贵州某市城市污泥中磷含量和形态分布*

赵 君，吴 坤，王 毓，任俊鹏，马小云，周进康

(贵州师范学院化学与材料学院，贵州 贵阳 550018)

城市污泥是污水处理过程中产生的富含有机质、氮、磷等成分的半固体物质，随着我国城市污水处理深度的加深和处理量的增加，城市污泥年产量逐年递增预计在2020年底污泥产量将突破6000万吨[1]。与污水处理形成较大反差的是污泥处置的重视程度相对不足、存在“重水轻泥”的现象，为此国家《“十三五”全国城镇污水处理及再生利用设施建设规划》提出进行污泥改造实现无害化、资源化处理[2]。

污泥中可被生物利用的氮、磷等营养元素含量丰富，使得污泥的处理方式从卫生填埋转向农用或者土壤修复成为可能，这不仅可减少化肥等化学肥料使用，还能真正有效、资源化的实现水体和污泥处理[3-5]。在污泥农用或土壤修复时污泥中的磷不可避免会进入水体增加水体富营养化风险，水体富营养化风险与总磷及磷在环境中的形态都密切相关[6]，所以污泥中磷的形态和含量分析研究不仅是水处理中磷去除的前提，也是污泥可利用可行性及农用安全性的考量指标从而为污泥合理处置提供科学的参考。目前国内众多地区已开展对污泥中磷形态的研究，贵州地区污泥的研究主要以重金属等含量分析为主还未见有关磷形态研究的相关报道[7-9]。本文选取贵州某市城市污泥为对象，利用在沉积物、污泥中得到广泛认可的STM法对该市污泥磷形态和生物可利用性进行研究，为污泥科学处置和资源化利用提供一定的参考和借鉴。

1 实 验

1.1 实验材料

污泥样品来自该市污水处理厂脱水污泥共计16个。在脱水污泥出口处运用梅花形布点法收集污泥，污泥混匀后装入瓶中置于保温箱中带回实验室；样品经自然风干、除杂后运用四分法取样，磨碎过100目筛，密封置于干燥阴凉处保存待测。

主要仪器：SSM-5000A总有机碳测定仪，岛津有限公司；UV-2450紫外分光光度计，岛津有限公司；CPA-225D电子天平，赛多利斯科学仪器有限公司；TG16-WS离心机，湖南湘仪仪器有限公司；SX-4-10马弗炉，天津泰斯特有限公司。

主要试剂：磷标准液(1000 mg/L)，坛墨质检科技有限公司；氢氧化钠(分析纯)，重庆川东化工；盐酸(分析纯)，国药集团有限公司。

1.2 实验方法

污泥中磷形态采用欧洲标准测量组织的SMT方法进行测定，提取步骤如图1所示[10]。该方法将磷形态分为五种形态，其中总磷(TP)由无机磷(IP)和有机磷(OP)两类组成，无机磷(IP)又包括磷灰石态(AP)和非磷灰石态(NAIP)两种形态。各形态磷均是在提取、经离心后取上清液，利用抗坏血酸法测定所含正磷酸盐为该形态下的磷含量；利用总有机碳测定仪对污泥中的总有机碳进行测定。

图1 磷形态分级提取的SMT流程

1.3 质量控制

玻璃仪器在实验前用30%稀盐酸浸泡12 h后用去离子水冲洗三次，同时设置样品空白，确保实验过程无干扰物污染；每个样品均设置3个平行样品进行平行处理，保证实验数据准确性。

2 结果与讨论

2.1 污泥中磷形态分布

该市污泥中总有机碳和不同形态磷的含量如表1所示。由表1可知：不同污水处理厂污泥总有机碳、总磷和磷形态含量均存在一定差异，但总体属于低有机质、低磷型污泥，其中总有机碳含量在80.78～344.10 mg/g，总磷含量在2.54～10.72 mg/g。因为城市污泥中的磷主要是在城市污水处理过程中被活性污泥吸附而产生的，城市污水中的磷主要与人体排泄物和洗涤剂消费等有关，因此城市污泥会呈现出明显的地域性特征[11]。贵州作为经济欠发达的西部地区地广人稀、磷消费量偏低，所以污水中有机质、磷等含量低于发达的东部地区，污泥中有机质、磷含量也相对较低。

污泥中不同形态磷在TP中所占比例从高到低顺序依次为IP>NAIP>AP>OP，其中污泥中IP含量范围在1.66～9.98 mg/g，占污泥中TP的比例高达65.4%以上，是污泥中磷的主要形态；NAIP在污泥中含量范围在0.88～7.11 mg/g，大部分样品中NAIP含量占IP含量的50.6%以上而AP含量在0.74～3.57 mg/g，在IP中所占比例较低。主要因为在污水处理过程中活性污泥上有机膜将水中的磷吸附在污泥表面，之后在微生物作用下磷酸根与污泥中钙、铁结合形成溶解度更小的磷酸钙、磷酸铁，以NAIP、AP的形式稳定的存在于污泥中成为污泥中磷的主要组成成分[12]；污泥中OP含量范围在2.54～10.72 mg/g，在污泥TP中比例最低，不到TP含量的30%，说明该市水体中磷的输入差异性不大，农业性面源污染输入较小[13]。

表1 污泥中总有机碳和不同形态磷含量

2.2 污泥中磷形态关系

利用SPSS18.0分析该市污泥中磷形态含量及总有机碳间的相关性，结果如表2所示。由表2可知：在P<0.01水平上污泥中TP与各形态磷含量均存在显著的相关性，其中TP与IP的相关性最高，其次是TP与NAIP、TP与OP间的相关性。因为IP在污泥的磷形态组成中占有绝对优势，而污泥中无定形的铁、铝物质对NAIP的吸附是污水处理中磷的主要去除方式。在P<0.01水平上IP与NAIP、AP均为极显著正相关，因为NAIP、AP是IP的主要组成部分，其含量对IP在污泥中的分布起决定性作用。

总有机碳与磷形态均呈正显著相关，特别是OP的正相关水平最高，因为有机质是OP重要的载体，在污水处理中OP是随有机质的增加而增加[14]。在沉积物等相关研究中有机质与OP关系密切：污水处理中有机质包裹在铁、铝、碳酸类矿物质表面形成矿化的有机胶体膜，同时有机质中的腐殖质可与铁、铝等形成有机-无机复合体成为磷的吸附点，加强了对磷的吸附作用[15-17]。

生物有效磷是可被植物直接吸收利用的溶解态正磷酸盐及在植物生长过程中能被植物分泌物转化易吸收IP的OP，所以可以用NAIP和OP加和来估算污泥、沉积物的生物有效磷的含量[18]。该市污泥样品中生物有效磷含量范围在1.75～9.44 mg/g，除13号样品外所有污泥中生物有效磷含量占总磷TP的64.1%以上，说明该市污泥中的磷大部分可以被生物利用，污泥可作为肥料用于农用从而减少化学肥料的使用；污泥中TP与生物有效磷在0.01水平上呈极显著相关，说明总磷含量高低可以间接反映生物有效磷的含量，在不具备测定磷形态的条件下可以通过总磷来粗略估计污泥的潜在生物可利用磷。

表2 污泥中磷形态和总有机碳间的相关性矩阵

3 结 论

通过对贵州某市16座处理厂污泥中磷形态含量分析，该市污泥中总磷含量为2.54～10.72 mg/g，有机碳含量为80.78～344.10 mg/g，不同处理厂污泥磷形态含量差异性不大，均属于低磷、低有机质污泥，呈现出明显的地域特征。IP是污泥中磷的主要赋存形态在TP中所占比例高达65.4%以上，NAIP在IP中占有优势其含量占到IP含量的50.6%以上。该市污泥的生物可利用性较高，生物有效磷含量占TP的64.1%以上；污泥中TP与生物有效磷及磷的其他形态在0.01水平上呈极显著相关，可以通过总磷对污泥中磷的生物利用性进行预测。