光電產(chǎn)業(yè)園區(qū)污水處理廠重金屬分布特征分析

林繼志， 余淑蓉， 張耀瑜， 洪俊明

(1. 華僑大學(xué) 科學(xué)技術(shù)研究處， 福建 廈門 361021；2. 廈門市中環(huán)污水處理有限公司， 福建 廈門 361006；3. 華僑大學(xué) 化工學(xué)院， 福建 廈門 361021)

光電產(chǎn)業(yè)園區(qū)污水處理廠重金屬分布特征分析

林繼志1， 余淑蓉2,3， 張耀瑜3， 洪俊明3

(1. 華僑大學(xué) 科學(xué)技術(shù)研究處， 福建 廈門 361021；2. 廈門市中環(huán)污水處理有限公司， 福建 廈門 361006；3. 華僑大學(xué) 化工學(xué)院， 福建 廈門 361021)

對(duì)南方某光電產(chǎn)業(yè)園區(qū)污水處理廠進(jìn)水、出水、污泥中重金屬污染物(Cu2+,Cr2+,Ni2+)排放質(zhì)量濃度和分布特征進(jìn)行分析和討論,并提出光電工業(yè)園區(qū)污水處理廠污泥處置方式的建議.結(jié)果表明:光電產(chǎn)業(yè)園區(qū)的發(fā)展?fàn)顩r和污染物排放之間具有正相關(guān)性;工業(yè)區(qū)污水處理廠生物處理工藝對(duì)銅離子具有較好的吸附效果，但是對(duì)鎳離子的吸附效果較差;工業(yè)區(qū)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)含鎳廢水的管理. 關(guān)鍵詞： 重金屬； 污泥; 光電產(chǎn)業(yè)園區(qū)； 污水處理廠

隨著光電半導(dǎo)體技術(shù)與相關(guān)技術(shù)的不斷突破，光電產(chǎn)業(yè)從20世紀(jì)90年代逐漸興起并快速發(fā)展，現(xiàn)已成為21世紀(jì)最具有發(fā)展前景的朝陽產(chǎn)業(yè)之一[1].近年來，我國的光電子技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)也得到了較快的發(fā)展，“十二五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃確定了七大重點(diǎn)發(fā)展產(chǎn)業(yè)，光電產(chǎn)業(yè)所涵蓋的光通信、精密光學(xué)、光電顯示、發(fā)光二極管(LED)照明、激光紅外、光伏等領(lǐng)域均與其密切相關(guān).因此，許多城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃都把發(fā)展光電產(chǎn)業(yè)作為當(dāng)?shù)氐闹攸c(diǎn)戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)和未來經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)[1].光電行業(yè)生產(chǎn)過程中需要配套的電鍍、蝕刻等生產(chǎn)工藝和配套設(shè)施，這造成了工業(yè)區(qū)污水含銅、鎳、鉻等重金屬排放的問題，其產(chǎn)生的環(huán)境保護(hù)與治理問題日益受到各方的關(guān)注.重金屬是指比重大于5的金屬，銅、鉻、鎳、鉛、汞等均屬于重金屬范疇.銅、鎳是維持正常生命活動(dòng)必需的微量元素，但過多地?cái)z入會(huì)對(duì)生命體造成危害[2-3].鉻作為重要的戰(zhàn)略金屬元素，在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用極廣，在環(huán)境中，鉻主要以三價(jià)鉻和六價(jià)鉻形態(tài)存在，其中,六價(jià)鉻毒性大，致癌致畸作用強(qiáng)，其污染源和污染防治技術(shù)復(fù)雜，是國家重點(diǎn)控制的五大重金屬污染物之一[4-5].粉末狀鎳可與一氧化碳化合生成四羰基鎳，四羰基鎳已被確認(rèn)是一種致癌物質(zhì)，它通過呼吸道進(jìn)入人體后，可導(dǎo)致肺出血、浮腫、腦白質(zhì)出血、毛細(xì)血管壁脂肪變性并發(fā)呼吸障礙等癥狀，并可誘發(fā)呼吸系統(tǒng)癌癥[6].隨著工業(yè)區(qū)配套污水處理廠的建設(shè)和運(yùn)行，污泥產(chǎn)量急劇增加[7]，但由于污泥中重金屬質(zhì)量濃度高，進(jìn)入土壤環(huán)境中難以被生物分解，卻易于通過食物鏈導(dǎo)致生物富集，其所帶來的環(huán)境問題一直受到廣泛關(guān)注[8-9]，這也是污泥資源化的主要限制因素之一[10-11].我國對(duì)重金屬廢水排放標(biāo)準(zhǔn)有嚴(yán)格的規(guī)定，GB 18918-2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)Cu，Cr，Ni的排放標(biāo)準(zhǔn)限值分別為0.50，0.10，0.05 mg·L-1.以福建省為例，在《福建省“十三五”科技發(fā)展和創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)專項(xiàng)規(guī)劃》中，明確提出要加緊解決高濃度難降解工業(yè)廢水處理的技術(shù)與設(shè)備問題.本文以南方某光電產(chǎn)業(yè)園區(qū)高速發(fā)展過程中的污水排放和處理情況為例，通過污水處理廠進(jìn)出水、污泥樣品的重金屬質(zhì)量濃度分析，研究工業(yè)區(qū)發(fā)展對(duì)污水處理廠運(yùn)行過程中重金屬的質(zhì)量濃度變化和遷移規(guī)律.

1 研究對(duì)象及數(shù)據(jù)來源

南方某光電產(chǎn)業(yè)園區(qū)，規(guī)劃面積為10.68 km2，主要以集成電路、平板顯示、LED等產(chǎn)業(yè)為重點(diǎn)，吸引了一批先進(jìn)制造業(yè)及產(chǎn)學(xué)研一體化的研發(fā)單位，是一個(gè)公共配套設(shè)施齊全、生產(chǎn)城鎮(zhèn)融合的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和現(xiàn)代服務(wù)業(yè)基地.工業(yè)區(qū)配套污水處理廠建設(shè)規(guī)模25 000 m3·d-1，主體工藝采用氧化溝，污泥采用一體式離心濃縮脫水機(jī)直接脫水，出水水質(zhì)執(zhí)行GB 18918-2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)，尾水直接排海.

文中采用該工業(yè)區(qū)配套污水處理廠在工業(yè)區(qū)高速發(fā)展過程中2010-2015年的測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)進(jìn)水、出水、污泥中重金屬元素質(zhì)量濃度和排放現(xiàn)狀數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.該污水處理廠的工藝流程，如圖1所示.

圖1 污水處理廠工藝流程圖Fig.1 Process flow diagram of sewage treatment plant

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 污泥和污水樣本的采集和處理

在污水處理廠的進(jìn)水、出水和污泥處分別設(shè)置采集點(diǎn).污泥樣本采用每月定期采集脫水污泥，并將取來的污泥自然風(fēng)干，平鋪于硬質(zhì)白紙板上，壓散，除去異物，用四分法縮分至所需量樣品.用瑪瑙研缽磨至樣品全部通過80～100目尼龍篩，混勻，裝入稱量瓶，放置在干燥器中備用.污水樣本數(shù)據(jù)采用該污水處理廠進(jìn)水、出水日常監(jiān)測(cè)點(diǎn)位采樣所得的數(shù)據(jù).

2.2 污泥重金屬檢測(cè)方法

采用Mars-5型密閉微波消解系統(tǒng)(美國CEM公司)，根據(jù)SW 846-3051方法，采用逆王水(V(鹽酸)∶V(硝酸)= 1∶4)進(jìn)行微波消解.水樣中銅的檢測(cè)分析方法參考GB/T 7475-1987《水質(zhì)銅、鋅、鉛、鎘的測(cè)定原子吸收光度法》，檢出限為0.05 mg·L-1.鉻的測(cè)定采用火焰原子吸收法[12-13]，檢出限為0.03 mg·L-1.鎳的監(jiān)測(cè)方法采用火焰原子吸收分光光度法，檢出限為0.01 μg·mL-1.實(shí)驗(yàn)儀器為Aanalyst 400型原子吸收分光光度計(jì)(日本島津公司).

2.3 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

脫水后污泥的農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)采用GB 18918-2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中污泥農(nóng)用污染物控制標(biāo)準(zhǔn)(土壤pH<6.5).脫水后污泥的園林綠化用泥標(biāo)準(zhǔn)采用GB/T 23486-2009《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置：園林綠化用泥質(zhì)》中園林綠化用泥質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(土壤pH<6.5).

圖2 污水處理廠污水和污泥處理量變化Fig.2 Changes of water and sludge in sewage treatment plant

3 結(jié)果與分析

3.1 工業(yè)區(qū)發(fā)展與污水處理廠運(yùn)行狀況

2010-2013年，光電產(chǎn)業(yè)園區(qū)的工業(yè)產(chǎn)值穩(wěn)定增長(zhǎng)，2013年，完成工業(yè)產(chǎn)值674.90億元，2014年，工業(yè)區(qū)全年累計(jì)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)值822.52 億元；2014-2015年，該光電產(chǎn)業(yè)園區(qū)發(fā)展較快，工業(yè)產(chǎn)值增加了22%，工業(yè)區(qū)進(jìn)入成熟階段.

工業(yè)區(qū)污水廠處理水量(m(水))和污泥量(m(泥))年度變化情況，如圖2所示.由圖2可知：污水處理量逐年增加，污泥處理量呈上漲趨勢(shì)；污水廠污水污泥處理量可以分為兩個(gè)階段，2010-2012年，污水處理量均在4 000萬 t以下，污泥處理量在900 t以下，2013-2015年，污水處理量均達(dá)到7 200萬t以上，污泥處理量在1 400 t以上;相較于2012年,2013年污水處理量上漲44.69%，污泥處理量上漲39.28%.結(jié)合光電產(chǎn)業(yè)園區(qū)的工業(yè)產(chǎn)值變化，說明該階段工業(yè)區(qū)內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)明顯地加強(qiáng)；2014-2015年，光電產(chǎn)業(yè)園區(qū)的工業(yè)產(chǎn)值明顯提高，工業(yè)區(qū)污水污泥處理量大幅增加，進(jìn)一步顯示該階段光電產(chǎn)業(yè)園區(qū)取得較快發(fā)展.

3.2 工業(yè)區(qū)污水污泥中銅的質(zhì)量濃度

工業(yè)區(qū)污水污泥中銅的質(zhì)量濃度(ρ(Cu2+))，如圖3所示.由圖3(a)可知：光電產(chǎn)業(yè)園區(qū)的污水處理廠進(jìn)水中銅的質(zhì)量濃度總體偏高，這是由于工業(yè)園區(qū)的光電企業(yè)配套了一定的電路板生產(chǎn)企業(yè)和金屬表面處理生產(chǎn)線，這些企業(yè)排放了含銅廢水，引起工業(yè)區(qū)內(nèi)的銅離子質(zhì)量濃度偏高.經(jīng)過該污水處理廠處理后，出水基本滿足GB 18918-2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中的一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn).

(a) 污水處理廠進(jìn)出水 (b) 污水處理廠污泥圖3 工業(yè)區(qū)污水污泥中銅的質(zhì)量濃度Fig.3 Cu2+ concentration in sewage and sludge

由圖3(a)還可知：污水處理廠常規(guī)生物處理工藝對(duì)銅離子的去除率基本上能達(dá)到60%以上.在常規(guī)的污水處理過程中，主要是生物處理過程，重金屬的去除原理主要是活性污泥的吸附，包括初沉池中吸附在固體顆粒上去除和在曝氣池與二沉池中通過生物吸附等作用去除.因此，污水處理廠對(duì)含銅廢水有較好的處理效果，這和張智春的研究結(jié)論[14]相符.

由圖3(b)可知：工業(yè)區(qū)污水處理廠污泥中銅的質(zhì)量濃度普遍較高，所有監(jiān)測(cè)樣本中的污泥銅的質(zhì)量濃度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過農(nóng)用污泥和園林綠化用泥容許標(biāo)準(zhǔn).因此，工業(yè)區(qū)污水處理廠的污泥不能用于污泥的土地利用，建議采用焚燒法對(duì)污泥進(jìn)行處置.

3.3 工業(yè)區(qū)污水污泥中鉻的質(zhì)量濃度

光電工業(yè)園區(qū)的含鉻廢水主要來自于電鍍工藝中的鉻鈍化、金屬表面鍍鉻工藝的清洗廢水，工業(yè)區(qū)污水處理廠進(jìn)出水和污泥中鉻的質(zhì)量濃度(ρ(Cr2+))變化，如圖4所示.由圖4(a)可知：工業(yè)區(qū)污水處理廠進(jìn)水中鉻的質(zhì)量濃度較穩(wěn)定，普遍不高.2013-2014年，污水中的含鉻有上升的趨勢(shì)，這可能是由于這階段處于工業(yè)區(qū)擴(kuò)建階段，擴(kuò)建了包括金屬表面鍍鉻在內(nèi)的生產(chǎn)線，部分企業(yè)的環(huán)保設(shè)施又沒能同步調(diào)試完善，導(dǎo)致工業(yè)區(qū)污水中鉻的質(zhì)量濃度上升.從整體來看，經(jīng)過該污水處理廠生物處理工藝處理后，污水廠出水中鉻的質(zhì)量濃度滿足排放標(biāo)準(zhǔn).由圖4(b)可知：工業(yè)區(qū)城市污水處理廠污泥中鉻的質(zhì)量濃度每年都普遍較低，監(jiān)測(cè)樣本中的污泥鉻質(zhì)量濃度基本上能滿足農(nóng)用污泥和園林綠化用泥容許標(biāo)準(zhǔn).

(a) 污水處理廠進(jìn)出水 (b) 污水處理廠污泥圖4 工業(yè)區(qū)污水污泥中總鉻的質(zhì)量濃度Fig.4 Total Cr2+ concentration in sewage and sludge

3.4 工業(yè)區(qū)污水污泥中鎳的質(zhì)量濃度

光電工業(yè)園區(qū)的含鎳廢水主要來自于電鍍工藝中的金屬表面鍍鎳工藝的清洗廢水.工業(yè)區(qū)污水處理廠進(jìn)出水和污泥中鎳的質(zhì)量濃度(ρ(Ni2+))變化,如圖5所示.由圖5(a)可知：污水廠進(jìn)水中鎳的質(zhì)量濃度較高，符合GB 8978-1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》的標(biāo)準(zhǔn)限值.經(jīng)過該污水處理廠生物處理過后，出水無法達(dá)到GB 18918-2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中排放標(biāo)準(zhǔn)0.05 mg·L-1.這說明該污水處理廠的生物處理工藝對(duì)鎳的吸附效果并不明顯.因此，針對(duì)含鎳廢水排放比例較高的工業(yè)園區(qū)，鎳的排放標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該提高.由圖5(b)可知：工業(yè)區(qū)城市污水處理廠污泥中鎳的質(zhì)量濃度每年都普遍較高，監(jiān)測(cè)樣本中的污泥鎳質(zhì)量濃度基本上不能滿足農(nóng)用污泥和園林綠化用泥100 mg·kg-1干污泥的容許標(biāo)準(zhǔn).因此，建議采用焚燒工藝進(jìn)行污泥處置.

(a) 污水處理廠進(jìn)出水 (b) 污水處理廠污泥圖5 工業(yè)區(qū)污水污泥中鎳的質(zhì)量濃度Fig.5 Ni2+ concentration in sewage and sludge

4 結(jié)論

1) 光電產(chǎn)業(yè)園區(qū)由于生產(chǎn)過程中配套涉及重金屬表面處理的生產(chǎn)工藝，因此,廢水中銅、鉻、鎳等污染物排放量較大，為了保障污水處理廠的穩(wěn)定運(yùn)行，建議加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)園區(qū)中含重金屬廢水的前處理.

2) 污水處理廠生物處理工藝中活性污泥對(duì)污水中銅離子和總鉻具有較好的吸附效果，但對(duì)鎳離子的吸附效果較差，因此,對(duì)光電產(chǎn)業(yè)園區(qū)排放的含鎳廢水應(yīng)降低鎳的排放質(zhì)量濃度，保障污水處理廠出水中鎳質(zhì)量濃度的達(dá)標(biāo).

3) 光電產(chǎn)業(yè)園區(qū)污水處理廠的剩余污泥由于生物的吸附作用，引起污泥中的銅、鎳質(zhì)量濃度較高，超過農(nóng)用和園林綠化的標(biāo)準(zhǔn)，建議光電產(chǎn)業(yè)園區(qū)的污泥采用焚燒法處置.

4) 由于光電產(chǎn)業(yè)園區(qū)污水處理廠生物處理工藝并不能實(shí)現(xiàn)重金屬的去除，只是從水中轉(zhuǎn)移到污泥，因此，園區(qū)含重金屬廢水建議單獨(dú)處理或者零排放.

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(責(zé)任編輯： 錢筠 英文審校： 劉源崗)

Distribution Analysis of Heavy Metals in Photoelectric Industrial Sewage Plant

LIN Jizhi1， YU Shurong2,3， ZHANG Yaoyu3， HONG Junming3

(1. Department of Science and Technology Research, Huaqiao University, Xiamen 361021, China;2. General Water of Xiamen Sewage Company Limited, Xiamen 361006, China;3. Department of Enviromental Science and Engineering, Huaqiao University, Xiamen 361021, China)

The emission concentration and distribution characteristics of heavy metal pollutants (Cu2+, Cr2+, Ni2+) in the influent, effluent and sludge of photoelectric industrial sewage plant were analyzed and discussed in this research. Then the suggestion of sludge disposal way of photoelectric industrial sewage plant was proposed. The results showed that the relationship between the developments of photoelectric industry park and the pollutant emission was positive correlated. In addition, due to the high removal efficiency of Cu2+rather than Ni2+, the industrial park should strengthen the management of the sludge disposal containing Ni2+. Keywords： heavy metals； sludge; photoelectric industrial park； sewage plant

10.11830/ISSN.1000-5013.201702010

2016-11-10

洪俊明(1974-)，男，教授，博士，主要從事水污染控制工程的研究.E-mail:jmhong@hqu.edu.cn.

福建省高校重大產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目(2014Y4006)； 福建省泉州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2016Z074， 2016Z075)； 福建省廈門市科技計(jì)劃項(xiàng)目(3502Z20153025, 3502Z20151256)

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A

1000-5013(2017)02-0184-05