污水处理厂脱水污泥中重金属的分布规律

徐 骏，朱 伟

(河海大学环境学院，江苏 南京 210098)

随着我国城镇化水平不断提高，污水处理设施建设得到了高速发展，但是污水厂的建设及运行过程中产生了大量剩余污泥，截至2011年底，我国脱水污泥年产量已超过2 000万t［1］。我国一些城镇中，各类工业废水占城市污水总量的百分比一般介于30% ～70%，有的甚至可达80%［2］。由于工业废水中重金属含量高，污泥脱水回流至集水井再重复处理，造成重金属积累，造成了污水处理厂污泥普遍含有不同程度的重金属。

2003 年，污泥农用在欧洲的丹麦、西班牙、法国等国比较普遍［3］，美国污泥农用比例在30%以上［4-5］。对我国而言，通过堆肥化处理将污泥进行农用是资源化利用的主要途径之一。然而在污水处理过程中，70%～90%的重金属会通过吸附或沉淀而转移到污泥中［6］。遇到降雨时，污泥中的重金属随水流迁移，可能会对地下水造成二次污染;随着水流的搬运作用，污泥中的重金属还会对水体生物或者土壤耕作植物产生一定的毒害作用。污泥中的重金属以何种形态赋存，能否容易地被生物利用是污泥资源化利用中必须解决的问题。针对这一问题，本文通过对污泥［7］分离成为有机质残片、细菌菌体、无机颗粒、胶体4个部分，研究重金属在4种成分中的赋存特征，希望通过这一特征研究了解重金属的生物利用性质。

在污泥成分研究方面，MacNicol等［8］通过沉降、离心将污泥区分为颗粒态、生物絮团、胶粒和水溶态4个组分，其中生物絮团组分和颗粒态组分占到了污泥总量的99%。周立祥等［9］针对北京高碑店污水处理厂的浓缩污泥试验研究发现，污泥大部分由生物絮团组成，且重金属大部分赋存在生物絮团组分里。岩井重久［10］把处理厂从污水中分离出来的污泥分为有机污物和无机污物组成，消化污泥固体约含55%的有机相和45%的无机相。何品晶等［11］把污泥分为固相和流动相，其中固相包括有机相和无机相，流动相包括水分和水溶性组分。MacNicol对污泥组分的区分方法比较直观，成为较为常用的分离方法。本文使用这一方法，以江苏3个污水处理厂为对象，将污泥分离为无机相、有机相和流动相;进一步将无机相分为颗粒组分，有机相分为生物絮团和胶粒组分，流动相分为水溶性组分和水，研究了重金属在各组分中分布的数量和形态，为污泥的后续资源化利用提供基础性数据参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验污泥用污泥分别取自南京市江心洲污水处理厂、昆山市污水处理厂和苏州吴中区城南污水处理厂，污泥取回后装入密封袋后至于4℃的冰箱中密封保存，3种污泥样品的基本指标见表1，其中表2数据为干污泥中重金属含量。

表1 污泥的基本指标 %

表2 污泥中重金属含量 mg/kg

1.2 试验方法

1.2.1 污泥组分分离方法

采用文献［8］方法，利用污泥中各组分密度不同来把污泥区分为颗粒态、生物絮团、胶粒和水溶态。

1.2.2 重金属质量分析

采用HNO3-HClO4消解法［12］对样品进行消解，用电感耦合等离子发射光谱仪(ICP－AES)分析样品中 Cu、Zn、Pb、Cd、Cr和 Ni 6 种重金属浓度，其中水溶态中重金属质量是通过取20 mL上清液测定其中的重金属浓度来计算。其计算公式为

M=ρV

式中:M为重金属质量，mg;ρ为上清液重金属质量浓度，mg/L;V为上清液体积，L。

2 结果与讨论

2.1 污泥组分分布

污泥采用文献［8］方法分成4个组分，常温风干，称量得到各组分干物质质量，图1为污泥分离后各组分干物质占干污泥的百分比，以干污泥质量为基数来计算，3种污泥组分分离后，干物质主要由生物絮团组分组成，随着含固率的降低，生物絮团组分占干污泥总质量的比例也呈现降低趋势，江心洲污水处理厂生物絮团组分污泥最高达到了干污泥总质量的86%，而昆山污水处理厂的污泥仅为52%。生物絮团和颗粒态组分的总质量分数在江心洲污水处理厂中达到了干污泥总质量的94%、吴中区城南污水处理厂达到了89%，与MacNicol和Beckett得到的生物絮团和颗粒态组分占总量的99%结果相近，而昆山污水处理厂的这两种组分仅占67%，可能是因为昆山污水处理厂的污泥含固率太低，影响了颗粒态、胶粒和水溶态的分布，使得三者比例越来越接近;另一方面，各地污水处理厂的污水来源与性质不相同，而且处理工艺也不同，因而导致昆山市污水处理厂的污泥组分分布差异。

图1 各组分干物质占干污泥的质量分数

由于污水处理厂的污泥含水率到达了80%左右，经过 MacNicol和 Beckett的方法［8］分离后，水溶态组分中除了水溶态还应包含了污泥中80%的水分，为了更好地还原污水处理厂污泥性质，现把污泥分为颗粒、生物絮团、胶粒、流动相4个组分，测定在这4个组分在原污泥中的分布。图2为污泥分离后各组分占污泥原泥总量的百分比，以湿污泥的质量为基数进行计算(把污泥的水分全算入流动相)。从图2中可以看出流动相组分含量最大，分别占到了江心洲、昆山市、吴中区污水处理厂污泥的77.69%、91.16%、83.57%，而污泥的含水率分别为77.05%、89.61%、82.27%。流动相组分比例大于污泥的含水率是因为流动相组分中除了包括污泥中的可溶性胶状有机相质和无机离子，还包括污泥本身的水(表面吸附水、间隙水、毛细结合水和内部结合水)。生物絮团组分在污泥中所占比例也比较大，分别占到了3家污水处理厂污泥总量的19.75%(江心洲)、5.42%(昆山市)、12.10%(吴中区)，而污泥的含固率分别为22.95%、10.39%、17.73%(表1)，可以看出，污泥中生物絮团组分的百分比与含固率是基本相等的，而且污泥中的固体主要为生物絮团组分，其次为颗粒组分和胶粒组分，这两个组分仅占3个污水处理厂污泥中的2.56%、3.42%、4.33%，但是颗粒组分比例大于胶粒组分。

图2 各组分占污泥的质量分数

由此可见，在污泥原泥中，流动相组分的比例是最大的，其次是生物絮团组分，然后是颗粒组分、胶粒组分。与各组分干物质占干污泥的比例有较大差异，其中起主要原因的还是污泥中的各种状态的水。由于工程实践中需要了解污水厂原污泥的性质及重金属在其中组分的分配，才能更好地进行污泥的资源化利用。

2.2 污泥处理厂原泥各组分中重金属质量分数

图3 湿污泥中各组分重金属分配比例

图3是4种组分中的重金属占湿污泥中的重金属总量的百分比。从图3中可以看到，在江心洲污水处理厂和昆山市污水处理厂的污泥中重金属(Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni)主要存在于流动相组分，其次在生物絮团、颗粒和胶粒组分。其中流动相组分中的重金属质量分数可以占到污泥中重金属总质量的60%以上，个别可以到达100%。在同种污泥中不同重金属分布也不同，大致可以分为3类:其中Pb、Cd为第1类，流动相组分中的Pb、Cd质量分数占到了污泥中重金属总质量的90%以上;Zn、Cr、Ni为第2类，流动相组分的这3种重金属质量分数占污泥中重金属总质量的80%左右，生物絮团这3种重金属质量分数约占污泥中重金属总质量的10%，胶粒和颗粒组分中的这3种重金属质量分数大致比例相等，占余下的10%;Cu为第3类，主要存在于流动相组分中，约占重金属总质量的60%，在其他3种组分中分布均匀。而由于污泥来源不同，吴中区城南污水处理厂中有50%的工业废水，按重金属质量分数的分布结果也可以分为3类:其中Pb、Cd为第1类，其存在于胶粒组分中;Zn、Cr、Ni为第2类，其在流动相组分中重金属质量最多占总质量的65%，胶粒组分最少;而Cu属于第3类则比较特殊，其大量存在于生物絮团中占到60%，流动相和颗粒组分中分别占20%左右，胶粒中重金属质量分数较少。

污水处理厂生活污水污泥中的重金属主要分布在流动相中，Cu在各组分分布较为平均;而在工业污水与生活污水各占50%的污泥中，Pb、Cd均分布在胶粒组分中，其他重金属主要分布在流动相组分中，其中Cu在各组分分布均匀，Zn主要分布在流动相和颗粒组分中，Ni主要分布在流动相和生物絮团组分中。

2.3 污泥处理厂原泥各组分中的重金属质量比

表3数据表示的是污泥中颗粒、生物絮团、胶粒、流动相4个组分中重金属的质量比。

以Cu、Zn为例，从表3中可以看出，Cu、Zn总体上在各组分质量比最大，其中在胶粒组分和颗粒组分中质量比最大，其次是在生物絮团和流动相中。在江心洲污水处理厂的污泥中胶粒组分的重金属质量比最大;吴中区城南污水处理厂的污泥中颗粒组分、生物絮团和胶粒组分中重金属质量比较大，而流动相中重金属质量比较小;而在昆山市污水处理厂污泥中各组分中重金属质量比相差不大。

由于颗粒态主要由粒径大于40 μm的矿物颗粒、金属、染料以及塑料组成，富集了高浓度的重金属。生物絮团组分里有大量细菌，与重金属发生了化学反应，并且吸附了分散在水中的无机沉淀，本身组分质量大，从而造成了生物絮团组分重金属质量比低于颗粒组分的。胶粒组分而因为吸附了小颗粒的无机沉淀，并且本身组分质量小，造成了胶粒组分重金属质量比很高。流动相组分中的重金属主要为离子态，重金属质量比相对较低，与原泥中重金属质量比接近，进一步表明污泥原泥中重金属质量比与流动相组分中的重金属密切相关。

3 结论

a.污泥流动相中的重金属质量占污泥重金属总质量的60% ～100%，其中生活污水的污泥重金属质量分数高于工业与生活污水各占50%的污泥重金属质量分数。无机相和有机相胶粒组分中，重金属质量比高于流动相的质量比，但无机相和有机相中胶粒组分含量在污泥中的比例远小于流动相。

b.污水处理厂中的污水来源不同，污泥各组分中重金属分布也有差异，生活污水污泥中的重金属主要分布在流动相中，Pb、Cd分布在流动相中的重金属占到了污泥重金属质量分数的90%以上，Zn、Cr、Ni分布在流动相中的重金属占总量的80%左右，Cu分布在流动相中的重金属占总量的60%左右;而在混有工业废水的吴中区城南污水厂污泥中，Pb、Cd存在于有机相中的胶粒组分中;Zn、Cr、Ni在流动相中重金属质量分数占总量的65%;而Cu大量存在于有机相中生物絮团组分，重金属质量分数占总量的60%，流动相和无机相中分别占20%左右。

因此在实际污泥处理处置中，需要针对流动相组分中重金属进行处理。

表3 脱水污泥各组分中重金属质量比 mg/kg

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