污水处理厂污泥中重金属含量调查与分析

刘 泉，张 彦

(南通大学 杏林学院，江苏 南通 226236)

1 引言

随着我国城市的发展和城市人口的增长，相应产生的污水量及伴随污水的污泥量随之增加，污泥处理和循环再利用成为国内外共同的研究方向。由于工业化水平的提高，污泥中不可避免含重金属。重金属污染治理难，危害大。如若被重金属污染的污泥进入土壤，重金属将会扩散后进入地下水，进而污染地下水体圈[1～5]。被污染的污泥排入农田，重金属元素经作物吸收和累积作用，将会通过食物进入动物和人体，抑制机体细胞的活性，导致生长缓慢和繁殖能力下降。当重金属污染农田时，会出现毒性过高、土壤板结、作物不能正常生长等问题[6～8]。

近年来，国内外学者对城市重金属污染问题的研究做了很多研究工作[9～14]，城市污水处理过程中大部分有害物质进入污泥，而污水中50%～80%以上的重金属会伴随吸附作用和沉积作用进入污泥。城市污水中的重金属主要来自工业生产中产生的废水、生活污水及雨水等，由于不同区域经济发展模式及经济发展水平、居民生活习性的不同，污水成分也各不相同，导致不同区域污泥重金属含量差异巨大[15,16]。目前，对于某市污水处理厂中污泥的重金属含量的调查与分析并不多见。本文以该市11家污水处理厂中的污泥为样本，测定其重金属含量并进行了分析。以期为保护该城市生态环境、保障居民身体健康提供参考。

2 材料与方法

2.1 研究区概况

研究区域常年气候温和。南北最长约110 km，东西最宽约为160 km。采样点分布在该市6个区域(图1)。本研究在这6个区域中选取11家污水处理厂污泥为样本，具体采样点见图1。

(1：1号污水处理厂(区域一)，2：2号污水处理厂(区域一)，3：3号污水处理厂(区域二)，4：4号污水处理厂(区域二)，5：5号污水处理厂(区域三)，6：6号污水处理厂(区域三)，7：7号污水处理厂(区域四)，8：8号污水处理厂(区域四)，9：9号污水处理厂(区域五)，10：10号污水处理厂(区域五)，11：11号污水处理厂(区域六))图(以下均用数字代表采样点)

2.2 样品处理及测试

2.2.1 样品采集与处理

采样工具包括铁锹、半圆竹筒、白布样袋、自封袋、标签等。采回的污泥样本放到实验室内阴凉处自然风干，除去碎石和砾石等杂物，等污泥中的水分基本蒸发散失用木棍压碎、研磨，过筛后进行化学分析。

2.2.2 重金属测定分析

将处理好的样品各称取0.1 g，置于锥形瓶中，利用王水消解后，去离子水稀释至100 mL。参考国标(GB/T 11066.11-2021,GB/T 36690-2018)进行金属离子含量测定。

3 结果与讨论

11家污水处理厂处理的污水来源存在差异，其中2号、3号和9号工厂主要处理工业废水和部分生活污水， 1号、4号、5号、7号、8号、10号、11号主要处理生活污水和部分工业废水。6号处理厂处理的废水工业废水与生活污水各占1/2。

3.1 金属含量分析

5号污水处理厂污泥的砷污染超过了国标的规定，为79.995 mg/kg(干污泥)，11号污水处理厂的含量次之，为62.385 mg/kg(干污泥)。其他污水处理厂都远低于国标(GB 18918-2002)，其中1, 2, 4, 6, 8, 9号等几个污水处理厂砷的浓度均在20.000 mg/kg(干污泥)以下，其中8号污水处理厂污染水平最低，为8.455 mg/kg(干污泥)(图2)。所有样品平均值为30.166 mg/kg(干污泥)。元素 As 污染大多来源燃煤尘、制药、化肥生产等。5号和11号污水处理厂分别位于区域三和区域六，这两个区域的第一产业产值相对其他区域并无明显优势。因此，化肥的使用并非As污染的主因。5号样本的污染主要是因为化工、医疗器械厂的排污，且电镀、印染也是当地的重要产业。11号样本的污染主要是因为当地传统的电镀、电子、合金、畜禽养殖污染等行业和新兴的机械行业的发展带来的影响。整体来看，该地区砷污染较轻，绝大多数都低于国家标准的标准值。

图2 各采样点中金属As含量

所有污泥样品中除了11号样品的镉接近国标规定的标准值，其余样品均低于国标的规定(图3)。除了3号污水处理厂的镉污染为2.063 mg/kg(干污泥)，其他厂均低于1 mg/kg(干污泥)，所有样品平均值为0.947 mg/kg(干污泥)。其中8号污水处理厂的镉污染程度最轻，为0.083 mg/kg(干污泥)。11号样品镉含量最高，明显受到外来污染，推测为当地化肥生产、农用地塑料薄膜生产应用的热稳定剂，以及机械、电子等行业的三废污染造成的。

图3 各采样点中金属Cd含量

1、3、5三家污水处理厂的汞污染均超过了国标规定的标准值，分别为20.31、36.361、60.709 mg/kg(干污泥)，其中5号污水处理厂Hg含量最高，超过了标准值(图4)。这是因为当地化工、印染、电镀等传统行业比较发达。10号处理厂污染最轻，为0.896 mg/kg(干污泥)。所有样品平均值为13.050 mg/kg(干污泥)。汞污染相比于镉污染严重，但整体来说多数汞含量低于国家标准的标准值。Hg污染推测可能是由于对农药、化肥等的长期施用，另外不同来源有机肥的施用对土壤重金属含量的影响也不容忽视。此外，还有汽车尾气排放、居民生活垃圾以及工业废料不合理排放等影响。

图4 各采样点中金属Hg含量

11号污水处理厂污泥中镍含量为118.627 mg/kg(干污泥)，超过了酸性土壤上规定的标准值(图5)。其他污水处理厂所取样本中镍含量均低于国标规定的标准值。所有样品平均值为61.280 mg/kg(干污泥)。其中7、8号污水处理厂的镍污染程度最低，为22.913、24.548 mg/kg(干污泥)。这两处采样点均位于区域四，其他区的污染程度相近。区域六样品中镍含量最高，可能是在该区域中传统的电镀、电池、电子、合金和印染等工业，以及畜禽养殖污染等行业和新兴的机械行业污染影响。

图5 各采样点中金属Ni含量

从整体来看，本次样本中所有污水处理厂的铬污染基本都低于国标(GB 18918-2002)规定的标准值(图6)。其中铬污染程度最低的10号厂为64.383 mg/kg(干污泥)。所有样品平均值为215.128 mg/kg(干污泥)。6号样本中铬含量最高，推测为受当地印染、电镀、电子等行业发展的影响。

图6 各采样点中金属Cr含量

该市所有污水处理厂的铅污染都低于国标规定的标准值，污染程度较轻(图7)。其中最高的3号污水处理厂为107.985 mg/kg(干污泥)，最低的9号污水处理厂为11.99 mg/kg(干污泥)。所有样品平均值为29.199 mg/kg(干污泥)。Pb 元素是汽车排放污染的标识元素之一，其含量与当地高速发展的交通量成正比。

图7 各采样点中金属Pb含量

由图8可见，在测定的11个样本中，污泥中的Zn含量最高的是5号污水处理厂，为1958.6 mg/kg(干污泥)，7号污水处理厂的含量最低，为271.73 mg/kg(干污泥)。所有样品平均值为833.023 mg/kg(干污泥)。城市土壤中Zn的主要来源之一是汽车轮胎添加剂。随着汽车保有量的增加，造成土壤中的Zn含量也增加。Zn含量在本次测试的元素中排第2，这跟当地城市化进程快，私家车数量多, 增加了轮胎与地面的磨损，汽车尾气排放增加等原因有关。整体来看，该地区锌污染较轻，Zn的含量低于国标(GB 18918-2002)。Fe的含量远高于其他金属，在第6号采样点达到最大值为273746.382 mg/kg(干污泥)(图9)。可能是因为当地铁矿的发掘，以及相关絮凝剂的使用有关。

图8 各采样点中金属Zn含量

图9 各采样点中金属Fe含量

3.2 金属含量讨论

综上所述，5号污水处理厂污泥的砷污染超过了国标的规定。该市所有污水处理厂的镉污染、铬污染和铅污染都低于国标规定的标准值，含量分别在0.083～5.371 mg/kg(干污泥)、64.383～530.976 mg/kg(干污泥)、11.99～107.985 mg/kg(干污泥)。11号污水处理厂污泥中镍含量为118.627 mg/kg(干污泥)，超过了酸性土壤上规定的标准值，低于碱性标准的标准值。1、3、5号三家污水处理厂的汞污染均超过了国标规定的标准值，分别为20.31、36.361、60.709 mg/kg(干污泥)，其中污染最为严重的是5号污水处理厂，远远超过了标准值。比较污水来源不同的污水处理厂会发现，主要处理工业废水的污水处理厂污泥中的铁含量、汞含量、镍含量、锌含量都比较高。所有样本中铁的含量最高，可能是因为当地铁矿的发掘，或者是相关絮凝剂的使用。锌含量次之，这与当地城市化进程快、私家车数量多、增加轮胎与地面的磨损以及汽车尾气排放增多等原因有关。

分析结果表明，此次研究样本中重金属含量由高到低排列顺序为：Fe(68921.59 mg/kg)，Zn(833.023 mg/kg)，Cr(215.128 mg/kg)，Ni(61.280 mg/kg)，As(30.166 mg/kg)，Pb(29.199 mg/kg)，Hg(13.050 mg/kg)，Cd(0.947 mg/kg)。总体看来本次调查研究的城市重金属污染不严重。研究的11个样本来自该市6个区域，这6个区域地理位置相似，人口、经济以及三产结构均相似，污染的主要原因由于城市内部各区域经济发展侧重点不同，相应重金属元素含量分布也不同。区域一的重金属污染较轻；区域二的铅、汞、隔、砷污染是因为当地的纺织业、金属制品业、化工污染严重，并且存在船舶企业将废旧油漆桶随意丢弃的现象；区域三的铬、镍、汞、砷污染是因为化工、医疗器械厂违规排污，且环保部门监管缺位，并且电镀、印染也是当地的重要产业；区域四的镉污染可能是因为机械、电子等行业和农业上过度化肥农药引起的；区域五的铬、镍污染是因为当地印染、电镀、电子等行业发达；区域六的镍、砷污染主要是因为本地传统的电镀、电子、合金、畜禽养殖污染等行业和新兴的机械行业污染严重。

4 结论

本文实地采集了11家污水处理厂的污泥样本，测定其金属离子含量。得出结论：该地区重金属含量由高到低排列顺序为：Fe(68921.59 mg/kg)，Zn(833.023 mg/kg)，Cr(215.128 mg/kg)，Ni(61.280 mg/kg)，As(30.166 mg/kg)，Pb(29.199 mg/kg)，Hg(13.050 mg/kg)，Cd(0.947 mg/kg)。根据分析结果，该市污水处理厂污泥中重金属含量均较低，大多数污水处理厂污泥重金属含量未超过国家标准规定的标准值。该地区各元素均受到人为源的干扰，主要污染源有工业活动、煤炭燃烧和交通尾气等。任何一个区域污染源都不是单一的，其污染原因复杂多样。

对于重金属污染防治，建议种植对重金属元素综合抵抗力较强的乔、灌、草、藤植物，合理布局，建立稳定性及可持续性的生态系统，从而对重金属进行植物修复和消除重金属污染元素的流动性；加强对农药和化肥的质量检查，把控两者的使用量，避免重金属直接对土壤造成持久性危害。因地制宜地施入一定量的农用石灰性物质(硅酸钙、熟石灰等)来调整土壤酸碱度，从而降低重金属元素的活性；避免含重金属元素农药、无机化肥、有机肥和垃圾肥等的施用和污水灌溉；严格限制化学土壤改良剂使用量，或改用生物土壤改良剂。另外，监督、管理一些废弃物(主要为建筑垃圾和生活垃圾等)在绿化区的堆放，防止污染。