北京排水污泥重金屬含量的季節(jié)變化特征及污染風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

姚聰穎 曹吉鑫 彭祚登 * 熊建軍 賈清棋

（1. 北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，北京 100083；2. 中國林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所，北京 100091；3. 北京市排水集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100044）

1 引言

隨著我國城市化進(jìn)程的加快，城市污水處理廠的數(shù)量逐年增多，污水處理過程中的污泥產(chǎn)量持續(xù)大幅升高，使得污泥的安全處置和再利用問題受到了越來越多的關(guān)注［1］。城市污泥的處置方法主要包括投海、填埋、土地利用以及焚燒等，其中，土地利用是最適合我國國情的一種方法［2-4］。城市污泥中含有的植物養(yǎng)分元素在施入土壤后可以有效提高土壤肥力水平，促進(jìn)植物生長，但與此同時(shí)，污泥中含有的重金屬等污染物也隨之進(jìn)入土壤，這也成為限制污泥土地利用的瓶頸之一［5-6］。雖然在國家節(jié)能減排和積極的財(cái)政政策下城市污水處理的工藝得到了長足的發(fā)展，病原微生物和惡臭氣體等都得到了有效控制，但是污泥中重金屬的鈍化和去除效果由于受到季節(jié)、水源、生物種群以及處理工藝等因素的影響，可能會導(dǎo)致其含量呈現(xiàn)顯著性季節(jié)差異［7-9］。重金屬含量超標(biāo)的污泥肥料施入土壤后不僅會對土壤和地下水造成危害，還可能通過食物鏈在生物體內(nèi)形成積累引發(fā)多種病癥［10］。因此，污泥土地利用的合理施用量不僅要結(jié)合當(dāng)?shù)氐耐寥辣尘爸档纫蛩?，還應(yīng)考慮季節(jié)因素進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。然而，目前與此相關(guān)的研究仍比較少見，本文選取北京市有代表性的3 座污水處理廠的污泥為研究材料，以污泥產(chǎn)品中含量較高的銅、鋅、鉻、鎳、鉛等8 種重金屬為研究對象，通過逐月采集污泥樣品和室內(nèi)測試分析的方法，研究了污泥中重金屬含量的季節(jié)變化特征及其潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，旨在探討污泥產(chǎn)品與土壤環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)系，并為北京市污泥的土地利用提供科學(xué)依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 污泥來源

選取北京市高安屯（A）、小紅門（X）、槐房（H）3座污水處理廠的污泥產(chǎn)品，其中，高安屯污水處理廠位于朝陽區(qū)金盞鄉(xiāng)境內(nèi)，污水處理量達(dá)20 萬m3/d；小紅門污水處理廠位于朝陽區(qū)小紅門鄉(xiāng)，污水平均處理量為61.6 萬m3/d；槐房污水處理廠位于北京市豐臺區(qū)，是第一座全地下再生水廠，污水處理量約為60 萬m3/d。3 座污水處理廠均接受來自周邊其他水廠的污泥統(tǒng)一進(jìn)行處理，均采用熱水解—厭氧消化—板框脫水處理方式［11-12］，且污水來源都以居民生活用水和公共設(shè)施排水為主。

2.2 樣品采集

每月中旬從3 座污水處理廠生產(chǎn)的污泥產(chǎn)品中選取出廠時(shí)散裝堆放的產(chǎn)品，3—5 月為春季、6—8月為夏季、9—11 月為秋季、12 月—次年2 月為冬季。取樣時(shí)用采樣器斜插至堆體3/4 處，每次采樣總量不少于2 kg，將采出的樣品用四分法保留1 kg，分裝于2 個清潔的自封袋中，1 袋樣品排出空氣，密封保存；1 袋樣品混勻后再用四分法縮分成約100 g，自然風(fēng)干后用瑪瑙棒研壓通過2 mm 尼龍網(wǎng)篩，將所得樣品混勻后再用瑪瑙棒研磨，使所有樣品通過100 目（孔徑0.149 mm）尼龍篩，混勻備用。

2.3 測定指標(biāo)及方法

檢測指標(biāo)包括銅、鎳、鉻、鋅、鉛、鎘、汞、砷8 種重金屬全量。銅、鎳、鉻、鋅、鉛利用TAS-990MFG 型原子吸收光譜儀，按照《土壤和沉積物 銅、鋅、鉛、鎳、鉻的測定 火焰原子吸收分光光度法》（HJ 491—2019）測定；鎘同樣利用TAS-990MFG 型原子吸收光譜儀，按照《土壤質(zhì)量 鉛、鎘的測定 石墨爐原子吸收分光光度法》（GB/T 17141—1997）測定；汞與砷利用AFS-9700 雙道原子熒光光度計(jì)，按照《土壤質(zhì)量 總汞、總砷、總鉛的測定原子熒光法》（GB/T 22105.1—2008）測定。

2.4 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法可以全面反映各種重金屬對土壤的影響，突出高濃度污染物對環(huán)境的影響，避免平均值弱化重金屬權(quán)值的現(xiàn)象［13］。具體方法如下：首先根據(jù)公式（1）求出內(nèi)梅羅單項(xiàng)污染指數(shù)（Pi），然后根據(jù)公式（2）求出內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)（PI）。

式中，Ci為污泥中第i 種重金屬的實(shí)測值，mg/kg；Co為第i 種重金屬含量的標(biāo)準(zhǔn)限值，mg/kg；Pi-ave為污泥樣品中各種重金屬內(nèi)梅羅單項(xiàng)污染指數(shù)的平均值；Pi-max為污泥樣品中各種重金屬內(nèi)梅羅單項(xiàng)污染指數(shù)的最大值。

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)的評價(jià)等級見表1。

表1 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算和繪圖，采用SPSS 進(jìn)行單因素方差分析，并應(yīng)用LSD 法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)（p＜0.05）。

3 結(jié)果與分析

3.1 各污水處理廠污泥中重金屬的污染狀況

各污水處理廠污泥中的重金屬含量的平均值與最大值檢測結(jié)果見表2。

表2 北京3 座污水處理廠污泥中重金屬污染狀況 mg/kg

從表2 中可以看出，各重金屬的極大值都小于《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置 農(nóng)用泥質(zhì)》（CJ/T 309—2009）規(guī)定的A 級污泥限值，其中，銅、鎳的含量相對接近標(biāo)準(zhǔn)限值，其余各重金屬均遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的相應(yīng)值，說明北京3 座污水處理廠產(chǎn)生的污泥均可農(nóng)用。

3.2 污泥中重金屬含量的季節(jié)變化特征

圖1 為北京3 座污水處理廠產(chǎn)生的污泥中8 種重金屬含量的季節(jié)變化特征。

圖1 污泥中各重金屬含量季節(jié)變化特征

從圖1 中可以看出，銅的年平均含量最高，夏季A 水廠中銅、鋅2 種重金屬含量顯著低于春季（p＜0.05），而X，H 兩座水廠的相應(yīng)值在夏、秋兩季相對較高。各水廠的污泥中砷與鉛的含量在夏、秋兩季均高于春、冬兩季，其中鉛的變化幅度較為明顯，夏季含量皆達(dá)到了年內(nèi)峰值，相比于冬季其含量高出25.7%～36.7%。從3 座水廠污泥中鎳的變化特征看，夏季含量顯著高于其余季節(jié)（p＜0.05），其在A 水廠中夏季含量高達(dá)81.89 mg/kg，但在X 水廠的冬季含量僅為36.45 mg/kg。A，X 水廠中汞含量在四季中沒有顯著差異（p＜0.05），H 水廠中夏季含量顯著高于其余三季。3 座水廠中鉻在四季的變化特征不盡相同，A 水廠與H 水廠的四季變化趨勢相反，鎘含量在四季中沒有顯著差異（p＜0.05）。

圖2 為3 座水廠污泥中8 種重金屬的含量之和的四季變化特征，可以看出，A 水廠重金屬總量的季節(jié)變化差異不顯著（p＜0.05），X 水廠中夏、秋兩季含量顯著高于春季和冬季，其中夏季最高為707.97 mg/kg，與冬季的最低含量相比，高出20.4%。H 水廠中夏季重金屬總量顯著高于其他3 個季節(jié)的相應(yīng)值（p＜0.05）。

圖2 3 座水廠污泥中8 種重金屬總量的季節(jié)變化

3.3 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法評價(jià)重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)中運(yùn)用的標(biāo)準(zhǔn)值為《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置 農(nóng)用泥質(zhì)》（CJ/T 309—2009）標(biāo)準(zhǔn)中對重金屬含量控制較嚴(yán)格的A 級污泥限制。污泥中重金屬的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)及其等級見表3。從表3 中可以看出，僅在夏季中鎳的含量達(dá)到了Ⅱ級警戒級，其余數(shù)值均小于0.7，為Ⅰ級清潔狀態(tài)，銅、鎳、鉛3 種重金屬的內(nèi)梅羅單項(xiàng)污染指數(shù)均表現(xiàn)為夏季較高，冬季較低，而鉻和鋅在四季中污染指數(shù)變化不大。各季節(jié)的綜合污染指數(shù)顯示，污染風(fēng)險(xiǎn)由高到低依次是夏季、秋季、春季、冬季，各季節(jié)內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)均處于Ⅰ級清潔狀態(tài)，說明各季節(jié)的污泥施用于土壤的重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)較低。

表3 污泥中重金屬的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)及其等級

4 討論與結(jié)論

污泥中的重金屬一直以來都是限制污泥土地利用的重要因素，為探究污泥產(chǎn)品土地利用的合理施用量，人們以往關(guān)注的焦點(diǎn)大多是根據(jù)污泥施入土壤后重金屬的全量或有效態(tài)含量來確定，但忽視了污泥產(chǎn)品的重金屬含量可能隨著季節(jié)變化而發(fā)生改變。本研究發(fā)現(xiàn)，各污水處理廠污泥中的8 種重金屬含量除鎘外都存在季節(jié)性差異，X，H水廠中的銅、鋅、砷、鉛和鎳都表現(xiàn)出夏、秋季含量高于春、冬兩季，夏季和冬季的差異尤為明顯。而A 水廠與上述兩座水廠中銅、鋅的含量變化不同，夏季呈現(xiàn)降低趨勢。從8 種重金屬總量的季節(jié)變化來看，A 水廠四季變化不顯著，但其余兩座水廠夏季含量相對較高，這與楊妍妍等［14］探究的北京市區(qū)8 家污水處理廠重金屬含量的季節(jié)變化結(jié)果相似。綜合3 座污水處理廠的數(shù)據(jù)，利用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，在夏季鎳元素的含量達(dá)到了警戒級別，存在一定的污染風(fēng)險(xiǎn)。從綜合污染指數(shù)可以看出，各季節(jié)均處在安全級別，未對環(huán)境造成危害，其綜合污染指數(shù)值由大到小依次是夏季＞秋季＞春季＞冬季。

綜上所述，污泥中重金屬含量存在季節(jié)差異，且不同重金屬的季節(jié)變化特征也不盡相同。通過內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法分析發(fā)現(xiàn)，鎳在夏季污染風(fēng)險(xiǎn)達(dá)到了警戒級別。綜合污染指數(shù)值由大到小排序均為夏季、秋季、春季、冬季，表明夏季的污染風(fēng)險(xiǎn)較高，冬季較低。這可能與夏季污水中微生物含量較多，有機(jī)物被其分解成二氧化碳和水，從而使污泥產(chǎn)率下降，單位污泥中所含重金屬濃度上升有關(guān)，同時(shí)由于冬季進(jìn)水懸浮固體濃度較高，污水處理廠會投入更多的混凝劑以沉降懸浮物，致使冬季污泥產(chǎn)出增大，單位污泥中的重金屬含量降低［15］。此外，進(jìn)水水源中重金屬含量的季節(jié)變化也是影響因素之一。所以在探究北京地區(qū)將排水污泥作為有機(jī)肥施入土壤利用的過程中，應(yīng)關(guān)注夏季污泥的重金屬含量，能夠較好地規(guī)避重金屬對環(huán)境造成的污染風(fēng)險(xiǎn)。