杭州市某城鎮(zhèn)污水廠污泥重金屬含量分析及評(píng)價(jià)

諸曉鋒 周 磊 李 偉

(中煤浙江檢測(cè)技術(shù)有限公司，杭州 310000)

0 引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，城鎮(zhèn)污水處理廠的污泥產(chǎn)量也不斷增加。污泥的處理和處置受到人們的日益關(guān)注，《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置分類》（GB/T23484?2009）[1]中對(duì)污泥處理、處置方法主要進(jìn)行了分類，其中主要有以下幾種：（一）污泥土地利用：將處理后的污泥作為肥料或土壤改良的材料，用于園林綠化、土地改良或農(nóng)業(yè)等場(chǎng)合的處置方式。其中，園林綠化是用作城鎮(zhèn)綠地系統(tǒng)或郊區(qū)林地建造和養(yǎng)護(hù)等的基質(zhì)材料或肥料原料；土地改良用作鹽堿地、沙化地和廢棄礦場(chǎng)的土壤改良材料；農(nóng)業(yè)用途用作農(nóng)用肥料或農(nóng)田土壤改良材料。（二）污泥填埋：采取工程措施將處理后的污泥集中進(jìn)行堆、填、埋，置于受控制場(chǎng)地內(nèi)的處置方式。其中又分為單獨(dú)填埋和混合填埋兩種情況，單獨(dú)填埋是在專門填埋污泥的填埋場(chǎng)進(jìn)行填埋處置，而混合填埋是在城市生活垃圾填埋場(chǎng)進(jìn)行混合填埋。（三）污泥建筑材料利用：將污泥作為制作建筑材料部分原料的處置方式。可作為制水泥的部分原料或添加料、制磚的部分原料、制輕質(zhì)骨料（陶粒等）的部分原料。（四）污泥焚燒：利用焚燒爐將污泥完全礦化為少量灰燼的處理處置方式。其中又分為單獨(dú)焚燒、垃圾混合焚燒、工業(yè)焚燒爐或火力發(fā)電廠焚燒爐中作燃料利用?？梢娢勰嘧鳛橐环N固體廢棄物也有一定的利用價(jià)值，但這些處置方式中都對(duì)污泥中的重金屬含量或者污泥中重金屬的浸出毒性都有一定的限值要求，重金屬的含量直接關(guān)系到污泥的處置方式。目前對(duì)單一污水處理廠全年污泥重金屬含量測(cè)試以及污泥處置方法評(píng)估尚無文獻(xiàn)報(bào)道，本研究對(duì)杭州市某城鎮(zhèn)污水廠污泥中重金屬含量分析，根據(jù)各重金屬含量與目前國(guó)內(nèi)污泥處置相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，給出污泥處置建議，以便為其他污水處理廠污泥提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)過程

1.1 樣品采集及處理

從2020年7月到2021年6月，按照《城市污水處理廠污泥檢驗(yàn)方法》（CJ/T221?2005）[2]中污泥樣品采集方法每月對(duì)該污水處理廠產(chǎn)生的剩余污泥進(jìn)行采集，將污泥樣品分為兩份，一份做浸出毒性試驗(yàn)，一份做重金屬含量試驗(yàn)。重金屬含量測(cè)試的污泥樣品經(jīng)過105℃鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)烘干后，用研磨儀將樣品研磨至全部通過0.2mm的尼龍篩，四分法取樣，保留一份樣品用于測(cè)定。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)主要儀器設(shè)備

電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（賽默飛世爾科技ICAP-7400）；原子熒光光譜儀（北京吉天儀器有限公司AFS-933）；重金屬標(biāo)準(zhǔn)溶液（1000μg/mL，國(guó)家鋼鐵材料測(cè)試中心鋼鐵研究總院）。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)主要過程

將每月采集污泥樣品及時(shí)制備成0.2mm的分析樣品后，按照《固體廢物 22種金屬元素的測(cè)定 電感耦合等離子體發(fā)射光譜法》（HJ781?2016）[3]中電熱板消解法消解試樣，用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀對(duì)銅、鉛、鎳、鉻、鋅、鎘 6種重金屬元素通過外標(biāo)法進(jìn)行分析測(cè)試[4]；按照《固體廢物 汞、砷、硒、鉍、銻的測(cè)定微波消解 702-2014）[5]原子熒光法》（HJ微波法消解試樣后，用原子熒光光譜儀對(duì)砷和汞兩種重金屬元素通過外標(biāo)法進(jìn)行分析測(cè)試，重金屬含量全部以干污泥計(jì)，單位為mg/kg。

將每月采集濕污泥樣品按照《固體廢物 浸出毒性浸出方法 硫酸硝酸法》（HJ/T 299?2007）[6]以固液比1:10進(jìn)行浸出液制備，浸出液按照《固體廢物22種金屬元素的測(cè)定 電感耦合等離子體發(fā)射光譜法》（HJ 781?2016）[3]和《固體廢物 汞、砷、硒、鉍、銻的測(cè)定 微波消解 原子熒光法》（HJ 702?2014）[5]對(duì)銅、鉛、鎳、鉻、鋅、鎘、砷、汞進(jìn)行浸出毒性測(cè)試，測(cè)試結(jié)果單位為mg/L。儀器測(cè)試主要參數(shù)條件見表1、表2。

表1 電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀儀器參數(shù)

表2 原子熒光光譜儀儀器參數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 重金屬含量年度分析

為研究該污水處理廠污泥中各種重金屬含量分布，將各重金屬年度平均值、最大值、最小值、極差以及最大值和最小值倍數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，匯總結(jié)果見表3。從表3 中數(shù)據(jù)可以看出該污水處理廠污泥中重金屬含量從高到低依次為鋅>鉻>銅>鉛>鎳>砷>鎘>汞，該含量基本符合中國(guó)城市污泥重金屬含量情況[7，8]，其中含量最高的是鋅，達(dá)到了11055mg/kg，含量最低為汞，含量只有1.57mg/kg，由于重金屬含量差異較大導(dǎo)致重金屬含量極差也從1.4mg/kg到11850mg/kg不等，最大值和最小值倍數(shù)最大為汞（28.2倍），最小為鎳和鎘（1.7倍），從倍數(shù)關(guān)系可以看出各種重金屬中月度分布并不均勻，鎘、鎳、銅、鎘4種重金屬全年波動(dòng)較小，其他4種金屬元素波動(dòng)較大，最大值和最小值倍數(shù)為3倍以上。

表3 重金屬含量年度統(tǒng)計(jì)表

2.2 重金屬含量月度分析

為研究該污水處理廠污泥樣品中重金屬波動(dòng)情況以及探索和氣候的原因，將各月重金屬檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖1~圖8，從圖中可以看出該污水處理廠污泥中各種重金屬含量每個(gè)月都有所波動(dòng)，其中鎳元素最大值89.3mg/kg出現(xiàn)在2020年10月，最小值52.7mg/kg出現(xiàn)在2021年4月，汞元素最大值4.83mg/kg出現(xiàn)在2020年9月，最小值0.171mg/kg出現(xiàn)在2021年4月，砷元素最大值13.4mg/kg出現(xiàn)在2020年9月，最小值0.739mg/kg出現(xiàn)在2021年3月，鉛元素最大值237mg/kg出現(xiàn)在2020年11月，最小值26.7mg/kg出現(xiàn)在2021年3月，鎘元素最大值3.4mg/kg出現(xiàn)在2020年11月，最小值2.0mg/kg（方法檢出限）出現(xiàn)在2020年8月、2021年3月和4月，鉻元素最大值320mg/kg出現(xiàn)在2020年11月，最小值163mg/kg出現(xiàn)在2021年6月，銅元素最大值232mg/kg出現(xiàn)在2020年11月，最小值115mg/kg出現(xiàn)在2021年3月，鋅元素最大值17800mg/kg出現(xiàn)在2020年11月，最小值5950mg/kg出現(xiàn)在2020年7月。由此可見，該污水處理廠污泥樣品中重金屬含量隨著月份的不同而不同，這也符合GARClA-DELGADO等[9]的研究結(jié)果，但是由于最大值和最小值出現(xiàn)的月份沒有任何規(guī)律，且各重金屬含量與月份并無明顯趨勢(shì)，說明污泥中重金屬含量和氣候無明顯關(guān)聯(lián)，其波動(dòng)原因還是與污水廠污水來源與組成有關(guān)。

圖1 鉛含量與月份關(guān)系圖

圖2 鋅含量與月份關(guān)系圖

圖8 汞含量與月份關(guān)系圖

圖3 鎳含量與月份關(guān)系圖

圖4 鉻含量與月份關(guān)系圖

圖5 砷含量與月份關(guān)系圖

圖6 鎘含量與月份關(guān)系圖

圖7 銅含量與月份關(guān)系圖

2.3 浸出毒性研究

將每月所采集污泥樣品按《固體廢物 浸出毒性浸出方法 硫酸硝酸法》（HJ/T 299?2007）[6]以固液比1:10進(jìn)行浸出液制制備后，對(duì)浸出液中重金屬含量進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)干污泥重金屬總量、污泥含水率以及浸出液中重金屬濃度對(duì)各元素進(jìn)行浸出率計(jì)算，將浸出濃度值和《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn) 浸出毒性鑒別》（GB5085.3?2007）[9]中限值以及全年各重金屬浸出率平均值結(jié)果匯總于表4。

表4 重金屬浸出濃度值和浸出率統(tǒng)計(jì)表

由表4數(shù)據(jù)可以看出，該污水處理廠污泥各重金屬的浸出濃度值均滿足《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn) 浸出毒性鑒別》（GB5085.3?2007）[10]中限值要求，就重金屬而言該污水處理廠污泥不屬于危險(xiǎn)廢物。從浸出率分析，在硫酸硝酸混合酸浸提介質(zhì)中，各金屬元素浸出率都比較低，其中鎘最高為20.18%，汞最低為0.22%，其中鎘元素浸出率較高主要是因?yàn)槲勰嘀墟k的總量偏低且使用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法進(jìn)行測(cè)定時(shí)，儀器靈敏度不夠和方法檢出限太高夠造成結(jié)果偏差，其他金屬元素在HJ/T 299的酸性體系中浸出率都在10%以內(nèi)，主要是因?yàn)镠J/T 299的酸性體系是模仿固廢在不規(guī)范填埋處置、堆存或經(jīng)無害化處理后廢物的土地利用時(shí)其中的有害組分在酸性降水的影響下，從廢物中浸出到環(huán)境的過程，因此該酸性體系的酸性較弱，不足以將大量的重金屬浸提到溶液中。

2.4 污泥重金屬含量評(píng)價(jià)

我國(guó)目前現(xiàn)行有效的污泥處置相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)主要有《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置農(nóng)用泥質(zhì)》（CJ/T309?2009）[11]、《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置水泥熟料生產(chǎn)用泥質(zhì)》（CJ/T314?2009）[12]、《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置林地用泥質(zhì)》（CJ/T362?2011）[13]、《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置混合填埋用泥質(zhì)》（GB/T23485?2009）[14]、《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質(zhì)》（GB/T23486?2009）[15]、《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置單獨(dú)焚燒用泥質(zhì)》（GB/T23602?2009）[16]、《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置制磚用泥質(zhì)》（GB/T25031?2010）[17]、《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置土地改良用泥質(zhì)》（GB/T24600?2009）[18]，以上處置標(biāo)準(zhǔn)中都對(duì)重金屬含量或者浸出毒性含量有限值要求，為合理處置和利用該污水處理廠污泥，將各重金屬含量與標(biāo)準(zhǔn)限值進(jìn)行比較和評(píng)價(jià)，結(jié)果見表5。

表5 重金屬含量評(píng)價(jià)表

由表5中數(shù)據(jù)可以看出，該污水處理廠污泥中除金屬鋅以外的重金屬滿足各項(xiàng)處置標(biāo)準(zhǔn)的要求，其中鋅的含量接近最高限值的3倍，嚴(yán)重超標(biāo)，而城鎮(zhèn)污水廠污泥中金屬鋅的來源主要為管道鍍鋅、采選礦、冶煉、機(jī)械加工等，而該污水處理廠周邊并無采選礦和冶煉加工企業(yè)，最大原因?yàn)榭赡転樵撐鬯幚韽S為新建污水處理廠管道鍍鋅會(huì)導(dǎo)致鋅含量偏高，且周邊有少量機(jī)械加工企業(yè)，企業(yè)廢水并入到污水管網(wǎng)中，也導(dǎo)致了該污水處理廠污泥中金屬鋅嚴(yán)重超標(biāo)。從浸出毒性檢測(cè)結(jié)果分析，8項(xiàng)重金屬浸出含量均很低，全部滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置 單獨(dú)焚燒用泥質(zhì)》（GB/T23602?2009）[16]中限值要求，說明該污泥重金屬含量滿足單獨(dú)焚燒用，但是是否可以直接用作單獨(dú)焚燒用泥質(zhì)，還需對(duì)污泥有機(jī)質(zhì)、熱值等指標(biāo)進(jìn)行分析后方可實(shí)施。

3 結(jié)論

通過該污水處理廠一年來污泥樣品中銅、鉛、鎳、鉻、鋅、鎘、砷、汞8種重金屬含量以及浸出毒性測(cè)試、分析，發(fā)現(xiàn)該污水處理廠重金屬含量從高到低依次為鋅>鉻>銅>鉛>鎳>砷>鎘>汞；浸出毒性含量均滿足危險(xiǎn)廢物限值要求，從污泥處置方式分析該污水處理廠污泥中由于鋅含量嚴(yán)重超標(biāo)導(dǎo)致該污水處理廠污泥重金屬含量不滿足農(nóng)用、林用、填埋等處置要求，因浸出含量較低滿足單獨(dú)焚燒用泥質(zhì)的要求，所以該污水處理廠污泥需經(jīng)過重金屬去除措施后才可另做他用。為避免重金屬去除過程產(chǎn)生的大量費(fèi)用，就應(yīng)將污染控制在污水處理廠的進(jìn)水階段，將各種重金屬污水進(jìn)行分類處理，建立并完善相關(guān)法制體系，禁止將生活污水和工業(yè)污水混合排放，或先進(jìn)行一定的預(yù)處理再進(jìn)行混合處理等，從而降低各種重金屬在污泥中的含量。