某城鎮(zhèn)污泥中重金屬含量分析及農(nóng)用環(huán)境風險評價

修英楠

(佳木斯市環(huán)境保護監(jiān)測站，黑龍江 佳木斯 154004)

某城鎮(zhèn)污泥中重金屬含量分析及農(nóng)用環(huán)境風險評價

修英楠

(佳木斯市環(huán)境保護監(jiān)測站，黑龍江 佳木斯 154004)

使用原子熒光、原子吸收分光光度法，對城市污水處理廠排放的污泥進行了重金屬含量監(jiān)測。砷、汞、鋅、鎘、鉛、鎳、銅的濃度分別為10.06、0.027、240、0.119、25.3、9.6、40.6mg/kg，排放濃度符合《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)中相關標準限值要求。如作為農(nóng)用，其濃度符合《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置農(nóng)用泥質》(CJ/T309-2009)中相關標準-A級污泥農(nóng)用限值要求。利用潛在生態(tài)危害指數(shù)進行評價，監(jiān)測的七種重金屬的RI為6.368，如作為農(nóng)用，具有輕微的生態(tài)危害。

城鎮(zhèn)污泥；重金屬；含量分析；農(nóng)用；潛在生態(tài)危害指數(shù)

隨著城鎮(zhèn)化、工業(yè)化進程的快速發(fā)展，以及相關部門對水環(huán)境保護意識的提高，我國加快了城市污水處理廠的建設，而城市污水處理廠的副產(chǎn)物污泥也正在以驚人的速度增加。由于城市規(guī)模、工業(yè)門類、以及社會生活及服務業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生等行業(yè)的不同，城鎮(zhèn)污泥的成分也有較大差異，特別是重金屬、致病菌、有機質的含量差別非常大。目前，我國城鎮(zhèn)污泥的主要處理途徑為運送至垃圾處理廠堆放或者衛(wèi)生填埋、焚燒處理或者發(fā)電、發(fā)酵滅菌處理后作為城市綠化肥料、農(nóng)用肥料等。污泥處理后農(nóng)用是污泥的最好利用途徑，不但可以使污泥達到有效的處理和利用，也可以減少化肥等肥料的使用率，增加土壤肥力，減小因長期使用化肥造成的土壤板結。經(jīng)過處理后的城鎮(zhèn)污泥致病菌等已經(jīng)降低，但重金屬含量未發(fā)生變化。如高含量的重金屬進入到土壤中，會隨植物的生長發(fā)生富集，經(jīng)食物鏈進行傳遞，對植物生長，以及人和動物健康產(chǎn)生重要影響。

本項目選取的城鎮(zhèn)污水處理廠采用CASS工藝，通過長期對某城鎮(zhèn)污水處理廠重金屬含量的監(jiān)測，選取7種含量高且對環(huán)境影響較大的重金屬進行分析評價。使用電熱板對污泥進行消解，利用原子吸收分光光度計、原子熒光光譜儀對某城鎮(zhèn)污水處理廠污泥中部分重金屬含量進行了監(jiān)測[1-4]，并使用《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)、《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置農(nóng)用泥質》(CJ/T309-2009)兩條標準對污泥中的部分重金屬指標進行考核，為污泥的農(nóng)用可行性提供數(shù)據(jù)支持[5-6]。

1 實驗

1.1 儀器設備、試劑

原子吸收分光光度計(Z-2000，日本日立公司)、雙道原子熒光光度計(AFS-830，北京吉天儀器有限公司)、電熱板(GM-0501，上海楚定分析儀器有限公司)，pH計(SevenEasy S20，梅特勒-托利多儀器(上海))。

本實驗所用試劑有鹽酸、硝酸、高氯酸、過氧化氫、氫氟酸、硼氫化鉀、氫氧化鉀、硫脲、抗壞血酸(以上試劑均為優(yōu)級純或保證實驗精度等級試劑，天津科密歐化學試劑有限公司)。工作曲線繪制所用標準溶液均來自環(huán)境保護部標準樣品研究所，在實驗時根據(jù)所用濃度進行稀釋。原子熒光所用氬氣和原子吸收所用乙炔氣體純度均為99.999%以上。

由于實驗所用玻璃儀器和采用工具等可能受到污染，在使用前應使用硝酸浸泡一晝夜，取出后用自來水、蒸餾水依次沖洗瀝干后使用。實驗采用全程序空白。

1.2 樣品的采集

本實驗所用污泥樣品為廠區(qū)內(nèi)污泥經(jīng)過壓濾機壓濾后的泥餅。為保證產(chǎn)品的代表性，需要采集不同時段的泥餅樣品，帶回實驗室混合后分析。本次試驗共采集6個時段的污泥樣品，將泥餅轉入塑料器皿中，帶回實驗室。將采集到的污泥樣品攤鋪在專用的搪瓷盤內(nèi)，自然風干。使用木質工具將污泥敲碎，過100目尼龍篩，使樣品全部通過尼龍篩，四分法取樣，保留一份樣品用于測定。

1.3 污泥樣品的消解

取十二個聚四氟乙烯坩堝，每個樣品稱取兩次(一份用于原子熒光測定，編號為1-6；一份用于原子吸收測定，編號為7-12)。稱取0.5000 g制備好的污泥樣品于坩堝內(nèi)，加入硝酸和高氯酸的混酸10 ml(硝酸：高氯酸=4：1體積比)，調節(jié)電熱板溫度為280 ℃至有黃煙冒出，然后調低電熱板溫度至180℃，使混合溶液微沸狀態(tài)，繼續(xù)加熱至溶液透明或者無明顯顆粒態(tài)時，繼續(xù)加入2.5 ml氫氟酸，飛硅后加熱至剩余1.0 ml左右，停止加熱。用于原子熒光測定的消解液，則使用鹽酸(鹽酸：水=1：1體積比)進行洗滌，同時加入抗壞血酸和硫脲(0.05 g/ml)各2.5 ml，定容到50.00 ml后用于測定；而原子吸收測定的消解液轉移至50.00 ml容量瓶中后，使用3%的硝酸多次洗滌坩堝，一并轉移至容量瓶中，定容備用。

1.4 儀器參數(shù)

原子熒光光度計參數(shù)設置為：汞燈電流30 mA、負高壓270 V；砷燈電流60 mA、負高壓270 V，自動進樣器進樣，且?guī)в凶詣酉♂尮δ堋?/p>

原子吸收分光光度計不同元素參數(shù)設置如下：銅、鉛、鎘、鎳、鋅波長分別為324.8、283.3、228.8、232.0、213.9 nm；燈電流分別為6.5、6.0、6.0、6.0、6.5 mA；波長狹縫1.3、1.3、1.3、0.2、1.3 nm；銅、鉛、鎘、鎳、鋅火焰高度均為7.5 mm。曲線繪制情況見表1。

1.5 樣品測試

與1.4曲線繪制條件一致，每個樣品測定一次，取6個樣品測定值的平均值作為污泥樣品測定值。如樣品濃度過高，原子熒光光譜儀自動稀釋后重新測定；原子吸收則使用人工進行稀釋，以保證數(shù)據(jù)的有效性。

表1 工作曲線繪制

續(xù)表1

本項目為便于對污泥進行評價，需要對污泥的pH進行測定。測定方法為稱取10 g污泥樣品，加入25 ml蒸餾水，輕輕搖動，使水土充分混勻，放入磁力攪拌子在磁力攪拌器上攪拌1 min，放置30 min后測定。

2 實驗結果

2.1 測定結果

使用pH計對污泥進行pH測定，污泥樣品的pH為7.14。

本實驗是將固體轉化為液體進行測試，需要對實驗所得數(shù)據(jù)進行計算后取得樣品中重金屬的濃度，其轉化計算公式如下：

式中：C—污泥中重金屬的濃度，mg/kg； c—消解定容后樣品溶液中重金屬的濃度，mg/L(汞、砷的數(shù)值需×10-3)； 50.00—消解定容后的體積，ml； f—消解后測試液體樣品稀釋倍數(shù)； 0.5—稱取樣品的量，g。

經(jīng)過計算后，測定污泥中重金屬濃度見表2。

2.2 精密度試驗

分別取0.4 μg/L汞標準溶液和0.010 mg/L鉛標準溶液連續(xù)測定6次，汞的相對標準偏差(RSD值)為3.2%，鉛的相對標準偏差(RSD值)為2.1%，結果表明實驗精密度良好。

2.3 重復性試驗

對1號樣品平行測定6次，進行重復性實驗，結果見表3。由表3可知，1號樣品中7種金屬的相對標準偏差(RSD值)在0.7%～8.5%之間。表明實驗重復性良好。

表2 污泥中重金屬濃度測試結果 單位：mg/kg

表3 重復性試驗測試結果 單位：mg/kg

2.4 回收率試驗

選取樣品編號3和編號9兩個樣品做加標回收率實驗，砷加標回收率為89%，汞加標回收率為86%，鋅加標回收率為92%，鎘加標回收率為87%，鉛加標回收率為85%，鎳加標回收率為94%,銅加標回收率為103%。測定結果樣品加標回收率在85%-103%之間。

3 討論

以6個污泥樣品的均值作為污泥中重金屬測定的結果，使用兩種不同的標準對測定結果進行評價，評價污泥農(nóng)用的可行性[7-8]。

3.1 以《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》評價

以《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)中相關標準對污泥排放情況進行評價，評價污泥排放的達標情況，評價結果見表4。

表4 污泥排放達標情況 單位：mg/kg

由表4可以看出，污泥中重金屬的含量均在標準限值之內(nèi)。其中砷的占標率較高，但也僅為13.4%；汞的占標率最低，為0.2%，其它金屬的占標率均在10%以內(nèi)。表明此次測定的城鎮(zhèn)污泥中重金屬的含量處在較低的水平，這可能與城市的工業(yè)結構有關，不存在冶金、化工、電鍍等重金屬產(chǎn)生企業(yè)。

3.2 以《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置農(nóng)用泥質》標準評價

以《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置農(nóng)用泥質》(CJ/T309-2009)中相關標準—A級污泥對污泥排放情況進行評價，評價污泥農(nóng)用的可行性，評價結果見表5。

表5 污泥排放達標情況 單位：mg/kg

由表5可以看出，此次測定的城鎮(zhèn)污泥中7種重金屬的濃度均符合污泥農(nóng)用的A級污泥標準，經(jīng)過處理的污泥，從金屬含量方面可作為肥料施用于農(nóng)田。

3.3 潛在生態(tài)危害指數(shù)的計算

表6 潛在生態(tài)危害系數(shù)和危害指數(shù)與污染程度的關系

具體計算公式如下所示：

單個元素的污染系數(shù)Cri=Ci/Cni(式中Ci為測定值，Cni為該元素的評價標準)；

某取樣點的沉積物重金屬污染度Cd=∑Cri；

各重金屬的毒性響應系數(shù)Tri(本文數(shù)據(jù)取值見參考文獻[9])；

某一重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)Eri=Tri×Cri；

以《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置農(nóng)用泥質》(CJ/T309-2009)中相關標準-A級污泥對污泥排放情況進行潛在生態(tài)危害指數(shù)評價，評價結果見表7。

表7 潛在生態(tài)危害系數(shù)和危害指數(shù)

根據(jù)表6中的評價標準進行評價，單項重金屬的Eri數(shù)值均小于40，RI數(shù)值小于150，有一定的輕微生態(tài)危害。

4 結論

本次測定的城鎮(zhèn)污泥中，砷、汞、鋅、鎘、鉛、鎳、銅的濃度分別為10.06、0.27、240、0.119、25.3、9.6、40.6mg/kg。其排放濃度符合《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)中相關標準限值要求。如作為農(nóng)用，這7種金屬濃度符合《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置農(nóng)用泥質》(CJ/T309-2009)中相關標準-A級污泥農(nóng)用中其金屬的限值要求。計算的Eri、RI數(shù)值均表明監(jiān)測的7種重金屬具有潛在的輕微生態(tài)危害。但以本次測定的7種重金屬監(jiān)測結果進行評價，本次測定的城鎮(zhèn)污泥可以作為農(nóng)業(yè)施用，但存在一定的潛在輕微生態(tài)危害。

城鎮(zhèn)污泥屬于城鎮(zhèn)污水處理的副產(chǎn)物，在作為農(nóng)用時，要從多方面進行綜合考慮。同時，重金屬在土壤中易發(fā)生累積現(xiàn)象，如將城鎮(zhèn)污泥農(nóng)用時，要密切監(jiān)視土壤中重金屬的含量變化情況，必要時加大監(jiān)測頻次，保證重金屬不出現(xiàn)累積現(xiàn)象，對土壤環(huán)境質量產(chǎn)生影響。

[1] 于衛(wèi)榮,馬振,孫翌.微波消解-石墨爐原子吸收光譜法測定污水廠污泥和進、出水中的鎘、鉛[J].化學分析計量,2016,25(3):49-53.

[2] 王建龍,易紅星,李書軍.微波消解平臺石墨爐原子吸收法測定活性污泥中重金屬[J].中國環(huán)境監(jiān)測,2004,20(5):42-44

[3] 張金生,李麗華,陳雨艷.微波消解—火焰原子吸收法測定廢活性污泥中的銅、鋅和鎳[J].遼寧石油化工大學學報,2009,29(4):24-26.

[4] 李墨卿,王世杰.微波消解-火焰原子吸收法測定污泥中的銅、鋅[J].凈水技術,2007,26(5):71-72.

[5] 李海燕,胡曉東,吳啟航,等.廣州城市污泥中重金屬的含量、排放通量及農(nóng)用風險評價[J]. 環(huán)境工程學報,2015,9(3):1409-1416.

[6] 陳碧美.城市污泥重金屬含量及農(nóng)用風險評價[J].長春工業(yè)大學學報,2015,36(3):347-351.

[7] 張蓉,謝貽兵,花日茂,等.合肥及周邊城市污水污泥重金屬含量和農(nóng)用潛在生態(tài)風險評價[J].安徽農(nóng)業(yè)大學學報,2012,39(2):128-133.

[8] 王雨生,劉鴻雁,李瑞,等.貴州省城市污泥重金屬組成特征與農(nóng)用風險評價[J].長江流域資源與環(huán)境, 2014,23(3):392-399.

[9] 徐爭啟,倪師軍,庹先國,等.潛在生態(tài)危害指數(shù)法評價中重金屬毒性系數(shù)計算[J].環(huán)境科學與技術,2008, 31(2):112-115.

Analysis of heavy metal content in sewage sludge and evaluation of agricultural environmental risk

Xiu Yingnan

(Jiamusi Environmental Monitoring Station, Jiamusi 154004,China)

Atomic fluorescence and atomic absorption spectrophotometry were used to monitor the heavy metal content of sludge discharged from municipal sewage treatment plants. The concentrations of arsenic, mercury, zinc, cadmium, lead, nickel and copper were 10.06, 0.027, 240, 0.119, 25.3, 9.6, and 40.6 mg/kg, which was in line with Discharge Standards of Pollutant for Municipal Wastewater Treatment Plant (GB18918-2002). If the sludge was used as agricultural fertilizer, the concentrations of heavy metals in it were in compliance with class A of Disposal of Sludge from Municipal Wastewater Treatment Plant-Control Standards for Agricultural Use (CJ/T309-2009). Using the potential ecological hazard index to evaluate the enviromental risk, the RI of the monitored 7 heavy metals in the sludge was 6.368, showing a slight ecological hazard for agricultural use.

urban sludge; heavy metal; content analysis; agricultural; potential ecological hazard index

2017-01-11;2017-03-03修回

修英楠(1983-)，男，黑龍江伊春人，大學本科，工程師，研究方向：環(huán)境監(jiān)測。E-mail:longxing.2008@163.com

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