污水處理廠汞的賦存形態(tài)及遷移轉化研究進展

張永慧

(焦作市環(huán)境信息中心，河南　焦作　454000)

?

污水處理廠汞的賦存形態(tài)及遷移轉化研究進展

張永慧

(焦作市環(huán)境信息中心，河南焦作454000)

汞是造成環(huán)境污染的重金屬元素之一，其特殊的物理化學性質和強的毒性，已引起全球關注。針對目前污水處理廠汞的來源以及國內研究現(xiàn)狀，通過分析汞在污水處理廠的遷移轉化規(guī)律以及在城市污泥中的賦存形態(tài)，探索并制定了合理的污泥處理與調控措施，降低污泥在土地利用中存在的重金屬環(huán)境風險，并結合污泥中汞的賦存特征，討論了污泥土地應用的環(huán)境風險，為污泥土地利用提供信息指導。

汞；污水處理廠；遷移轉化；污泥；形態(tài)特征

隨著城市化進程的加快，污水處理規(guī)模以及處理技術也迅速發(fā)展，城市污水處理廠成為人們生產(chǎn)生活中外排污染物的主要匯集之處。城市污水處理過程中一般會產(chǎn)生城市污泥，由于污泥中攜帶污水中大部分的重金屬，在土地利用過程中容易對土壤、地下水和動植物造成二次污染。汞作為重金屬的一種，其極強的生物毒性和生物富集性效應導致的中毒事件時有發(fā)生，由汞引發(fā)的環(huán)境和健康問題越來越受到全球的重視。因此，對污水處理廠汞的遷移轉化規(guī)律的研究以及對污泥中汞的形態(tài)特征分析，可以為污水處理廠對汞污染的控制提供科學依據(jù)，為污泥土地利用提供信息指導。

1　污水處理廠汞污染來源

城市污水中汞的來源主要包括以下幾個方面：工業(yè)廢水、醫(yī)療廢水、實驗室廢水、生活廢水以及自然降雨徑流。其中工業(yè)廢水中汞主要來自有色金屬冶煉和壓延加工業(yè)、化學原料和化學制品制造業(yè)以及有色金屬礦采選業(yè)等行業(yè)；生活污水中汞來源復雜，包括日用化妝品、破碎溫度計、汞齊牙科填料及藥品、顏料和木材防腐劑等。

2　污水處理廠汞的遷移轉化

2.1國內外研究

國外關于污水處理廠中汞的研究，較早的一篇是Gilmour和Bloom對在美國賓夕法尼亞州的一座生活污水處理廠進行研究，約95%的汞存在于污泥中，只有約3%的汞排入受納水體[1]。隨后Bodaly等[2]針對加拿大的三座生活污水處理廠進行了采樣分析，發(fā)現(xiàn)進水中汞的濃度波動較大(2～160 ng·L-1)，平均濃度為61 ng·L-1，出水中汞的波動范圍為 3～14 ng·L-1，三座污水處理廠對總汞的平均去除率為88%。國內也有研究表明，相對于其他重金屬，整個污水工藝流程污水中Hg的去除率最大，平均達76.4%(進水濃度為(0.55±0.1) μg·L-1)[3]。另外，羅麗指出溶解態(tài)Hg的去除率可達到85.8%，其中曝氣沉砂池的去除率與氧化溝的去除效果相當(49.2%和48.4%)，二沉池的去除率為2.4%，出水中溶解態(tài)所占比率高于進水[4]。國外有研究表明，汞在整個污水處理廠內的遷移取決于各個處理單元內懸浮顆粒物的動態(tài)變化，且6月去除汞的效果比12月更顯著[5]。國內也有研究表明，顆粒態(tài)Hg占污水中Hg總量的比例由進水、初沉池出水和二沉池出水依次降低，從進水的84.1%減少到二沉池出水39.7%[3]，說明汞的去除主要以顆粒態(tài)的去除為主。李花等[6]的研究也證實了這一點，得出二沉池出水中溶解態(tài)汞占總汞的比例顯著升高(2.8%±2.0%升至21.7%±7.7%)，另外，在對比初沉池與曝氣沉砂池對總汞的去除率時發(fā)現(xiàn)，由于初沉池的水力停留時間遠遠大于曝氣沉砂池，同時又由于曝氣沉砂池的攪拌作用，初沉池中的懸浮物質能夠更好地通過沉淀從水中沉淀出來，因而獲得了較高的汞去除率。

2.2汞的遷移轉化過程

城市污水處理工藝流程圖如圖1所示。在整個污水處理流程中，汞以懸浮態(tài)和溶解態(tài)進入污水處理廠，同時包括濃縮池回流水、壓濾回流水攜帶的少量汞。經(jīng)格柵的截留、去除大塊懸浮物后，上清液中總汞濃度會有所提高，而柵渣中的汞含量相對降低。污水進入沉砂池后，一小部分的汞隨沉砂池排放出。一項針對城市污水處理廠總汞質量平衡計算的研究報告中指出，該部分汞僅占進水總汞的0.3%[7]，其余大部分汞隨水進入初沉池。由于初沉池較長的水力停留時間，懸浮態(tài)汞隨顆粒物沉降到初沉污泥中，溶解態(tài)汞所占總汞比例升高。在二級處理中，污水中的總汞含量得到很大程度的削減，經(jīng)過處理后，只有極少量的汞隨出水外排進入到環(huán)境。目前，國內所見的兩例關于污水廠出水汞濃度的報道，分別是重慶市某污水處理廠二級處理出水總汞濃度(130 ng·L-1)[3]，以及焦作市第一污水處理廠二級處理出水總汞濃度(21.5 ng·L-1)。剩余污泥中的汞最終經(jīng)污泥濃縮池、污泥脫水外排進入環(huán)境。污水廠中的汞除上述遷移轉化過程外，還包括其在各個處理單元構筑物內的吸附、沉積。對于汞在污水廠處理廠內是否有氣態(tài)汞揮發(fā)的過程，Balogh等[8]在一個大型城市污水處理廠開展的汞質量平衡研究中指出，在此過程中沒有發(fā)現(xiàn)汞揮發(fā)損失的證據(jù)。

圖1　污水處理流程圖(實線表示水流，虛線表示污泥)

3　污泥中汞的含量及形態(tài)分析

受污水來源、污水性質、污水和污泥處理工藝技術、測定方法等多種因素的綜合影響，不同城市污水廠污泥中汞的含量有所差別。對美國明尼蘇達州污水處理廠的研究表明，污泥中汞的含量遠遠高于污水中汞的含量，且各工段污泥中汞的含量在0.48～0.78 mg·kg-1之間，初沉池污泥汞的濃度最高[8]。國內有研究表明，王新莊、五龍口和西南科技大學污水處理廠出泥中汞含量在3～5 mg·kg-1[5]，廈門市 6 座城市污水處理廠污泥中的汞含量均未超過2 mg·kg-1。郭廣慧等[7]在2006～2013年期間對國內城市污泥重金屬含量進行統(tǒng)計分析，最終發(fā)現(xiàn)我國城市污泥的汞含量在0.1～15.8 mg·kg-1之間，平均含量為1.4 mg·kg-1，但部分污泥中汞的含量高于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)中規(guī)定的污泥農(nóng)用(堿性和中性土壤)時汞最高限值(15 mg·kg-1)。

污泥中重金屬的含量及其生物有效性是影響污泥土地利用的重要因素，而污泥中重金屬的總量不能準確地判斷重金屬的潛在環(huán)境影響，重金屬的遷移性、生態(tài)有效性主要取決于形態(tài)。通常而言，重金屬主要以可交換態(tài)、碳酸鹽結合態(tài)、鐵錳氧化物結合態(tài)、硫化物及有機結合態(tài)和殘渣態(tài)5種賦存形態(tài),其中，前三種一般被認為是不穩(wěn)定態(tài)，后兩種為穩(wěn)定態(tài)。針對污泥中重金屬汞的形態(tài)研究，倪偉偉等[10]在研究污泥干化過程中汞的形態(tài)轉化時發(fā)現(xiàn)，常溫下污泥中的汞只存在可氧化態(tài)和殘渣態(tài)。劉英霞等以煙臺市套子灣污水處理廠的剩余污泥為研究對象，采取連續(xù)化學浸取方法(七態(tài)分級法)，得出污泥中的汞主要以殘渣態(tài)存在，約占總量的98.78%，此外還有極少量的碳酸鹽結合態(tài)、可交換態(tài)和硫化物及有機結合態(tài)[11]。

4　結　語

城市污水處理廠匯集了大部分生產(chǎn)生活釋放出來的汞，經(jīng)過濃縮、消化、生物處理及脫水作用，最終富集在污泥中，對環(huán)境造成危害。盡管目前國內較多研究者認為污泥中的汞主要以穩(wěn)定形態(tài)存在，其遷移性和生物可利用性較弱，但鑒于汞的甲基化潛力與有機結合態(tài)之間存在的顯著相關性，以及甲基汞的高生物富集性，污泥中的汞可能會隨著土壤性質的改變重新釋放到環(huán)境中，形成毒性更大的甲基汞進入食物鏈。此外，土壤是一個復雜的大系統(tǒng)，諸多因素都會影響到重金屬的形態(tài)分布，比如土壤有機質、酸堿度等。因此，探索并制定合理的污泥處理與調控措施，降低污泥在土地利用中存在的重金屬環(huán)境風險，是實現(xiàn)污泥資源化利用的必然之路。

[1]Gilmour C C，Bloom N S.A case study of Mercury and methylmercury dynamics in a Hg-Contaminated municipal wastewater treatment plant[A].Mercury as a Global Pollutant[C].Springer Netherlands，1995：799-803.

[2]Bodaly R A D，Rudd W M，F(xiàn)lett R J.Effect of urban sewage treatment on total and methylmercury concentrations in effluents [J].Biogeochemistry，1998，40，279-291.

[3]盧吉文，陳萍麗，趙秀蘭.傳統(tǒng)活性污泥法處理城市污水過程中重金屬的變化研究[J].環(huán)境污染與防治，2008，30(5):29-32．

[4]羅麗，康得軍，王曉昌.城市污水處理中典型重金屬離子去除與遷移規(guī)律研究[J].安全與環(huán)境學報，2010，1:52-55．

[5]李霞，李國金，郭淑琴，等.鄭州馬頭崗污水處理廠污泥處理處置方案比選[J].給水排水，2008，34(9):51-53．

[6]李花，毛宇翔，李永，等.汞在城市污水處理廠的賦存特征及質量平衡--總汞[J].環(huán)境化學,2014，33(7):1059-1065．

[7]郭廣慧，陳同斌，楊軍，等.中國城市污泥重金屬區(qū)域分布特征及變化趨勢[J].環(huán)境科學學報，2014，34(10)：2455．

[8]Balogh S J，Nollet Y H.Mercury mass balance at a wastewater treatment plant employing sludge incineration with offgas Mercury control [J].Science of the Total Environment，2008，389(1):125-131.

[9]明銀安，陶濤，謝小青，等.廈門市污水處理廠污泥重金屬含量分析[J].武漢理工大學學報，2008，30(9)：69-71．

[10]倪偉偉，翁煥新，章金駿，等.污泥中汞的存在形態(tài)及其在干化過程中的動態(tài)變化[J].環(huán)境科學學報，2014，34(5)：1262-1267．

[11]劉英霞，楊啟霞，常顯波.煙臺市污水處理廠污泥中重金屬的形態(tài)分析[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2008，36(27)：11977-11978．

The Transformation of Mercury in the Sewage Treatment Plant and Analysis of Its Speciation in Sewage Sludge

ZHANG Yong-hui

(Jiaozuo Environmental Information Center,Henan Jiaozuo 454000,China)

Mercury is one of the heavy metals that give rise to environmental pollution,due to its special physicochemical property and extreme toxicity,it has raised global attention.The progress on the emission sources of mercury to the sewage treatment plant and the research situation was reviewed.The transformation of mercury in sewage treatment plant and the speciation of mercury in sewage sludge were also analyzed.Finally,according to the occurrence of mercury in sewage sludge,the environmental risk of sludge land utilization was discussed.

mercury; sewage treatment plant; transport; sewage sludge; occurrence

張永慧(1980-)，女，工程師，主要從事環(huán)境影響評價、環(huán)境污染防治、環(huán)境規(guī)劃工作。

X53

A

1001-9677(2016)011-0049-02