廣西城鎮(zhèn)污水廠脫水污泥重金屬形態(tài)分布特征

林榮科，王東波，覃理嘉，李　師

(廣西大學(xué)環(huán)境學(xué)院， 廣西高校環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣西南寧530004)

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廣西城鎮(zhèn)污水廠脫水污泥重金屬形態(tài)分布特征

林榮科，王東波，覃理嘉，李師

(廣西大學(xué)環(huán)境學(xué)院， 廣西高校環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣西南寧530004)

摘要：為了實(shí)現(xiàn)污泥的穩(wěn)定化、無(wú)害化和資源化，對(duì)廣西城鎮(zhèn)污水處理廠脫水污泥的基本理化性質(zhì)和污泥中重金屬總量和形態(tài)分布特征進(jìn)行了研究分析。分析結(jié)果表明，廣西城鎮(zhèn)污水處理廠的污泥均呈酸性，pH值在6.05～6.35，總氮含量的平均值為49.74 g/kg，總磷含量的平均值為10.72 g/kg，有較好的農(nóng)用價(jià)值。脫水污泥中重金屬As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn的含量分別為26.31～28.83，1.39～3.77，47.01～87.37，78.07～135.28，32.18～42.22，25.79～44.40，320.86～363.72 mg/kg，均滿足CJ/T 309-2009《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置農(nóng)用泥質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》中的B級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，可施用于相應(yīng)農(nóng)作物。其中，Zn、Ni的形態(tài)主要集中在遷移性較強(qiáng)的可交換態(tài)、可還原態(tài)范圍內(nèi)，極易被生物利用，不穩(wěn)定；Pb主要集中在可還原態(tài)，Cu主要集中在可還原態(tài)、可氧化態(tài)范圍內(nèi)，它們遷移性較弱，可被生物間接利用，較為穩(wěn)定；Cr主要集中在殘?jiān)鼞B(tài)、可氧化態(tài)范圍內(nèi)，遷移性最弱，不易被生物吸收利用，最穩(wěn)定；而As和Cd的形態(tài)分布比較均勻。

關(guān)鍵詞：廣西污水處理；脫水污泥；重金屬；形態(tài)分析.

近年來(lái)，城鎮(zhèn)污水處理廠污水處理量逐年增加，其必然產(chǎn)物城市污泥的產(chǎn)生量也逐年增加。由于城市污泥富含有機(jī)物、無(wú)機(jī)物和多種微生物，容易引起環(huán)境問(wèn)題，尤其是其中的重金屬組分，阻礙了污泥農(nóng)用等資源化利用方式，已逐漸引起人們的關(guān)注[1]。目前對(duì)于城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理處置研究相對(duì)較少，對(duì)其重金屬及其形態(tài)分布的報(bào)道更是缺乏。富含營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的城市污泥農(nóng)用是一個(gè)重要方向，因此，對(duì)城市污泥中重金屬等限制農(nóng)用的影響研究變得非常迫切[2]。

各地區(qū)重金屬形態(tài)特征分布對(duì)污泥農(nóng)用尤為關(guān)鍵。2014年，羅艷麗等[3]對(duì)烏魯木齊城市污泥進(jìn)行了重金屬形態(tài)特征及農(nóng)用可行性分析，發(fā)現(xiàn)污泥中重金屬Zn、Cd的含量超出了CJ/T 309-2009《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置農(nóng)用泥質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》中的A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，不可施用于蔬菜和糧食作物。王雨生等[4]的研究也表明貴州省部分地區(qū)的污泥也存在污泥農(nóng)用重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)許多城市污泥的研究也得出了類似的結(jié)論[5-7]。對(duì)比不同文獻(xiàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同地域的城市污泥重金屬含量存在一定差異[8]。

為了解廣西城鎮(zhèn)污水廠污泥重金屬形態(tài)分布規(guī)律，本研究選取了廣西南寧市瑯東污水處理廠、南寧市江南污水處理廠、百色平果縣污水處理廠、北海合浦縣污水處理廠等4個(gè)城鎮(zhèn)污水處理廠的脫水污泥進(jìn)行分析，采用BCR五步提取法提取重金屬，通過(guò)ICP-AES分析重金屬的形態(tài)分布規(guī)律，旨在為廣西城鎮(zhèn)污泥資源化利用提供數(shù)據(jù)參考。

1材料與方法

1.1污泥來(lái)源

脫水污泥分別取自南寧市瑯東污水處理廠、南寧市江南污水處理廠、百色市平果縣污水處理廠和北海市合浦縣污水處理廠。污泥樣品經(jīng)自然風(fēng)干后，研磨過(guò)100目篩，密封保存，用于理化性質(zhì)分析。

1.2分析項(xiàng)目與方法

pH值測(cè)定采用CJ/T211-2005《中華人民共和國(guó)城鎮(zhèn)建設(shè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》中的電極法，含水率測(cè)定采用CJ/T211-2005《中華人民共和國(guó)城鎮(zhèn)建設(shè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》中的重量法，總磷含量測(cè)定采用CJ/T211-2005《中華人民共和國(guó)城鎮(zhèn)建設(shè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》中的氫氧化鈉熔融—鉬銻抗分光光度法，總氮含量采用CJ/T211-2005《中華人民共和國(guó)城鎮(zhèn)建設(shè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》中的堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法，重金屬形態(tài)分析采用BCR五步提取法[8-9]，As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn的含量采用ICP-AES (Optima 8000，Perkin Elmer) 測(cè)定。

2結(jié)果與討論

2.1污泥的pH值

污泥pH值對(duì)污泥農(nóng)用有一定影響[10]。4個(gè)污水處理廠脫水污泥的pH值如表1所示?？梢娒撍勰嗑咏行裕琾H在6.05～6.35范圍內(nèi)，呈微酸性。

表1　廣西城鎮(zhèn)污水處理廠脫水污泥pH值情況

2.2脫水污泥的含水率

各污水處理廠脫水污泥的含水率如表2所示?？梢姡撍勰嗪示?0%～80%，含水率依次為江南污水處理廠>瑯東污水處理廠>平果縣污水處理廠>合浦縣污水處理廠。廣西全區(qū)脫水污泥的含水率在75%～85%[11]，這四個(gè)污水處理廠污泥脫水效果處于中上水平。

表2　城鎮(zhèn)污水處理廠脫水污泥含水率情況

2.3污泥中的氮、磷含量

污泥農(nóng)用價(jià)值與其氮、磷含量密切相關(guān)[12]。4個(gè)污水處理廠脫水污泥中總氮含量相差不大，其中，南寧市江南污水處理廠、北海市合浦污水處理廠的脫水污泥中總氮含量較高，分別為55.13 g/kg和50.19 g/kg，瑯東污水處理廠的次之，為49.77 g/kg，平果縣污水處理廠的最低，為43.87 g/kg。4個(gè)污水處理廠脫水污泥中總氮在污泥中所占的百分比分別為4.98%、5.51%、4.39%和5.02%。

南寧市江南污水處理廠脫水污泥、百色市平果縣污水處理廠脫水污泥的總磷含量較高，分別為13.61 g/kg和12.94 g/kg，南寧市瑯東污水處理廠脫水污泥的總磷含量次之，為8.91 g/kg，北海市合浦縣污水處理廠脫水污泥中的總磷含量最低，為7.4 g/kg。4個(gè)污水處理廠脫水污泥中總磷在污泥中所占的百分比分別為0.89%、1.36%、1.29%和0.74%。

綜上分析，4個(gè)城鎮(zhèn)污水處理廠脫水污泥中總氮、總磷的含量與楊建勞等[13]的研究結(jié)果相符，農(nóng)用價(jià)值較高。

2.4污泥中的重金屬總量

各污水處理廠脫水污泥重金屬總量分析結(jié)果如表3所示。Cd含量最低，含量范圍為1.39～3.77 mg/kg， As、Ni、Pb含量相對(duì)較低，含量范圍分別為26.31～28.83 mg/kg、32.18～42.22 mg/kg、25.79～44.40 mg/kg，Cr、Cu含量次之，范圍分別為47.01～87.37 mg/kg、78.07～135.28 mg/kg，而Zn含量普遍較高，范圍為320.86～363.72 mg/kg。本研究結(jié)果與張軍等[14]的研究結(jié)果較為吻合。除了廣西平果縣、合浦縣脫水污泥中的Cd含量外，其他重金屬含量均滿足CJ/T 309-2009《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置農(nóng)用泥質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》中的A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，可以施用于蔬菜和水果等作物。

表3城鎮(zhèn)污水處理廠脫水污泥重金屬總量情況

Tab.3The total content of heavy metals in dewatered sludge from urban sewage treatment plants

mg/kg

2.5污泥中的重金屬形態(tài)分布

4個(gè)污水處理廠的脫水污泥重金屬形態(tài)分析結(jié)果分別見表4、表5、表6、表7。

表4瑯東污水處理廠脫水污泥重金屬形態(tài)含量分布

Tab.4The total content of heavy metals in dewatered sludge from Langdong sewage treatment plant

mg/kg

表5江南污水處理廠脫水污泥重金屬形態(tài)含量分布

Tab.5The total content of heavy metals in dewatered sludge from Jiangnan sewage treatment plant

mg/kg

表6平果縣污水處理廠脫水污泥重金屬形態(tài)含量分布

Tab.6The total content of heavy metals in dewatered sludge from Pingguo sewage treatment plant

mg/kg

表7合浦縣污水處理廠脫水污泥重金屬形態(tài)含量分布

Tab.7The total content of heavy metals in dewatered sludge from Hepu sewage treatment plant

mg/kg

重金屬的各個(gè)形態(tài)中，可交換態(tài)是指與可交換吸附的離子和碳酸鹽結(jié)合的形態(tài)，可交換態(tài)可以直接被生物利用，遷移性強(qiáng)；可還原態(tài)主要是與鐵錳氧化物、水化氧化物結(jié)合的形態(tài)，可氧化態(tài)則是與有機(jī)質(zhì)和硫化物結(jié)合的形態(tài)，可還原態(tài)和可氧化態(tài)可以被植物間接利用；而殘?jiān)鼞B(tài)元素主要與硅酸鹽礦物等結(jié)合，很難被生物利用，遷移性很小[15]。在污泥農(nóng)用中需要著重關(guān)注其中的可交換態(tài)。

4個(gè)污水處理廠脫水污泥中7種重金屬的形態(tài)分布如圖1～圖4所示。首先，As各形態(tài)分布較為平均，可還原態(tài)的比例略少，占4.92%～13.11%，其遷移性稍強(qiáng)，不穩(wěn)定。Cd形態(tài)分布規(guī)律性不強(qiáng)，各廠污泥中的可還原態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)所占的比例差異不大，分別占34.86%～51.12%和3.85%～7.42%，瑯東和江南污水廠污泥中Cd可交換態(tài)比例遠(yuǎn)大于平果縣和合浦縣污水廠污泥中的含量，而Cd可氧化態(tài)比例遠(yuǎn)小于平果和合浦的污泥，可見重金屬的形態(tài)分布有一定的地域性差異。總的來(lái)說(shuō)，Cd遷移性稍強(qiáng)，不穩(wěn)定。Cr可交換態(tài)占0.26%～0.60%，可還原態(tài)、可氧化態(tài)占32.33%～65.62%，生物直接或間接利用部分少，遷移性差，穩(wěn)定性好。Cu的可交換態(tài)占0～8.77%，可還原態(tài)、可氧化態(tài)占80.00%～83.94%，可被生物間接利用部分多，遷移性較弱，較穩(wěn)定。Ni的可交換態(tài)占12.24%～30.66%，可被生物直接吸收利用部分較多；可還原態(tài)、可氧化態(tài)占22.46%～48.55%，可被生物間接利用；總的來(lái)說(shuō)，遷移性稍強(qiáng)，不穩(wěn)定。Pb的可交換態(tài)未檢測(cè)出；可還原態(tài)占86.73%～96.27%，生物間接利用部分較多，穩(wěn)定性較好，遷移性稍差。Zn的可交換態(tài)占24.43%～42.05%，可被生物直接利用部分較多；可還原態(tài)、可氧化態(tài)占33.49%～59.12%，可被生物間接利用部分也較多；遷移性稍強(qiáng)，容易被生物吸收利用，不穩(wěn)定。

圖1　瑯東污水處理廠脫水污泥中7種重金屬的形態(tài)分布情況

圖2　江南污水處理廠脫水污泥中7種重金屬的形態(tài)分布情況

圖3　平果縣污水處理廠脫水污泥中7種重金屬的形態(tài)分布情況

圖4　合浦縣污水處理廠脫水污泥中7種重金屬的形態(tài)分布情況

3結(jié)論

①?gòu)V西城鎮(zhèn)污水廠脫水污泥中的總氮總磷總量分別為58.68 g/kg、68.74 g/kg、56.81 g/kg、57.59 g/kg，營(yíng)養(yǎng)成分較高，具有很好的農(nóng)用價(jià)值。

②脫水污泥重金屬含量分析結(jié)果表明，廣西平果縣和合浦縣污水廠污泥中Cd僅滿足CJ/T 309-2009《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置農(nóng)用泥質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》中的B級(jí)標(biāo)準(zhǔn)外，其他重金屬As、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn含量均滿足A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，可施用于蔬菜和糧食作物。

③Zn、Ni形態(tài)主要集中在遷移性較強(qiáng)的可交換態(tài)、可還原態(tài)范圍內(nèi)，易被生物利用，不穩(wěn)定；Pb主要集中在可還原態(tài)，以及Cu主要集中在可還原態(tài)、可氧化態(tài)范圍內(nèi)，遷移性較弱，可被生物間接利用，較為穩(wěn)定；Cr主要集中在殘?jiān)鼞B(tài)、可氧化態(tài)范圍內(nèi)，遷移性最弱，不易被生物吸收利用，最穩(wěn)定；而As和Cd的形態(tài)分布比較均勻；因此，在廣西的土地利用中，應(yīng)優(yōu)先關(guān)注Zn、Ni。

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(責(zé)任編輯張曉云裴潤(rùn)梅)

收稿日期：2015-12-20；

修訂日期：2016-03-02

基金項(xiàng)目：廣西自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2012GXNSFBA053130);廣西科技攻關(guān)項(xiàng)目(桂科攻1598016-5)；南寧市環(huán)保專項(xiàng)資金計(jì)劃項(xiàng)目(南財(cái)經(jīng)2013-265)

通訊作者：王東波(1978-)，男，遼寧錦州人，廣西大學(xué)副教授，博士；E-mail:w121308@163.com。

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0896

中圖分類號(hào):X703

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-7445(2016)03-0896-07

Distribution characteristics of heavy metals in dewatered sludge from sewage treatment plants of town in Guangxi

LIN Rong-ke, WANG Dong-bo, QIN Li-jia, LI Shi

(Key Laboratory of Environmental Protection, College of Guangxi Province,School of the Environment, Guangxi University, Nanning 530004, China)

Abstract:The basic physical and chemical properties and the total amount of heavy metals, as well as the distribution characteristics of heavy metals in dewatered sludge from the sewage treatment plants of towns in Guangxi were investigated. The results showed that the sludge was acidic. The pH values were between 6.05 and 6.35. The average value of total nitrogen content was 49.74 g/kg, and the average value of total phosphorus was 10.72 g/kg, indicating that the sludge was rich in nutrients and had a promosing application prospects in agriculture. The contents of the heavy metals in the sludge, including As, Cd, Cr, Cu, Ni, Pb and Zn, were between 26.31～28.83 mg/kg, 1.39～3.77 mg/kg, 78.07～135.28 mg/kg, 32.18～42.22 mg/kg, 25.79～44.40 mg/kg, and 320.86～363.72 mg/kg respectively, which met the requirement of Disposal of Sludge from Municipal Wastewater Treatment Plant-Control Standards for Agricultural Use (CJ/T 309-2009) of China for B grade sludge, and could be used in relevant crops. The predominant form of Zn and Ni were exchangeable speciation and reducible speciation, which were unstable and could be bioabsorbable easily. Pb existed mainly as reducible speciation, while Cu existed mainly as both reducible speciation and oxidizable speciation, which were more stable relatively, and could not be bioabsorbable directly. Cr existed mainly as residual speciation and oxidizable speciation, which were the most stable, and could not be bioabsorbable easily. Besides, the distribution characteristics of as and Cd were uniform relatively.

Key words:sewage treatment in Guangxi; dewatered sludge; heavy metal; speciation analysis

引文格式：林榮科，王東波，覃理嘉，等.廣西城鎮(zhèn)污水廠脫水污泥重金屬形態(tài)分布特征[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016，41(3)：896-902.