城鎮污水處理廠污泥重金屬污染及生態風險分析

方宇媛，韓光磊，許 旻,潘 龍

(1.池州學院 材料與環境工程學院，安徽 池州 247000；2.安徽池州九華發電有限公司，安徽 池州 247000； 3.池州市貴池區生態環境分局環境監測站，安徽 池州 247000)

0 引言

城市污水處理廠在水處理過程中會產生大量污泥，據統計，國內污水處理廠運行過程中污泥平均產率為1.62 tDS/104m3[1]。如此巨大的污泥產生量已經成為污水處理廠的頑疾。目前，我國污水處理廠污泥處置方式以填埋為主[2-3]，不僅占用了大量土地，也帶來滲濾液、填埋廢氣、地下水污染、重金屬污染等二次污染問題[4-6]，同時存在填埋體穩定性等安全問題[7]。因此，尋求污泥資源化利用途徑迫在眉睫。由于污水處理廠污泥中通常含有較高的有機質和植物營養元素，在經過堆肥等處理之后可作為有機肥返田[8-10]。另一方面，污泥中有害物質成分和含量隨著城市經濟發展定位、污水來源和處理工藝[11]等發生變化，使得污泥土地利用過程中存在一定風險，尤其是污泥中的重金屬對土壤環境產生威脅。

林敏[12]等分析了杭州6座市政污水處理廠污泥重金屬含量和形態，結果表明污泥中As、Cd的生物可利用比例超過80%，據此提出了污泥資源化利用過程的控制措施。杜慶才[13]等針對蚌埠市污水處理廠污泥，測定了其重金屬含量、賦存形態，并開展了重金屬污染指數和健康風險指數分析。結果表明污泥中重金屬含量、潛在生態風險指數、健康風險指數均在安全限值內。孟國欣[14]等通過研究揭示了北京市4座污水處理廠污泥重金屬含量存在顯著差異，不同重金屬在污泥中賦存形態差異較大，其中一座污水處理廠污泥的內梅羅綜合指數計算結果屬于重污染水平，所有污水處理廠的潛在生態環境風險均屬于低生態風險水平。李金輝[15]等采集某污水處理廠污泥開展污泥農業價值分析、重金屬含量測定和健康風險分析。結果表明，Hg、Cd分別是該污泥中非致癌風險和致癌風險的主要因子。

以上研究表明，不同污水處理廠污泥重金屬含量和污染特征存在較大差異。因此，研究城市污水處理廠污泥重金屬污染特征對揭示其可能的生態環境風險、探討最佳的污泥處置方法具有現實意義。為了明確池州市某城鎮污水處理廠污泥重金屬污染特征及其潛在生態風險，采集該城鎮污水處理廠污泥，開展重金屬含量分析和潛在生態風險評價，研究結論可以為污水處理廠污泥綜合利用提供基礎數據和理論參考。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與保存

該城鎮污水處理廠污泥加入添加劑調質后，經板框壓濾機處理。選擇城鎮污水處理廠板框壓濾機脫水處理后的污泥，隨機設置3個采樣點，每個采樣點采集樣品2 kg，帶回實驗室自然風干后混合，得到污泥樣品。去除雜質后進行四分法取樣，研磨過100目篩后烘干，轉入玻璃瓶中存放。

1.2 重金屬檢測方法

根據CJ/T 221—2005《城市污水處理廠污泥檢驗方法》[16]中規定的Hg、Cd、As、Pb、Cr的檢測方法進行測定。其中，Hg采用原子熒光法，其余均采用電感耦合等離子體發射光譜法。設置平行樣確保檢測結果質量。

1.3 數據分析方法

1.3.1 單因子指數法

單因子指數法計算公式[17]：

(1)

式中，Pi即第i種污染物的單因子指數；Ci是第i種污染物實測濃度，mg·kg-1；C0i是第i種污染物的標準限值，mg·kg-1，其取值詳見表1。為了確保污泥農用過程中的風險在可控范圍內，國家針對不同的污泥利用途徑，制定了相應的重金屬含量控制標準。在已有研究中，CJ/T 309—2009《城鎮污水處理廠污泥處置 農用泥質》作為主要參考標準被多次用于評價工作[12-14]。鑒于以上標準為推薦性標準，且國家已于2018年頒布GB 4284—2018《農用污泥污染物控制標準》[18]，因此，研究選擇GB 4284—2018《農用污泥污染物控制標準》A級標準作為評價基準限值。

1.3.2 內梅羅綜合指數法

內梅羅綜合指數法計算公式如下[19]：

(2)

式中，PI為內梅羅綜合指數；Pmax為單因子指數計算結果的極大值；Pepu為單因子指數計算結果的均值。

1.3.3 潛在生態風險指數法

(3)

(4)

式中，Ei即第i種重金屬的生態危害指數；Ti是第i種重金屬的毒物響應系數，取值詳見表1[19]；Ci和C0i同上；RI為不同重金屬的總潛在生態風險指數。

表1 C0i和Ti取值

單因子指數、內梅羅綜合指數與對應的污染程度及各金屬的生態危害指數、總潛在生態風險指數與對應的生態風險程度見表2[14]。

表2 Pi、PI、Ei及RI所對應的污染程度與生態風險水平

2 結果與討論

2.1 污泥中重金屬含量分析

檢測了污泥中Hg、Cd、As、Pb、Cr的含量，具體見表3。結果表明，這五種重金屬元素含量差異較大，其中Hg含量最小，Cr含量最大，依次為Cr>Pb>As>Cd>Hg。從結果看，Hg、As、Pb、Cr這四種重金屬含量均低于全國城鎮污水處理廠污泥重金屬含量平均值[20]，而重金屬Cd含量超過全國城鎮污水處理廠污泥重金屬含量平均值25%。具體而言，Hg、Cd、As、Pb、Cr分別為全國城鎮污水處理廠污泥重金屬含量平均值的9.2%、125%、68.7%、42.2%、18.1%。

表3 污泥中重金屬含量

該城鎮污水處理廠不僅處理本廠區產生的污泥，還同時處理另外一家綜合污水處理廠的剩余污泥，而綜合污水處理廠的收水范圍包括工業園區生產廢水。因此，該污泥中重金屬的主要來源可能為工業園區企業生產廢水。

2.2 污泥中重金屬潛在生態風險評價

選擇GB 4284—2018《農用污泥污染物控制標準》A級標準來開展潛在生態風險評價研究工作。采用公式(1)、(2)、(3)、(4)分別計算單因子指數、內梅羅指數、生態危害指數和總潛在生態風險指數。具體結果見表4。

從表4中數據可以得知，在基于GB 4284—2018《農用污泥污染物控制標準》A級評價標準前提下，單因子指數從高到低排序依次為Cd>As>Hg>Pb>Cr，其中Cd的單因子污染指數為1.17，達到輕度污染。其余重金屬的單因子指數均屬于安全范圍內。內梅羅綜合指數計算表明污泥屬于尚清潔水平，但其值為0.94，接近輕度污水水平。Ei計算結果顯示，單個重金屬的潛在生態風險水平從高到低依次為：Cd>Hg>As>Pb>Cr，其中Cd的單因子潛在生態風險水平為35.00，屬于較高風險水平，其余均屬于低風險水平。RI計算結果為49.41，表明總潛在生態風險水平屬于中風險。

表4 Pi、PI、Ei及RI計算結果

研究表明，剩余污泥中Cd主要來源于金屬表面處理行業和電子設備制造業。從以上分析可知，該污泥中重金屬Cd的污染水平為輕度污染，且潛在風險屬于較高風險水平，可能與綜合性污水處理廠接納部分電子信息產業園污水處理廠出水有關。因此，該污泥不適合進入耕地、園地和牧草地等土壤環境。

3 結論

該城鎮污水處理廠污泥中Hg、Cd、As、Pb、Cr均能檢出，其中Hg含量最小，Cr含量最大。Hg、As、Pb、Cr四種重金屬含量均低于全國城鎮污水處理廠污泥重金屬含量平均值，而Cd含量超過全國城鎮污水處理廠污泥重金屬含量平均值25%。

基于GB 4284—2018《農用污泥污染物控制標準》A級標準前提下，Cd的單因子指數最高且達到輕度污染水平，綜合污染指數屬于尚清潔水平。各重金屬的潛在生態風險水平最高者為Cd，達到了較高風險水平，總潛在生態風險水平達到了中風險水平。因此，比較于土地利用方式，該污泥更適合于選擇填埋或焚燒等方式進行處理處置。