盧守舟，張 強(qiáng)，岳太星

（山東省環(huán)境監(jiān)測中心站，山東 濟(jì)南 250101）

20世紀(jì)初期，我國城市化進(jìn)程進(jìn)一步加快，這種城市化進(jìn)程的加快也對城市污水處理廠處理能力提出了更高的要求。城市污水來源比較多，因此污水處理產(chǎn)生的污泥中含有的重金屬污染物的種類也比較繁多，這些含有重金屬的污泥會直接給城市周邊的環(huán)境帶來嚴(yán)重威脅，不恰當(dāng)?shù)剡M(jìn)行處理，還可能會帶來二次污染的危險，這就進(jìn)一步加大了污水處理的負(fù)荷，形成惡性循環(huán)，所以城市的污水處理能力越來越受到人們的重視。

1 重金屬來源及危害

1.1 重金屬的來源

從污水中的重金屬含量來看，城鎮(zhèn)要比郊區(qū)以及農(nóng)村地區(qū)高很多，這主要就是人為活動的增加帶來的影響。從總體情況上來看，城市人口及工業(yè)化高度集中導(dǎo)致了重金屬污染嚴(yán)重加重。污水所含的重金屬有很大一部分都轉(zhuǎn)移到了土壤中。城市中重金屬污染主要呈現(xiàn)出點源污染的特點，即以一個污染源為中心，隨著距離的增加周圍環(huán)境中重金屬的含量也逐漸下降。通過對某城市重金屬污染情況進(jìn)行分析可以看出，在城市中不同功能區(qū)的重金屬污染情況都有所差異。一般在工業(yè)區(qū)重金屬污染最嚴(yán)重，其次分別為老居民區(qū)、尾砂區(qū)、城市綠地以及新開發(fā)區(qū)。

城市污水中的重金屬主要來自于周邊有色金屬廠、化工廠等，人們?nèi)粘Ｖ惺褂玫尼t(yī)藥、煙草、油漆以及顏料等，都含有重金屬物質(zhì)。重金屬存在于污水中，首先會對地下水造成直接的污染。在以地下水為主要水源的地區(qū)，這種污染會致人中毒，甚至誘發(fā)癌癥。

1.2 重金屬對環(huán)境的危害

重金屬與其他污染物不同，其無法被微生物分解為無公害物質(zhì)，一旦進(jìn)入水體，小部分會被水中的魚類等生物吸收，其余大部分都吸附于水中的膠體以及顆粒物上，最后經(jīng)過沉降沉積在水體的底部，但是這種沉降過程十分漫長。水中重金屬的濃度會隨著水溫的變化而有所變化，在夏季水溫較高的時候濃度也是最高的。這些重金屬物質(zhì)對人體的危害各有不同，比如汞，以有機(jī)物的形式通過呼吸道和消化道的途徑進(jìn)入人體，會對人體的腎臟、脾臟以及肝臟造成危害，還會通過血液積蓄在大腦組織中，輕者造成組織炎癥以及帶來躁動、易怒等情緒上的變化，甚者還會出現(xiàn)精神紊亂的現(xiàn)象。再比如銅，會嚴(yán)重影響人體的造血功能，阻礙細(xì)胞的正常發(fā)展，還會導(dǎo)致消化道功能紊亂、腹瀉和嘔吐等現(xiàn)象。從這些方面都可以看出重金屬污染帶來的危害是十分嚴(yán)重的。

2 重金屬在污泥中的分布

污水的來源、污水處理的工藝都影響著污泥中重金屬的形態(tài)分布，同時，每一種重金屬甚至同一種重金屬在不同的污泥中存在的形態(tài)也不一樣。為進(jìn)一步了解我國污水處理廠污泥中重金屬污染的現(xiàn)狀和特征，探討污泥的最終處置方式，筆者對污水處理廠剩余污泥中的重金屬含量進(jìn)行了分析。

2.1 實驗信息

采用多點取樣法，于某城市污水處理廠污泥脫水間采集重量約1 kg的污泥樣品，樣品用聚乙烯封口袋收集；待測污泥經(jīng)自然風(fēng)干、研細(xì)后進(jìn)行預(yù)處理、分析。

采用火焰原子吸收法對污泥樣品中Cd、Pb、Cr、Cu、Zn的含量進(jìn)行分析；采用微波消解-原子熒光法對樣品中的Hg進(jìn)行分析。

2.2 結(jié)果與討論

2.2.1 污泥中重金屬含量

分析結(jié)果詳見表1。由表1可知，污泥中Zn、Pb、Cr、Hg的含量均符合我國《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》 （GB 18918-2002）中污泥農(nóng)用的控制標(biāo)準(zhǔn)，而Cd的含量為12.4 mg/kg，高于污泥用于酸性土壤時的控制標(biāo)準(zhǔn)，但滿足中、堿性土壤的標(biāo)準(zhǔn)；Cu的含量為1 751 mg/kg，略高于上述排放標(biāo)準(zhǔn)，但與歐盟的排放標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)。

表1 污泥中重金屬總量及中國和歐盟標(biāo)準(zhǔn)的比較 mg/kg干污泥

2.2.2 污泥中重金屬存在形態(tài)

實驗中Zn的含量偏高，這主要是由于Zn表現(xiàn)出強(qiáng)的遷移性。有研究表明[3]，Zn容易被氧化和還原，在曝氣沉砂池以及初淀池中，Zn被鐵錳的水合物吸收沉淀，主要是以Fe-Mn氧化態(tài)的形式沉淀下來；在生化處理階段，主要是通過離子交換和表面吸附的方法處理，造成污泥中Zn主要以不穩(wěn)定的可交換態(tài)大量存在。

Cu在總量上超出了我國的標(biāo)準(zhǔn)，但有研究表明[1]，在BCR連續(xù)提取處理法中，Cu的可氧化態(tài)以及殘渣態(tài)可占Cu污染物的95%左右。正是由于Cu在污泥中主要是以硫化物和通過與有機(jī)物結(jié)合的方式存在，Cu與污泥的結(jié)合能力很強(qiáng)也比較穩(wěn)定，在排放之后不易釋放，不易對環(huán)境造成危害。

Cd超過了污泥農(nóng)用于酸性土壤時的控制標(biāo)準(zhǔn)，這可能與Cd主要以穩(wěn)定的殘渣態(tài)存在于污泥中有關(guān)，從而造成水中的Cd很容易在初沉池以及二沉池以硫化物的形式沉淀進(jìn)入污泥。盡管有研究表明[1]，污泥中Cd的可氧化態(tài)以及可還原態(tài)僅占了30%左右，由于其具有劇毒性，應(yīng)加強(qiáng)這類含有Cd的污泥的排放或農(nóng)用與酸性土壤的管理，否則會對環(huán)境帶來很大的污染風(fēng)險。

此外，研究表明[3]Cr在污泥中也主要以氧化態(tài)和殘渣的方式存在，占總量的43.73%左右，其他部分都是以鐵錳氧化物的形態(tài)存在，可交換態(tài)的形式存在量非常微少，尤其在偏堿性的水中。這是因為Cr通常以三價離子的形式存在，很容易與水中的OH-形成沉淀，幾乎可以完全沉淀。這些沉淀會與鐵錳氧化物結(jié)合形成結(jié)核狀，不易漂移。

由于Pb容易形成氧化物的特性，Pb大量地以殘渣態(tài)存在，平約可達(dá)總量的92.8%左右；Hg在污泥中的含量是幾類重金屬中最少的，并且本身都以殘渣的形式存在，這也使得污泥中的Pb、Hg不易釋放，對環(huán)境威脅相對不大。

3 污泥重金屬的處理方法

世界各國一直在探討污泥的有效處置方式，當(dāng)前常用的方式包括填埋、農(nóng)林回用及能源回收、污泥材料化等。我國當(dāng)前最主要的處置方式是農(nóng)林回用，但現(xiàn)有的控制標(biāo)準(zhǔn)僅對農(nóng)林回用污泥中的重金屬濃度進(jìn)行了控制，對于污泥回用的施用量尚無控制標(biāo)準(zhǔn)。鑒于污泥農(nóng)林回用會使重金屬在土壤中長期蓄積，從源頭控制、降解污泥中重金屬的含量十分關(guān)鍵。對污泥中的重金屬進(jìn)行固定處理和瀝濾處理是相對簡單、有效的方法。

3.1 固定技術(shù)

在重金屬的固定技術(shù)中，目前國內(nèi)比較常用的主要有在堆肥過程中添加固定劑、堿性固定技術(shù)以及熱處理技術(shù)。

3.1.1 在堆肥過程中添加固定劑

污泥中重金屬物質(zhì)的有效性與重金屬的存在形態(tài)息息相關(guān)，不易漂移的硫化物形態(tài)以及碳酸鹽、沉淀物的生物有效性低，即對生物帶來的危害比較低。采用常規(guī)的堆肥技術(shù)可以對有機(jī)質(zhì)造成破壞，當(dāng)溫度升高到60～70℃時還可以殺菌。但是這種方法無法降低重金屬含量。在污泥堆肥過程中，通過添加一定量的煤灰或者偏堿性的物質(zhì)（例如鐵礬土等）作為固定劑，提高污泥的堿性。這樣重金屬就可以在嗜熱階段形成沉淀，吸附在堿性物質(zhì)上，從而有效固定重金屬元素。

3.1.2 堿性固定技術(shù)

堿性固定就是把污泥餅與摻合劑進(jìn)行混合，使這種混合物變成pH值達(dá)到12，干燥度達(dá)到50%，易碎的、類似土壤的物質(zhì)，這種技術(shù)是在使用石灰石來穩(wěn)定的工藝基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。研究表明[4]，在污泥的pH值超過12之后，由于干燥度的升高，污泥就形成了易碎的土塊，在降低重金屬溶解性的過程中也把重金屬的存在形式變?yōu)榉€(wěn)定態(tài)，也可以有殺菌的作用。

3.1.3 熱處理技術(shù)

熱處理技術(shù)即高溫?zé)崽幚砑夹g(shù)，可以有效殺滅病原菌，還可以轉(zhuǎn)變重金屬在污泥中的存在形態(tài)，與未熱處理的污泥相比，可交換態(tài)含量有明顯的下降。

3.2 重金屬的瀝濾

重金屬的瀝濾與固定技術(shù)相反，首先增加酸性物質(zhì)來降低污泥的pH值，目的是將污泥中的重金屬物質(zhì)轉(zhuǎn)化為溶解態(tài)，通過瀝濾將其在液體中分離去除。重金屬的瀝濾主要有化學(xué)瀝濾和生物瀝濾兩種方法。

3.2.1 化學(xué)瀝濾法

化學(xué)瀝濾就是通過加無機(jī)酸或者酸性的絡(luò)合劑從污泥中溶解出重金屬。有研究表明，通過硝酸對污泥進(jìn)行瀝濾后，Cu的瀝濾率可以達(dá)到86.7%，而Ni的瀝濾率能達(dá)到100%。雖然在研究中取得的效果很不錯[2]，但是從實際來考慮，無機(jī)酸以及絡(luò)合劑不但不經(jīng)濟(jì)，酸性的物質(zhì)還會對土壤以及水體帶來嚴(yán)重的影響。如果僅僅依靠酸來降低污泥的pH值，對重金屬硫化物轉(zhuǎn)化為離子態(tài)不利。如果在化學(xué)處理的過程中加入雙氧水來提高污泥的氧化還原電位，就可以提高重金屬的瀝濾效果。

3.2.2 生物瀝濾法

相比于化學(xué)瀝濾的方法，生物瀝濾方法成本更低。生物瀝濾法也是增加污泥的酸性，但是是利用在污泥中的硫桿菌來產(chǎn)生酸，從而將重金屬物質(zhì)從固化態(tài)轉(zhuǎn)化為可溶性的離子態(tài)，從而從污泥固相中除去重金屬。在國內(nèi)，污泥中利用的硫桿菌主要為氧化亞鐵硫桿菌和氧化硫的硫桿菌兩種。這兩種菌類廣泛存在于我國大部分地區(qū)，可以通過將重金屬的硫化物形態(tài)轉(zhuǎn)換為硫酸鹽從而瀝濾出來。

4 結(jié)束語

以我國現(xiàn)有的污水處理能力，比較可靠的污泥處理方法主要有焚燒、填埋以及處理之后的再利用。其中污泥處理的再次利用是比較理想的方法，但是由于城市污水中含有大量的工業(yè)污水，其中的重金屬會在處理過程中轉(zhuǎn)移，也給這種方法帶來了很多棘手的問題。通過對城市污水中重金屬污染情況進(jìn)行簡要分析，并對污泥中重金屬存在的不同形態(tài)以及處理方法進(jìn)行討論發(fā)現(xiàn)：為了減輕重金屬的污染，從源頭控制、降解污泥中重金屬的含量十分關(guān)鍵。污水處理廠主要可以從以下幾個方面來考慮：

（1）由于重金屬元素在污水處理的不同階段所存在的形態(tài)以及含量都有很大的變化，污水處理廠應(yīng)根據(jù)其接納污水的特點優(yōu)化污水處理工藝，控制重金屬在污泥中的存在形態(tài)，使其最大程度地以穩(wěn)定態(tài)的形式被固定下來。

（2）加強(qiáng)對污水處理廠污泥的監(jiān)測、監(jiān)控，依據(jù)污泥中重金屬的含量及類別選擇固定、瀝濾等合適的處置方式，進(jìn)一步固定、降解污泥中的重金屬。

（3）我國現(xiàn)有的控制標(biāo)準(zhǔn)僅對農(nóng)林回用污泥中的重金屬濃度進(jìn)行了規(guī)定，對于污泥回用的施用量尚無控制標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)加快與我國相適應(yīng)的污泥回用施用量的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定，避免污泥回用使重金屬在土壤中長期蓄積，造成二次污染。

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