沈陽(yáng)市污水污泥中重金屬含量及其生物有效性

王 杰， 楊春璐， 鄭 濤， 邱 莎， 李 坤， 鄭嘉惠

（1.遼寧大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110036;2.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué) 土地與環(huán)境學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110866;3.國(guó)電東北北部污水處理廠，遼寧沈陽(yáng) 110035）

沈陽(yáng)市污水污泥中重金屬含量及其生物有效性

王 杰1，2， 楊春璐1， 鄭 濤3， 邱 莎1， 李 坤1， 鄭嘉惠1

（1.遼寧大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110036;2.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué) 土地與環(huán)境學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110866;3.國(guó)電東北北部污水處理廠，遼寧沈陽(yáng) 110035）

分析了沈陽(yáng)市4座污水處理廠排放的污泥中重金屬含量及生物毒性，探討4種污泥的土地利用可行性。采用鹽酸-硝酸-高氯酸消解法提取污泥中Cu、Cd、Zn、Pb、Ni和Cr 6種重金屬總量，用DTPA(二乙基三胺五乙酸)-TEA(三乙醇胺)提取污泥中6種重金屬的有效態(tài)含量，用火焰原子吸收光譜法測(cè)定。結(jié)果表明，4種污泥中Zn和Cu含量較高;Cr、Pb和Ni次之;Cd含量較低;4種污泥重金屬總含量大小依次為西部＞北部＞沈水灣＞滿(mǎn)堂河。與我國(guó)污泥農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)(GB18918—2002)相比較，除了西部污水處理廠污泥中的Cu以外，所有污泥中的重金屬含量均不超標(biāo)，并且DTPA可提取態(tài)重金屬含量占重金屬總量的比例不高，表明4種污泥生物有效性差，不易對(duì)環(huán)境造成危害。

污泥;重金屬;生物毒性

0 引言

污泥是污水處理廠的主要副產(chǎn)物之一［1］，是含有各種有機(jī)無(wú)機(jī)物質(zhì)、微生物和泥沙的復(fù)雜非均質(zhì)體［2］。沈陽(yáng)市共有10余座污水處理廠，每天產(chǎn)生污泥量達(dá)1 000多t。污泥富含氮、磷、鉀、有機(jī)質(zhì)和各種常量微量元素，具有一定的肥效價(jià)值［3］，但污泥中的重金屬和腐敗微生物等有害成分若不經(jīng)妥當(dāng)處置會(huì)給環(huán)境帶來(lái)污染［4-7］，危害人類(lèi)和動(dòng)植物的生存空間。因此，尋求合理的污泥處理處置方式是沈陽(yáng)市亟待解決的環(huán)境問(wèn)題。研究表明，土地利用是污泥最具有發(fā)展前途的處置方式［8］，但長(zhǎng)久以來(lái)，由于重金屬具有遷移性差、易富集和危害大等特點(diǎn)，人們普遍認(rèn)為污泥土地利用勢(shì)必會(huì)給生態(tài)環(huán)境帶來(lái)重金屬污染，導(dǎo)致重金屬成為限制污泥土地利用的重要因素［9-10］。因此，了解污泥中重金屬含量及其生物有效性對(duì)于污泥土地資源化利用具有重要意義。為此，本文以沈陽(yáng)市有代表性的4座污水處理廠的污泥為研究對(duì)象，對(duì)污泥中重金屬全量及有效態(tài)含量進(jìn)行全面分析，以期對(duì)污泥用于土地資源化利用途徑奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

污泥來(lái)源:試驗(yàn)用污泥為沈陽(yáng)市北部、滿(mǎn)堂河、沈水灣和西部污水處理廠的新鮮脫水污泥。污泥表觀均為黑色，黏稠伴有雜質(zhì)，有強(qiáng)烈刺激性臭味，其基本性質(zhì)如表1所示。

表1 污泥基本理化性質(zhì)

試劑:Cu、Cd、Pb、Zn、Ni、Cr標(biāo)液(1 mg/mL)為國(guó)家有色金屬及電子材料分析測(cè)試中心生產(chǎn)，其余試劑均為AR級(jí)，為國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)。

儀器:TU-1810紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)，北京普析通用儀器公司;TAS-990火焰原子吸收分光光度計(jì)，北京普析通用儀器公司;PHSJ-4A酸度計(jì)，上海雷磁儀器公司;BS224 S電子分析天平，北京賽多利斯儀器公司。

1.2 方 法

有機(jī)質(zhì)采用低溫外熱重鉻酸鉀氧化-比色法測(cè)定［11］;總氮采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法測(cè)定;總磷采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗分光光度法測(cè)定;pH值采用酸度計(jì)測(cè)定;含水率采用烘干法測(cè)定;重金屬 Cu、Cd、Pb、Zn、Ni、Cr總量采用鹽酸-硝酸-高氯酸消解后原子吸收分光光度法測(cè)定［12-13］;有效態(tài)重金屬采用DTPA-TEA浸提-原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定，測(cè)定條件見(jiàn)表2。

表2 原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定條件

采集的污泥樣品一部分放入鋁盒內(nèi)用于含水率測(cè)定，其余污泥樣品平鋪在牛皮紙上進(jìn)行風(fēng)干，定期翻動(dòng)以防止滋生腐敗微生物，剔除雜物后磨碎，分別過(guò)20、60和100目篩，做好標(biāo)記后裝入樣品瓶?jī)?nèi)，以供分析測(cè)試之用。

2 結(jié)果與討論

2.1 4種污泥重金屬總量

一直以來(lái)，重金屬被認(rèn)為是污泥土地利用的重要限制性因素，重金屬含量高的污泥施入土壤后會(huì)危害土壤環(huán)境，抑制植物生長(zhǎng)。本研究測(cè)定了4種污泥中總 Cu、Cd、Pb、Zn、Ni、Cr的含量(見(jiàn)圖 1)。研究發(fā)現(xiàn)，4種污泥中Zn和Cu的含量顯著高于其他元素，Cd則是含量最低的元素。與污泥農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)(GB18918—1985)對(duì)比，北部和西部污水處理廠的Cu和Zn含量超標(biāo)，尤其是西部污水處理廠的Cu含量是相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的3倍以上，沈水灣污水處理廠的Zn也超標(biāo)，這可能是因?yàn)檫@兩個(gè)污水處理廠所處理的污水中工業(yè)污水所占比重相對(duì)大，也與我國(guó)城市中排水管道大多采用了鍍鋅材料有關(guān)［14］;而4 種污泥中的 Cd、Pb、Ni和 Cr含量均不超標(biāo)。我國(guó)于2002年修改了污泥農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)，加寬了污泥中Cu和Zn的限制含量。通過(guò)比較可以看出，除了西部污水處理廠的Cu含量仍超出相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)(GB18918—2002)外，4種污泥的重金屬含量均不超標(biāo)。另外，4種污泥中重金屬Cd的含量較低且差異不大，其他元素含量差異較大。

圖1 4種污泥重金屬總量

2.2 4種污泥有效態(tài)重金屬

重金屬的形態(tài)與其生物有效性具有密切關(guān)系，本文采用DTPA-TEA法提取污泥中有效態(tài)重金屬(見(jiàn)圖2)。結(jié)果表明，污泥中有效態(tài)重金屬含量最高的2種元素仍然是Zn和Cu，盡管重金屬總量很高，但相應(yīng)的有效態(tài)重金屬所占比例并不高。這可能是因?yàn)槲勰鄍H值偏中性，重金屬主要以結(jié)合態(tài)或碳酸鹽態(tài)等難溶化合物形式存在［15］。不同污泥中有效態(tài)重金屬占其總量比例大小差異較大，北部為Ni＞Cr＞Zn＞Cu＞Cd＞Pb;西部為Ni＞Cr＞Zn＞Cd＞Cu＞Pb;沈水灣為 Ni＞Pb＞Cd＞Zn＞Cr＞Cu;滿(mǎn)堂河為 Cr＞Ni＞ Cu＞Cd＞Pb＞Zn。可以看出，含量較高的Zn和Cu其有效性在6種重金屬中屬于中等或偏弱，而含量不太高的Ni和Cr的有效性在6種重金屬中卻是最高的，Cd和Pb的有效性則是偏低。這一方面與重金屬自身特性有關(guān)，另一方面與污泥的不同性質(zhì)有關(guān)。

圖2 4種污泥有效態(tài)重金屬含量

3 結(jié)論

研究表明，4種污泥中都含有大量有利于植物生長(zhǎng)的養(yǎng)分元素，完全符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)(GB18918—2002)所要求的營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)。有機(jī)質(zhì)含量均大于40%，但差異并不顯著，含量由大到小依次為沈水灣＞滿(mǎn)堂河＞西部＞北部;總氮含量均大于30 g/kg，總磷含量均大于10 g/kg，且4座污水處理廠污泥的氮和磷含量大小依次為西部＞滿(mǎn)堂河＞沈水灣＞北部，但是4種污泥含水率較高，介于77% ～83%，pH值接近中性。因此，從養(yǎng)分角度看，4種污泥均具備很好的肥效價(jià)值，但必須經(jīng)過(guò)穩(wěn)定化處理后才能進(jìn)行土地利用。

無(wú)論污水來(lái)源是工業(yè)污水還是生活污水，Zn和Cu都是污水處理廠排放的污泥中含量最高的重金屬。與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)(GB18918—2002)相比，除了西部污水污泥的Cu超標(biāo)外，4種污泥中的重金屬含量均未超過(guò)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，并且有效態(tài)重金屬占重金屬總量比例不高，不易對(duì)環(huán)境造成危害。因此，西部污水處理廠的污泥具有一定的土地利用風(fēng)險(xiǎn)，而其他3種污泥均適合污泥土地利用。

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Study on the Heavy Metals and Its Availability of Sewage Sludge in Shenyang City

WANG Jie1，2，YANG Chun-lu1，ZHENG Tao3，QIU Sha1，LI Kun1，ZHENG Jia-hui1
(1.College of Environment，Liaoning University，Shenyang 110036，China;
2.Colledge of Land and Environment，Shenyang Agricultural University，Shenyang 110866，China;
3.Guodian North Wastewater Treatment Plant，Shenyang 110035，China)

The total and available concentrations of Cu，Cd，Zn，Pb，Ni and Cr in four kinds of sewage sludges from different wastewater plants were analyzed and determined，in order to explore the feasibility of sewage sludge for land use in Shenyang.The total concentrations of heavy metals were extracted by HCl-HNO3-HClO4digestion，the available concentrations of heavy metals were extracted by DTPA-TEA，then were both determined by flame atomic absorption spectrometry.The results were as follows:The concentrations of Zn and Cu in all the sewage sludges were very high，followed by Cr，Pb，Ni，and Cd was the lowest，the total concentrations of heavy metals showed a trend:Xibu ＞ Beibu＞Shenshuiwan ＞Man tanghe.Compared with China＇s agricultural standard(GB18918—2002)，the concentrations of heavy metals in sewage sludges were altogether lower than the corresponding standards，except for Cu concentrations in Xibu sludge，and the concentration of heavy metals extracted by DTPA had a low proportion，which indicated that the sewage sludge wasn’t available to organisms，and wouldn＇t cause harm to environment easily.

sewage sludge;heavy metals;biological availability

X 705

A

1006－7167(2014)05－0026－03

2013－07－11

遼寧省博士啟動(dòng)基金項(xiàng)目(20121033);沈陽(yáng)市科技局項(xiàng)目(F11-264-1-02);遼寧環(huán)境科研教育“123工程”(CEPF2011-123—1-3);遼寧大學(xué)青年基金(2011LDQN04)

王 杰(1981－)，女，滿(mǎn)族，遼寧葫蘆島人，博士在讀，實(shí)驗(yàn)師，主要從事環(huán)境污染控制研究。

Tel.:024-62204951;E-mail:wangjie811226@163.com