，其中以Zn元素含量最高，這可能是由于我國供水管道主要是鍍鋅管道。其次是Cu，毒性較大的Pb含量比較少，即武漢市該污水處理廠污泥重金屬的平均值為Zn＞Cu＞Pb，這與張麗麗等[9]的報道一致。與全國平均值[10]比較，該污水處理廠污泥毒性較大的Pb略低于全國平均水平，Cu的含量僅為全國平均值的50%左右，而Zn的含量超出全國平均值77%左右。與《城鎮污水處理廠污泥處置：農用泥質》(CJ/T309-2009)標準[11]相比，該污水處理廠污泥中Pb和Cu的含量均低于A級污泥標準，而Zn的含量低于A級污泥標準，高與B級污泥標準，不能直接施用于蔬菜和糧食用地中。而與美國EPA Part503及歐盟建議性標準限制[12]比較，Pb、Cu、Zn三種重金屬含量皆較低。由此來看，武漢市該污水處理廠污泥經過處理后是可以農用的。

表1 污泥樣品中重金屬的含量（mg/kg）

2.2 城市污泥重金屬不同形態分布

根據生物利用性的大小可以把重金屬各種化學形態分為有效態、潛在有效態和不可利用態，其中弱酸提取態為有效態，可還原態和可氧化態為潛在有效態，殘渣態為不可利用態。有效態容易被生物吸收，潛在有效態是有效態重金屬的直接提供者，不可利用態基本不被生物利用[13]。

由圖1、圖2和圖3可以看出，該污水處理廠污泥中不同重金屬賦存形態差異較大，其中Pb主要以殘渣態的形態存在，占總量的42.93%，可還原態和可氧化態的比例分別占19.58%和29.04%，弱酸提取態比例最低，為8.45%，這些結果與羅艷麗等[14]的研究結果相近，其測試的結果為Pb以殘渣態為主，比例占40%左右；Cu主要存在形態為可氧化態，比例占70.06%，殘渣態比例占16.24%，而弱酸提取態很少，僅占0.18%，可還原態比例占13.52%，這些結果與趙秀蘭[15]和胡忻等[16]的報道相似；Zn的可氧化態比例較高，占38.13%，殘渣態比例占20.21%，弱酸提取態和可還原態分別占22.59%和19.07%，這些結果與Walter等[17]的報道相似，而謝瑩等[18]的報道發現Zn主要以還原態存在，其比例占61.64%，弱酸提取態比例占23.89%，而可氧化態和殘渣態所占比例較少，分別為7.94%和6.53%。造成以上差異的原因可能是污水處理廠的污水來源不同、污水處理廠水處理工藝差異、污泥取樣季節不同等。

圖1 Pb的4種形態分布

圖2 Cu的4種形態分布

圖3 Zn的4種形態分布

由圖4、圖5、圖6可以看出，Zn的有效態比例最高，達22.59%，而Cu的有效態比例幾乎為零，僅占0.18%，Pb所占比例為8.45%；Cu的潛在有效態比例最高，達83.58%，Pb和Zn的比例分別為48.62%和57.20%；不可利用態比例最高的是Pb，占42.93%，Cu和Zn的不可利用態比例分別為16.24%和20.21%。各種元素的各形態含量比較可以看出，該污水處理廠脫水污泥中Pb的主要存在形態為殘渣態，遷移性較弱；Cu和Zn的潛在有效態所占比例較高，達50%以上，其中Zn在污泥中總量含量比較高，并且有效態比例占22.59%，其潛在的遷移性和生態風險性值得關注。

圖4 重金屬有效態分布

圖5 重金屬潛在有效態分布

圖6 重金屬不可利用態分布

3 結論

通過電熱板消解—火焰原子吸收測試表明，武漢市某污水處理廠脫水污泥中不同重金屬的總量存在很大差異，各存在形態也差異較大，其中Pb主要以可氧化態和殘渣態的形態存在，不可利用態所占比例高，穩定性較好；Cu和Zn的有效態及潛在有效態含量較高，主要存在形態為可還原態和可氧化態，可遷移性較強。

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Determination of Heavy Metals Speies (Pb、Cu、Zn) in Sewage Sludge by Electric Heating Plate-FAAS

CHEN Si-qi,LUO Ying, HU Jie-qiong, LI Jin-ping

(School of Environmental Engineering, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430073, China)

Sewage sludge was collected from one wastewater treatment plant located in Wuhan as the experiment object.The airdried samples were dissolved by the method of electric heating plate before the total content determination and sequentially extracted with Community Bureau of Reference (BCR) three-step method before speciation determination for the heavy metals．Flame atomic adsorption spectrometry was used to determine Pb、Cu、Zn.The results showed that the contents of Pb and Cu were low in these samples,but Zn was much higher.The main form of Pb was residual fraction and the fraction of acid soluble was low. Cu was in the state of oxidisable forms and the fraction of acid soluble was only 0.2%.The four forms of Zn were distributed evenly and the fraction of oxidisable was slightly higher than the other three forms.

Sewage sludge; heavy metals; BCR; electric heating plate method; FAAS

X705

A

2095－414X(2015)03－0067－05

李進平（1979-），男，副教授，博士，研究方向：固廢處理及資源化.

國家自然科學基金項目（51208393）.