污水處理廠污泥中重金屬含量調(diào)查與分析

劉 泉，張 彥

(南通大學(xué) 杏林學(xué)院，江蘇 南通 226236)

1 引言

隨著我國城市的發(fā)展和城市人口的增長，相應(yīng)產(chǎn)生的污水量及伴隨污水的污泥量隨之增加，污泥處理和循環(huán)再利用成為國內(nèi)外共同的研究方向。由于工業(yè)化水平的提高，污泥中不可避免含重金屬。重金屬污染治理難，危害大。如若被重金屬污染的污泥進(jìn)入土壤，重金屬將會擴(kuò)散后進(jìn)入地下水，進(jìn)而污染地下水體圈[1～5]。被污染的污泥排入農(nóng)田，重金屬元素經(jīng)作物吸收和累積作用，將會通過食物進(jìn)入動物和人體，抑制機(jī)體細(xì)胞的活性，導(dǎo)致生長緩慢和繁殖能力下降。當(dāng)重金屬污染農(nóng)田時，會出現(xiàn)毒性過高、土壤板結(jié)、作物不能正常生長等問題[6～8]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對城市重金屬污染問題的研究做了很多研究工作[9～14]，城市污水處理過程中大部分有害物質(zhì)進(jìn)入污泥，而污水中50%～80%以上的重金屬會伴隨吸附作用和沉積作用進(jìn)入污泥。城市污水中的重金屬主要來自工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢水、生活污水及雨水等，由于不同區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式及經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、居民生活習(xí)性的不同，污水成分也各不相同，導(dǎo)致不同區(qū)域污泥重金屬含量差異巨大[15,16]。目前，對于某市污水處理廠中污泥的重金屬含量的調(diào)查與分析并不多見。本文以該市11家污水處理廠中的污泥為樣本，測定其重金屬含量并進(jìn)行了分析。以期為保護(hù)該城市生態(tài)環(huán)境、保障居民身體健康提供參考。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域常年氣候溫和。南北最長約110 km，東西最寬約為160 km。采樣點分布在該市6個區(qū)域(圖1)。本研究在這6個區(qū)域中選取11家污水處理廠污泥為樣本，具體采樣點見圖1。

(1：1號污水處理廠(區(qū)域一)，2：2號污水處理廠(區(qū)域一)，3：3號污水處理廠(區(qū)域二)，4：4號污水處理廠(區(qū)域二)，5：5號污水處理廠(區(qū)域三)，6：6號污水處理廠(區(qū)域三)，7：7號污水處理廠(區(qū)域四)，8：8號污水處理廠(區(qū)域四)，9：9號污水處理廠(區(qū)域五)，10：10號污水處理廠(區(qū)域五)，11：11號污水處理廠(區(qū)域六))圖(以下均用數(shù)字代表采樣點)

2.2 樣品處理及測試

2.2.1 樣品采集與處理

采樣工具包括鐵鍬、半圓竹筒、白布樣袋、自封袋、標(biāo)簽等。采回的污泥樣本放到實驗室內(nèi)陰涼處自然風(fēng)干，除去碎石和礫石等雜物，等污泥中的水分基本蒸發(fā)散失用木棍壓碎、研磨，過篩后進(jìn)行化學(xué)分析。

2.2.2 重金屬測定分析

將處理好的樣品各稱取0.1 g，置于錐形瓶中，利用王水消解后，去離子水稀釋至100 mL。參考國標(biāo)(GB/T 11066.11-2021,GB/T 36690-2018)進(jìn)行金屬離子含量測定。

3 結(jié)果與討論

11家污水處理廠處理的污水來源存在差異，其中2號、3號和9號工廠主要處理工業(yè)廢水和部分生活污水， 1號、4號、5號、7號、8號、10號、11號主要處理生活污水和部分工業(yè)廢水。6號處理廠處理的廢水工業(yè)廢水與生活污水各占1/2。

3.1 金屬含量分析

5號污水處理廠污泥的砷污染超過了國標(biāo)的規(guī)定，為79.995 mg/kg(干污泥)，11號污水處理廠的含量次之，為62.385 mg/kg(干污泥)。其他污水處理廠都遠(yuǎn)低于國標(biāo)(GB 18918-2002)，其中1, 2, 4, 6, 8, 9號等幾個污水處理廠砷的濃度均在20.000 mg/kg(干污泥)以下，其中8號污水處理廠污染水平最低，為8.455 mg/kg(干污泥)(圖2)。所有樣品平均值為30.166 mg/kg(干污泥)。元素 As 污染大多來源燃煤塵、制藥、化肥生產(chǎn)等。5號和11號污水處理廠分別位于區(qū)域三和區(qū)域六，這兩個區(qū)域的第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值相對其他區(qū)域并無明顯優(yōu)勢。因此，化肥的使用并非As污染的主因。5號樣本的污染主要是因為化工、醫(yī)療器械廠的排污，且電鍍、印染也是當(dāng)?shù)氐闹匾a(chǎn)業(yè)。11號樣本的污染主要是因為當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)的電鍍、電子、合金、畜禽養(yǎng)殖污染等行業(yè)和新興的機(jī)械行業(yè)的發(fā)展帶來的影響。整體來看，該地區(qū)砷污染較輕，絕大多數(shù)都低于國家標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)值。

圖2 各采樣點中金屬As含量

所有污泥樣品中除了11號樣品的鎘接近國標(biāo)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值，其余樣品均低于國標(biāo)的規(guī)定(圖3)。除了3號污水處理廠的鎘污染為2.063 mg/kg(干污泥)，其他廠均低于1 mg/kg(干污泥)，所有樣品平均值為0.947 mg/kg(干污泥)。其中8號污水處理廠的鎘污染程度最輕，為0.083 mg/kg(干污泥)。11號樣品鎘含量最高，明顯受到外來污染，推測為當(dāng)?shù)鼗噬a(chǎn)、農(nóng)用地塑料薄膜生產(chǎn)應(yīng)用的熱穩(wěn)定劑，以及機(jī)械、電子等行業(yè)的三廢污染造成的。

圖3 各采樣點中金屬Cd含量

1、3、5三家污水處理廠的汞污染均超過了國標(biāo)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值，分別為20.31、36.361、60.709 mg/kg(干污泥)，其中5號污水處理廠Hg含量最高，超過了標(biāo)準(zhǔn)值(圖4)。這是因為當(dāng)?shù)鼗?、印染、電鍍等傳統(tǒng)行業(yè)比較發(fā)達(dá)。10號處理廠污染最輕，為0.896 mg/kg(干污泥)。所有樣品平均值為13.050 mg/kg(干污泥)。汞污染相比于鎘污染嚴(yán)重，但整體來說多數(shù)汞含量低于國家標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)值。Hg污染推測可能是由于對農(nóng)藥、化肥等的長期施用，另外不同來源有機(jī)肥的施用對土壤重金屬含量的影響也不容忽視。此外，還有汽車尾氣排放、居民生活垃圾以及工業(yè)廢料不合理排放等影響。

圖4 各采樣點中金屬Hg含量

11號污水處理廠污泥中鎳含量為118.627 mg/kg(干污泥)，超過了酸性土壤上規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值(圖5)。其他污水處理廠所取樣本中鎳含量均低于國標(biāo)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值。所有樣品平均值為61.280 mg/kg(干污泥)。其中7、8號污水處理廠的鎳污染程度最低，為22.913、24.548 mg/kg(干污泥)。這兩處采樣點均位于區(qū)域四，其他區(qū)的污染程度相近。區(qū)域六樣品中鎳含量最高，可能是在該區(qū)域中傳統(tǒng)的電鍍、電池、電子、合金和印染等工業(yè)，以及畜禽養(yǎng)殖污染等行業(yè)和新興的機(jī)械行業(yè)污染影響。

圖5 各采樣點中金屬Ni含量

從整體來看，本次樣本中所有污水處理廠的鉻污染基本都低于國標(biāo)(GB 18918-2002)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值(圖6)。其中鉻污染程度最低的10號廠為64.383 mg/kg(干污泥)。所有樣品平均值為215.128 mg/kg(干污泥)。6號樣本中鉻含量最高，推測為受當(dāng)?shù)赜∪尽㈦婂?、電子等行業(yè)發(fā)展的影響。

圖6 各采樣點中金屬Cr含量

該市所有污水處理廠的鉛污染都低于國標(biāo)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值，污染程度較輕(圖7)。其中最高的3號污水處理廠為107.985 mg/kg(干污泥)，最低的9號污水處理廠為11.99 mg/kg(干污泥)。所有樣品平均值為29.199 mg/kg(干污泥)。Pb 元素是汽車排放污染的標(biāo)識元素之一，其含量與當(dāng)?shù)馗咚侔l(fā)展的交通量成正比。

圖7 各采樣點中金屬Pb含量

由圖8可見，在測定的11個樣本中，污泥中的Zn含量最高的是5號污水處理廠，為1958.6 mg/kg(干污泥)，7號污水處理廠的含量最低，為271.73 mg/kg(干污泥)。所有樣品平均值為833.023 mg/kg(干污泥)。城市土壤中Zn的主要來源之一是汽車輪胎添加劑。隨著汽車保有量的增加，造成土壤中的Zn含量也增加。Zn含量在本次測試的元素中排第2，這跟當(dāng)?shù)爻鞘谢M(jìn)程快，私家車數(shù)量多, 增加了輪胎與地面的磨損，汽車尾氣排放增加等原因有關(guān)。整體來看，該地區(qū)鋅污染較輕，Zn的含量低于國標(biāo)(GB 18918-2002)。Fe的含量遠(yuǎn)高于其他金屬，在第6號采樣點達(dá)到最大值為273746.382 mg/kg(干污泥)(圖9)?？赡苁且驗楫?dāng)?shù)罔F礦的發(fā)掘，以及相關(guān)絮凝劑的使用有關(guān)。

圖8 各采樣點中金屬Zn含量

圖9 各采樣點中金屬Fe含量

3.2 金屬含量討論

綜上所述，5號污水處理廠污泥的砷污染超過了國標(biāo)的規(guī)定。該市所有污水處理廠的鎘污染、鉻污染和鉛污染都低于國標(biāo)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值，含量分別在0.083～5.371 mg/kg(干污泥)、64.383～530.976 mg/kg(干污泥)、11.99～107.985 mg/kg(干污泥)。11號污水處理廠污泥中鎳含量為118.627 mg/kg(干污泥)，超過了酸性土壤上規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值，低于堿性標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)值。1、3、5號三家污水處理廠的汞污染均超過了國標(biāo)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值，分別為20.31、36.361、60.709 mg/kg(干污泥)，其中污染最為嚴(yán)重的是5號污水處理廠，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了標(biāo)準(zhǔn)值。比較污水來源不同的污水處理廠會發(fā)現(xiàn)，主要處理工業(yè)廢水的污水處理廠污泥中的鐵含量、汞含量、鎳含量、鋅含量都比較高。所有樣本中鐵的含量最高，可能是因為當(dāng)?shù)罔F礦的發(fā)掘，或者是相關(guān)絮凝劑的使用。鋅含量次之，這與當(dāng)?shù)爻鞘谢M(jìn)程快、私家車數(shù)量多、增加輪胎與地面的磨損以及汽車尾氣排放增多等原因有關(guān)。

分析結(jié)果表明，此次研究樣本中重金屬含量由高到低排列順序為：Fe(68921.59 mg/kg)，Zn(833.023 mg/kg)，Cr(215.128 mg/kg)，Ni(61.280 mg/kg)，As(30.166 mg/kg)，Pb(29.199 mg/kg)，Hg(13.050 mg/kg)，Cd(0.947 mg/kg)?？傮w看來本次調(diào)查研究的城市重金屬污染不嚴(yán)重。研究的11個樣本來自該市6個區(qū)域，這6個區(qū)域地理位置相似，人口、經(jīng)濟(jì)以及三產(chǎn)結(jié)構(gòu)均相似，污染的主要原因由于城市內(nèi)部各區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展側(cè)重點不同，相應(yīng)重金屬元素含量分布也不同。區(qū)域一的重金屬污染較輕；區(qū)域二的鉛、汞、隔、砷污染是因為當(dāng)?shù)氐募徔棙I(yè)、金屬制品業(yè)、化工污染嚴(yán)重，并且存在船舶企業(yè)將廢舊油漆桶隨意丟棄的現(xiàn)象；區(qū)域三的鉻、鎳、汞、砷污染是因為化工、醫(yī)療器械廠違規(guī)排污，且環(huán)保部門監(jiān)管缺位，并且電鍍、印染也是當(dāng)?shù)氐闹匾a(chǎn)業(yè)；區(qū)域四的鎘污染可能是因為機(jī)械、電子等行業(yè)和農(nóng)業(yè)上過度化肥農(nóng)藥引起的；區(qū)域五的鉻、鎳污染是因為當(dāng)?shù)赜∪尽㈦婂?、電子等行業(yè)發(fā)達(dá)；區(qū)域六的鎳、砷污染主要是因為本地傳統(tǒng)的電鍍、電子、合金、畜禽養(yǎng)殖污染等行業(yè)和新興的機(jī)械行業(yè)污染嚴(yán)重。

4 結(jié)論

本文實地采集了11家污水處理廠的污泥樣本，測定其金屬離子含量。得出結(jié)論：該地區(qū)重金屬含量由高到低排列順序為：Fe(68921.59 mg/kg)，Zn(833.023 mg/kg)，Cr(215.128 mg/kg)，Ni(61.280 mg/kg)，As(30.166 mg/kg)，Pb(29.199 mg/kg)，Hg(13.050 mg/kg)，Cd(0.947 mg/kg)。根據(jù)分析結(jié)果，該市污水處理廠污泥中重金屬含量均較低，大多數(shù)污水處理廠污泥重金屬含量未超過國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值。該地區(qū)各元素均受到人為源的干擾，主要污染源有工業(yè)活動、煤炭燃燒和交通尾氣等。任何一個區(qū)域污染源都不是單一的，其污染原因復(fù)雜多樣。

對于重金屬污染防治，建議種植對重金屬元素綜合抵抗力較強(qiáng)的喬、灌、草、藤植物，合理布局，建立穩(wěn)定性及可持續(xù)性的生態(tài)系統(tǒng)，從而對重金屬進(jìn)行植物修復(fù)和消除重金屬污染元素的流動性；加強(qiáng)對農(nóng)藥和化肥的質(zhì)量檢查，把控兩者的使用量，避免重金屬直接對土壤造成持久性危害。因地制宜地施入一定量的農(nóng)用石灰性物質(zhì)(硅酸鈣、熟石灰等)來調(diào)整土壤酸堿度，從而降低重金屬元素的活性；避免含重金屬元素農(nóng)藥、無機(jī)化肥、有機(jī)肥和垃圾肥等的施用和污水灌溉；嚴(yán)格限制化學(xué)土壤改良劑使用量，或改用生物土壤改良劑。另外，監(jiān)督、管理一些廢棄物(主要為建筑垃圾和生活垃圾等)在綠化區(qū)的堆放，防止污染。