南宁市市政污泥及资源化产品重金属特性分析与污染风险评价

徐荣乐， 黄业翔， 许 谦， 韦士程， 赵侣璇， 宋晓薇

（1.广西壮族自治区环境保护科学研究院, 广西 南宁 530022；2.广西绿城水务股份有限公司江南污水处理厂， 广西 南宁 530022）

0 引言

随着我国城镇居民生活污染防治工作的不断推进，污水处理设施建设及配套污水管网不断完善，城镇居民生活污水处理能力逐年增长，根据《2019年城市建设统计年鉴》记载，目前我国建设运行污水处理厂2 471 座，生活污水处理量约为1.44 × 108m3/d，干污泥产生量约为3.0 × 105t/d。 在污水处理能力逐步提升的同时， 剩余污泥作为污水处理厂运行过程的主要副产物，含有大量微生物和寄生虫，部分污泥可能含有重金属等有毒有害物质等， 极易造成二次污染风险[1]。

我国脱水污泥处置经多年发展，形成了“厌氧消化＋土地利用、好氧发酵＋土地利用、干化焚烧＋灰渣填埋或建材利用、深度脱水＋应急填埋”等4 种主流处理处置技术路线， 有效解决了我国污泥处理处置的问题[2]。 但由于重金属元素具有较强的富集性、难降解性，若污泥中重金属含量过高，在污泥土地利用过程中易造成土壤重金属累积，存在环境风险隐患，影响污泥及其资源化产品的重新利用，因此，对脱水污泥中重金属含量、 重金属形态分布及资源化利用生态风险等进行分析评估显得尤为重要。 在我国北方区域， 对北京市及河北省的不同污水处理厂污泥进行的研究结果[3-5]表明，部分污水处理厂污泥重金属存在超标情况，且存在一定的潜在生态风险。另有对广西壮族自治区城镇污水处理厂污泥进行的研究结果表明[6-8]，部分污水处理厂脱水污泥中重金属Zn也存在超标情况，Zn，Ni 的可交换态和可还原态占比较大，迁移转化能力强，极易被生物利用，同时风险指数分析表示Cd 是重金属元素潜在生态风险的主要贡献者。

根据前期对广西壮族自治区市政污泥处理处置方式的调查分析结果得知： 污泥处理主要的处置方式为“好氧堆肥+土地利用”，占比在55%左右。 为进一步探究广西市政污泥“好氧堆肥+土地利用”方式的潜势， 以南宁市4 个典型市政污水处理厂为研究对象，开展污泥及其堆肥产品重金属特性研究，并对土地利用的重金属生态风险进行评价。

1 材料及方法

1.1 实验材料

污泥分别取自南宁市江南污水处理厂、 琅东污水处理厂（一期）、琅东污水处理厂（二期）和武鸣污水处理厂的污泥脱水车间， 各污水处理厂基本情况见表1。 每2 个月采集1 次污泥样品1 000 g 置于聚乙烯自封袋中，共采集6 次。 污泥样品经自然风干、研磨后过0.15 mm 筛，密封保存，用于理化性质分析和测定污泥中重金属 （As，Cd，Cr，Cu，Hg，Ni，Pb 和Zn）含量及形态分布。同时取相同时段的污泥堆肥产品（营养土）用以测定污泥堆肥产品重金属（Hg，As，Pb，Cd 和Cr）含量。

表1 污水处理厂基本情况

1.2 检测及分析方法

污泥中重金属形态采用BCR 3 步连续提取法提取。Al，Cu，Cd，Cr（还原态、氧化态、可交换态），Ni，Pb 采用HJ 766—2015 电感耦合等离子体质谱法测定；Cr（全量、残渣态）采用HJ 749—2015 火焰原子吸收光谱法测定；Zn 采用HJ 786—2016 火焰原子吸收分光光度法测定；As，Hg 采用HJ 702—2014 微波消解/原子荧光法测定。

1.3 评价方法

（1）污泥中重金属污染指数评价

单个污泥样品中各重金属元素单项污染指数（Pi）见公式（1）：

式中：Pi为土壤中污染物i 的环境质量指数；Ci为污染物i 的实测质量分数，mg/kg；Si为参比值，mg/kg，本次评价以GB 4284—2018 《农用污泥污染物控制标准》中A 级污泥产物的污染物浓度限值为参比值。

采用内梅罗综合指数法对污泥中重金属污染的平均水平进行综合评价， 该计算方法综合考虑最大单污染指数与平均污染指数， 突出了污染最严重的污染物危害，可全面反映重金属的平均污染水平[4]。

式中：Pm为综合污染指数；Pimax为污染物单污染指数中的最大值；Piavg为所有污染物单污染指数平均值。依据单因子指数法和内梅罗综合污染指数法可将重金属污染划分为5 个等级[9]，具体见表2。

表2 污泥中重金属污染水平等级划分

（2）Hakanson 潜在生态危害指数法

重金属潜在生态风险评价采用瑞典科学家提出的评价方法， 是目前沉积物重金属污染质量评价应用最广泛的方法之一。

本次评价中以GB 4284—2018 《农用污泥污染物控制标准》 中A 级污泥产物的控制限值为参比值，生态风险水平的划分标准见表3。

表3 生态风险水平划分

2 结果与讨论

2.1 污泥及资源化产品重金属特性分析

2.1.1 污泥中重金属含量

南宁市污水处理厂污泥中重金属含量见表4。

表4 南宁市典型污水处理厂污泥中重金属含量

由表4 可以看出， 污泥中含量最大的重金属为Zn，平均质量分数为474.38 mg/kg，其次为Cu，Cr，平均质量分数分别为117.63 ，87.32 mg/kg； 随后依次为Pb，Ni，As，Hg 和Cd， 平均质量分数分别为38.71，36.84，15.11，2.01 和1.95 mg/kg。 部分月份污泥中重金属Hg，Cd 含量超过污泥处置农用污泥（GB 4284—2018）A 级污泥控制限值，其余重金属含量均满足A 级标准限值要求。 与林荣科等[6]研究结果对比，随着南宁市社会经济发展，雨污分流、初期雨水收集等工作不断推进， 南宁市污水处理厂脱水污泥中Cd，Cr，Cu，Pb 和Zn 等含量随着进水中污染物浓度增加也有一定程度的增加。

重金属含量主要受污水来源及城市地理位置、城市性质和工业布局等因素影响， 在污水处理过程有70%～90%的重金属通过吸附或沉淀转移到污泥中，随着环境保护标准的日益严格，生活污水和初期雨水逐渐取代工业废水成为城市污泥中重金属的主要来源[10]。 有研究报道[11-13]，市政污泥中重金属主要成分Pb，Zn，Cu 等来自镀锌管道和PVC 管路（含铅盐稳定剂），也可能来源于汽车清洗废水、汽车尾气排放或汽车零部件释放污染物形成的城市径流；Hg来源于牙科材料废水；Cd，Cr 和Ni 通常来源于电池、电子、印染和电镀等工业企业；As 源于含砷木材防腐剂（铬化砷酸铜）及含As 洗涤剂等。

南宁市各污水处理厂污泥中重金属平均含量见图1。 由图1 可以看出，江南污水处理厂作为南宁市最大的污水处理厂，污水收集范围大、服务人口多，且接纳部分产业园区污水， 脱水污泥中As，Cd，Cr，Hg，Ni 和Pb 含量均高于其余3 个污水处理厂；武鸣污水处理厂接纳部分工业园区污水，包含食品加工、建筑材料、金属机械、木材家具等多种行业，脱水污泥中重金属Cu，Cd，Ni，Zn 等含量均高于琅东污水处理厂。

图1 污泥中重金属含量

2.2.2 污泥中重金属形态分布

各污水处理厂污泥中重金属形态分布及占比见图2。

图2 污泥中各重金属形态分布及占比

由图2 可以看出， 各污水处理厂的污泥中Cu，Cr，As，Pb 形态均以残渣态为主， 占比均在80%以上，Cu 可交换态占比在10%左右，Pb 可还原态占比为13.77%；Zn 的残渣态占比为40.63% ～ 48.26%，其次为可交换态和可还原态，占比分别为27.27%～34.46%,15.41%～17.73%；Cd 残渣态占比为49.99%～58.43%，其次为可还原态和可交换态，但琅东污水处理厂（二期）污泥中Cd 可氧化态高于其余2 种形态；Hg 残渣态占比为75.87%～93.26%，琅东（二期）的污泥残渣态占比较小， 可氧化态占比为16.53%；Ni 残渣态占比为61.95%～68.79%， 其次为可交换态，占比为16.56%～2 7.06%。 由此可见，南宁市4个污水处理厂污泥重金属形态分布基本相同， 残渣态是污泥重金属的主要形态， 该结果也与安米基等[14]对成都市29 家污水处理厂污泥重金属形态分布的研究结果较相似， 由于残渣态元素主要与硅酸盐矿物等结合，迁移性很小，较难被生物利用，对环境影响较少[15]；但Zn，Cd，Ni 的可交换态和可氧化态含量较高，具有一定的迁移性，在进行污泥资源化利用过程中需加强重金属防控，降低污染风险。

2.2.3 污泥资源化产品中重金属含量

在开展污泥调查期间， 同步进行污泥堆肥产品中Hg,As,Pb,Cd,Cr 含量的调查，调查结果见表5。 由表5 可以看出，在污泥堆肥过程中，根据污泥有机质含量状况， 为保证最终产品有机质质量分数达到20%以上， 通常加入污泥总质量20%～30%的统糠作为辅料， 污泥堆肥产品中Hg，As，Pb，Cd，Cr 质量分数分别为0.26～1.84，4.01～24.7，7.8～43.2，0.31～1.78，54～195 mg/kg， 达到农用污泥 （GB 4284—2018）A 级标准限值要求。堆肥后污泥中各重金属单位含量均有所降低（除Cr 外），该现象与陈镇新等[16]和葛骁等[17]研究结果基本相似，说明添加辅料在一定程度上可降低单位污泥重金属含量。 若忽略辅料添加量的影响，堆肥过程中Hg，Cd 平均含量较原污泥分别降低了29.48%,6.13%，推断原因可能为堆肥过程中重金属随着渗滤液溶出[18]；而As，Pb，Cr 含量分别提高了26.49%，0.59%，34.10%， 说明污泥堆肥过程仍具有一定的重金属累积效应， 其中As，Cr 的累积效应较强。 因此在堆肥过程中，需添加调理剂，严格控制堆肥条件， 促进污泥中有效态重金属向稳定态转化，提高资源化产品使用安全性。

表5 污泥堆肥产品中各重金属质量分数

2.3 污泥及资源化产品重金属生态安全性分析

2.3.1 污泥及资源化产品重金属污染状况评价

以污泥处置农用污泥标准 （GB 4284—2018）A级污泥产物控制限值为参比， 对污泥及堆肥产品重金属Pi和Pm进行计算，结果见表6。 由表6 可以看出，琅东污水处理厂（一期）污泥中重金属Pi均在0.7 以下， 处于安全范围； 江南污水处理厂污泥中Cd，Hg 的Pi分别为0.8，075， 琅东污水处理厂 （二期）污泥中Hg 的Pi为0.85，武鸣污水处理厂污泥中Cd 的Pi为0.77，均处于警戒限范围，因此污泥中重金属Cd，Hg 污染应重点关注。 从综合污染指数情况来看，4 个污水处理厂污泥中重金属Pm均小于0.7，其中琅东污水处理厂 （一期） 污泥中重金属Pimax＜0.7，处于安全范围；其余3 个污水处理厂由于Pimax＞0.7，处于警戒限范围。 从污泥堆肥产品来看，各重金属Pi在0.09～0.45 之间，重金属Pm为0.32，处于安全范围。

表6 污泥及堆肥产品中重金属污染状况

2.3.2 污泥及资源化产品中重金属生态安全性

以农用污泥标准（GB 4284—2018）A 级污泥产物控制限值为参比， 南宁市污水处理厂污泥及资源化产品Hakanson 潜在生态风险指数见表7。 由表7可以看出，4 个污水处理厂污泥中重金属单因子潜在生态风险指数Er均小于40，RI 在49.56～69.4 之间，其中江南、琅东（一期）、琅东（二期）污水处理厂污泥潜在生态风险为中等， 武鸣污水处理厂生态风险指数为轻微。经堆肥处理后，污泥资源化产品的重金属RI 降至34.48，对生态环境存在的风险较低。但根据前期研究，即使污泥堆肥产品满足农用要求，但在多年连续施用过程中仍可使土壤中重金属含量一定程度的增加[19]，因此在堆肥过程仍需加强重金属污染控制，通过水热、超声、微波、臭氧、化学淋滤、生物沥浸、水解酸化等多种堆肥预处理方式，降低污泥堆肥产品施用风险[20]；同时进一步探明堆肥污泥使用阈值， 合理控制施用量， 将堆肥污泥用于园林绿化、林业土壤基质、矿山修复[21,22]等方面，减少污泥中重金属迁移转化对人类健康的潜在影响。

表7 污泥及资源化产品的重金属潜在生态风险状况

3 结论

（1）根据污泥中重金属含量分析结果，除Hg，Cd以外， 南宁市4 个市政污水处理厂污泥中重金属含量均达到GB 4284—2018 《农用污泥污染物控制标准》中的A 级标准，部分时段的Hg，Cd 仅达到B 级标准。根据污泥中重金属形态分布分析结果，残渣态是4 个市政污水处理厂污泥中重金属的主要形态，但Zn，Cd，Ni 的可交换态、可氧化态含量较高，具有一定的迁移性，应重点关注其污染风险。根据重金属污染及生态风险评价结果， 各污水处理厂污泥潜在生态风险等级为轻微～ 中等，其中Hg，Cd 污染指数相对较大，应加强控制。

（2）污泥堆肥处理后，由于添加了木屑、锯末等不同辅料，故降低了单位堆肥产品中重金属含量，使得Hg，As，Pb，Cd，Cr 含量均能达到GB 4284—2018《农用污泥污染物控制标准》中的A 级标准，污泥堆肥产品的重金属污染程度及潜在生态风险处于轻微状态。

（3）建议在污泥堆肥过程中采取更有效的重金属钝化措施，降低重金属迁移转化风险；同时避免将污泥堆肥产品用于农作物种植，可通过园林绿化、矿山生态修复等途径，实现污泥资源化利用，避免污泥堆肥产品迁移对人类健康产生影响。