干旱区污水处理厂污泥资源化风险评价

麦旭东，谭军利，2，3*，王西娜，田军仓，2，3

（1.宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏银川 750021；2.宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心，宁夏银川 750021；3.旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心，宁夏 银川 750021；4.宁夏大学 农学院，宁夏 银川 750021）

污泥中的成分受人类活动的影响而呈现季节性变化。如果要实现污泥堆肥资源化利用，就必须掌握污泥中养分及重金属含量的季节性变化规律，并对重金属的潜在生态风险进行评价。影响污泥资源化利用的主要因素是污泥中的重金属，重金属含量的多少会直接影响土壤环境中微生物的分解和吸收[1]，部分进入食物链中的重金属长时间富集会影响人体的健康[2]。污泥中重金属的种类、含量以及赋存的形态与重金属毒性影响的严重程度相关[3]。但污泥中含有大量的营养物质，通过处理的污泥施用于农田能有效提高土壤氮、磷、钾等养分，为农产品生长提供所需养分，减少化学肥料的施用量[1]。为更加准确地了解污泥中重金属污染特征和污染程度，采用客观的、科学有效的评价方法至关重要[4]，从而为污泥资源化利用提供科学依据和技术支持。目前评价污泥中重金属污染形式普遍、操作简单的方法有内梅罗综合污染指数法和潜在生态风险指数法等[5-7]。本文以中卫市应理集团污水处理厂产生的脱水污泥为研究对象，研究污泥中主要养分（包括有机质、全氮、全磷）以及重金属含量的年变化规律，以期为中卫市乃至全国污水处理和污泥资源化利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验设计

2019年的9月—2020年9月，项目组从中卫市某污水处理厂采集脱水污泥样品，分别在春（3月份、4月份）、夏（5月份、6月份）、秋（8月份、9月份）、冬（11月份）4 个季节采样，共采集7 次。样品采集后立即送至宁夏中科精科检测技术有限公司检测，检测项目包括：有机质、全氮、全磷、全钾、pH、水分、汞、砷、总铬、铅、镉。

1.2 检测方法

（1）有机质：《土壤检测 第6 部分：土壤有机质的测定》（NY/T 1121.6—2006）。

（2）全氮：《土壤质量 全氮测定 凯氏法》（HJ 717—2014）。

（3）全磷：《土壤 总磷的测定 碱熔-钼锑抗分光光度法》（HJ 632—2011）。

（4）全钾：《土壤元素的近代分析方法》[8]（原子吸收光度法）。

（5）pH：《土壤检测 第2 部分：土壤pH 的测定》（NY/T 1121.2—2006）。

（6）水分：《土壤 干物质和水分的测定 重量法》（HJ 613—2011）。

（7）汞、砷：《土壤质量 总汞、总砷、总铅的测定原子荧光法 第1 部分：土壤中总汞的测定》（GB/T 22105.1—2008）；《土壤质量 总汞、总砷、总铅的测定 原子荧光法 第2 部分：土壤中总砷的测定》（GB/T 22105.2—2008）。

（8）总铬、铅：《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）。

（9）镉：《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）。

1.3 风险评价方法

（1）单因子污染指数法是国内外普遍采用的方法之一，该方法可对土壤中某一污染物的污染程度进行评价[9]，其计算公式为

式中：Pi为土壤中污染物i 的环境质量指数；Ci为污染物i 的实测质量比，mg/kg；Si为污染物i 的环境质量标准，mg/kg。

（2）内梅罗综合污染指数法可全面反映土壤中各污染物的平均污染水平，也突出了污染最严重的污染物给环境造成的危害[10]，其计算公式为

式中：P 为监测点的综合污染指数；Pimax为i 监测点污染物单污染指数中的最大值；Piave为i 监测点所有污染物单污染指数平均值。

内梅罗综合污染指数法将土壤重金属污染划分为5 个等级，具体如表1 所示。

表1 土壤重金属污染分级标准

（3）污泥重金属潜在生态风险指数法是依据重金属污染物的性质以及对环境的影响特征，从沉积学的角度对土壤中重金属的平均污染水平进行评价，也是目前沉积物重金属污染评价应用最广泛的方法之一[11-12]。其计算公式为

表2 不同重金属的毒性效应系数

表3 生态危害指数分级标准

2 结果与分析

2.1 污泥pH、含水率季节性变化

由图1 可知，污泥pH 稳定在6.5～7.5，pH 全年平均值为6.9，变异系数为0.2%。pH 随季节性变化趋势不强，呈现秋季最高，夏季最低。污泥总体表现为中性偏酸性，污泥农用不会对土壤酸碱度造成不利影响。一年内污泥的含水率均在80%～90%，含水率全年平均值为88.2%，变异系数为0.2%，无明显变化趋势，污泥含水率与污水处理厂的污泥脱水工艺相关。污泥含水率的农用泥质标准≤60%，所以需进一步降低含水率。

图1 污泥pH、含水率季节性变化

2.2 污泥有机质、全氮、全磷、全钾季节性变化

由图2 可知：污泥中全年全氮的质量比总体保持在25～35 g/kg，明显高于鸡粪、牛粪的全氮质量比；全氮全年质量比的平均值为30 g/kg，变异系数为3.9%。全氮质量比随季节变化呈较为明显的变化趋势，冬季质量比最低，秋季质量比最高，春、夏、秋、冬四季全氮质量比表现为先降低后升高再降低的变化规律。污泥中全磷的质量比总体保持在240～431 mg/kg，也高于鸡粪、牛粪的全磷质量比；全磷全年质量比的平均值为300.4 mg/kg，变异系数为19%。全磷质量比随季节变化呈非常明显变化趋势，其中冬季质量比最低，秋季质量比最高，这可能与寒旱地区人类生活习性相关，在夏、秋季节洗澡和洗衣服多，春、夏、秋、冬四季全磷质量比表现为先升高再降低的变化规律。

图2 污泥全氮、全磷、全钾和有机质季节性变化

污泥中全钾质量比总体保持在3.2～9.0 g/kg，全钾全年质量比的平均值为5.79 g/kg，变异系数为4.4%。全钾质量比随季节性呈现较为明显的变化趋势，冬季质量比最低，秋季质量比最高，春、夏、秋、冬四季全钾质量比表现为冬季到春季逐渐升高，春季到夏季逐渐降低，夏季到秋季逐渐升高，秋季到冬季逐渐降低的趋势。污泥中有机质变化幅度不高、相对平稳，有机质质量分数总体保持在60%～70%，有机质质量分数全年平均值为63.9%，变异系数为1.8%。有机质质量分数随季节变化呈较明显的变化趋势，表现为冬季质量分数最低，秋季质量分数最高，春、夏、秋、冬四季有机质质量分数表现为先升高再降低的变化规律。

2.3 污泥中重金属质量比的变化

由表4 和图3 可知，重金属砷（As）的质量比为2～17 mg/kg，其质量比均远低于《农用污泥污染物控制标准》（GB 4284—2018）（以下简称《标准》）的限值（75 mg/kg）。As 的全年质量比的平均值为11.25 mg/kg，变异系数为2.42%。As 的质量比随季节变化呈明显变化趋势，秋季最高，春季最低，春、夏、秋、冬四季As的质量比表现为先升高再降低的变化规律。在2020年3月，As 的质量比最低，可能是新冠疫情期间大型娱乐场所关闭、饭店停业，污水处理厂污水处理量减少，使得重金属As 的质量比最低。重金属镉（Cd）的质量比为0.1～1.9 mg/kg，其质量比均远低于《标准》的限值（15 mg/kg）。Cd 的全年质量比的平均值为0.61 mg/kg，变异系数为0.5%。Cd 的质量比随季节变化呈明显变化趋势，秋季最高，春季最低，春、夏、秋、冬四季Cd的质量比表现为先升高再降低的变化规律。在2019年9月，Cd 的质量比最高，在2020年的各月，Cd 的质量比显著降低，同样也是受疫情影响，在2020年3月质量比最低。重金属汞（Hg）的质量比为0.7～8.7 mg/kg，其质量比均低于《标准》的限值（15 mg/kg）。Hg 的全年质量比的平均值为4.03 g/kg，变异系数为2.67%。Hg 的质量比随季节变化呈明显变化趋势，夏季最高，春季最低，春、夏、秋、冬四季Hg 的质量比表现为先升高后降低再升高的变化规律。重金属铅（Pb）的质量比为15～50 mg/kg，其质量比均远低于《标准》的限值（1 000 mg/kg）。Pb 的全年质量比的平均值为33.35 mg/kg，变异系数为1.81%。Pb 的质量比随季节变化呈明显变化趋势，冬季最高，春季最低，春、夏、秋、冬四季Pb 的质量比表现为先升高后降低再升高的变化规律。重金属铬（Cr）的质量比为60～80 mg/kg，其质量比均远低于《标准》的限值（1 000 mg/kg）。Cr的全年质量比的平均值为75.28 mg/kg，变异系数为6.92%。Cr 的质量比随季节变化呈明显变化趋势，春季最高，秋季最低，春、夏、秋、冬四季Cr 的质量比表现为先降低再升高的变化规律。

图3 污泥中5 种重金属质量比的季节性变化

表4 污泥中5 种重金属质量比季节性变化

2.4 重金属污染风险评价分析

由表5 可知，城市生活污泥中5 种典型重金属单因子污染指数平均值由大到小的顺序为：As，Cd，Cr，Hg，Pb。其中：重金属As 在整个调查期内污染较为严重，单因子污染指数平均值为2.02，为中度污染水平；重金属Cd，Cr，Hg，Pb 的单因子污染指数平均值分别为0.37，0.19，0.15，0.11，均小于0.7，污染水平为清洁。分析各重金属内梅罗综合指数在各月的污染水平可知，2020年5月份和6月份污泥中的重金属污染严重，为中度和重度污染。从整个调查时间来看，城市生活污泥中重金属内梅罗综合污染指数由大到小的顺序为：2020年6月、2020年5月、2020年8月、2019年9月、2020年4月、2019年11月、2020年3月。由此可知，污泥中重金属的污染水平为夏、秋季明显高于春、冬季，这与调查结果中重金属质量比的变化趋势一致。综合评价该污水处理厂污泥中重金属污染水平为轻度污染，可以考虑将该污水处理厂的污泥作为污泥堆肥的原材料。而在实际生产过程中，污泥经过堆肥处理后堆体中重金属的质量比和形态会发生变化，污泥在资源化生产利用中带来的生态环境风险小于该评价的分析值。因此，对于中卫市城市生活污水处理厂的生活污泥应考虑合理的资源化利用。

表5 重金属污染评价指数

2.5 污泥重金属潜在生态风险指数分析

由于Hakanson 未提供元素Hg 的毒性响应系数和评价参比值，所以本研究未对Hg 进行潜在生态风险指数分析。由表6 可知，城市生活污泥中4 种典型重金属单因子潜在生态风险指数平均值由大到小的顺序为：Cd，As，Pb，Cr。其中：重金属Cd 在整个调查取样过程中单因子潜在生态风险指数较大，平均值为34.29，为低危害风险程度；重金属As，Pb，Cr 的单因子潜在生态风险指数平均值分别为7.38，6.60，2.52，均远小于40，为低危害风险程度。根据各月重金属污染水平潜在生态风险指数可知，2019年11月污泥中4 种重金属综合因子的潜在生态风险指数较大，平均值为123.21，为低危害风险程度。通过分析污水处理厂污泥单因子和综合因子的潜在生态风险指数可知，在整个调查取样期内各月重金属污染风险程度存在明显差异。其中，2020年各月污水处理厂污泥中4 种重金属均远低于低危害风险程度，2019年的2 个月重金属Cd 处于中高危害风险。调查期内各月重金属综合因子的潜在风险均小于低危害风险水平。

表6 重金属潜在生态风险指数

综合以上3 种污染风险评价方法可知，中卫市生活污水处理厂污泥为低危害风险、轻度污染。

3 结论

（1）污泥中1年的全氮质量比的平均值为30 g/kg，全磷质量比的平均值为300 mg/kg，全钾质量比的平均值为5.79 g/kg，有机质质量分数的平均值为63.9%，pH 平均值为6.9，含水率平均值为88.2%。全磷较全氮、全钾和有机质相比随季节变化趋势明显，养分在秋季最高，冬季最低。

（2）污泥中重金属Cr 质量比的季节性变化较为明显，春、夏、秋、冬四季表现为先降低后升高的变化规律，其中秋季最低。Cd 和As 质量比的季节性变化规律相同，春、夏、秋、冬四季表现为先升高后降低的变化规律，其中秋季最高。Hg 和Pb 质量比的季节性变化规律相同，春、夏、秋、冬四季表现为先升高后降低再升高的变化规律，Hg 的质量比夏季最高，Pb 的质量比冬季最高。

（3）污泥中各重金属质量比均在《农用污泥污染物控制标准》（GB 4284—2018）限值内。重金属内梅罗综合污染指数和综合因子潜在生态风险指数的评价结果为轻度污染和低危害风险。