广西城镇污水厂脱水污泥重金属形态分布特征

林荣科，王东波，覃理嘉，李　师

(广西大学环境学院， 广西高校环境保护重点实验室， 广西南宁530004)



广西城镇污水厂脱水污泥重金属形态分布特征

林荣科，王东波，覃理嘉，李师

(广西大学环境学院， 广西高校环境保护重点实验室， 广西南宁530004)

摘要：为了实现污泥的稳定化、无害化和资源化，对广西城镇污水处理厂脱水污泥的基本理化性质和污泥中重金属总量和形态分布特征进行了研究分析。分析结果表明，广西城镇污水处理厂的污泥均呈酸性，pH值在6.05～6.35，总氮含量的平均值为49.74 g/kg，总磷含量的平均值为10.72 g/kg，有较好的农用价值。脱水污泥中重金属As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn的含量分别为26.31～28.83，1.39～3.77，47.01～87.37，78.07～135.28，32.18～42.22，25.79～44.40，320.86～363.72 mg/kg，均满足CJ/T 309-2009《城镇污水处理厂污泥处置农用泥质标准》中的B级标准，可施用于相应农作物。其中，Zn、Ni的形态主要集中在迁移性较强的可交换态、可还原态范围内，极易被生物利用，不稳定；Pb主要集中在可还原态，Cu主要集中在可还原态、可氧化态范围内，它们迁移性较弱，可被生物间接利用，较为稳定；Cr主要集中在残渣态、可氧化态范围内，迁移性最弱，不易被生物吸收利用，最稳定；而As和Cd的形态分布比较均匀。

关键词：广西污水处理；脱水污泥；重金属；形态分析.

近年来，城镇污水处理厂污水处理量逐年增加，其必然产物城市污泥的产生量也逐年增加。由于城市污泥富含有机物、无机物和多种微生物，容易引起环境问题，尤其是其中的重金属组分，阻碍了污泥农用等资源化利用方式，已逐渐引起人们的关注[1]。目前对于城镇污水处理厂污泥处理处置研究相对较少，对其重金属及其形态分布的报道更是缺乏。富含营养物质的城市污泥农用是一个重要方向，因此，对城市污泥中重金属等限制农用的影响研究变得非常迫切[2]。

各地区重金属形态特征分布对污泥农用尤为关键。2014年，罗艳丽等[3]对乌鲁木齐城市污泥进行了重金属形态特征及农用可行性分析，发现污泥中重金属Zn、Cd的含量超出了CJ/T 309-2009《城镇污水处理厂污泥处置农用泥质标准》中的A级标准，不可施用于蔬菜和粮食作物。王雨生等[4]的研究也表明贵州省部分地区的污泥也存在污泥农用重金属的生态风险。对许多城市污泥的研究也得出了类似的结论[5-7]。对比不同文献结果发现，不同地域的城市污泥重金属含量存在一定差异[8]。

为了解广西城镇污水厂污泥重金属形态分布规律，本研究选取了广西南宁市琅东污水处理厂、南宁市江南污水处理厂、百色平果县污水处理厂、北海合浦县污水处理厂等4个城镇污水处理厂的脱水污泥进行分析，采用BCR五步提取法提取重金属，通过ICP-AES分析重金属的形态分布规律，旨在为广西城镇污泥资源化利用提供数据参考。

1材料与方法

1.1污泥来源

脱水污泥分别取自南宁市琅东污水处理厂、南宁市江南污水处理厂、百色市平果县污水处理厂和北海市合浦县污水处理厂。污泥样品经自然风干后，研磨过100目筛，密封保存，用于理化性质分析。

1.2分析项目与方法

pH值测定采用CJ/T211-2005《中华人民共和国城镇建设行业标准》中的电极法，含水率测定采用CJ/T211-2005《中华人民共和国城镇建设行业标准》中的重量法，总磷含量测定采用CJ/T211-2005《中华人民共和国城镇建设行业标准》中的氢氧化钠熔融—钼锑抗分光光度法，总氮含量采用CJ/T211-2005《中华人民共和国城镇建设行业标准》中的碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，重金属形态分析采用BCR五步提取法[8-9]，As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn的含量采用ICP-AES (Optima 8000，Perkin Elmer) 测定。

2结果与讨论

2.1污泥的pH值

污泥pH值对污泥农用有一定影响[10]。4个污水处理厂脱水污泥的pH值如表1所示。可见脱水污泥均接近中性，pH在6.05～6.35范围内，呈微酸性。

表1　广西城镇污水处理厂脱水污泥pH值情况

2.2脱水污泥的含水率

各污水处理厂脱水污泥的含水率如表2所示。可见，脱水污泥含水率均在70%～80%，含水率依次为江南污水处理厂>琅东污水处理厂>平果县污水处理厂>合浦县污水处理厂。广西全区脱水污泥的含水率在75%～85%[11]，这四个污水处理厂污泥脱水效果处于中上水平。

表2　城镇污水处理厂脱水污泥含水率情况

2.3污泥中的氮、磷含量

污泥农用价值与其氮、磷含量密切相关[12]。4个污水处理厂脱水污泥中总氮含量相差不大，其中，南宁市江南污水处理厂、北海市合浦污水处理厂的脱水污泥中总氮含量较高，分别为55.13 g/kg和50.19 g/kg，琅东污水处理厂的次之，为49.77 g/kg，平果县污水处理厂的最低，为43.87 g/kg。4个污水处理厂脱水污泥中总氮在污泥中所占的百分比分别为4.98%、5.51%、4.39%和5.02%。

南宁市江南污水处理厂脱水污泥、百色市平果县污水处理厂脱水污泥的总磷含量较高，分别为13.61 g/kg和12.94 g/kg，南宁市琅东污水处理厂脱水污泥的总磷含量次之，为8.91 g/kg，北海市合浦县污水处理厂脱水污泥中的总磷含量最低，为7.4 g/kg。4个污水处理厂脱水污泥中总磷在污泥中所占的百分比分别为0.89%、1.36%、1.29%和0.74%。

综上分析，4个城镇污水处理厂脱水污泥中总氮、总磷的含量与杨建劳等[13]的研究结果相符，农用价值较高。

2.4污泥中的重金属总量

各污水处理厂脱水污泥重金属总量分析结果如表3所示。Cd含量最低，含量范围为1.39～3.77 mg/kg， As、Ni、Pb含量相对较低，含量范围分别为26.31～28.83 mg/kg、32.18～42.22 mg/kg、25.79～44.40 mg/kg，Cr、Cu含量次之，范围分别为47.01～87.37 mg/kg、78.07～135.28 mg/kg，而Zn含量普遍较高，范围为320.86～363.72 mg/kg。本研究结果与张军等[14]的研究结果较为吻合。除了广西平果县、合浦县脱水污泥中的Cd含量外，其他重金属含量均满足CJ/T 309-2009《城镇污水处理厂污泥处置农用泥质标准》中的A级标准，可以施用于蔬菜和水果等作物。

表3城镇污水处理厂脱水污泥重金属总量情况

Tab.3The total content of heavy metals in dewatered sludge from urban sewage treatment plants

mg/kg

2.5污泥中的重金属形态分布

4个污水处理厂的脱水污泥重金属形态分析结果分别见表4、表5、表6、表7。

表4琅东污水处理厂脱水污泥重金属形态含量分布

Tab.4The total content of heavy metals in dewatered sludge from Langdong sewage treatment plant

mg/kg

表5江南污水处理厂脱水污泥重金属形态含量分布

Tab.5The total content of heavy metals in dewatered sludge from Jiangnan sewage treatment plant

mg/kg

表6平果县污水处理厂脱水污泥重金属形态含量分布

Tab.6The total content of heavy metals in dewatered sludge from Pingguo sewage treatment plant

mg/kg

表7合浦县污水处理厂脱水污泥重金属形态含量分布

Tab.7The total content of heavy metals in dewatered sludge from Hepu sewage treatment plant

mg/kg

重金属的各个形态中，可交换态是指与可交换吸附的离子和碳酸盐结合的形态，可交换态可以直接被生物利用，迁移性强；可还原态主要是与铁锰氧化物、水化氧化物结合的形态，可氧化态则是与有机质和硫化物结合的形态，可还原态和可氧化态可以被植物间接利用；而残渣态元素主要与硅酸盐矿物等结合，很难被生物利用，迁移性很小[15]。在污泥农用中需要着重关注其中的可交换态。

4个污水处理厂脱水污泥中7种重金属的形态分布如图1～图4所示。首先，As各形态分布较为平均，可还原态的比例略少，占4.92%～13.11%，其迁移性稍强，不稳定。Cd形态分布规律性不强，各厂污泥中的可还原态和残渣态所占的比例差异不大，分别占34.86%～51.12%和3.85%～7.42%，琅东和江南污水厂污泥中Cd可交换态比例远大于平果县和合浦县污水厂污泥中的含量，而Cd可氧化态比例远小于平果和合浦的污泥，可见重金属的形态分布有一定的地域性差异。总的来说，Cd迁移性稍强，不稳定。Cr可交换态占0.26%～0.60%，可还原态、可氧化态占32.33%～65.62%，生物直接或间接利用部分少，迁移性差，稳定性好。Cu的可交换态占0～8.77%，可还原态、可氧化态占80.00%～83.94%，可被生物间接利用部分多，迁移性较弱，较稳定。Ni的可交换态占12.24%～30.66%，可被生物直接吸收利用部分较多；可还原态、可氧化态占22.46%～48.55%，可被生物间接利用；总的来说，迁移性稍强，不稳定。Pb的可交换态未检测出；可还原态占86.73%～96.27%，生物间接利用部分较多，稳定性较好，迁移性稍差。Zn的可交换态占24.43%～42.05%，可被生物直接利用部分较多；可还原态、可氧化态占33.49%～59.12%，可被生物间接利用部分也较多；迁移性稍强，容易被生物吸收利用，不稳定。

图1　琅东污水处理厂脱水污泥中7种重金属的形态分布情况

图2　江南污水处理厂脱水污泥中7种重金属的形态分布情况

图3　平果县污水处理厂脱水污泥中7种重金属的形态分布情况

图4　合浦县污水处理厂脱水污泥中7种重金属的形态分布情况

3结论

①广西城镇污水厂脱水污泥中的总氮总磷总量分别为58.68 g/kg、68.74 g/kg、56.81 g/kg、57.59 g/kg，营养成分较高，具有很好的农用价值。

②脱水污泥重金属含量分析结果表明，广西平果县和合浦县污水厂污泥中Cd仅满足CJ/T 309-2009《城镇污水处理厂污泥处置农用泥质标准》中的B级标准外，其他重金属As、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn含量均满足A级标准，可施用于蔬菜和粮食作物。

③Zn、Ni形态主要集中在迁移性较强的可交换态、可还原态范围内，易被生物利用，不稳定；Pb主要集中在可还原态，以及Cu主要集中在可还原态、可氧化态范围内，迁移性较弱，可被生物间接利用，较为稳定；Cr主要集中在残渣态、可氧化态范围内，迁移性最弱，不易被生物吸收利用，最稳定；而As和Cd的形态分布比较均匀；因此，在广西的土地利用中，应优先关注Zn、Ni。

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(责任编辑张晓云裴润梅)

收稿日期：2015-12-20；

修订日期：2016-03-02

基金项目：广西自然科学基金资助项目(2012GXNSFBA053130);广西科技攻关项目(桂科攻1598016-5)；南宁市环保专项资金计划项目(南财经2013-265)

通讯作者：王东波(1978-)，男，辽宁锦州人，广西大学副教授，博士；E-mail:w121308@163.com。

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0896

中图分类号:X703

文献标识码：A

文章编号：1001-7445(2016)03-0896-07

Distribution characteristics of heavy metals in dewatered sludge from sewage treatment plants of town in Guangxi

LIN Rong-ke, WANG Dong-bo, QIN Li-jia, LI Shi

(Key Laboratory of Environmental Protection, College of Guangxi Province,School of the Environment, Guangxi University, Nanning 530004, China)

Abstract:The basic physical and chemical properties and the total amount of heavy metals, as well as the distribution characteristics of heavy metals in dewatered sludge from the sewage treatment plants of towns in Guangxi were investigated. The results showed that the sludge was acidic. The pH values were between 6.05 and 6.35. The average value of total nitrogen content was 49.74 g/kg, and the average value of total phosphorus was 10.72 g/kg, indicating that the sludge was rich in nutrients and had a promosing application prospects in agriculture. The contents of the heavy metals in the sludge, including As, Cd, Cr, Cu, Ni, Pb and Zn, were between 26.31～28.83 mg/kg, 1.39～3.77 mg/kg, 78.07～135.28 mg/kg, 32.18～42.22 mg/kg, 25.79～44.40 mg/kg, and 320.86～363.72 mg/kg respectively, which met the requirement of Disposal of Sludge from Municipal Wastewater Treatment Plant-Control Standards for Agricultural Use (CJ/T 309-2009) of China for B grade sludge, and could be used in relevant crops. The predominant form of Zn and Ni were exchangeable speciation and reducible speciation, which were unstable and could be bioabsorbable easily. Pb existed mainly as reducible speciation, while Cu existed mainly as both reducible speciation and oxidizable speciation, which were more stable relatively, and could not be bioabsorbable directly. Cr existed mainly as residual speciation and oxidizable speciation, which were the most stable, and could not be bioabsorbable easily. Besides, the distribution characteristics of as and Cd were uniform relatively.

Key words:sewage treatment in Guangxi; dewatered sludge; heavy metal; speciation analysis

引文格式：林荣科，王东波，覃理嘉，等.广西城镇污水厂脱水污泥重金属形态分布特征[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(3)：896-902.