濮阳市城市污泥成分及资源化利用生态风险评价*
2016-03-13程伟娜李光明
程伟娜 李光明 王 冰
(濮阳市环境监测站，河南 濮阳 457000)
城市污泥是城市污水处理厂污水处理过程中产生的固体废弃物，主要成分除了有机质(约占污泥干质量的30%～40%)和氮、磷、钾等营养元素外，还存在重金属、致病菌和寄生虫(卵)等有毒有害物质[1]。因此，必须及时对城市污泥进行减量化、稳定化、无害化处理，否则极易引起二次污染。近年来，我国经济和城市化发展进程加快，公众环境保护意识增强，环境污染治理力度逐渐加大，大量污水处理设施建成并投入使用，城市污泥产生量急剧增长。但我国大多数污水处理厂未建成配套的城市污泥处置设施，只是将城市污泥送往垃圾填埋场简单填埋或直接堆放在旷野中，有些城市污泥甚至被倾倒在河流附近[2]。城市污泥的不规范处置已成为一个新的环境污染源，一定程度上还抵消了污水处理厂的环境净化效果[3]。所以，安全、经济、合理地处置城市污泥必须引起高度重视。
濮阳市自20世纪80年代开始建设污水收集、输送和处理设施，目前濮阳市的城市污泥全部送往垃圾填埋场简单填埋，但垃圾填埋场库容在不断减小，且简单填埋会带来一系列安全隐患。因此，该处置方式不是长久之计。本研究以濮阳市9座规模较大且运行稳定的污水处理厂为研究对象，对城市污泥的理化性质和重金属浓度、形态分布进行研究，并对其资源化利用的生态风险进行评价，旨在为濮阳市城市污泥的合理处置及资源化利用提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 样品采集和预处理
表1 污水处理厂基本情况
城市污泥均取自濮阳市9座污水处理厂(濮阳城市污泥均取自濮阳市9座污水处理厂(濮阳市某污水处理厂、濮阳市某油田污水处理厂、濮阳市某第二污水处理厂、濮阳县某污水处理厂、清丰县某污水处理厂、南乐县某污水处理厂、范县某污水处理厂、范县濮王某污水处理厂、台前县某污水处理厂分别简称为市污水、油田污水、市二污、濮阳县、清丰县、南乐县、范县、范县濮王和台前县)，污水处理厂基本情况见表1。于2014年8月在上述污水处理厂的污泥终端传送带出口处采集城市污泥，每隔15 min采集1次，共采集4次，混合均匀后作为1个样品。有些指标需使用新鲜城市污泥分析测定，采集后剔除石块和杂物，放入密封容器中尽快分析测定；而另一些指标需使用风干城市污泥分析测定，采集后进行风干，剔除石块和杂物后，采用四分法缩分，再用玛瑙研钵研磨至全部通过100目(有机质通过60目)尼龙筛，混合均匀备用。
1.2 分析方法
参考《土壤农业化学分析方法》[4]和《城市污水处理厂污泥检验方法》(CJ/T 221—2005)[5]中的分析方法测定pH、含水率、有机质及营养元素(总氮、总磷和总钾)浓度；Cu、Pb、Zn、Cd、Ni、Cr、As浓度采用高压微波消解/电感耦合等离子体发射光谱法测定，Hg浓度采用常压消解/原子荧光法测定；重金属形态分布采用三步连续提取法测定[6]。测定过程中，采用平行样、加标回收等措施对测定精密度和准确度进行质量控制。
2 结果与讨论
2.1 pH、含水率、有机质和营养元素
濮阳市城市污泥的pH、含水率、有机质和营养元素浓度见表2。样品pH为6.52～12.42，含水率为50.4%～86.5%。pH及含水率与污水处理工艺，城市污泥处理中的絮凝剂种类、用量呈现出明显的相关性[8]。市污水、油田污水、清丰县、范县、范县濮王的城市污泥脱水工艺均为带式压滤，含水率较高，其余污水处理厂的城市污泥脱水工艺为板框压滤，含水率较低。市二污和南乐县在城市污泥浓缩时使用石灰稳定技术，从而导致其pH明显偏大。
以生活污水为主要污水来源的污水处理厂，其有机质与营养元素浓度明显高于以工业废水为主要污水来源的污水处理厂。以生活污水为主要污水来源的污水处理厂中，市级污水处理厂(包括市污水、油田污水)有机质与营养元素浓度普遍高于县级污水处理厂(濮阳县、清丰县、南乐县、范县和台前县)。与猪厩肥相比，濮阳市城市污泥是高有机质、高氮、高磷的有机肥，具有较高的资源化利用价值。
表2 pH、含水率、有机质与营养元素质量浓度
表3 重金属质量浓度1)
注：1)ND表示未检出，表4同。
2.2 重金属浓度与形态分布
濮阳市城市污泥的重金属质量浓度见表3。其中，标准限值(pH≥6.5)是指《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)规定的，在pH≥6.5的中性和碱性土壤上，城市污泥农用时的城市污染物控制标准限值。从表3可以看出，不同污水处理厂城市污泥的重金属浓度存在较大差异，8种重金属浓度平均值表现为Zn>Cu>Cr>Ni>Pb>As>Hg>Cd。这与陈同斌等[10]统计的我国城市污泥重金属浓度基本一致。
按照标准限值(pH≥6.5)，濮阳市城市污泥的重金属浓度均达标。与河南省土壤背景值相比，9座污水处理厂的城市污泥重金属浓度基本都偏高，直接施用于农田具有一定的生态风险。
重金属的生物毒性不仅与浓度有关，更大程度上由其形态分布决定。不同的形态产生不同的环境效应，直接影响到重金属的毒性、迁移性及其在自然界的循环[11]。因此，研究重金属的形态分布可提供更为详细的重金属迁移性和生物可利用性信息。表4列出了濮阳市城市污泥中Cu、Pb、Zn、Cd、Ni、Cr、As、Hg的形态分布。
根据三步连续提取法，可将重金属形态划分为酸可交换态、易还原态、可氧化态和残渣态。前两种形态统称为不稳定态，容易被植物吸收，存在一定的生态风险；后两种形态统称为稳定态，在自然条件下难以释放，对环境一般不产生污染。
由表4可知，不同重金属在城市污泥中的形态分布存在差异；Cu、Pb、Cd、Ni、Cr、As、Hg主要以可氧化态和残渣态存在，在自然环境下相对比较稳定；Zn主要以酸可交换态和易还原态存在，具有较强的生物活性和迁移性。
2.3 资源化利用的生态风险评价
为进一步说明城市污泥中重金属的污染程度和潜在生态风险，选用地累积指数法[12]和潜在生态风险指数法[13]对城市污泥中Cu、Pb、Zn、Cd、Ni、Cr、As、Hg 8种重金属的生态风险进行评价。
地累积指数法的计算公式如下：
Igeo=log2(cn/(Bn×K))
(1)
式中：Igeo为地累积指数；cn为重金属n在沉积物中的质量浓度，mg/kg，本研究采用各重金属不稳定态的质量浓度总和；Bn为重金属n在普通页岩中的地球化学背景值，mg/kg，本研究采用河南省土壤背景值；K为考虑各地岩石差异可能引起背景值变动而取的修正系数，通常为1.5。
Igeo分为7个等级。当Igeo≤0、0
潜在生态风险指数法的计算公式如下：
En=Tn×cn/Bn
(2)
RI=∑En
(3)
式中：En为重金属n的潜在生态风险指数；Tn为重金属n的毒性响应系数，Cu、Pb、Zn、Cd、Ni、Cr、As和Hg的毒性响应系数分别为5、5、1、30、5、2、10、40；RI为多种重金属的潜在生态风险指数。
表4 重金属形态分布
表4 重金属形态分布(续)
En分为5个等级。当En<40、40≤En<80、80≤En<160、160≤Igeo<320、En≥320时，重金属n的潜在生态风险程度分别为低、中、较重、重、严重。RI分为4个等级。当RI<150、150≤RI<300、300≤RI<600、RI≥600时，多种重金属的潜在生态风险程度分别为低、中、重、严重。
对城市污泥中重金属污染程度及潜在生态风险进行评价，结果见表5、表6。
由表5可以看出，濮阳市城市污泥中的污染元素有Cu、Zn、Hg，其中Zn的污染程度最高，清丰县、范县检测出Cu为轻度污染，南乐县检测出Cu为偏中度污染，油田污水检测出Hg为轻度污染；Pb、Cd、Ni、Cr、As为无污染。地累积指数法对濮阳市城市污泥的评价结果表明，在城市污泥资源化利用过程中，Zn可能对环境带来较大污染，应制定相应防范措施。
由表6可以看出，市污水检测出Cd具有中度潜在生态风险，油田污水、市二污、范县濮王和台前县检测出Hg具有中度潜在生态风险。尽管上述污水处理厂的城市污泥中Cd和Hg的不稳定态浓度并不高，但由于Cd和Hg毒性响应系数较高，潜在生态风险不可忽视。从多种重金属潜在生态风险指数看，各污水处理厂的城市污泥重金属RI<150，说明濮阳市城市污泥中重金属的潜在生态风险总体较低。
3 结 论
(1) 濮阳市城市污泥是高有机质、高氮、高磷的有机肥，资源化利用价值较高。
(2) 濮阳市城市污泥中8种重金属浓度的平均值表现为Zn>Cu>Cr>Ni>Pb>As>Hg>Cd，均低于GB 18918—2002中的标准限值。
表5 重金属地累积指数和污染程度
表6 重金属潜在生态风险指数和风险程度
(3) Cu、Pb、Cd、Ni、Cr、As、Hg主要以可氧化态和残渣态存在，在自然环境下比较稳定；Zn主要以酸可交换态和易还原态存在，具有较强的生物活性和迁移性。
(4) 地累积指数法和潜在生态风险指数法的评价结果表明，Cu、Zn、Cd、Hg为风险元素，其中Zn污染程度最高，在城市污泥资源化利用时应制定相应防范措施。从多种重金属潜在生态风险指数看，濮阳市各污水处理厂的城市污泥重金属RI<150，说明濮阳市城市污泥中重金属的潜在生态风险总体较低。
[1] 翁焕新.污泥无害化、减量化、资源化处理新技术[M].北京：科学技术出版社，2009.
参考文献:
[2] 杨金满，贾瑞宝.城市污泥资源化利用研究进展[J].工业用水与废水，2011,42(5)：1-5.
[3] 尹文华，刘泳.青岛市市政污泥处置方式的初步探讨[J].城市建设理论研究(电子版)，2012(21):1-7.
[4] 鲁如坤.土壤农业化学分析方法[M].北京：中国农业出版社，2000.
[5] CJ/T 221—2005，城市污水处理厂污泥检验方法[S].
[6] QUEVAUVILLER P,RAURET G,LPEZ SNCHEZ J F,et al.Certification of trace metal extractable contents in a sediment reference material (CRM601) following a three-step sequential extraction procedure[J].Science of the Total Environment,1997,205(2/3):223-234.
[7] 全国农业技术推广中心.中国有机肥料养分志[M].北京：中国农业出版社，1999.
[8] 陶园园.剩余污泥脱水预处理方法的比较研究[D].湘潭：湘潭大学，2014.
[9] 邵丰收，周皓韵.河南省主要元素的土壤环境背景值[J].河南农业，1998(10)：29.
[10] 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.
[11] 钱进，王子健.土壤中微量金属元素的植物可给性研究进展[J].环境科学，1995,16(6)：73-75.
[12] MULLER G. Index of geoaccumulation in sediments of the Rhine River[J].Geological Journal,1969,2(3):108-118.
[13] HAKANSON L. An ecological risk index for aquatic pollution control:a sediment logical approach[J].Water Research,1980,14(8):975-1001.
