西安市生活污水厂污泥中重金属特性及再利用风险评价

李元瀚,孙长顺,王丽香,郭嘉伟,马俊杰

(1.陕西省环境科学研究院,西安 710100；2.西北大学,西安 710127)

前 言

随着工业与城市的快速发展，污水排放量也迅速增加，占污水体积0.3%～0.5%的副产物污泥的含量也随之俱增[1～3]。截至2016年，我国城市污水处理厂日处理能力为16 779万m3/d，每年产生的剩余污泥产量达到3 000余万t(以含水率80%计)，但相应的污泥处理能力并没有得到同步提升，我国目前污水处理厂有污泥无害化处理处置设施的污水处理厂所占比例不到1/4，污泥处理能力提升低于污泥产生量的增加，逐渐成为我国城市污染控制领域的薄弱环节[4-5]。此外，污泥中含有大量N、P、K等植物营养元素，如能合理利用则不仅可变废为宝，还能增加经济效益[6]。

西安市作为西北地区的中心城市，截至2017年，西安市污水厂年处理总量达到76 719.43万t，污泥年产量达到66.9万t(数据来源：《西安市环境保护局关于发布2017年度固体废物有关信息的公告》)。本研究主要目的是通过评价各水厂污泥再利用风险，为西安市生活污水厂污泥处置探索一条合理的途径提供数据。

1 材料与方法

1.1 样品采集

2016年6月、2016年9月和2017年3月分别选取西安市7家正常运行的生活污水处理厂采集终端污泥，7个污水厂污水收水量约占西安市污水总收水量的61%，污泥排放量占西安市污泥总排放量的52%，可以代表西安市污泥排放水平。采集的污泥装入塑料密封瓶，带回实验室冷冻保存待测。

1.2 样品处理与分析方法

采集的污泥经冷冻干燥后研磨过0.15mm筛，精确称取0.2g左右样品，放于消解管中，置于消解架上，使用全自动石墨消解仪进行消解。过滤后加5%硝酸定容至50mL。使用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES，美国Optima5300DV)测定样品中Cd、Cr、Pb、Ni、Cu和Zn 6种重金属的含量。

2 结果与讨论

2.1 西安市污水厂污泥理化性质

由表1可知，西安市生活污水厂污泥pH值范围为5.92～7.26，满足《城镇污水处理厂污泥处置农用泥质》(CJ/T309-2009)要求。污泥中营养元素含量满足CJ/T309-2009要求，污泥总体呈现高有机质、高N、高P特点，具有很好的土地利用价值，这与其他相关研究结果一致[6-7]。

表1 污泥的理化性质Tab.1 Physico-chemicalpropertiesofsewagesludge

2.2 西安市污水厂污泥重金属

西安市7家污水厂的污泥重金属含量见表2。由表2可知，污泥中各重金属浓度范围分别为:

Cr为37.6～329mg/kg，Cu为56.9～178mg/kg，Ni为15.3～63.4mg/kg，Pb为28.9～105mg/kg，Cd为0.46～9.20mg/kg，Zn为190～811mg/kg。Cu和Zn占重金属含量比例最高，Cd比例最小。锌含量高可能与中国城市排水管道大多采用镀锌材料有关，Cu和Cr含量高可能与进水中含有电镀、化工、机械加工、制革等工业污水有关[8-9]。

表2 污泥样品中重金属含量Tab.2 Heavy metal concentration in sludge samples (mg/kg)

续表2

各污水厂污泥重金属总量XA1、XA4、XA5、XA6基本持平，处于较高水平；XA3污水厂收水范围内包含部分电子企业，但重金属总量较低，可能与西安市对排污企业专项整治有关；XA2重金属总量最低。其中XA1、XA4、XA5、XA6、XA7除生活污水外还接收部分工业废水，收水范围内有电子企业、电镀企业、焦化厂等污染企业，导致整体重金属含量偏高。

与《城市污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)相比，西安市7家污水厂只有XA3污水厂样本①超标；与《农用污泥中污染物控制标准》(GB4284-2018)相比，7家污水厂所有指标均符合污泥污染物控制标准；与《城市污水处理厂污泥处置农用泥质》(CJ/T309-2009)相比，存在部分样品Cd超过A级标准限值的现象，XA3①样品Cd超标达到A级限值的3.1倍，其余所有指标均达到B级标准限值，均可考虑用作园林绿化及土地改良。

2.3 西安市污水厂污泥再利用可行性评价及潜在生态风险评价

2.3.1 潜在生态风险评价

不同重金属对农作物及人体健康产生的危害不同，即使在污泥中浓度相同，其产生的危害也有差别。运用潜在生态风险评价法对污泥中重金属潜在危害进行评价[14～18]。其计算公式为:

(1)

式中:Ei为第i种重金属的潜在生态危害指数;Ti为第i种重金属的毒性响应系数(Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn分别为30、2、5、5、5、1);Ci为第i种重金属的测定浓度，mg/kg;C0为该项重金属元素的参比值(Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn分别为0.09、62.5、21.4、28.8、21.4、69.4mg/kg)，mg/kg。对于参比值的选择，Hakanson提出取值应为工业化前未受过污染的背景值，但如今土壤背景值普遍升高且区域差异较大。综合考虑本次研究采集样品的特点以及参考其他文献，本文选陕西省土壤环境背景值作为参比值[19]。

根据Ei与RI值大小，重金属生态危害程度的划分标准见表3。

表3 潜在生态危害评级标准Tab.3 Standards of potential ecological risk assessment

本研究在Hakanson研究的基础上进行了适当调整。前人的研究中，在计算生态风险时多使用重金属总量，从形态上划分，重金属可分为稳定态和不稳定态，其中不稳定态易被植物吸收，稳定态很难被生物吸收。稳定态在酸性条件下有可能转化为不稳定态，而西安市土壤为碱性土壤[19]，因此稳定态极难转化为不稳定态，因此本研究以重金属不稳定态来计算生态风险。

经计算，西安市城市污水厂污泥中重金属的潜在生态危害指数与复合生态危害指数见表4。表中六种重金属危害指数的大小顺序大致为：Cd>Zn>Ni>Pb>Cu>Cr。潜在危害最高的是XA6污水厂的Cd，潜在风险指数达到160.8，属于高风险。XA4和XA5污水厂的Cd也超过限制达到中等风险，剩余所有均显示低风险。XA3污水厂收水范围内存在部分电子企业，但是整体风险均显示较低，说明该区域内工业污水处理较彻底。

7家污水厂污泥重金属的复合生态危害指数大小依次为XA6>XA5>XA4>XA7>XA3>XA2>XA1。由表中不难看出，除XA1、XA2两个污水厂所有重金属潜在危害均较低外，其余四个污水厂Cd的潜在风险贡献度均达到了90%以上，可见Cd是污泥重金属中最主要的风险隐患，该结论也与何绪文等(2016)、张康等(2019)和王晓林(2016)等研究结论一致[13,20-21]。

表4 污泥中重金属潜在污染评价Tab.4 Assessment of potential ecological risks of heavy metals in sewage sludge

Cu和Zn在污泥中含量较高，但由于其毒性较低，环境背景值较高，风险指数贡献度均较小。7家污水厂中，XA6的危害性最高，属于中等风险，其污泥不建议再利用，其余6家污水厂重金属潜在危害较低，可以考虑污泥再利用。

2.3.2 污泥再利用可行性评价

由前文可知，西安市各污水厂污泥重金属含量基本符合农用标准，且除了XA6污水厂外，相应潜在生态风险较低，可以按照不同标准投放到绿地或土地改良中。

按照《陕西省统计年鉴》统计，西安市林地约508 390hm2，绿地面积31 681hm2，年产生湿污泥约100万t(含水率以80%计)，按照《农用污泥污染物控制标准》(GB4284-2018)中的规定，污泥年用量最高不超过7.5t/hm2，则西安市林地绿地年可承载污泥量约400万t，年总承载力约为年产出污泥量的4倍，承载能力远大于年产出污泥量，可见在污泥污染物质全部达标的前提下，污泥再利用是解决污泥问题的可行途径。

3 结 论

3.1 本文研究的西安市7家污水处理厂重金属含量均达到《农用污泥中污染物控制标准》。除XA3污水处理厂2016年6月污泥样本中Cd超过限值外，其他污水厂污泥均达到污泥再利用要求，可以进一步考虑污泥再利用。

3.2 西安市农用地和绿地可投放污泥量远高于污泥年生产量，7个水厂污泥再利用的潜在风险大小顺序依次为：XA6>XA5>XA4>XA7>XA3>XA2>XA1。XA6污水厂污泥再利用的重金属污染风险为中等，其污泥不建议农业利用，其余各厂污泥均为低风险，可以考虑污泥再利用。Cd是污泥重金属风险的主要贡献因子，在XA3、XA4、XA5、XA6、XA7风险评价中贡献率均超过90%。