论文部分内容阅读
摘要：分析贵州省六盘水市6座污水处理厂脱水城市污泥中的Cu、Pb、Cd、Cr、Ni、Zn、As、Hg含量，采用BCR法研究污泥中重金属的形态特征，并用地累积指数（Igeo）法和潜在生态危害指数（RI）法评价污泥在农用过程中的潜在生态风险。结果表明，L1、L2、L3、L4污泥中Cd含量超出农用泥质A级标准限值，低于B级标准限值（CJ/T 309—2009），其余重金属含量均满足A级标准。污泥中Cd的可提取态较高，Zn次之，Pb、Cr、As、Hg主要以稳定态存在。Igeo结果表明，Cu、Pb、Cd、Zn、Hg为潜在污染元素，其中Cd污染最严重;RI结果表明，ECdr、EHgr较高，为主要贡献者，L1、L2污泥为高生态风险，其余为中等生态风险。贵州六盘水城市污泥具有较好的农用价值，污染和生态风险主要来自Cd元素，在污泥农用时应加以重视。
关键词：城市污泥;重金属;形态特征;地累积指数;潜在生态危害指数;农用生态风险评价
中图分类号： X703 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2019）01-0304-05
随着经济的发展以及城镇化的推进，城镇生活污水排放量不断增加，污水处理量也随之增加，伴随着污水处理而产生的污泥量增加。据中华人民共和国环境保护部2015年环境统计年报报道，2015年，全国共有6 910座城镇污水处理厂，设计处理能力为18 736万t/d，全年共处理废水532.3亿t，其中处理生活污水470.6亿t，占总处理废水量的88.4%，污泥产生量为3 015.9万t，污泥处置量为3 015.8万t[1]。目前，国内外污泥处置方式主要有填埋、焚烧和土地利用等。污泥中富含农作物生长所需的有机质、氮、磷、钾等营养物质，具有较好的土地利用潜力，但亦含有一定量的重金属，重金属具有毒性大、潜伏期长、易在食物链中富集等特性，因此污泥中重金属含量是限制污泥农用的重要指标之一[2]。城市污泥中重金属的含量因地理位置、城市性质、处理工艺等的不同而存在很大差异[3]。污泥中重金属在环境中的行为不仅与其总量有关，更大程度上取决于其化学形态[4]。
六盘水市位于贵州省西部，是国家“三线”建设时期发展起来的一座能源、原材料工业城市。全市现有污水处理厂6座，污泥处置方式均为卫生填埋。当前随着垃圾填埋场库容的不断减少，污泥处置问题日益凸显，因此研究其城市污泥处置方式十分必要。目前污泥农用是污泥高效、经济的处置方式之一。本研究以六盘水市6座污水处理厂的城市污泥为研究对象，对污泥的理化性质、营养学指标和重金属（Cu、Pb、Cd、Cr、Ni、Zn、As、Hg）含量及形态特征进行分析，并采用地累积指数法、潜在生态危害指数法对其农用生态风险进行评价，以期为六盘水市城市污泥的合理处置提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 污泥样品的采集与预处理
污泥样品采集于六盘水市钟山区、水城县、盘州市、六枝特区的6座污水处理厂，分别命名L1、L2、L3、L4、L5、L6（图1）。
在2016年冬季对污泥进行系统采样，污泥样品均采集于污水处理厂传送带上，每5 min采集1次样品，经多次采集后将样品混合均匀，总计3 kg左右，装入聚乙烯样袋密封带回实验室。取新鲜样品进行含水率测定，于避光、通风处自然风干，采用四分法多次筛选后取200 g左右样品，用玛瑙研钵研细，过100目尼龙筛，装入聚乙烯样袋中保存备用。样品来源及污水处理厂基本情况见表1。
1.2 主要仪器与试剂
仪器：原子吸收分光光度计（iCE 3500，美国Thermo Fisher公司），双道原子荧光光度计（AFS-9700，北京海光仪器有限公司），定氮仪（KDN-102C，上海纤检仪器有限公司），电热板（EG35B，北京莱伯泰科仪器股份有限公司），纯水仪（New Human Power I，韩国），紫外可见分光光度计（TU-1901，北京普析通用仪器有限公司），电子天平[ME104，梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司]，精密酸度计（pHs-2C，上海鸿盖仪器有限公司），电导率仪（DDS-308A，上海仪电科学仪器股份有限公司），多功能振荡仪（SHA-GW，金坛市科析仪器有限公司），离心机（TG18K，长沙东旺实验仪器有限公司）等。
试剂：HNO3、HF、HCl、HClO4、H2O2均为优级纯（国药集团化学试剂有限公司），其余试剂为分析纯，本研究用水均为超纯水。
1.3 污泥样品测定方法
污泥样品理化性质、营养学指标、重金属含量的测定方法参照《土壤农化分析》[5]和CJ/T 221—2005《城市污水处理厂污泥检验方法》[6]。含水率用烘干稱质量法测定，pH值用酸度计测定，电导率（EC）用电导率仪测定，有机质含量用重铬酸钾外加热法测定，全氮含量用凯氏定氮法测定，全磷含量用碱熔-钼锑抗分光光度法测定，全钾含量用酸溶-火焰光度计法测定，Cu、Pb、Cd、Cr、Ni、Zn等元素含量用硝酸-盐酸-氢氟酸-高氯酸消解原子吸收分光光度计测定，As、Hg含量用1 ∶ 1王水消解原子荧光光度计测定。重金属形态分析采用BCR连续提取法[7]，测定方法与重金属含量测定方法相同。在分析过程中，采用平行样、加标回收等措施进行质量控制。
1.4 污泥重金属农用生态风险评价
2 结果与分析
2.1 污泥农用价值分析
由表4可知，各污水处理厂污泥含水率在69.95%～85.41% 之间，pH值在6.29～7.30范围内，电导率在0.26～1.68 mS/cm之间。根据CJ/T 309—2009《城镇污水处理厂污泥处置 农用泥质》[10]，物理指标要求含水率≤60%，酸碱度在 5.5～9.0范围内，可以看出，各污水处理厂污泥的酸碱度满足标准要求，但各厂污泥含水率较高，不符合标准要求，须要进行进一步脱水处理才能满足使用要求。各污水处理厂污泥有机质含量为215.24～475.68 g/kg，全氮含量为16.07～55.37 g/kg，全磷含量为4.63～15.55 g/kg，全钾含量为 5.62～7.52 g/kg;根据CJ/T 309—2009《城镇污水处理厂污泥处置 农用泥质》[10]，营养学指标应满足有机质含量≥200 g/kg，氮 磷 钾含量≥30 g/kg，六盘水市污水处理厂污泥有机质平均含量为329.76 g/kg，氮 磷 钾平均含量为49.01 g/kg，均达到营养学规定指标，且与猪厩肥相比，六盘水市城市污泥是高有机质、高氮、高磷含量的有机肥，具有良好的农业利用前景。 2.2 污泥重金属含量分析
由表5可知，不同污水处理厂污泥重金属含量存在较大差异。其中L4的Cu、Hg含量最高，分别为108.37、2.57 mg/kg，L2的Pb、Cd、Zn含量最高，分别为256.40、10.43、987.10 mg/kg，而Cr、Ni、As含量最高的是L3，分别为87.10、49.67、28.93 mg/kg。8种重金属平均含量表现为 Zn
关键词：城市污泥;重金属;形态特征;地累积指数;潜在生态危害指数;农用生态风险评价
中图分类号： X703 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2019）01-0304-05
随着经济的发展以及城镇化的推进，城镇生活污水排放量不断增加，污水处理量也随之增加，伴随着污水处理而产生的污泥量增加。据中华人民共和国环境保护部2015年环境统计年报报道，2015年，全国共有6 910座城镇污水处理厂，设计处理能力为18 736万t/d，全年共处理废水532.3亿t，其中处理生活污水470.6亿t，占总处理废水量的88.4%，污泥产生量为3 015.9万t，污泥处置量为3 015.8万t[1]。目前，国内外污泥处置方式主要有填埋、焚烧和土地利用等。污泥中富含农作物生长所需的有机质、氮、磷、钾等营养物质，具有较好的土地利用潜力，但亦含有一定量的重金属，重金属具有毒性大、潜伏期长、易在食物链中富集等特性，因此污泥中重金属含量是限制污泥农用的重要指标之一[2]。城市污泥中重金属的含量因地理位置、城市性质、处理工艺等的不同而存在很大差异[3]。污泥中重金属在环境中的行为不仅与其总量有关，更大程度上取决于其化学形态[4]。
六盘水市位于贵州省西部，是国家“三线”建设时期发展起来的一座能源、原材料工业城市。全市现有污水处理厂6座，污泥处置方式均为卫生填埋。当前随着垃圾填埋场库容的不断减少，污泥处置问题日益凸显，因此研究其城市污泥处置方式十分必要。目前污泥农用是污泥高效、经济的处置方式之一。本研究以六盘水市6座污水处理厂的城市污泥为研究对象，对污泥的理化性质、营养学指标和重金属（Cu、Pb、Cd、Cr、Ni、Zn、As、Hg）含量及形态特征进行分析，并采用地累积指数法、潜在生态危害指数法对其农用生态风险进行评价，以期为六盘水市城市污泥的合理处置提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 污泥样品的采集与预处理
污泥样品采集于六盘水市钟山区、水城县、盘州市、六枝特区的6座污水处理厂，分别命名L1、L2、L3、L4、L5、L6（图1）。
在2016年冬季对污泥进行系统采样，污泥样品均采集于污水处理厂传送带上，每5 min采集1次样品，经多次采集后将样品混合均匀，总计3 kg左右，装入聚乙烯样袋密封带回实验室。取新鲜样品进行含水率测定，于避光、通风处自然风干，采用四分法多次筛选后取200 g左右样品，用玛瑙研钵研细，过100目尼龙筛，装入聚乙烯样袋中保存备用。样品来源及污水处理厂基本情况见表1。
1.2 主要仪器与试剂
仪器：原子吸收分光光度计（iCE 3500，美国Thermo Fisher公司），双道原子荧光光度计（AFS-9700，北京海光仪器有限公司），定氮仪（KDN-102C，上海纤检仪器有限公司），电热板（EG35B，北京莱伯泰科仪器股份有限公司），纯水仪（New Human Power I，韩国），紫外可见分光光度计（TU-1901，北京普析通用仪器有限公司），电子天平[ME104，梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司]，精密酸度计（pHs-2C，上海鸿盖仪器有限公司），电导率仪（DDS-308A，上海仪电科学仪器股份有限公司），多功能振荡仪（SHA-GW，金坛市科析仪器有限公司），离心机（TG18K，长沙东旺实验仪器有限公司）等。
试剂：HNO3、HF、HCl、HClO4、H2O2均为优级纯（国药集团化学试剂有限公司），其余试剂为分析纯，本研究用水均为超纯水。
1.3 污泥样品测定方法
污泥样品理化性质、营养学指标、重金属含量的测定方法参照《土壤农化分析》[5]和CJ/T 221—2005《城市污水处理厂污泥检验方法》[6]。含水率用烘干稱质量法测定，pH值用酸度计测定，电导率（EC）用电导率仪测定，有机质含量用重铬酸钾外加热法测定，全氮含量用凯氏定氮法测定，全磷含量用碱熔-钼锑抗分光光度法测定，全钾含量用酸溶-火焰光度计法测定，Cu、Pb、Cd、Cr、Ni、Zn等元素含量用硝酸-盐酸-氢氟酸-高氯酸消解原子吸收分光光度计测定，As、Hg含量用1 ∶ 1王水消解原子荧光光度计测定。重金属形态分析采用BCR连续提取法[7]，测定方法与重金属含量测定方法相同。在分析过程中，采用平行样、加标回收等措施进行质量控制。
1.4 污泥重金属农用生态风险评价
2 结果与分析
2.1 污泥农用价值分析
由表4可知，各污水处理厂污泥含水率在69.95%～85.41% 之间，pH值在6.29～7.30范围内，电导率在0.26～1.68 mS/cm之间。根据CJ/T 309—2009《城镇污水处理厂污泥处置 农用泥质》[10]，物理指标要求含水率≤60%，酸碱度在 5.5～9.0范围内，可以看出，各污水处理厂污泥的酸碱度满足标准要求，但各厂污泥含水率较高，不符合标准要求，须要进行进一步脱水处理才能满足使用要求。各污水处理厂污泥有机质含量为215.24～475.68 g/kg，全氮含量为16.07～55.37 g/kg，全磷含量为4.63～15.55 g/kg，全钾含量为 5.62～7.52 g/kg;根据CJ/T 309—2009《城镇污水处理厂污泥处置 农用泥质》[10]，营养学指标应满足有机质含量≥200 g/kg，氮 磷 钾含量≥30 g/kg，六盘水市污水处理厂污泥有机质平均含量为329.76 g/kg，氮 磷 钾平均含量为49.01 g/kg，均达到营养学规定指标，且与猪厩肥相比，六盘水市城市污泥是高有机质、高氮、高磷含量的有机肥，具有良好的农业利用前景。 2.2 污泥重金属含量分析
由表5可知，不同污水处理厂污泥重金属含量存在较大差异。其中L4的Cu、Hg含量最高，分别为108.37、2.57 mg/kg，L2的Pb、Cd、Zn含量最高，分别为256.40、10.43、987.10 mg/kg，而Cr、Ni、As含量最高的是L3，分别为87.10、49.67、28.93 mg/kg。8种重金属平均含量表现为 Zn