六盘水污水处理厂污泥中重金属生态风险评价*

张绪勇，吴汉福，邓红江，李金辉

(六盘水师范学院化学与化学工程系，贵州 六盘水 553000)



环境保护

六盘水污水处理厂污泥中重金属生态风险评价*

张绪勇，吴汉福，邓红江，李金辉

(六盘水师范学院化学与化学工程系，贵州 六盘水 553000)

研究了六盘水的污水处理厂污泥中Cu、Cd、Zn、Cr、Pb 5种重金属及其赋存形态的含量，运用地累积指数法和潜在生态危害法对污泥潜在生态风险进行评价。研究结果表明：冬季和夏季污泥中5种重金属含量均未超出我国城镇污水处理厂污泥处置园林绿化用泥标准中的最高允许含量。污泥样品中Cu、Cd、Zn主要以非稳定态存在，具有较强的生物可利用性。风险指数评价显示，Cd是污泥中重金属生态风险的主要贡献者，在污泥处理处置时要引起重视。

六盘水；污泥；重金属污染；形态特征；生态风险评价

随着我国城镇化和工业化不断推进，城镇污水处理厂建设力度大幅增长，污水处理率不断提高，随之带来的污泥处理问题日益突出。污泥乱排乱堆，易对环境造成二次污染。长期以来，污泥处置主要有卫生填埋、堆肥农用、焚烧等方式。其中污泥农用能有效利用污泥，变废为宝，降低处置成本，有效避免二次污染，是处理容量大且经济可行的污泥资源化利用方案。污泥中含有的重金属是污泥资源化利用的主要限制因素之一[1-2]。污泥中重金属生物有效性及潜在迁移性不仅与其总量有关，更大程度上依赖于其在环境介质中的赋存形态[3-6]。

本文对六盘水市的污水处理厂脱水污泥进行取样，针对该污泥考察其重金属含量、赋存形态及其潜在生态危害风险，以期为该类污泥的无害化处置和资源化利用提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 污泥的采集与预处理

于2014年12月和2015年5月分别采集污泥A(冬季)、污泥B(夏季)。应用多点取样法采样，污泥经过脱水，风干，压散，剔除有机物、石块等杂质。然后将每次取得样品混合均匀，用四分法取100 g样品，玛瑙研钵磨细，过100目的尼龙筛后，低温保存备用。

1.2 污泥样品分析

污泥样品采用盐酸-硝酸-氢氟酸-高氯酸-硝酸湿法消解[7-8]。重金属元素Cu、Cd、Zn、Cr、Pb的含量测定采用原子吸收分光光度法。

污泥中重金属Cu、Cd、Zn、Cr、Pb形态采用BCR连续浸提法分离[9-11]，原子吸收分光光度法分析。

1.3 重金属生态评价方法

1.3.1 地累积指数法

地累积指数Igeo是将自然地质过程中造成的影响与人为活动对重金属污染的影响相结合起来考虑。因此该指数是作为判别人为活动对环境影响的重要指标，其表达式为：

式中，Cn为样品中元素n的浓度，采用酸溶态、可还原态和可氧化态之和，Bn为该元素在沉积物中的背景浓度[1]。

1.3.2 潜在生态危害指数法

评价重金属污染程度最为常用的方法是潜在生态危害指数法，它是由瑞典化学家Hakanson[12]提出的，该方法不但可以定量划分出重金属潜在的生态危害程度，而且还可以将特定环境中每种污染物与多种污染物的影响进行综合评价。具体方法如下：

2 结果与讨论

2.1 污泥中重金属的含量

由于污水来源、处理工艺、污水处理厂处理能力等不同，污泥中重金属含量可能各异，污泥A和污泥B中重金属含量见表1。

表1 污泥中重金属的含量

由表1可知，该污泥中重金属含量最高是Zn，污泥A和污泥B分别达到490.0 mg/kg和505.4 mg/kg，其次是Pb，污泥A和污泥B分别达到190.0 mg/kg和180.0 mg/kg，重金属Cu、Cd含量较低。在污泥A和污泥B中重金属含量变化不大，它们含量高低顺序也一致，即Zn>Pb>Cr>Cu>Cd。污泥A和污泥B中重金属Pb、Cu、Cr含量均低于农用泥质标准、园林绿化用泥标准和绿化种植标准的控制性值；Zn高于绿化种植标准控制性值，但低于农用泥质标准和园林绿化用泥标准控制性值；Cd则低于农用泥质标准B级与园林绿化用泥标准控制性值，高于农用泥质标准A级与绿化种植标准控制性值。由此可见，该污泥直接农用存在一定的风险。

2.2 污泥中重金属形态分布

在BCR连续浸提法中将重金属划分为酸溶态、可还原态、可氧化态和残渣态四种存在形态。该污泥中重金属的各形态见图1和图2。

图1 样品A重金属形态分布含量

图2 样品B重金属形态分布含量

由图1和图2可知，Zn在污泥中主要以可还原态存在，在污泥A中占40.2%、污泥B中占34.8%；其次是残渣态，在污泥A占30.4%、在污泥B占30.0%。Pb主要以残渣态存在，在污泥A中为49.5%，污泥B中为50.3%，酸溶态在污泥A占9.6%、污泥B占11.2%，可还原态在污泥A占9.4%、污泥B占8.8%，可氧化态在污泥A中为31.5%、污泥B中为29.7%。Cu在污泥中主要以可氧化态和残渣态存在，污泥A中可氧化态为45.4%、污泥B中为49.6%，残渣态在污泥A和B中都为31.0%。Cr主要以残渣态存在，在污泥A中为38.6%、污泥B中为54.1%。Cd主要以可还原态存在，在污泥A中为59.3%、污泥B中为75.3%。在土壤环境中，重金属生物有效性及潜在迁移性不仅与其总量有关，更大程度上由其形态分布所决定，形态不同，产生的环境效应也不同。BCR法认为重金属的酸溶态、可还原态和可氧化态为活性态，而残渣态为稳定态。活性态在一定环境条件下能够释放出来，可被生物利用。总体来看，2个污泥样品中重金属可被生物利用部分存在一定的差异，污泥A中Zn、Cu、Cr和Cd活性较高，污泥B中Zn、Cu和Cd活性也较高。因此，该污泥在农用过程中，必须综合考虑污泥重金属污染水平和重金属形态分布，才能对污泥农用的潜在危害或风险做出较清晰的判断。

2.3 污泥中重金属生态风险评价

2.3.1 地累积指数法风险评价

本文采用的是贵州省土壤背景值(以中国环境监测总站1990年编写的中国土壤元素背景值-贵州省)作为参比标准。K为修正指数，一般取值为1.5。地累积指数共分为7级(0～6级)，其分级情况见表2。

表2 地累积指数Igeo和污染程度分级

该污泥重金属地累积指数Igeo和其污染程度分级见表3。

表3 污泥中重金属地累积指数Igeo和其污染程度分级

由表3可知，2个污泥样品中Cu和Cr重金属属于无污染级别，Pb地累积指数Igeo都在0～1之间，属于轻度污染。Zn的指数都在1～2范围，属于偏中度污染。Cd指数最高，A样品为2.16属于中度污染，B样品为1.95属于偏中度污染。2个污泥样品的地累积指数大小顺序具有一致性，即Cd>Zn>Pb>Cu>Cr。因此，该污泥作农用时，Cd、Zn、Pb 3种重金属存在污染，具有一定的生态风险。

2.3.2 潜在生态危害指数法评价

根据污泥中重金属的潜在生态危害指数，重金属污染的潜在生态风险分为5个等级，分级标准[13-14]见表4。

表4 重金属污染潜在生态危害系数与分级关系

续表4

80≤Tri<160较重300≤RI<600重度160≤Tri<320重Tri≥320严重RI≥600严重

该污泥中重金属的生态风险评价结果见表5。

表5 重金属的潜在生态危害指数评价结果

3 结 论

本研究结果表明，该污泥A和B中Pb、Cu、Cr、Zn、Cd重金属含量均未超过我国《城镇污水处理厂污泥处置园林绿化用泥质标准》(GB/T23486-2009)中制定的标准值和农用泥质B级标准(CJ/T309-2009)。2个污泥样品中的重金属Zn和Cd都超过绿化种植标准(CJ/T340-2011的Ⅲ级标准)。因此，该污泥作园林绿化相对安全，而作绿化种植存在一定的风险。

污泥重金属赋存形态分析表明，污泥A中Zn、Cu、Cd、Cr和污泥B中Zn、Cu、Cd形态主要以非稳定态为主，在一定环境条件下易迁移和被生物利用，在农用时应引起注意。

地累积指数法的评价结果是污泥A和B中重金属都属于中度污染。潜在生态危害指数法的评价结果是污泥A和B中Cu、Pb、Zn、Cr为低潜在生态风险，Cd为重潜在生态风险。从多种金属元素潜在生态风险指数来看，污泥A和B中重金属属于中度潜在风险，Cd是重金属生态风险的主要贡献者。

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Ecological Risk Assessment of Heavy Metalsin Sewage Sludge of Liupanshui Sewage Treatment Plant*

ZHANG Xu-yong, WU Han-fu, DENG Hong-jiang, LI Jin-hui

(Department of Chemistry and Chemical Engineering, Liupanshui Normal College,Guizhou Liupanshui 553000, China)

The contents of heavy metals (Cu, Cd, Zn, Cr and Pb) and their occurrence forms in sewage sludge of Liupanshui wastewater treatment plant were analyzed. The potential ecological risks were evaluated by the method of geoaccumulation index and potential ecological risk. The results showed that the content of 5 kinds of heavy metals in the sludge during winter and summer did not exceed the maximum allowable content in the disposol standard of sewage sludge from municipal wastewater treatment plant for greening gardens use. Cu, Cd and Zn in the sludge mainly in the non-steady state had a strong biological availability. Risk index evaluation showed that Cd was a major contributor to the ecological risk of heavy metals in the sludge, it should be paid attention to the content of Cd during the sludge treatment process in Liupanshui.

Liupanshui; sewage sludge; heavy metals pollution; morphological characteristics; ecological risk assessment

贵州省教育厅自然科学基金项目(黔教科2009093)；贵州省科技厅科学技术基金项目(黔科合LH字[2015]7630号)。

张绪勇(1984-)，男，助理实验师，主要从事分析检测实验教学与研究。

X705

A

1001-9677(2016)023-0117-04