電熱板消解—火焰原子吸收法對(duì)污泥中鉛、銅、鋅的測(cè)定研究

陳思奇，羅 盈，胡潔瓊，李進(jìn)平

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電熱板消解—火焰原子吸收法對(duì)污泥中鉛、銅、鋅的測(cè)定研究

陳思奇，羅 盈，胡潔瓊，李進(jìn)平*

（武漢紡織大學(xué) 環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430073）

取武漢市某污水處理廠脫水污泥為實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象，用BCR三步提取法對(duì)污泥中Pb、Cu、Zn的4種存在形態(tài)進(jìn)行分離提取，用電熱板消解法進(jìn)行全量消解，利用火焰原子吸收（FAAS）檢查污泥樣品中Pb、Cu、Zn的總量和各形態(tài)含量。結(jié)果表明，武漢市某污水處理廠脫水污泥中Pb和Cu的含量較低，Zn的含量較高，其中，Pb主要以殘?jiān)鼞B(tài)的形態(tài)存在，弱酸提取態(tài)較少，Cu的弱酸提取態(tài)僅占0.2%，主要以氧化態(tài)的形態(tài)存在；Zn的4種形態(tài)分布較平均，可氧化態(tài)所占比例略高于其它三種形態(tài)。

城市污泥；重金屬；BCR三步提?。浑姛岚逑?；火焰原子吸收

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，城市人口數(shù)量快速增加，城市污水處理廠的數(shù)量和處理規(guī)?？焖僭鲩L(zhǎng)，產(chǎn)生的城市污泥量也隨之快速增長(zhǎng)。城市污泥的處理處置的方法有很多，目前國(guó)內(nèi)外常規(guī)的處理處置方法有：污泥衛(wèi)生填埋、污泥堆肥、污泥焚燒、污泥土地利用等[1]。目前，污泥土地利用處置方法己經(jīng)被廣泛應(yīng)用于污泥處理處置，主要用于農(nóng)田、林地、墾荒地、露天礦坑的固定及用于恢復(fù)植被等[2]。污泥中富含大量有可利用價(jià)值的有機(jī)質(zhì)、N、P、K等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[3]，所以污泥土地利用成為污泥資源化利用的有效途徑之一，但是污水處理的過程中，重金屬大部分被濃縮在污泥中，成為污泥土地利用的一大障礙[4-5]。污泥的重金屬污染不僅和進(jìn)入環(huán)境的重金屬總量有關(guān)，還取決于重金屬的生物效應(yīng)和環(huán)境行為[6]。本研究通過電熱板消解—火焰原子吸收測(cè)定污水處理廠脫水污泥中重金屬（Pb、Cu、Zn）總量，并采用BCR三步提取法分析測(cè)定污泥中重金屬的4種存在形態(tài)，為污泥中重金屬的生物效應(yīng)和環(huán)境行為提供科學(xué)參考，為污泥的土地利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

SB-1.8-4電熱板（上海實(shí)研電爐有限公司）；TAS-986（G）原子吸收分光光度儀（北京普析通用儀器有限公司）；電熱鼓風(fēng)干化箱ST368-1（武漢松濤分析儀器有限制造公司）；KS-130B 振蕩器（德國(guó)IKA公司）；HH.SII-6自動(dòng)恒溫水浴鍋（俊騰電子儀器有限公司）；分析天平（北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司）

HCl（AR）、HNO3（AR）、HClO4（AR）、HF（AR）、0.1mol/L HOAc、0.5mol/L的NH4OH·HCl（用硝酸調(diào)pH=1.5）、H2O2（30%）、1mol/L的NH4OAc、去離子水等。

1.2 樣品的采集與制備

污泥樣品采自武漢市某污水處理廠。采樣點(diǎn)選擇在該污水處理廠污泥脫水車間連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的污泥脫水機(jī)出泥口，樣品使用聚乙烯封口袋收集，封口后帶回實(shí)驗(yàn)室待處理。將采集的污泥樣品置于陰涼、通風(fēng)處晾干，平鋪于硬質(zhì)紙板上，去除枝葉以及碎石等雜物后，用研缽研磨至樣品通過200目篩，貯與干燥潔凈的聚乙烯塑料試管中備用。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 重金屬的總量測(cè)定

準(zhǔn)確稱取0.2g樣品于聚四氟乙烯坩堝中，用少量去離子水潤(rùn)濕后加入10ml濃鹽酸，置于電熱板上加熱，溫度控制在150℃左右。待溶液體積減少一半時(shí)，再加入1ml濃硝酸和5ml氫氟酸繼續(xù)加熱。最后，在坩堝內(nèi)加入5ml高氯酸，繼續(xù)加熱直至坩堝內(nèi)不再冒出白色煙霧。用去離子水沖洗坩堝，將消解完全的樣品全部轉(zhuǎn)移至50ml的比色管中待測(cè)。

最后，將轉(zhuǎn)移完畢的樣品過0.45μm的濾膜，按一定比例稀釋后用原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定其各金屬元素的含量（mg/l），并最終換算至污泥中重金屬元素的濃度（mg/kg）。

1.3.2 重金屬的形態(tài)分析

BCR三步提取法是歐共體標(biāo)準(zhǔn)局在Tessier分析方法的基礎(chǔ)上提出的，該方法將重金屬的形態(tài)為弱酸提取態(tài)、可還原態(tài)、可氧化態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)4種[7]，已被許多學(xué)者應(yīng)用于預(yù)測(cè)土壤中重金屬的遷移能力[8]。具體操作步驟如下：

弱酸提取態(tài)（可交換態(tài)）：準(zhǔn)確稱取過篩污泥樣品0.5g于50ml離心管中，加入20ml 0.1mol/L HOAc，室溫下160r/min振蕩16h，然后3000r/min離心20min。上清液經(jīng)0.45μm濾膜過濾后置于4℃冰箱內(nèi)保存，待測(cè)。將離心管中的污泥殘?jiān)?5ml去離子水沖洗后振蕩15min，然后3000r/min離心20min，棄掉上清液，離心管中的污泥殘?jiān)┫乱徊教崛　?/p>

可還原態(tài)：向上一步殘?jiān)尤?0ml 0.5mol/L的NH4OH·HCl（用硝酸調(diào)pH=1.5），室溫下160r/min振蕩16h，然后3000r/min離心20min。上清液經(jīng)0.45μm濾膜過濾后置于4℃冰箱內(nèi)保存，待測(cè)。將離心管中的污泥殘?jiān)?5ml去離子水沖洗后振蕩15min，然后3000r/min離心20min，棄掉上清液，離心管中的污泥殘?jiān)┫乱徊教崛　?/p>

可氧化態(tài)：向上一步污泥殘?jiān)屑尤?ml H2O2（30%），振蕩均勻后室溫下靜置1h，然后水浴加熱至85℃，待試管中溶液減少至2ml左右時(shí)，加入5ml H2O2（30%），繼續(xù)85℃水浴，至試管中的液體近干。冷卻至室溫后，加入25ml 1mol/L的NH4OAc，室溫下160r/min振蕩16h，然后3000r/min離心20min。上清液經(jīng)0.45μm濾膜過濾后置于4℃冰箱內(nèi)保存，待測(cè)。將離心管中的污泥殘?jiān)?5ml去離子水沖洗后振蕩15min，然后3000r/min離心20min，棄掉上清液，離心管中的污泥殘?jiān)┫乱徊教崛　?/p>

殘?jiān)鼞B(tài)：將殘?jiān)谛∮?0℃條件下烘干，準(zhǔn)確稱量0.2g樣品，消解、測(cè)定步驟同總量測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 城市污泥中重金屬的總量

武漢市某污水處理廠污泥中重金屬含量見表1。從表1可以看出，武漢市該污水處理廠產(chǎn)生的脫水污泥中各金屬元素含量差異較大，其中以Zn元素含量最高，這可能是由于我國(guó)供水管道主要是鍍鋅管道。其次是Cu，毒性較大的Pb含量比較少，即武漢市該污水處理廠污泥重金屬的平均值為Zn＞Cu＞Pb，這與張麗麗等[9]的報(bào)道一致。與全國(guó)平均值[10]比較，該污水處理廠污泥毒性較大的Pb略低于全國(guó)平均水平，Cu的含量?jī)H為全國(guó)平均值的50%左右，而Zn的含量超出全國(guó)平均值77%左右。與《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置：農(nóng)用泥質(zhì)》(CJ/T309-2009)標(biāo)準(zhǔn)[11]相比，該污水處理廠污泥中Pb和Cu的含量均低于A級(jí)污泥標(biāo)準(zhǔn)，而Zn的含量低于A級(jí)污泥標(biāo)準(zhǔn)，高與B級(jí)污泥標(biāo)準(zhǔn)，不能直接施用于蔬菜和糧食用地中。而與美國(guó)EPA Part503及歐盟建議性標(biāo)準(zhǔn)限制[12]比較，Pb、Cu、Zn三種重金屬含量皆較低。由此來看，武漢市該污水處理廠污泥經(jīng)過處理后是可以農(nóng)用的。

表1 污泥樣品中重金屬的含量（mg/kg）

2.2 城市污泥重金屬不同形態(tài)分布

根據(jù)生物利用性的大小可以把重金屬各種化學(xué)形態(tài)分為有效態(tài)、潛在有效態(tài)和不可利用態(tài)，其中弱酸提取態(tài)為有效態(tài)，可還原態(tài)和可氧化態(tài)為潛在有效態(tài)，殘?jiān)鼞B(tài)為不可利用態(tài)。有效態(tài)容易被生物吸收，潛在有效態(tài)是有效態(tài)重金屬的直接提供者，不可利用態(tài)基本不被生物利用[13]。

由圖1、圖2和圖3可以看出，該污水處理廠污泥中不同重金屬賦存形態(tài)差異較大，其中Pb主要以殘?jiān)鼞B(tài)的形態(tài)存在，占總量的42.93%，可還原態(tài)和可氧化態(tài)的比例分別占19.58%和29.04%，弱酸提取態(tài)比例最低，為8.45%，這些結(jié)果與羅艷麗等[14]的研究結(jié)果相近，其測(cè)試的結(jié)果為Pb以殘?jiān)鼞B(tài)為主，比例占40%左右；Cu主要存在形態(tài)為可氧化態(tài)，比例占70.06%，殘?jiān)鼞B(tài)比例占16.24%，而弱酸提取態(tài)很少，僅占0.18%，可還原態(tài)比例占13.52%，這些結(jié)果與趙秀蘭[15]和胡忻等[16]的報(bào)道相似；Zn的可氧化態(tài)比例較高，占38.13%，殘?jiān)鼞B(tài)比例占20.21%，弱酸提取態(tài)和可還原態(tài)分別占22.59%和19.07%，這些結(jié)果與Walter等[17]的報(bào)道相似，而謝瑩等[18]的報(bào)道發(fā)現(xiàn)Zn主要以還原態(tài)存在，其比例占61.64%，弱酸提取態(tài)比例占23.89%，而可氧化態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)所占比例較少，分別為7.94%和6.53%。造成以上差異的原因可能是污水處理廠的污水來源不同、污水處理廠水處理工藝差異、污泥取樣季節(jié)不同等。

圖1 Pb的4種形態(tài)分布

圖2 Cu的4種形態(tài)分布

圖3 Zn的4種形態(tài)分布

由圖4、圖5、圖6可以看出，Zn的有效態(tài)比例最高，達(dá)22.59%，而Cu的有效態(tài)比例幾乎為零，僅占0.18%，Pb所占比例為8.45%；Cu的潛在有效態(tài)比例最高，達(dá)83.58%，Pb和Zn的比例分別為48.62%和57.20%；不可利用態(tài)比例最高的是Pb，占42.93%，Cu和Zn的不可利用態(tài)比例分別為16.24%和20.21%。各種元素的各形態(tài)含量比較可以看出，該污水處理廠脫水污泥中Pb的主要存在形態(tài)為殘?jiān)鼞B(tài)，遷移性較弱；Cu和Zn的潛在有效態(tài)所占比例較高，達(dá)50%以上，其中Zn在污泥中總量含量比較高，并且有效態(tài)比例占22.59%，其潛在的遷移性和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)性值得關(guān)注。

圖4 重金屬有效態(tài)分布

圖5 重金屬潛在有效態(tài)分布

圖6 重金屬不可利用態(tài)分布

3 結(jié)論

通過電熱板消解—火焰原子吸收測(cè)試表明，武漢市某污水處理廠脫水污泥中不同重金屬的總量存在很大差異，各存在形態(tài)也差異較大，其中Pb主要以可氧化態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)的形態(tài)存在，不可利用態(tài)所占比例高，穩(wěn)定性較好；Cu和Zn的有效態(tài)及潛在有效態(tài)含量較高，主要存在形態(tài)為可還原態(tài)和可氧化態(tài)，可遷移性較強(qiáng)。

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Determination of Heavy Metals Speies (Pb、Cu、Zn) in Sewage Sludge by Electric Heating Plate-FAAS

CHEN Si-qi,LUO Ying, HU Jie-qiong, LI Jin-ping

(School of Environmental Engineering, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430073, China)

Sewage sludge was collected from one wastewater treatment plant located in Wuhan as the experiment object.The airdried samples were dissolved by the method of electric heating plate before the total content determination and sequentially extracted with Community Bureau of Reference (BCR) three-step method before speciation determination for the heavy metals．Flame atomic adsorption spectrometry was used to determine Pb、Cu、Zn.The results showed that the contents of Pb and Cu were low in these samples,but Zn was much higher.The main form of Pb was residual fraction and the fraction of acid soluble was low. Cu was in the state of oxidisable forms and the fraction of acid soluble was only 0.2%.The four forms of Zn were distributed evenly and the fraction of oxidisable was slightly higher than the other three forms.

Sewage sludge; heavy metals; BCR; electric heating plate method; FAAS

X705

A

2095－414X(2015)03－0067－05

李進(jìn)平（1979-），男，副教授，博士，研究方向：固廢處理及資源化.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51208393）.