濮陽市城市污泥成分及資源化利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)*

程偉娜 李光明 王 冰

(濮陽市環(huán)境監(jiān)測(cè)站，河南 濮陽 457000)

城市污泥是城市污水處理廠污水處理過程中產(chǎn)生的固體廢棄物，主要成分除了有機(jī)質(zhì)(約占污泥干質(zhì)量的30%～40%)和氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素外，還存在重金屬、致病菌和寄生蟲(卵)等有毒有害物質(zhì)[1]。因此，必須及時(shí)對(duì)城市污泥進(jìn)行減量化、穩(wěn)定化、無害化處理，否則極易引起二次污染。近年來，我國經(jīng)濟(jì)和城市化發(fā)展進(jìn)程加快，公眾環(huán)境保護(hù)意識(shí)增強(qiáng)，環(huán)境污染治理力度逐漸加大，大量污水處理設(shè)施建成并投入使用，城市污泥產(chǎn)生量急劇增長。但我國大多數(shù)污水處理廠未建成配套的城市污泥處置設(shè)施，只是將城市污泥送往垃圾填埋場(chǎng)簡單填埋或直接堆放在曠野中，有些城市污泥甚至被傾倒在河流附近[2]。城市污泥的不規(guī)范處置已成為一個(gè)新的環(huán)境污染源，一定程度上還抵消了污水處理廠的環(huán)境凈化效果[3]。所以，安全、經(jīng)濟(jì)、合理地處置城市污泥必須引起高度重視。

濮陽市自20世紀(jì)80年代開始建設(shè)污水收集、輸送和處理設(shè)施，目前濮陽市的城市污泥全部送往垃圾填埋場(chǎng)簡單填埋，但垃圾填埋場(chǎng)庫容在不斷減小，且簡單填埋會(huì)帶來一系列安全隱患。因此，該處置方式不是長久之計(jì)。本研究以濮陽市9座規(guī)模較大且運(yùn)行穩(wěn)定的污水處理廠為研究對(duì)象，對(duì)城市污泥的理化性質(zhì)和重金屬濃度、形態(tài)分布進(jìn)行研究，并對(duì)其資源化利用的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，旨在為濮陽市城市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 樣品采集和預(yù)處理

表1 污水處理廠基本情況

城市污泥均取自濮陽市9座污水處理廠(濮陽城市污泥均取自濮陽市9座污水處理廠(濮陽市某污水處理廠、濮陽市某油田污水處理廠、濮陽市某第二污水處理廠、濮陽縣某污水處理廠、清豐縣某污水處理廠、南樂縣某污水處理廠、范縣某污水處理廠、范縣濮王某污水處理廠、臺(tái)前縣某污水處理廠分別簡稱為市污水、油田污水、市二污、濮陽縣、清豐縣、南樂縣、范縣、范縣濮王和臺(tái)前縣)，污水處理廠基本情況見表1。于2014年8月在上述污水處理廠的污泥終端傳送帶出口處采集城市污泥，每隔15 min采集1次，共采集4次，混合均勻后作為1個(gè)樣品。有些指標(biāo)需使用新鮮城市污泥分析測(cè)定，采集后剔除石塊和雜物，放入密封容器中盡快分析測(cè)定；而另一些指標(biāo)需使用風(fēng)干城市污泥分析測(cè)定，采集后進(jìn)行風(fēng)干，剔除石塊和雜物后，采用四分法縮分，再用瑪瑙研缽研磨至全部通過100目(有機(jī)質(zhì)通過60目)尼龍篩，混合均勻備用。

1.2 分析方法

參考《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[4]和《城市污水處理廠污泥檢驗(yàn)方法》(CJ/T 221—2005)[5]中的分析方法測(cè)定pH、含水率、有機(jī)質(zhì)及營養(yǎng)元素(總氮、總磷和總鉀)濃度；Cu、Pb、Zn、Cd、Ni、Cr、As濃度采用高壓微波消解/電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測(cè)定，Hg濃度采用常壓消解/原子熒光法測(cè)定；重金屬形態(tài)分布采用三步連續(xù)提取法測(cè)定[6]。測(cè)定過程中，采用平行樣、加標(biāo)回收等措施對(duì)測(cè)定精密度和準(zhǔn)確度進(jìn)行質(zhì)量控制。

2 結(jié)果與討論

2.1 pH、含水率、有機(jī)質(zhì)和營養(yǎng)元素

濮陽市城市污泥的pH、含水率、有機(jī)質(zhì)和營養(yǎng)元素濃度見表2。樣品pH為6.52～12.42，含水率為50.4%～86.5%。pH及含水率與污水處理工藝，城市污泥處理中的絮凝劑種類、用量呈現(xiàn)出明顯的相關(guān)性[8]。市污水、油田污水、清豐縣、范縣、范縣濮王的城市污泥脫水工藝均為帶式壓濾，含水率較高，其余污水處理廠的城市污泥脫水工藝為板框壓濾，含水率較低。市二污和南樂縣在城市污泥濃縮時(shí)使用石灰穩(wěn)定技術(shù)，從而導(dǎo)致其pH明顯偏大。

以生活污水為主要污水來源的污水處理廠，其有機(jī)質(zhì)與營養(yǎng)元素濃度明顯高于以工業(yè)廢水為主要污水來源的污水處理廠。以生活污水為主要污水來源的污水處理廠中，市級(jí)污水處理廠(包括市污水、油田污水)有機(jī)質(zhì)與營養(yǎng)元素濃度普遍高于縣級(jí)污水處理廠(濮陽縣、清豐縣、南樂縣、范縣和臺(tái)前縣)。與豬廄肥相比，濮陽市城市污泥是高有機(jī)質(zhì)、高氮、高磷的有機(jī)肥，具有較高的資源化利用價(jià)值。

表2 pH、含水率、有機(jī)質(zhì)與營養(yǎng)元素質(zhì)量濃度

表3 重金屬質(zhì)量濃度1)

注：1)ND表示未檢出，表4同。

2.2 重金屬濃度與形態(tài)分布

濮陽市城市污泥的重金屬質(zhì)量濃度見表3。其中，標(biāo)準(zhǔn)限值(pH≥6.5)是指《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)規(guī)定的，在pH≥6.5的中性和堿性土壤上，城市污泥農(nóng)用時(shí)的城市污染物控制標(biāo)準(zhǔn)限值。從表3可以看出，不同污水處理廠城市污泥的重金屬濃度存在較大差異，8種重金屬濃度平均值表現(xiàn)為Zn>Cu>Cr>Ni>Pb>As>Hg>Cd。這與陳同斌等[10]統(tǒng)計(jì)的我國城市污泥重金屬濃度基本一致。

按照標(biāo)準(zhǔn)限值(pH≥6.5)，濮陽市城市污泥的重金屬濃度均達(dá)標(biāo)。與河南省土壤背景值相比，9座污水處理廠的城市污泥重金屬濃度基本都偏高，直接施用于農(nóng)田具有一定的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

重金屬的生物毒性不僅與濃度有關(guān)，更大程度上由其形態(tài)分布決定。不同的形態(tài)產(chǎn)生不同的環(huán)境效應(yīng)，直接影響到重金屬的毒性、遷移性及其在自然界的循環(huán)[11]。因此，研究重金屬的形態(tài)分布可提供更為詳細(xì)的重金屬遷移性和生物可利用性信息。表4列出了濮陽市城市污泥中Cu、Pb、Zn、Cd、Ni、Cr、As、Hg的形態(tài)分布。

根據(jù)三步連續(xù)提取法，可將重金屬形態(tài)劃分為酸可交換態(tài)、易還原態(tài)、可氧化態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)。前兩種形態(tài)統(tǒng)稱為不穩(wěn)定態(tài)，容易被植物吸收，存在一定的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；后兩種形態(tài)統(tǒng)稱為穩(wěn)定態(tài)，在自然條件下難以釋放，對(duì)環(huán)境一般不產(chǎn)生污染。

由表4可知，不同重金屬在城市污泥中的形態(tài)分布存在差異；Cu、Pb、Cd、Ni、Cr、As、Hg主要以可氧化態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)存在，在自然環(huán)境下相對(duì)比較穩(wěn)定；Zn主要以酸可交換態(tài)和易還原態(tài)存在，具有較強(qiáng)的生物活性和遷移性。

2.3 資源化利用的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

為進(jìn)一步說明城市污泥中重金屬的污染程度和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，選用地累積指數(shù)法[12]和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法[13]對(duì)城市污泥中Cu、Pb、Zn、Cd、Ni、Cr、As、Hg 8種重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

地累積指數(shù)法的計(jì)算公式如下：

Igeo=log2(cn/(Bn×K))

(1)

式中：Igeo為地累積指數(shù)；cn為重金屬n在沉積物中的質(zhì)量濃度，mg/kg，本研究采用各重金屬不穩(wěn)定態(tài)的質(zhì)量濃度總和；Bn為重金屬n在普通頁巖中的地球化學(xué)背景值，mg/kg，本研究采用河南省土壤背景值；K為考慮各地巖石差異可能引起背景值變動(dòng)而取的修正系數(shù)，通常為1.5。

Igeo分為7個(gè)等級(jí)。當(dāng)Igeo≤0、05時(shí)，污染程度分別為無污染、輕度、偏中度、中度、偏重度、重度、嚴(yán)重。

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法的計(jì)算公式如下：

En=Tn×cn/Bn

(2)

RI=∑En

(3)

式中：En為重金屬n的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；Tn為重金屬n的毒性響應(yīng)系數(shù)，Cu、Pb、Zn、Cd、Ni、Cr、As和Hg的毒性響應(yīng)系數(shù)分別為5、5、1、30、5、2、10、40；RI為多種重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。

表4 重金屬形態(tài)分布

表4 重金屬形態(tài)分布(續(xù))

En分為5個(gè)等級(jí)。當(dāng)En<40、40≤En<80、80≤En<160、160≤Igeo<320、En≥320時(shí)，重金屬n的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度分別為低、中、較重、重、嚴(yán)重。RI分為4個(gè)等級(jí)。當(dāng)RI<150、150≤RI<300、300≤RI<600、RI≥600時(shí)，多種重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度分別為低、中、重、嚴(yán)重。

對(duì)城市污泥中重金屬污染程度及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果見表5、表6。

由表5可以看出，濮陽市城市污泥中的污染元素有Cu、Zn、Hg，其中Zn的污染程度最高，清豐縣、范縣檢測(cè)出Cu為輕度污染，南樂縣檢測(cè)出Cu為偏中度污染，油田污水檢測(cè)出Hg為輕度污染；Pb、Cd、Ni、Cr、As為無污染。地累積指數(shù)法對(duì)濮陽市城市污泥的評(píng)價(jià)結(jié)果表明，在城市污泥資源化利用過程中，Zn可能對(duì)環(huán)境帶來較大污染，應(yīng)制定相應(yīng)防范措施。

由表6可以看出，市污水檢測(cè)出Cd具有中度潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，油田污水、市二污、范縣濮王和臺(tái)前縣檢測(cè)出Hg具有中度潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。盡管上述污水處理廠的城市污泥中Cd和Hg的不穩(wěn)定態(tài)濃度并不高，但由于Cd和Hg毒性響應(yīng)系數(shù)較高，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)不可忽視。從多種重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)看，各污水處理廠的城市污泥重金屬RI<150，說明濮陽市城市污泥中重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)總體較低。

3 結(jié) 論

(1) 濮陽市城市污泥是高有機(jī)質(zhì)、高氮、高磷的有機(jī)肥，資源化利用價(jià)值較高。

(2) 濮陽市城市污泥中8種重金屬濃度的平均值表現(xiàn)為Zn>Cu>Cr>Ni>Pb>As>Hg>Cd，均低于GB 18918—2002中的標(biāo)準(zhǔn)限值。

表5 重金屬地累積指數(shù)和污染程度

表6 重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)和風(fēng)險(xiǎn)程度

(3) Cu、Pb、Cd、Ni、Cr、As、Hg主要以可氧化態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)存在，在自然環(huán)境下比較穩(wěn)定；Zn主要以酸可交換態(tài)和易還原態(tài)存在，具有較強(qiáng)的生物活性和遷移性。

(4) 地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果表明，Cu、Zn、Cd、Hg為風(fēng)險(xiǎn)元素，其中Zn污染程度最高，在城市污泥資源化利用時(shí)應(yīng)制定相應(yīng)防范措施。從多種重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)看，濮陽市各污水處理廠的城市污泥重金屬RI<150，說明濮陽市城市污泥中重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)總體較低。

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