北京排水污泥重金属含量的季节变化特征及污染风险评价

姚聪颖 曹吉鑫 彭祚登 * 熊建军 贾清棋

（1. 北京林业大学林学院，北京 100083；2. 中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所，北京 100091；3. 北京市排水集团有限责任公司，北京 100044）

1 引言

随着我国城市化进程的加快，城市污水处理厂的数量逐年增多，污水处理过程中的污泥产量持续大幅升高，使得污泥的安全处置和再利用问题受到了越来越多的关注［1］。城市污泥的处置方法主要包括投海、填埋、土地利用以及焚烧等，其中，土地利用是最适合我国国情的一种方法［2-4］。城市污泥中含有的植物养分元素在施入土壤后可以有效提高土壤肥力水平，促进植物生长，但与此同时，污泥中含有的重金属等污染物也随之进入土壤，这也成为限制污泥土地利用的瓶颈之一［5-6］。虽然在国家节能减排和积极的财政政策下城市污水处理的工艺得到了长足的发展，病原微生物和恶臭气体等都得到了有效控制，但是污泥中重金属的钝化和去除效果由于受到季节、水源、生物种群以及处理工艺等因素的影响，可能会导致其含量呈现显著性季节差异［7-9］。重金属含量超标的污泥肥料施入土壤后不仅会对土壤和地下水造成危害，还可能通过食物链在生物体内形成积累引发多种病症［10］。因此，污泥土地利用的合理施用量不仅要结合当地的土壤背景值等因素，还应考虑季节因素进行动态调整。然而，目前与此相关的研究仍比较少见，本文选取北京市有代表性的3 座污水处理厂的污泥为研究材料，以污泥产品中含量较高的铜、锌、铬、镍、铅等8 种重金属为研究对象，通过逐月采集污泥样品和室内测试分析的方法，研究了污泥中重金属含量的季节变化特征及其潜在的生态风险，旨在探讨污泥产品与土壤环境风险的关系，并为北京市污泥的土地利用提供科学依据。

2 材料与方法

2.1 污泥来源

选取北京市高安屯（A）、小红门（X）、槐房（H）3座污水处理厂的污泥产品，其中，高安屯污水处理厂位于朝阳区金盏乡境内，污水处理量达20 万m3/d；小红门污水处理厂位于朝阳区小红门乡，污水平均处理量为61.6 万m3/d；槐房污水处理厂位于北京市丰台区，是第一座全地下再生水厂，污水处理量约为60 万m3/d。3 座污水处理厂均接受来自周边其他水厂的污泥统一进行处理，均采用热水解—厌氧消化—板框脱水处理方式［11-12］，且污水来源都以居民生活用水和公共设施排水为主。

2.2 样品采集

每月中旬从3 座污水处理厂生产的污泥产品中选取出厂时散装堆放的产品，3—5 月为春季、6—8月为夏季、9—11 月为秋季、12 月—次年2 月为冬季。取样时用采样器斜插至堆体3/4 处，每次采样总量不少于2 kg，将采出的样品用四分法保留1 kg，分装于2 个清洁的自封袋中，1 袋样品排出空气，密封保存；1 袋样品混匀后再用四分法缩分成约100 g，自然风干后用玛瑙棒研压通过2 mm 尼龙网筛，将所得样品混匀后再用玛瑙棒研磨，使所有样品通过100 目（孔径0.149 mm）尼龙筛，混匀备用。

2.3 测定指标及方法

检测指标包括铜、镍、铬、锌、铅、镉、汞、砷8 种重金属全量。铜、镍、铬、锌、铅利用TAS-990MFG 型原子吸收光谱仪，按照《土壤和沉积物 铜、锌、铅、镍、铬的测定 火焰原子吸收分光光度法》（HJ 491—2019）测定；镉同样利用TAS-990MFG 型原子吸收光谱仪，按照《土壤质量 铅、镉的测定 石墨炉原子吸收分光光度法》（GB/T 17141—1997）测定；汞与砷利用AFS-9700 双道原子荧光光度计，按照《土壤质量 总汞、总砷、总铅的测定原子荧光法》（GB/T 22105.1—2008）测定。

2.4 内梅罗综合污染指数法

内梅罗综合污染指数法可以全面反映各种重金属对土壤的影响，突出高浓度污染物对环境的影响，避免平均值弱化重金属权值的现象［13］。具体方法如下：首先根据公式（1）求出内梅罗单项污染指数（Pi），然后根据公式（2）求出内梅罗综合污染指数（PI）。

式中，Ci为污泥中第i 种重金属的实测值，mg/kg；Co为第i 种重金属含量的标准限值，mg/kg；Pi-ave为污泥样品中各种重金属内梅罗单项污染指数的平均值；Pi-max为污泥样品中各种重金属内梅罗单项污染指数的最大值。

内梅罗综合污染指数的评价等级见表1。

表1 内梅罗综合污染指数评价标准

2.5 数据处理

采用Microsoft Excel 进行数据计算和绘图，采用SPSS 进行单因素方差分析，并应用LSD 法进行显著性检验（p＜0.05）。

3 结果与分析

3.1 各污水处理厂污泥中重金属的污染状况

各污水处理厂污泥中的重金属含量的平均值与最大值检测结果见表2。

表2 北京3 座污水处理厂污泥中重金属污染状况 mg/kg

从表2 中可以看出，各重金属的极大值都小于《城镇污水处理厂污泥处置 农用泥质》（CJ/T 309—2009）规定的A 级污泥限值，其中，铜、镍的含量相对接近标准限值，其余各重金属均远小于标准中规定的相应值，说明北京3 座污水处理厂产生的污泥均可农用。

3.2 污泥中重金属含量的季节变化特征

图1 为北京3 座污水处理厂产生的污泥中8 种重金属含量的季节变化特征。

图1 污泥中各重金属含量季节变化特征

从图1 中可以看出，铜的年平均含量最高，夏季A 水厂中铜、锌2 种重金属含量显著低于春季（p＜0.05），而X，H 两座水厂的相应值在夏、秋两季相对较高。各水厂的污泥中砷与铅的含量在夏、秋两季均高于春、冬两季，其中铅的变化幅度较为明显，夏季含量皆达到了年内峰值，相比于冬季其含量高出25.7%～36.7%。从3 座水厂污泥中镍的变化特征看，夏季含量显著高于其余季节（p＜0.05），其在A 水厂中夏季含量高达81.89 mg/kg，但在X 水厂的冬季含量仅为36.45 mg/kg。A，X 水厂中汞含量在四季中没有显著差异（p＜0.05），H 水厂中夏季含量显著高于其余三季。3 座水厂中铬在四季的变化特征不尽相同，A 水厂与H 水厂的四季变化趋势相反，镉含量在四季中没有显著差异（p＜0.05）。

图2 为3 座水厂污泥中8 种重金属的含量之和的四季变化特征，可以看出，A 水厂重金属总量的季节变化差异不显著（p＜0.05），X 水厂中夏、秋两季含量显著高于春季和冬季，其中夏季最高为707.97 mg/kg，与冬季的最低含量相比，高出20.4%。H 水厂中夏季重金属总量显著高于其他3 个季节的相应值（p＜0.05）。

图2 3 座水厂污泥中8 种重金属总量的季节变化

3.3 内梅罗综合污染指数法评价重金属污染风险

内梅罗综合污染指数中运用的标准值为《城镇污水处理厂污泥处置 农用泥质》（CJ/T 309—2009）标准中对重金属含量控制较严格的A 级污泥限制。污泥中重金属的内梅罗综合污染指数及其等级见表3。从表3 中可以看出，仅在夏季中镍的含量达到了Ⅱ级警戒级，其余数值均小于0.7，为Ⅰ级清洁状态，铜、镍、铅3 种重金属的内梅罗单项污染指数均表现为夏季较高，冬季较低，而铬和锌在四季中污染指数变化不大。各季节的综合污染指数显示，污染风险由高到低依次是夏季、秋季、春季、冬季，各季节内梅罗综合污染指数均处于Ⅰ级清洁状态，说明各季节的污泥施用于土壤的重金属污染风险较低。

表3 污泥中重金属的内梅罗综合污染指数及其等级

4 讨论与结论

污泥中的重金属一直以来都是限制污泥土地利用的重要因素，为探究污泥产品土地利用的合理施用量，人们以往关注的焦点大多是根据污泥施入土壤后重金属的全量或有效态含量来确定，但忽视了污泥产品的重金属含量可能随着季节变化而发生改变。本研究发现，各污水处理厂污泥中的8 种重金属含量除镉外都存在季节性差异，X，H水厂中的铜、锌、砷、铅和镍都表现出夏、秋季含量高于春、冬两季，夏季和冬季的差异尤为明显。而A 水厂与上述两座水厂中铜、锌的含量变化不同，夏季呈现降低趋势。从8 种重金属总量的季节变化来看，A 水厂四季变化不显著，但其余两座水厂夏季含量相对较高，这与杨妍妍等［14］探究的北京市区8 家污水处理厂重金属含量的季节变化结果相似。综合3 座污水处理厂的数据，利用内梅罗综合污染指数分析发现，在夏季镍元素的含量达到了警戒级别，存在一定的污染风险。从综合污染指数可以看出，各季节均处在安全级别，未对环境造成危害，其综合污染指数值由大到小依次是夏季＞秋季＞春季＞冬季。

综上所述，污泥中重金属含量存在季节差异，且不同重金属的季节变化特征也不尽相同。通过内梅罗综合污染指数法分析发现，镍在夏季污染风险达到了警戒级别。综合污染指数值由大到小排序均为夏季、秋季、春季、冬季，表明夏季的污染风险较高，冬季较低。这可能与夏季污水中微生物含量较多，有机物被其分解成二氧化碳和水，从而使污泥产率下降，单位污泥中所含重金属浓度上升有关，同时由于冬季进水悬浮固体浓度较高，污水处理厂会投入更多的混凝剂以沉降悬浮物，致使冬季污泥产出增大，单位污泥中的重金属含量降低［15］。此外，进水水源中重金属含量的季节变化也是影响因素之一。所以在探究北京地区将排水污泥作为有机肥施入土壤利用的过程中，应关注夏季污泥的重金属含量，能够较好地规避重金属对环境造成的污染风险。