山东省城市污水处理厂污泥重金属污染特征及风险评价

王晓林

(山东科技职业学院生物与化学工程系，山东 潍坊 261053)

随着我国经济发展和城市化进程的加快，城市生活污水的排放量和处理比例也快速增加[1-3]。据环境保护部2010年统计年报，2010年我国有城市污水处理厂2 881座，日处理污水1.23×107t，城市生活污水处理率达72.9%，城市污水处理过程中产生了大量污泥，因此在城市污水处理比例不断增加的同时，也面临巨大的污泥处理压力[4]1355,[5-6]。污泥富集了污水中大部分有机污染物和重金属，具有有机物含量高、密度小、颗粒细、细菌量大等特点。其中的重金属在环境中难以被生物分解，通过食物链的生物富集将影响环境安全与人体健康[7],[8]1765。污泥中的重金属污染又是土壤重金属污染的重要来源，并已成为污泥有益利用的主要限制性因素，因此污泥中重金属污染特征及风险评价已成为环境科学等领域的研究热点之一[4]1355-1356,[9-10]。大部分国家和地区均制定了污泥农用时的污染物标准和污泥农用时部分重金属的最大施用量[8]1765,[11]。污泥中重金属含量因各城市的产业类型、城市性质、污水处理工艺和污水来源等不同而存在很大的差异[12]562-563,[13]1982,[14]1211，而关于山东省城市污水处理厂污泥中重金属含量的污染特征及风险评价并不多。为了掌握山东省城市污水处理厂污泥中重金属污染现状和特征，本研究以山东省5个城市(淄博市、济南市、枣庄市、青岛市和烟台市)的15家城市污水处理厂为调研对象，采集脱水后的污泥进行重金属浓度及理化性质的测定，分析污泥中重金属分布特点，并与污泥的相关标准进行比较，同时对其潜在生态风险进行评价，以期为山东省城市污水处理和污泥资源化利用中的重金属污染控制提供基础数据和理论依据。

表1 山东省城市污水处理厂的基本情况

1 材料与方法

1.1 污泥采集

2014年7—8月在山东省淄博市、济南市、枣庄市、青岛市和烟台市5个城市分别选取3座城市污水处理厂作为研究对象。这15座城市污水处理厂的污泥排放量占山东省城市污水厂污泥排放量的50%(质量分数)以上，可以代表山东省污泥重金属的整体污染水平[15]。所选取的15座城市污水处理厂的基本情况如表1所示。在各城市污水处理厂污泥脱水车间连续稳定运行的脱水机出泥口采集污泥，再将不同脱水机出泥口所采集的污泥混合，混合后的污泥质量不少于2 kg。根据多点采样的原则在污泥堆放场地再进行采样，以确保采集的污泥具有代表性。采集的污泥用锡箔纸包裹放入洁净密实袋，迅速带回实验室冷冻保存以待检测。

1.2 实验仪器和试剂

仪器：Agilent 7500电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS)；XC-9000原子吸收光谱仪；XH-200AE微波消解仪；DB-3B恒温电热板；Berghof BSB-939-IR亚沸蒸馏器；BSA8201S电子天平(精确至0.01 g)；Milli-Q超纯水仪；消解罐；聚四氟乙烯坩埚；100 mL容量瓶；玻璃漏斗；定量滤纸。

试剂：浓硝酸(分析纯)；氢氟酸(分析纯)；高氯酸(分析纯)；超纯水。

1.3 预处理

污泥经自然风干后，碾磨并过60目筛，充分混匀后取10 g左右供后续测定。消解时，称取0.10 g污泥放入50 mL聚四氟乙烯坩埚中，超纯水湿润后加入50%(质量分数，下同)硝酸5.0 mL，置于恒温电热板上180～200 ℃下加热回流3～4 h后开盖蒸至近干，加入50%硝酸1.0 mL微热浸提，加超纯水定容到50 mL，取约5 mL溶液进行分析测定，同时制备空白溶液。

1.4 重金属测定

污泥经预处理后，采用原子吸收光谱仪测定Cd的浓度，采用ICP-MS测定其他重金属的浓度。ICP-MS的精确度为2%以下，回收率为95%以上，测定偏差控制在9%以下，污泥中重金属质量浓度的计算公式[13]1983-1986如下：

(1)

式中：wi为污泥中重金属i的质量浓度，mg/kg；n为ICP-MS测定时的稀释倍数；V为定容体积，L；ci为ICP-MS测定得到的重金属i质量浓度，mg/L；M为污泥质量，kg。

表2 污泥的理化性质

表3 污泥的重金属质量浓度

2 结果与分析

2.1 理化性质

依据《城市污水处理厂污泥检验方法》(CJ/T 221—2005)测定pH、有机质、全氮、全磷和全钾，结果如表2所示。由表2可以看出，山东省城市污水处理厂污泥的pH平均值为5.86～7.83，呈现高有机质、高氮、高磷和高钾的特点，具有很好的利用价值，与江苏省[13]1983-1986和甘肃省[14]1213-1216的城市污水处理厂研究结果基本一致。

2.2 重金属浓度

由表3可以看出，山东省城市污水处理厂污泥中各重金属质量浓度平均值为：Cr 79～232 mg/kg、Cu 86～632 mg/kg、Mn 158～1 037 mg/kg、Ni 18～93 mg/kg、Pb 23～168 mg/kg、Cd 0.68～4.12 mg/kg、Zn 98～586 mg/kg。其中，Mn占重金属总量的质量分数最高，Zn、Cu和Cr占重金属总量的质量分数较高，Cd占重金属总量的质量分数最低。山东省不同城市污水处理厂污泥重金属浓度基本表现为：淄博市>济南市>枣庄市>青岛市>烟台市。

《城镇污水处理厂污泥处置 农用泥质》(CJ/T 309—2009)中A级污泥的Cr、Cu、Cd和Zn限值分别为500、500、3、1 500 mg/kg[16]。本研究中青岛市、枣庄市和烟台市各城市污水处理厂的污泥符合CJ/T 309—2009中A级污泥的要求，济南市城市污水处理厂污泥存在Cd超标，淄博市城市污水处理厂污泥的Cu和Cd均存在超标。山东省城市污水处理厂的污泥中，Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Cd和Zn的平均质量浓度分别为165、272、606、57、83、2.12、299 mg/kg，除Mn外，山东省城市污水处理厂污泥的重金属平均浓度均低于全国水平[12]562。

2.3 污泥重金属主成分分析

主成分分析是将多个变量通过降维转化为少数几个综合变量的统计分析方法，能使原有变量所代表的信息更集中、更典型地体现[17]1081。以山东省城市污水处理厂污泥的重金属浓度为变量，通过计算方差和协方差矩阵的特征量，将多个变量提取为主成分PC1～PC6(见表4)。根据特征值大于1的原则，只选取PC1～PC3。PC1、PC2和PC3对各变量的方差贡献率分别为43.568%、24.187%、18.175%，PC1～PC3的累积方差贡献率为85.930%，能较好地反应山东省城市污水处理厂污泥的重金属状况。若变量载荷的绝对值大于0.8，则判定该变量为主要因子。由表5可以看出：PC1主要由Cu(0.863)、Ni(0.912)和Cd(0.875)组成，且Cu、Ni和Cd均呈现正荷载，因此PC1可用于反映Cu、Ni和Cd的富集程度；PC2主要由Pb(0.914)组成，可用于反映Pb的富集程度；PC3主要由Mn(0.835)和Zn(0.891)组成，可用于反映Mn和Zn的富集程度。

表4 污泥的重金属浓度总方差分解表

表5 PC1～PC3的载荷

表6 污泥重金属与污泥理化性质的关系1)

注：1)*表示在α=0.05水平上显著相关；**表示在α=0.01水平上极显著相关。

表7 Ti和w0的取值

2.4 污泥重金属与污泥理化性质的关系

由表6可以看出：污泥中pH与Ni、Pb、Cd和Zn浓度均呈现极显著负相关；有机质、全氮与各重金属均无显著相关性；全磷与Cu、Mn均呈极显著正相关，与Ni、Pb、Cd和Zn均呈显著正相关；全钾与Cu、Ni、Pb、Cd和Zn均呈极显著正相关，与Mn呈显著正相关。

2.5 污泥重金属潜在生态风险评价

不同重金属对人体健康产生的毒性不同，因此不同重金属即使在污泥中浓度相同，其产生的危害也有差别。HAKANSON[18]在建立了一套评价重金属污染潜在生态风险的方法，将重金属的生态效应、环境效应及毒理学效应等联系起来，更好地反映重金属的潜在危害。其计算公式为:

(2)

式中：Ei为重金属i的生态危害指数；Ti为重金属i的毒性响应系数；w0为重金属i的参比值，mg/kg，本研究以山东省耕地土壤重金属平均浓度为参比值[19]。Ti和w0的取值见表7。

不同重金属的复合生态危害指数(RI)的计算公式[17]1082为：

RI=∑Ei

(3)

根据Ei与RI，重金属潜在生态风险评价标准见表8。

表8 重金属潜在生态风险评价标准

山东省城市污水处理厂污泥中重金属的潜在生态风险评价结果如表9所示。由表9可以看出，山东省各城市污水处理厂污泥中Ei最高的3种重金属为Cu、Cd和Ni。淄博市城市污水处理厂污泥中，Cu具有重度潜在生态风险；济南市城市污水处理厂污泥中，Cu具有中等潜在生态风险；其余城市的城市污水处理厂污泥中，Cu均具有轻微潜在生态风险。淄博市和济南市的城市污水处理厂污泥中，Cd均具有中等潜在生态风险，其他城市的城市污水处理厂污泥中，Cd均具有轻微潜在生态风险。除Cu和Cd外，山东省城市污水处理厂污泥中的其余重金属均具有轻微潜在生态风险。

山东省城市污水处理厂污泥的RI大小依次为淄博市>济南市>枣庄市>青岛市>烟台市。其中，淄博市和枣庄市城市污水处理厂污泥的重金属潜在生态风险均为中等，其余城市的城市污水处理厂污泥的重金属潜在生态风险均为轻微。Cu和Cd是污泥重金属潜在生态风险的主要贡献因子。

3 结 论

(1) 山东省城市污水处理厂污泥呈现高有机质、高氮、高磷和高钾的特点，具有较好的利用价值。污泥中的Mn占重金属总量的质量分数最高，Zn、Cu和Cr占重金属总量的质量分数较高，Cd占重金属总量的质量分数最低。山东省城市污水处理厂污泥的重金属浓度基本表现为：淄博市>济南市>枣庄市>青岛市>烟台市。

(2) 山东省各城市污水处理厂污泥中Ei最高的3种重金属为Cu、Cd和Ni。其中，淄博市和济南市城市污水处理厂污泥中，Cu的潜在生态风险分别为重度和中等，Cd的的潜在生态风险均为中等。除Cu和Cd外，山东省城市污水处理厂污泥中的其余重金属均具有轻微潜在生态风险。

(3) 污泥的RI大小依次为淄博市>济南市>枣庄市>青岛市>烟台市。其中，淄博市和枣庄市城市污水处理厂污泥的重金属潜在生态风险均为中等，其余城市的城市污水处理厂污泥的重金属潜在生态风险均为轻微。Cu和Cd是污泥重金属潜在生态风险的主要贡献因子。

(4) PC1～PC3较好地反映了山东省城市污水处理厂污泥的重金属状况。PC1主要反映Cu、Ni和Cd的富集程度；PC2主要反映Pb的富集程度；PC3主要反映Zn和Mn的富集程度。

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