山東省城市污水處理廠污泥重金屬污染特征及風險評價

王曉林

(山東科技職業學院生物與化學工程系，山東 濰坊 261053)

隨著我國經濟發展和城市化進程的加快，城市生活污水的排放量和處理比例也快速增加[1-3]。據環境保護部2010年統計年報，2010年我國有城市污水處理廠2 881座，日處理污水1.23×107t，城市生活污水處理率達72.9%，城市污水處理過程中產生了大量污泥，因此在城市污水處理比例不斷增加的同時，也面臨巨大的污泥處理壓力[4]1355,[5-6]。污泥富集了污水中大部分有機污染物和重金屬，具有有機物含量高、密度小、顆粒細、細菌量大等特點。其中的重金屬在環境中難以被生物分解，通過食物鏈的生物富集將影響環境安全與人體健康[7],[8]1765。污泥中的重金屬污染又是土壤重金屬污染的重要來源，并已成為污泥有益利用的主要限制性因素，因此污泥中重金屬污染特征及風險評價已成為環境科學等領域的研究熱點之一[4]1355-1356,[9-10]。大部分國家和地區均制定了污泥農用時的污染物標準和污泥農用時部分重金屬的最大施用量[8]1765,[11]。污泥中重金屬含量因各城市的產業類型、城市性質、污水處理工藝和污水來源等不同而存在很大的差異[12]562-563,[13]1982,[14]1211，而關于山東省城市污水處理廠污泥中重金屬含量的污染特征及風險評價并不多。為了掌握山東省城市污水處理廠污泥中重金屬污染現狀和特征，本研究以山東省5個城市(淄博市、濟南市、棗莊市、青島市和煙臺市)的15家城市污水處理廠為調研對象，采集脫水后的污泥進行重金屬濃度及理化性質的測定，分析污泥中重金屬分布特點，并與污泥的相關標準進行比較，同時對其潛在生態風險進行評價，以期為山東省城市污水處理和污泥資源化利用中的重金屬污染控制提供基礎數據和理論依據。

表1 山東省城市污水處理廠的基本情況

1 材料與方法

1.1 污泥采集

2014年7—8月在山東省淄博市、濟南市、棗莊市、青島市和煙臺市5個城市分別選取3座城市污水處理廠作為研究對象。這15座城市污水處理廠的污泥排放量占山東省城市污水廠污泥排放量的50%(質量分數)以上，可以代表山東省污泥重金屬的整體污染水平[15]。所選取的15座城市污水處理廠的基本情況如表1所示。在各城市污水處理廠污泥脫水車間連續穩定運行的脫水機出泥口采集污泥，再將不同脫水機出泥口所采集的污泥混合，混合后的污泥質量不少于2 kg。根據多點采樣的原則在污泥堆放場地再進行采樣，以確保采集的污泥具有代表性。采集的污泥用錫箔紙包裹放入潔凈密實袋，迅速帶回實驗室冷凍保存以待檢測。

1.2 實驗儀器和試劑

儀器：Agilent 7500電感耦合等離子質譜儀(ICP-MS)；XC-9000原子吸收光譜儀；XH-200AE微波消解儀；DB-3B恒溫電熱板；Berghof BSB-939-IR亞沸蒸餾器；BSA8201S電子天平(精確至0.01 g)；Milli-Q超純水儀；消解罐；聚四氟乙烯坩堝；100 mL容量瓶；玻璃漏斗；定量濾紙。

試劑：濃硝酸(分析純)；氫氟酸(分析純)；高氯酸(分析純)；超純水。

1.3 預處理

污泥經自然風干后，碾磨并過60目篩，充分混勻后取10 g左右供后續測定。消解時，稱取0.10 g污泥放入50 mL聚四氟乙烯坩堝中，超純水濕潤后加入50%(質量分數，下同)硝酸5.0 mL，置于恒溫電熱板上180～200 ℃下加熱回流3～4 h后開蓋蒸至近干，加入50%硝酸1.0 mL微熱浸提，加超純水定容到50 mL，取約5 mL溶液進行分析測定，同時制備空白溶液。

1.4 重金屬測定

污泥經預處理后，采用原子吸收光譜儀測定Cd的濃度，采用ICP-MS測定其他重金屬的濃度。ICP-MS的精確度為2%以下，回收率為95%以上，測定偏差控制在9%以下，污泥中重金屬質量濃度的計算公式[13]1983-1986如下：

(1)

式中：wi為污泥中重金屬i的質量濃度，mg/kg；n為ICP-MS測定時的稀釋倍數；V為定容體積，L；ci為ICP-MS測定得到的重金屬i質量濃度，mg/L；M為污泥質量，kg。

表2 污泥的理化性質

表3 污泥的重金屬質量濃度

2 結果與分析

2.1 理化性質

依據《城市污水處理廠污泥檢驗方法》(CJ/T 221—2005)測定pH、有機質、全氮、全磷和全鉀，結果如表2所示。由表2可以看出，山東省城市污水處理廠污泥的pH平均值為5.86～7.83，呈現高有機質、高氮、高磷和高鉀的特點，具有很好的利用價值，與江蘇省[13]1983-1986和甘肅省[14]1213-1216的城市污水處理廠研究結果基本一致。

2.2 重金屬濃度

由表3可以看出，山東省城市污水處理廠污泥中各重金屬質量濃度平均值為：Cr 79～232 mg/kg、Cu 86～632 mg/kg、Mn 158～1 037 mg/kg、Ni 18～93 mg/kg、Pb 23～168 mg/kg、Cd 0.68～4.12 mg/kg、Zn 98～586 mg/kg。其中，Mn占重金屬總量的質量分數最高，Zn、Cu和Cr占重金屬總量的質量分數較高，Cd占重金屬總量的質量分數最低。山東省不同城市污水處理廠污泥重金屬濃度基本表現為：淄博市>濟南市>棗莊市>青島市>煙臺市。

《城鎮污水處理廠污泥處置 農用泥質》(CJ/T 309—2009)中A級污泥的Cr、Cu、Cd和Zn限值分別為500、500、3、1 500 mg/kg[16]。本研究中青島市、棗莊市和煙臺市各城市污水處理廠的污泥符合CJ/T 309—2009中A級污泥的要求，濟南市城市污水處理廠污泥存在Cd超標，淄博市城市污水處理廠污泥的Cu和Cd均存在超標。山東省城市污水處理廠的污泥中，Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Cd和Zn的平均質量濃度分別為165、272、606、57、83、2.12、299 mg/kg，除Mn外，山東省城市污水處理廠污泥的重金屬平均濃度均低于全國水平[12]562。

2.3 污泥重金屬主成分分析

主成分分析是將多個變量通過降維轉化為少數幾個綜合變量的統計分析方法，能使原有變量所代表的信息更集中、更典型地體現[17]1081。以山東省城市污水處理廠污泥的重金屬濃度為變量，通過計算方差和協方差矩陣的特征量，將多個變量提取為主成分PC1～PC6(見表4)。根據特征值大于1的原則，只選取PC1～PC3。PC1、PC2和PC3對各變量的方差貢獻率分別為43.568%、24.187%、18.175%，PC1～PC3的累積方差貢獻率為85.930%，能較好地反應山東省城市污水處理廠污泥的重金屬狀況。若變量載荷的絕對值大于0.8，則判定該變量為主要因子。由表5可以看出：PC1主要由Cu(0.863)、Ni(0.912)和Cd(0.875)組成，且Cu、Ni和Cd均呈現正荷載，因此PC1可用于反映Cu、Ni和Cd的富集程度；PC2主要由Pb(0.914)組成，可用于反映Pb的富集程度；PC3主要由Mn(0.835)和Zn(0.891)組成，可用于反映Mn和Zn的富集程度。

表4 污泥的重金屬濃度總方差分解表

表5 PC1～PC3的載荷

表6 污泥重金屬與污泥理化性質的關系1)

注：1)*表示在α=0.05水平上顯著相關；**表示在α=0.01水平上極顯著相關。

表7 Ti和w0的取值

2.4 污泥重金屬與污泥理化性質的關系

由表6可以看出：污泥中pH與Ni、Pb、Cd和Zn濃度均呈現極顯著負相關；有機質、全氮與各重金屬均無顯著相關性；全磷與Cu、Mn均呈極顯著正相關，與Ni、Pb、Cd和Zn均呈顯著正相關；全鉀與Cu、Ni、Pb、Cd和Zn均呈極顯著正相關，與Mn呈顯著正相關。

2.5 污泥重金屬潛在生態風險評價

不同重金屬對人體健康產生的毒性不同，因此不同重金屬即使在污泥中濃度相同，其產生的危害也有差別。HAKANSON[18]在建立了一套評價重金屬污染潛在生態風險的方法，將重金屬的生態效應、環境效應及毒理學效應等聯系起來，更好地反映重金屬的潛在危害。其計算公式為:

(2)

式中：Ei為重金屬i的生態危害指數；Ti為重金屬i的毒性響應系數；w0為重金屬i的參比值，mg/kg，本研究以山東省耕地土壤重金屬平均濃度為參比值[19]。Ti和w0的取值見表7。

不同重金屬的復合生態危害指數(RI)的計算公式[17]1082為：

RI=∑Ei

(3)

根據Ei與RI，重金屬潛在生態風險評價標準見表8。

表8 重金屬潛在生態風險評價標準

山東省城市污水處理廠污泥中重金屬的潛在生態風險評價結果如表9所示。由表9可以看出，山東省各城市污水處理廠污泥中Ei最高的3種重金屬為Cu、Cd和Ni。淄博市城市污水處理廠污泥中，Cu具有重度潛在生態風險；濟南市城市污水處理廠污泥中，Cu具有中等潛在生態風險；其余城市的城市污水處理廠污泥中，Cu均具有輕微潛在生態風險。淄博市和濟南市的城市污水處理廠污泥中，Cd均具有中等潛在生態風險，其他城市的城市污水處理廠污泥中，Cd均具有輕微潛在生態風險。除Cu和Cd外，山東省城市污水處理廠污泥中的其余重金屬均具有輕微潛在生態風險。

山東省城市污水處理廠污泥的RI大小依次為淄博市>濟南市>棗莊市>青島市>煙臺市。其中，淄博市和棗莊市城市污水處理廠污泥的重金屬潛在生態風險均為中等，其余城市的城市污水處理廠污泥的重金屬潛在生態風險均為輕微。Cu和Cd是污泥重金屬潛在生態風險的主要貢獻因子。

3 結 論

(1) 山東省城市污水處理廠污泥呈現高有機質、高氮、高磷和高鉀的特點，具有較好的利用價值。污泥中的Mn占重金屬總量的質量分數最高，Zn、Cu和Cr占重金屬總量的質量分數較高，Cd占重金屬總量的質量分數最低。山東省城市污水處理廠污泥的重金屬濃度基本表現為：淄博市>濟南市>棗莊市>青島市>煙臺市。

(2) 山東省各城市污水處理廠污泥中Ei最高的3種重金屬為Cu、Cd和Ni。其中，淄博市和濟南市城市污水處理廠污泥中，Cu的潛在生態風險分別為重度和中等，Cd的的潛在生態風險均為中等。除Cu和Cd外，山東省城市污水處理廠污泥中的其余重金屬均具有輕微潛在生態風險。

(3) 污泥的RI大小依次為淄博市>濟南市>棗莊市>青島市>煙臺市。其中，淄博市和棗莊市城市污水處理廠污泥的重金屬潛在生態風險均為中等，其余城市的城市污水處理廠污泥的重金屬潛在生態風險均為輕微。Cu和Cd是污泥重金屬潛在生態風險的主要貢獻因子。

(4) PC1～PC3較好地反映了山東省城市污水處理廠污泥的重金屬狀況。PC1主要反映Cu、Ni和Cd的富集程度；PC2主要反映Pb的富集程度；PC3主要反映Zn和Mn的富集程度。

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