城鎮(zhèn)污水處理廠污泥重金屬污染及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析

方宇媛，韓光磊，許 旻,潘 龍

(1.池州學(xué)院 材料與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 池州 247000；2.安徽池州九華發(fā)電有限公司，安徽 池州 247000； 3.池州市貴池區(qū)生態(tài)環(huán)境分局環(huán)境監(jiān)測(cè)站，安徽 池州 247000)

0 引言

城市污水處理廠在水處理過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量污泥，據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)污水處理廠運(yùn)行過(guò)程中污泥平均產(chǎn)率為1.62 tDS/104m3[1]。如此巨大的污泥產(chǎn)生量已經(jīng)成為污水處理廠的頑疾。目前，我國(guó)污水處理廠污泥處置方式以填埋為主[2-3]，不僅占用了大量土地，也帶來(lái)滲濾液、填埋廢氣、地下水污染、重金屬污染等二次污染問(wèn)題[4-6]，同時(shí)存在填埋體穩(wěn)定性等安全問(wèn)題[7]。因此，尋求污泥資源化利用途徑迫在眉睫。由于污水處理廠污泥中通常含有較高的有機(jī)質(zhì)和植物營(yíng)養(yǎng)元素，在經(jīng)過(guò)堆肥等處理之后可作為有機(jī)肥返田[8-10]。另一方面，污泥中有害物質(zhì)成分和含量隨著城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展定位、污水來(lái)源和處理工藝[11]等發(fā)生變化，使得污泥土地利用過(guò)程中存在一定風(fēng)險(xiǎn)，尤其是污泥中的重金屬對(duì)土壤環(huán)境產(chǎn)生威脅。

林敏[12]等分析了杭州6座市政污水處理廠污泥重金屬含量和形態(tài)，結(jié)果表明污泥中As、Cd的生物可利用比例超過(guò)80%，據(jù)此提出了污泥資源化利用過(guò)程的控制措施。杜慶才[13]等針對(duì)蚌埠市污水處理廠污泥，測(cè)定了其重金屬含量、賦存形態(tài)，并開(kāi)展了重金屬污染指數(shù)和健康風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分析。結(jié)果表明污泥中重金屬含量、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)、健康風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)均在安全限值內(nèi)。孟國(guó)欣[14]等通過(guò)研究揭示了北京市4座污水處理廠污泥重金屬含量存在顯著差異，不同重金屬在污泥中賦存形態(tài)差異較大，其中一座污水處理廠污泥的內(nèi)梅羅綜合指數(shù)計(jì)算結(jié)果屬于重污染水平，所有污水處理廠的潛在生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)均屬于低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平。李金輝[15]等采集某污水處理廠污泥開(kāi)展污泥農(nóng)業(yè)價(jià)值分析、重金屬含量測(cè)定和健康風(fēng)險(xiǎn)分析。結(jié)果表明，Hg、Cd分別是該污泥中非致癌風(fēng)險(xiǎn)和致癌風(fēng)險(xiǎn)的主要因子。

以上研究表明，不同污水處理廠污泥重金屬含量和污染特征存在較大差異。因此，研究城市污水處理廠污泥重金屬污染特征對(duì)揭示其可能的生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、探討最佳的污泥處置方法具有現(xiàn)實(shí)意義。為了明確池州市某城鎮(zhèn)污水處理廠污泥重金屬污染特征及其潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，采集該城鎮(zhèn)污水處理廠污泥，開(kāi)展重金屬含量分析和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，研究結(jié)論可以為污水處理廠污泥綜合利用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論參考。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與保存

該城鎮(zhèn)污水處理廠污泥加入添加劑調(diào)質(zhì)后，經(jīng)板框壓濾機(jī)處理。選擇城鎮(zhèn)污水處理廠板框壓濾機(jī)脫水處理后的污泥，隨機(jī)設(shè)置3個(gè)采樣點(diǎn)，每個(gè)采樣點(diǎn)采集樣品2 kg，帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干后混合，得到污泥樣品。去除雜質(zhì)后進(jìn)行四分法取樣，研磨過(guò)100目篩后烘干，轉(zhuǎn)入玻璃瓶中存放。

1.2 重金屬檢測(cè)方法

根據(jù)CJ/T 221—2005《城市污水處理廠污泥檢驗(yàn)方法》[16]中規(guī)定的Hg、Cd、As、Pb、Cr的檢測(cè)方法進(jìn)行測(cè)定。其中，Hg采用原子熒光法，其余均采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法。設(shè)置平行樣確保檢測(cè)結(jié)果質(zhì)量。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

1.3.1 單因子指數(shù)法

單因子指數(shù)法計(jì)算公式[17]：

(1)

式中，Pi即第i種污染物的單因子指數(shù)；Ci是第i種污染物實(shí)測(cè)濃度，mg·kg-1；C0i是第i種污染物的標(biāo)準(zhǔn)限值，mg·kg-1，其取值詳見(jiàn)表1。為了確保污泥農(nóng)用過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)在可控范圍內(nèi)，國(guó)家針對(duì)不同的污泥利用途徑，制定了相應(yīng)的重金屬含量控制標(biāo)準(zhǔn)。在已有研究中，CJ/T 309—2009《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置 農(nóng)用泥質(zhì)》作為主要參考標(biāo)準(zhǔn)被多次用于評(píng)價(jià)工作[12-14]。鑒于以上標(biāo)準(zhǔn)為推薦性標(biāo)準(zhǔn)，且國(guó)家已于2018年頒布GB 4284—2018《農(nóng)用污泥污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》[18]，因此，研究選擇GB 4284—2018《農(nóng)用污泥污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)作為評(píng)價(jià)基準(zhǔn)限值。

1.3.2 內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法

內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法計(jì)算公式如下[19]：

(2)

式中，PI為內(nèi)梅羅綜合指數(shù)；Pmax為單因子指數(shù)計(jì)算結(jié)果的極大值；Pepu為單因子指數(shù)計(jì)算結(jié)果的均值。

1.3.3 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法

(3)

(4)

式中，Ei即第i種重金屬的生態(tài)危害指數(shù)；Ti是第i種重金屬的毒物響應(yīng)系數(shù)，取值詳見(jiàn)表1[19]；Ci和C0i同上；RI為不同重金屬的總潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。

表1 C0i和Ti取值

單因子指數(shù)、內(nèi)梅羅綜合指數(shù)與對(duì)應(yīng)的污染程度及各金屬的生態(tài)危害指數(shù)、總潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)與對(duì)應(yīng)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度見(jiàn)表2[14]。

表2 Pi、PI、Ei及RI所對(duì)應(yīng)的污染程度與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平

2 結(jié)果與討論

2.1 污泥中重金屬含量分析

檢測(cè)了污泥中Hg、Cd、As、Pb、Cr的含量，具體見(jiàn)表3。結(jié)果表明，這五種重金屬元素含量差異較大，其中Hg含量最小，Cr含量最大，依次為Cr>Pb>As>Cd>Hg。從結(jié)果看，Hg、As、Pb、Cr這四種重金屬含量均低于全國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠污泥重金屬含量平均值[20]，而重金屬Cd含量超過(guò)全國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠污泥重金屬含量平均值25%。具體而言，Hg、Cd、As、Pb、Cr分別為全國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠污泥重金屬含量平均值的9.2%、125%、68.7%、42.2%、18.1%。

表3 污泥中重金屬含量

該城鎮(zhèn)污水處理廠不僅處理本廠區(qū)產(chǎn)生的污泥，還同時(shí)處理另外一家綜合污水處理廠的剩余污泥，而綜合污水處理廠的收水范圍包括工業(yè)園區(qū)生產(chǎn)廢水。因此，該污泥中重金屬的主要來(lái)源可能為工業(yè)園區(qū)企業(yè)生產(chǎn)廢水。

2.2 污泥中重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

選擇GB 4284—2018《農(nóng)用污泥污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)開(kāi)展?jié)撛谏鷳B(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究工作。采用公式(1)、(2)、(3)、(4)分別計(jì)算單因子指數(shù)、內(nèi)梅羅指數(shù)、生態(tài)危害指數(shù)和總潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。具體結(jié)果見(jiàn)表4。

從表4中數(shù)據(jù)可以得知，在基于GB 4284—2018《農(nóng)用污泥污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》A級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)前提下，單因子指數(shù)從高到低排序依次為Cd>As>Hg>Pb>Cr，其中Cd的單因子污染指數(shù)為1.17，達(dá)到輕度污染。其余重金屬的單因子指數(shù)均屬于安全范圍內(nèi)。內(nèi)梅羅綜合指數(shù)計(jì)算表明污泥屬于尚清潔水平，但其值為0.94，接近輕度污水水平。Ei計(jì)算結(jié)果顯示，單個(gè)重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平從高到低依次為：Cd>Hg>As>Pb>Cr，其中Cd的單因子潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平為35.00，屬于較高風(fēng)險(xiǎn)水平，其余均屬于低風(fēng)險(xiǎn)水平。RI計(jì)算結(jié)果為49.41，表明總潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平屬于中風(fēng)險(xiǎn)。

表4 Pi、PI、Ei及RI計(jì)算結(jié)果

研究表明，剩余污泥中Cd主要來(lái)源于金屬表面處理行業(yè)和電子設(shè)備制造業(yè)。從以上分析可知，該污泥中重金屬Cd的污染水平為輕度污染，且潛在風(fēng)險(xiǎn)屬于較高風(fēng)險(xiǎn)水平，可能與綜合性污水處理廠接納部分電子信息產(chǎn)業(yè)園污水處理廠出水有關(guān)。因此，該污泥不適合進(jìn)入耕地、園地和牧草地等土壤環(huán)境。

3 結(jié)論

該城鎮(zhèn)污水處理廠污泥中Hg、Cd、As、Pb、Cr均能檢出，其中Hg含量最小，Cr含量最大。Hg、As、Pb、Cr四種重金屬含量均低于全國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠污泥重金屬含量平均值，而Cd含量超過(guò)全國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠污泥重金屬含量平均值25%。

基于GB 4284—2018《農(nóng)用污泥污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)前提下，Cd的單因子指數(shù)最高且達(dá)到輕度污染水平，綜合污染指數(shù)屬于尚清潔水平。各重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平最高者為Cd，達(dá)到了較高風(fēng)險(xiǎn)水平，總潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平達(dá)到了中風(fēng)險(xiǎn)水平。因此，比較于土地利用方式，該污泥更適合于選擇填埋或焚燒等方式進(jìn)行處理處置。