污泥中重金属污染现状及处置方式研究

卢守舟，张 强，岳太星

（山东省环境监测中心站，山东 济南 250101）

20世纪初期，我国城市化进程进一步加快，这种城市化进程的加快也对城市污水处理厂处理能力提出了更高的要求。城市污水来源比较多，因此污水处理产生的污泥中含有的重金属污染物的种类也比较繁多，这些含有重金属的污泥会直接给城市周边的环境带来严重威胁，不恰当地进行处理，还可能会带来二次污染的危险，这就进一步加大了污水处理的负荷，形成恶性循环，所以城市的污水处理能力越来越受到人们的重视。

1 重金属来源及危害

1.1 重金属的来源

从污水中的重金属含量来看，城镇要比郊区以及农村地区高很多，这主要就是人为活动的增加带来的影响。从总体情况上来看，城市人口及工业化高度集中导致了重金属污染严重加重。污水所含的重金属有很大一部分都转移到了土壤中。城市中重金属污染主要呈现出点源污染的特点，即以一个污染源为中心，随着距离的增加周围环境中重金属的含量也逐渐下降。通过对某城市重金属污染情况进行分析可以看出，在城市中不同功能区的重金属污染情况都有所差异。一般在工业区重金属污染最严重，其次分别为老居民区、尾砂区、城市绿地以及新开发区。

城市污水中的重金属主要来自于周边有色金属厂、化工厂等，人们日常中使用的医药、烟草、油漆以及颜料等，都含有重金属物质。重金属存在于污水中，首先会对地下水造成直接的污染。在以地下水为主要水源的地区，这种污染会致人中毒，甚至诱发癌症。

1.2 重金属对环境的危害

重金属与其他污染物不同，其无法被微生物分解为无公害物质，一旦进入水体，小部分会被水中的鱼类等生物吸收，其余大部分都吸附于水中的胶体以及颗粒物上，最后经过沉降沉积在水体的底部，但是这种沉降过程十分漫长。水中重金属的浓度会随着水温的变化而有所变化，在夏季水温较高的时候浓度也是最高的。这些重金属物质对人体的危害各有不同，比如汞，以有机物的形式通过呼吸道和消化道的途径进入人体，会对人体的肾脏、脾脏以及肝脏造成危害，还会通过血液积蓄在大脑组织中，轻者造成组织炎症以及带来躁动、易怒等情绪上的变化，甚者还会出现精神紊乱的现象。再比如铜，会严重影响人体的造血功能，阻碍细胞的正常发展，还会导致消化道功能紊乱、腹泻和呕吐等现象。从这些方面都可以看出重金属污染带来的危害是十分严重的。

2 重金属在污泥中的分布

污水的来源、污水处理的工艺都影响着污泥中重金属的形态分布，同时，每一种重金属甚至同一种重金属在不同的污泥中存在的形态也不一样。为进一步了解我国污水处理厂污泥中重金属污染的现状和特征，探讨污泥的最终处置方式，笔者对污水处理厂剩余污泥中的重金属含量进行了分析。

2.1 实验信息

采用多点取样法，于某城市污水处理厂污泥脱水间采集重量约1 kg的污泥样品，样品用聚乙烯封口袋收集；待测污泥经自然风干、研细后进行预处理、分析。

采用火焰原子吸收法对污泥样品中Cd、Pb、Cr、Cu、Zn的含量进行分析；采用微波消解-原子荧光法对样品中的Hg进行分析。

2.2 结果与讨论

2.2.1 污泥中重金属含量

分析结果详见表1。由表1可知，污泥中Zn、Pb、Cr、Hg的含量均符合我国《城镇污水处理厂污染物排放标准》 （GB 18918-2002）中污泥农用的控制标准，而Cd的含量为12.4 mg/kg，高于污泥用于酸性土壤时的控制标准，但满足中、碱性土壤的标准；Cu的含量为1 751 mg/kg，略高于上述排放标准，但与欧盟的排放标准相当。

表1 污泥中重金属总量及中国和欧盟标准的比较 mg/kg干污泥

2.2.2 污泥中重金属存在形态

实验中Zn的含量偏高，这主要是由于Zn表现出强的迁移性。有研究表明[3]，Zn容易被氧化和还原，在曝气沉砂池以及初淀池中，Zn被铁锰的水合物吸收沉淀，主要是以Fe-Mn氧化态的形式沉淀下来；在生化处理阶段，主要是通过离子交换和表面吸附的方法处理，造成污泥中Zn主要以不稳定的可交换态大量存在。

Cu在总量上超出了我国的标准，但有研究表明[1]，在BCR连续提取处理法中，Cu的可氧化态以及残渣态可占Cu污染物的95%左右。正是由于Cu在污泥中主要是以硫化物和通过与有机物结合的方式存在，Cu与污泥的结合能力很强也比较稳定，在排放之后不易释放，不易对环境造成危害。

Cd超过了污泥农用于酸性土壤时的控制标准，这可能与Cd主要以稳定的残渣态存在于污泥中有关，从而造成水中的Cd很容易在初沉池以及二沉池以硫化物的形式沉淀进入污泥。尽管有研究表明[1]，污泥中Cd的可氧化态以及可还原态仅占了30%左右，由于其具有剧毒性，应加强这类含有Cd的污泥的排放或农用与酸性土壤的管理，否则会对环境带来很大的污染风险。

此外，研究表明[3]Cr在污泥中也主要以氧化态和残渣的方式存在，占总量的43.73%左右，其他部分都是以铁锰氧化物的形态存在，可交换态的形式存在量非常微少，尤其在偏碱性的水中。这是因为Cr通常以三价离子的形式存在，很容易与水中的OH-形成沉淀，几乎可以完全沉淀。这些沉淀会与铁锰氧化物结合形成结核状，不易漂移。

由于Pb容易形成氧化物的特性，Pb大量地以残渣态存在，平约可达总量的92.8%左右；Hg在污泥中的含量是几类重金属中最少的，并且本身都以残渣的形式存在，这也使得污泥中的Pb、Hg不易释放，对环境威胁相对不大。

3 污泥重金属的处理方法

世界各国一直在探讨污泥的有效处置方式，当前常用的方式包括填埋、农林回用及能源回收、污泥材料化等。我国当前最主要的处置方式是农林回用，但现有的控制标准仅对农林回用污泥中的重金属浓度进行了控制，对于污泥回用的施用量尚无控制标准。鉴于污泥农林回用会使重金属在土壤中长期蓄积，从源头控制、降解污泥中重金属的含量十分关键。对污泥中的重金属进行固定处理和沥滤处理是相对简单、有效的方法。

3.1 固定技术

在重金属的固定技术中，目前国内比较常用的主要有在堆肥过程中添加固定剂、碱性固定技术以及热处理技术。

3.1.1 在堆肥过程中添加固定剂

污泥中重金属物质的有效性与重金属的存在形态息息相关，不易漂移的硫化物形态以及碳酸盐、沉淀物的生物有效性低，即对生物带来的危害比较低。采用常规的堆肥技术可以对有机质造成破坏，当温度升高到60～70℃时还可以杀菌。但是这种方法无法降低重金属含量。在污泥堆肥过程中，通过添加一定量的煤灰或者偏碱性的物质（例如铁矾土等）作为固定剂，提高污泥的碱性。这样重金属就可以在嗜热阶段形成沉淀，吸附在碱性物质上，从而有效固定重金属元素。

3.1.2 碱性固定技术

碱性固定就是把污泥饼与掺合剂进行混合，使这种混合物变成pH值达到12，干燥度达到50%，易碎的、类似土壤的物质，这种技术是在使用石灰石来稳定的工艺基础上发展而来的。研究表明[4]，在污泥的pH值超过12之后，由于干燥度的升高，污泥就形成了易碎的土块，在降低重金属溶解性的过程中也把重金属的存在形式变为稳定态，也可以有杀菌的作用。

3.1.3 热处理技术

热处理技术即高温热处理技术，可以有效杀灭病原菌，还可以转变重金属在污泥中的存在形态，与未热处理的污泥相比，可交换态含量有明显的下降。

3.2 重金属的沥滤

重金属的沥滤与固定技术相反，首先增加酸性物质来降低污泥的pH值，目的是将污泥中的重金属物质转化为溶解态，通过沥滤将其在液体中分离去除。重金属的沥滤主要有化学沥滤和生物沥滤两种方法。

3.2.1 化学沥滤法

化学沥滤就是通过加无机酸或者酸性的络合剂从污泥中溶解出重金属。有研究表明，通过硝酸对污泥进行沥滤后，Cu的沥滤率可以达到86.7%，而Ni的沥滤率能达到100%。虽然在研究中取得的效果很不错[2]，但是从实际来考虑，无机酸以及络合剂不但不经济，酸性的物质还会对土壤以及水体带来严重的影响。如果仅仅依靠酸来降低污泥的pH值，对重金属硫化物转化为离子态不利。如果在化学处理的过程中加入双氧水来提高污泥的氧化还原电位，就可以提高重金属的沥滤效果。

3.2.2 生物沥滤法

相比于化学沥滤的方法，生物沥滤方法成本更低。生物沥滤法也是增加污泥的酸性，但是是利用在污泥中的硫杆菌来产生酸，从而将重金属物质从固化态转化为可溶性的离子态，从而从污泥固相中除去重金属。在国内，污泥中利用的硫杆菌主要为氧化亚铁硫杆菌和氧化硫的硫杆菌两种。这两种菌类广泛存在于我国大部分地区，可以通过将重金属的硫化物形态转换为硫酸盐从而沥滤出来。

4 结束语

以我国现有的污水处理能力，比较可靠的污泥处理方法主要有焚烧、填埋以及处理之后的再利用。其中污泥处理的再次利用是比较理想的方法，但是由于城市污水中含有大量的工业污水，其中的重金属会在处理过程中转移，也给这种方法带来了很多棘手的问题。通过对城市污水中重金属污染情况进行简要分析，并对污泥中重金属存在的不同形态以及处理方法进行讨论发现：为了减轻重金属的污染，从源头控制、降解污泥中重金属的含量十分关键。污水处理厂主要可以从以下几个方面来考虑：

（1）由于重金属元素在污水处理的不同阶段所存在的形态以及含量都有很大的变化，污水处理厂应根据其接纳污水的特点优化污水处理工艺，控制重金属在污泥中的存在形态，使其最大程度地以稳定态的形式被固定下来。

（2）加强对污水处理厂污泥的监测、监控，依据污泥中重金属的含量及类别选择固定、沥滤等合适的处置方式，进一步固定、降解污泥中的重金属。

（3）我国现有的控制标准仅对农林回用污泥中的重金属浓度进行了规定，对于污泥回用的施用量尚无控制标准。应加快与我国相适应的污泥回用施用量的相关标准的制定，避免污泥回用使重金属在土壤中长期蓄积，造成二次污染。

[1]卢吉文，陈萍丽，赵秀兰.传统活性污泥法处理城市污水过程中重金属的变化研究[J].环境污染与防治，2008，30（05）：29-32.

[2]郭广慧，杨军，陈同斌，等.中国城市污泥的有机质和养分含量及其变化趋势[J].中国给水排水，2009，25（13）：14-15.

[3]冯春，杨光，杜俊，等.污水污泥堆肥重金属总量及形态变化[J].环境科学研究，2008，21（1）：97-102.

[4]赵鸣，吴广芬，李刚.污泥资源化利用的途径与分析[J].环境科学与技术，2005，28（2）：92-94.

[5]任爱玲，王启山，郭斌.污泥活性炭的结构特征及表面分形分析[J].化学学报，2006，64（10）：1068-1072.

[6]陈同斌，黄启飞，高定，等.中国城市污泥的重金属含量及其变化趋势[J].环境科学学报，2003，23（5）：561-569.