南寧市市政污泥及資源化產品重金屬特性分析與污染風險評價

徐榮樂， 黃業翔， 許 謙， 韋士程， 趙侶璇， 宋曉薇

（1.廣西壯族自治區環境保護科學研究院, 廣西 南寧 530022；2.廣西綠城水務股份有限公司江南污水處理廠， 廣西 南寧 530022）

0 引言

隨著我國城鎮居民生活污染防治工作的不斷推進，污水處理設施建設及配套污水管網不斷完善，城鎮居民生活污水處理能力逐年增長，根據《2019年城市建設統計年鑒》記載，目前我國建設運行污水處理廠2 471 座，生活污水處理量約為1.44 × 108m3/d，干污泥產生量約為3.0 × 105t/d。 在污水處理能力逐步提升的同時， 剩余污泥作為污水處理廠運行過程的主要副產物，含有大量微生物和寄生蟲，部分污泥可能含有重金屬等有毒有害物質等， 極易造成二次污染風險[1]。

我國脫水污泥處置經多年發展，形成了“厭氧消化＋土地利用、好氧發酵＋土地利用、干化焚燒＋灰渣填埋或建材利用、深度脫水＋應急填埋”等4 種主流處理處置技術路線， 有效解決了我國污泥處理處置的問題[2]。 但由于重金屬元素具有較強的富集性、難降解性，若污泥中重金屬含量過高，在污泥土地利用過程中易造成土壤重金屬累積，存在環境風險隱患，影響污泥及其資源化產品的重新利用，因此，對脫水污泥中重金屬含量、 重金屬形態分布及資源化利用生態風險等進行分析評估顯得尤為重要。 在我國北方區域， 對北京市及河北省的不同污水處理廠污泥進行的研究結果[3-5]表明，部分污水處理廠污泥重金屬存在超標情況，且存在一定的潛在生態風險。另有對廣西壯族自治區城鎮污水處理廠污泥進行的研究結果表明[6-8]，部分污水處理廠脫水污泥中重金屬Zn也存在超標情況，Zn，Ni 的可交換態和可還原態占比較大，遷移轉化能力強，極易被生物利用，同時風險指數分析表示Cd 是重金屬元素潛在生態風險的主要貢獻者。

根據前期對廣西壯族自治區市政污泥處理處置方式的調查分析結果得知： 污泥處理主要的處置方式為“好氧堆肥+土地利用”，占比在55%左右。 為進一步探究廣西市政污泥“好氧堆肥+土地利用”方式的潛勢， 以南寧市4 個典型市政污水處理廠為研究對象，開展污泥及其堆肥產品重金屬特性研究，并對土地利用的重金屬生態風險進行評價。

1 材料及方法

1.1 實驗材料

污泥分別取自南寧市江南污水處理廠、 瑯東污水處理廠（一期）、瑯東污水處理廠（二期）和武鳴污水處理廠的污泥脫水車間， 各污水處理廠基本情況見表1。 每2 個月采集1 次污泥樣品1 000 g 置于聚乙烯自封袋中，共采集6 次。 污泥樣品經自然風干、研磨后過0.15 mm 篩，密封保存，用于理化性質分析和測定污泥中重金屬 （As，Cd，Cr，Cu，Hg，Ni，Pb 和Zn）含量及形態分布。同時取相同時段的污泥堆肥產品（營養土）用以測定污泥堆肥產品重金屬（Hg，As，Pb，Cd 和Cr）含量。

表1 污水處理廠基本情況

1.2 檢測及分析方法

污泥中重金屬形態采用BCR 3 步連續提取法提取。Al，Cu，Cd，Cr（還原態、氧化態、可交換態），Ni，Pb 采用HJ 766—2015 電感耦合等離子體質譜法測定；Cr（全量、殘渣態）采用HJ 749—2015 火焰原子吸收光譜法測定；Zn 采用HJ 786—2016 火焰原子吸收分光光度法測定；As，Hg 采用HJ 702—2014 微波消解/原子熒光法測定。

1.3 評價方法

（1）污泥中重金屬污染指數評價

單個污泥樣品中各重金屬元素單項污染指數（Pi）見公式（1）：

式中：Pi為土壤中污染物i 的環境質量指數；Ci為污染物i 的實測質量分數，mg/kg；Si為參比值，mg/kg，本次評價以GB 4284—2018 《農用污泥污染物控制標準》中A 級污泥產物的污染物濃度限值為參比值。

采用內梅羅綜合指數法對污泥中重金屬污染的平均水平進行綜合評價， 該計算方法綜合考慮最大單污染指數與平均污染指數， 突出了污染最嚴重的污染物危害，可全面反映重金屬的平均污染水平[4]。

式中：Pm為綜合污染指數；Pimax為污染物單污染指數中的最大值；Piavg為所有污染物單污染指數平均值。依據單因子指數法和內梅羅綜合污染指數法可將重金屬污染劃分為5 個等級[9]，具體見表2。

表2 污泥中重金屬污染水平等級劃分

（2）Hakanson 潛在生態危害指數法

重金屬潛在生態風險評價采用瑞典科學家提出的評價方法， 是目前沉積物重金屬污染質量評價應用最廣泛的方法之一。

本次評價中以GB 4284—2018 《農用污泥污染物控制標準》 中A 級污泥產物的控制限值為參比值，生態風險水平的劃分標準見表3。

表3 生態風險水平劃分

2 結果與討論

2.1 污泥及資源化產品重金屬特性分析

2.1.1 污泥中重金屬含量

南寧市污水處理廠污泥中重金屬含量見表4。

表4 南寧市典型污水處理廠污泥中重金屬含量

由表4 可以看出， 污泥中含量最大的重金屬為Zn，平均質量分數為474.38 mg/kg，其次為Cu，Cr，平均質量分數分別為117.63 ，87.32 mg/kg； 隨后依次為Pb，Ni，As，Hg 和Cd， 平均質量分數分別為38.71，36.84，15.11，2.01 和1.95 mg/kg。 部分月份污泥中重金屬Hg，Cd 含量超過污泥處置農用污泥（GB 4284—2018）A 級污泥控制限值，其余重金屬含量均滿足A 級標準限值要求。 與林榮科等[6]研究結果對比，隨著南寧市社會經濟發展，雨污分流、初期雨水收集等工作不斷推進， 南寧市污水處理廠脫水污泥中Cd，Cr，Cu，Pb 和Zn 等含量隨著進水中污染物濃度增加也有一定程度的增加。

重金屬含量主要受污水來源及城市地理位置、城市性質和工業布局等因素影響， 在污水處理過程有70%～90%的重金屬通過吸附或沉淀轉移到污泥中，隨著環境保護標準的日益嚴格，生活污水和初期雨水逐漸取代工業廢水成為城市污泥中重金屬的主要來源[10]。 有研究報道[11-13]，市政污泥中重金屬主要成分Pb，Zn，Cu 等來自鍍鋅管道和PVC 管路（含鉛鹽穩定劑），也可能來源于汽車清洗廢水、汽車尾氣排放或汽車零部件釋放污染物形成的城市徑流；Hg來源于牙科材料廢水；Cd，Cr 和Ni 通常來源于電池、電子、印染和電鍍等工業企業；As 源于含砷木材防腐劑（鉻化砷酸銅）及含As 洗滌劑等。

南寧市各污水處理廠污泥中重金屬平均含量見圖1。 由圖1 可以看出，江南污水處理廠作為南寧市最大的污水處理廠，污水收集范圍大、服務人口多，且接納部分產業園區污水， 脫水污泥中As，Cd，Cr，Hg，Ni 和Pb 含量均高于其余3 個污水處理廠；武鳴污水處理廠接納部分工業園區污水，包含食品加工、建筑材料、金屬機械、木材家具等多種行業，脫水污泥中重金屬Cu，Cd，Ni，Zn 等含量均高于瑯東污水處理廠。

圖1 污泥中重金屬含量

2.2.2 污泥中重金屬形態分布

各污水處理廠污泥中重金屬形態分布及占比見圖2。

圖2 污泥中各重金屬形態分布及占比

由圖2 可以看出， 各污水處理廠的污泥中Cu，Cr，As，Pb 形態均以殘渣態為主， 占比均在80%以上，Cu 可交換態占比在10%左右，Pb 可還原態占比為13.77%；Zn 的殘渣態占比為40.63% ～ 48.26%，其次為可交換態和可還原態，占比分別為27.27%～34.46%,15.41%～17.73%；Cd 殘渣態占比為49.99%～58.43%，其次為可還原態和可交換態，但瑯東污水處理廠（二期）污泥中Cd 可氧化態高于其余2 種形態；Hg 殘渣態占比為75.87%～93.26%，瑯東（二期）的污泥殘渣態占比較小， 可氧化態占比為16.53%；Ni 殘渣態占比為61.95%～68.79%， 其次為可交換態，占比為16.56%～2 7.06%。 由此可見，南寧市4個污水處理廠污泥重金屬形態分布基本相同， 殘渣態是污泥重金屬的主要形態， 該結果也與安米基等[14]對成都市29 家污水處理廠污泥重金屬形態分布的研究結果較相似， 由于殘渣態元素主要與硅酸鹽礦物等結合，遷移性很小，較難被生物利用，對環境影響較少[15]；但Zn，Cd，Ni 的可交換態和可氧化態含量較高，具有一定的遷移性，在進行污泥資源化利用過程中需加強重金屬防控，降低污染風險。

2.2.3 污泥資源化產品中重金屬含量

在開展污泥調查期間， 同步進行污泥堆肥產品中Hg,As,Pb,Cd,Cr 含量的調查，調查結果見表5。 由表5 可以看出，在污泥堆肥過程中，根據污泥有機質含量狀況， 為保證最終產品有機質質量分數達到20%以上， 通常加入污泥總質量20%～30%的統糠作為輔料， 污泥堆肥產品中Hg，As，Pb，Cd，Cr 質量分數分別為0.26～1.84，4.01～24.7，7.8～43.2，0.31～1.78，54～195 mg/kg， 達到農用污泥 （GB 4284—2018）A 級標準限值要求。堆肥后污泥中各重金屬單位含量均有所降低（除Cr 外），該現象與陳鎮新等[16]和葛驍等[17]研究結果基本相似，說明添加輔料在一定程度上可降低單位污泥重金屬含量。 若忽略輔料添加量的影響，堆肥過程中Hg，Cd 平均含量較原污泥分別降低了29.48%,6.13%，推斷原因可能為堆肥過程中重金屬隨著滲濾液溶出[18]；而As，Pb，Cr 含量分別提高了26.49%，0.59%，34.10%， 說明污泥堆肥過程仍具有一定的重金屬累積效應， 其中As，Cr 的累積效應較強。 因此在堆肥過程中，需添加調理劑，嚴格控制堆肥條件， 促進污泥中有效態重金屬向穩定態轉化，提高資源化產品使用安全性。

表5 污泥堆肥產品中各重金屬質量分數

2.3 污泥及資源化產品重金屬生態安全性分析

2.3.1 污泥及資源化產品重金屬污染狀況評價

以污泥處置農用污泥標準 （GB 4284—2018）A級污泥產物控制限值為參比， 對污泥及堆肥產品重金屬Pi和Pm進行計算，結果見表6。 由表6 可以看出，瑯東污水處理廠（一期）污泥中重金屬Pi均在0.7 以下， 處于安全范圍； 江南污水處理廠污泥中Cd，Hg 的Pi分別為0.8，075， 瑯東污水處理廠 （二期）污泥中Hg 的Pi為0.85，武鳴污水處理廠污泥中Cd 的Pi為0.77，均處于警戒限范圍，因此污泥中重金屬Cd，Hg 污染應重點關注。 從綜合污染指數情況來看，4 個污水處理廠污泥中重金屬Pm均小于0.7，其中瑯東污水處理廠 （一期） 污泥中重金屬Pimax＜0.7，處于安全范圍；其余3 個污水處理廠由于Pimax＞0.7，處于警戒限范圍。 從污泥堆肥產品來看，各重金屬Pi在0.09～0.45 之間，重金屬Pm為0.32，處于安全范圍。

表6 污泥及堆肥產品中重金屬污染狀況

2.3.2 污泥及資源化產品中重金屬生態安全性

以農用污泥標準（GB 4284—2018）A 級污泥產物控制限值為參比， 南寧市污水處理廠污泥及資源化產品Hakanson 潛在生態風險指數見表7。 由表7可以看出，4 個污水處理廠污泥中重金屬單因子潛在生態風險指數Er均小于40，RI 在49.56～69.4 之間，其中江南、瑯東（一期）、瑯東（二期）污水處理廠污泥潛在生態風險為中等， 武鳴污水處理廠生態風險指數為輕微。經堆肥處理后，污泥資源化產品的重金屬RI 降至34.48，對生態環境存在的風險較低。但根據前期研究，即使污泥堆肥產品滿足農用要求，但在多年連續施用過程中仍可使土壤中重金屬含量一定程度的增加[19]，因此在堆肥過程仍需加強重金屬污染控制，通過水熱、超聲、微波、臭氧、化學淋濾、生物瀝浸、水解酸化等多種堆肥預處理方式，降低污泥堆肥產品施用風險[20]；同時進一步探明堆肥污泥使用閾值， 合理控制施用量， 將堆肥污泥用于園林綠化、林業土壤基質、礦山修復[21,22]等方面，減少污泥中重金屬遷移轉化對人類健康的潛在影響。

表7 污泥及資源化產品的重金屬潛在生態風險狀況

3 結論

（1）根據污泥中重金屬含量分析結果，除Hg，Cd以外， 南寧市4 個市政污水處理廠污泥中重金屬含量均達到GB 4284—2018 《農用污泥污染物控制標準》中的A 級標準，部分時段的Hg，Cd 僅達到B 級標準。根據污泥中重金屬形態分布分析結果，殘渣態是4 個市政污水處理廠污泥中重金屬的主要形態，但Zn，Cd，Ni 的可交換態、可氧化態含量較高，具有一定的遷移性，應重點關注其污染風險。根據重金屬污染及生態風險評價結果， 各污水處理廠污泥潛在生態風險等級為輕微～ 中等，其中Hg，Cd 污染指數相對較大，應加強控制。

（2）污泥堆肥處理后，由于添加了木屑、鋸末等不同輔料，故降低了單位堆肥產品中重金屬含量，使得Hg，As，Pb，Cd，Cr 含量均能達到GB 4284—2018《農用污泥污染物控制標準》中的A 級標準，污泥堆肥產品的重金屬污染程度及潛在生態風險處于輕微狀態。

（3）建議在污泥堆肥過程中采取更有效的重金屬鈍化措施，降低重金屬遷移轉化風險；同時避免將污泥堆肥產品用于農作物種植，可通過園林綠化、礦山生態修復等途徑，實現污泥資源化利用，避免污泥堆肥產品遷移對人類健康產生影響。