徐 駿，朱 偉

(河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210098)

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化水平不斷提高，污水處理設(shè)施建設(shè)得到了高速發(fā)展，但是污水廠(chǎng)的建設(shè)及運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生了大量剩余污泥，截至2011年底，我國(guó)脫水污泥年產(chǎn)量已超過(guò)2 000萬(wàn)t［1］。我國(guó)一些城鎮(zhèn)中，各類(lèi)工業(yè)廢水占城市污水總量的百分比一般介于30% ～70%，有的甚至可達(dá)80%［2］。由于工業(yè)廢水中重金屬含量高，污泥脫水回流至集水井再重復(fù)處理，造成重金屬積累，造成了污水處理廠(chǎng)污泥普遍含有不同程度的重金屬。

2003 年，污泥農(nóng)用在歐洲的丹麥、西班牙、法國(guó)等國(guó)比較普遍［3］，美國(guó)污泥農(nóng)用比例在30%以上［4-5］。對(duì)我國(guó)而言，通過(guò)堆肥化處理將污泥進(jìn)行農(nóng)用是資源化利用的主要途徑之一。然而在污水處理過(guò)程中，70%～90%的重金屬會(huì)通過(guò)吸附或沉淀而轉(zhuǎn)移到污泥中［6］。遇到降雨時(shí)，污泥中的重金屬隨水流遷移，可能會(huì)對(duì)地下水造成二次污染;隨著水流的搬運(yùn)作用，污泥中的重金屬還會(huì)對(duì)水體生物或者土壤耕作植物產(chǎn)生一定的毒害作用。污泥中的重金屬以何種形態(tài)賦存，能否容易地被生物利用是污泥資源化利用中必須解決的問(wèn)題。針對(duì)這一問(wèn)題，本文通過(guò)對(duì)污泥［7］分離成為有機(jī)質(zhì)殘片、細(xì)菌菌體、無(wú)機(jī)顆粒、膠體4個(gè)部分，研究重金屬在4種成分中的賦存特征，希望通過(guò)這一特征研究了解重金屬的生物利用性質(zhì)。

在污泥成分研究方面，MacNicol等［8］通過(guò)沉降、離心將污泥區(qū)分為顆粒態(tài)、生物絮團(tuán)、膠粒和水溶態(tài)4個(gè)組分，其中生物絮團(tuán)組分和顆粒態(tài)組分占到了污泥總量的99%。周立祥等［9］針對(duì)北京高碑店污水處理廠(chǎng)的濃縮污泥試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，污泥大部分由生物絮團(tuán)組成，且重金屬大部分賦存在生物絮團(tuán)組分里。巖井重久［10］把處理廠(chǎng)從污水中分離出來(lái)的污泥分為有機(jī)污物和無(wú)機(jī)污物組成，消化污泥固體約含55%的有機(jī)相和45%的無(wú)機(jī)相。何品晶等［11］把污泥分為固相和流動(dòng)相，其中固相包括有機(jī)相和無(wú)機(jī)相，流動(dòng)相包括水分和水溶性組分。MacNicol對(duì)污泥組分的區(qū)分方法比較直觀(guān)，成為較為常用的分離方法。本文使用這一方法，以江蘇3個(gè)污水處理廠(chǎng)為對(duì)象，將污泥分離為無(wú)機(jī)相、有機(jī)相和流動(dòng)相;進(jìn)一步將無(wú)機(jī)相分為顆粒組分，有機(jī)相分為生物絮團(tuán)和膠粒組分，流動(dòng)相分為水溶性組分和水，研究了重金屬在各組分中分布的數(shù)量和形態(tài)，為污泥的后續(xù)資源化利用提供基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)污泥用污泥分別取自南京市江心洲污水處理廠(chǎng)、昆山市污水處理廠(chǎng)和蘇州吳中區(qū)城南污水處理廠(chǎng)，污泥取回后裝入密封袋后至于4℃的冰箱中密封保存，3種污泥樣品的基本指標(biāo)見(jiàn)表1，其中表2數(shù)據(jù)為干污泥中重金屬含量。

表1 污泥的基本指標(biāo) %

表2 污泥中重金屬含量 mg/kg

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 污泥組分分離方法

采用文獻(xiàn)［8］方法，利用污泥中各組分密度不同來(lái)把污泥區(qū)分為顆粒態(tài)、生物絮團(tuán)、膠粒和水溶態(tài)。

1.2.2 重金屬質(zhì)量分析

采用HNO3-HClO4消解法［12］對(duì)樣品進(jìn)行消解，用電感耦合等離子發(fā)射光譜儀(ICP－AES)分析樣品中 Cu、Zn、Pb、Cd、Cr和 Ni 6 種重金屬濃度，其中水溶態(tài)中重金屬質(zhì)量是通過(guò)取20 mL上清液測(cè)定其中的重金屬濃度來(lái)計(jì)算。其計(jì)算公式為

M=ρV

式中:M為重金屬質(zhì)量，mg;ρ為上清液重金屬質(zhì)量濃度，mg/L;V為上清液體積，L。

2 結(jié)果與討論

2.1 污泥組分分布

污泥采用文獻(xiàn)［8］方法分成4個(gè)組分，常溫風(fēng)干，稱(chēng)量得到各組分干物質(zhì)質(zhì)量，圖1為污泥分離后各組分干物質(zhì)占干污泥的百分比，以干污泥質(zhì)量為基數(shù)來(lái)計(jì)算，3種污泥組分分離后，干物質(zhì)主要由生物絮團(tuán)組分組成，隨著含固率的降低，生物絮團(tuán)組分占干污泥總質(zhì)量的比例也呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，江心洲污水處理廠(chǎng)生物絮團(tuán)組分污泥最高達(dá)到了干污泥總質(zhì)量的86%，而昆山污水處理廠(chǎng)的污泥僅為52%。生物絮團(tuán)和顆粒態(tài)組分的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)在江心洲污水處理廠(chǎng)中達(dá)到了干污泥總質(zhì)量的94%、吳中區(qū)城南污水處理廠(chǎng)達(dá)到了89%，與MacNicol和Beckett得到的生物絮團(tuán)和顆粒態(tài)組分占總量的99%結(jié)果相近，而昆山污水處理廠(chǎng)的這兩種組分僅占67%，可能是因?yàn)槔ド轿鬯幚韽S(chǎng)的污泥含固率太低，影響了顆粒態(tài)、膠粒和水溶態(tài)的分布，使得三者比例越來(lái)越接近;另一方面，各地污水處理廠(chǎng)的污水來(lái)源與性質(zhì)不相同，而且處理工藝也不同，因而導(dǎo)致昆山市污水處理廠(chǎng)的污泥組分分布差異。

圖1 各組分干物質(zhì)占干污泥的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

由于污水處理廠(chǎng)的污泥含水率到達(dá)了80%左右，經(jīng)過(guò) MacNicol和 Beckett的方法［8］分離后，水溶態(tài)組分中除了水溶態(tài)還應(yīng)包含了污泥中80%的水分，為了更好地還原污水處理廠(chǎng)污泥性質(zhì)，現(xiàn)把污泥分為顆粒、生物絮團(tuán)、膠粒、流動(dòng)相4個(gè)組分，測(cè)定在這4個(gè)組分在原污泥中的分布。圖2為污泥分離后各組分占污泥原泥總量的百分比，以濕污泥的質(zhì)量為基數(shù)進(jìn)行計(jì)算(把污泥的水分全算入流動(dòng)相)。從圖2中可以看出流動(dòng)相組分含量最大，分別占到了江心洲、昆山市、吳中區(qū)污水處理廠(chǎng)污泥的77.69%、91.16%、83.57%，而污泥的含水率分別為77.05%、89.61%、82.27%。流動(dòng)相組分比例大于污泥的含水率是因?yàn)榱鲃?dòng)相組分中除了包括污泥中的可溶性膠狀有機(jī)相質(zhì)和無(wú)機(jī)離子，還包括污泥本身的水(表面吸附水、間隙水、毛細(xì)結(jié)合水和內(nèi)部結(jié)合水)。生物絮團(tuán)組分在污泥中所占比例也比較大，分別占到了3家污水處理廠(chǎng)污泥總量的19.75%(江心洲)、5.42%(昆山市)、12.10%(吳中區(qū))，而污泥的含固率分別為22.95%、10.39%、17.73%(表1)，可以看出，污泥中生物絮團(tuán)組分的百分比與含固率是基本相等的，而且污泥中的固體主要為生物絮團(tuán)組分，其次為顆粒組分和膠粒組分，這兩個(gè)組分僅占3個(gè)污水處理廠(chǎng)污泥中的2.56%、3.42%、4.33%，但是顆粒組分比例大于膠粒組分。

圖2 各組分占污泥的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

由此可見(jiàn)，在污泥原泥中，流動(dòng)相組分的比例是最大的，其次是生物絮團(tuán)組分，然后是顆粒組分、膠粒組分。與各組分干物質(zhì)占干污泥的比例有較大差異，其中起主要原因的還是污泥中的各種狀態(tài)的水。由于工程實(shí)踐中需要了解污水廠(chǎng)原污泥的性質(zhì)及重金屬在其中組分的分配，才能更好地進(jìn)行污泥的資源化利用。

2.2 污泥處理廠(chǎng)原泥各組分中重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)

圖3 濕污泥中各組分重金屬分配比例

圖3是4種組分中的重金屬占濕污泥中的重金屬總量的百分比。從圖3中可以看到，在江心洲污水處理廠(chǎng)和昆山市污水處理廠(chǎng)的污泥中重金屬(Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni)主要存在于流動(dòng)相組分，其次在生物絮團(tuán)、顆粒和膠粒組分。其中流動(dòng)相組分中的重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以占到污泥中重金屬總質(zhì)量的60%以上，個(gè)別可以到達(dá)100%。在同種污泥中不同重金屬分布也不同，大致可以分為3類(lèi):其中Pb、Cd為第1類(lèi)，流動(dòng)相組分中的Pb、Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)占到了污泥中重金屬總質(zhì)量的90%以上;Zn、Cr、Ni為第2類(lèi)，流動(dòng)相組分的這3種重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)占污泥中重金屬總質(zhì)量的80%左右，生物絮團(tuán)這3種重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)約占污泥中重金屬總質(zhì)量的10%，膠粒和顆粒組分中的這3種重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)大致比例相等，占余下的10%;Cu為第3類(lèi)，主要存在于流動(dòng)相組分中，約占重金屬總質(zhì)量的60%，在其他3種組分中分布均勻。而由于污泥來(lái)源不同，吳中區(qū)城南污水處理廠(chǎng)中有50%的工業(yè)廢水，按重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分布結(jié)果也可以分為3類(lèi):其中Pb、Cd為第1類(lèi)，其存在于膠粒組分中;Zn、Cr、Ni為第2類(lèi)，其在流動(dòng)相組分中重金屬質(zhì)量最多占總質(zhì)量的65%，膠粒組分最少;而Cu屬于第3類(lèi)則比較特殊，其大量存在于生物絮團(tuán)中占到60%，流動(dòng)相和顆粒組分中分別占20%左右，膠粒中重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)較少。

污水處理廠(chǎng)生活污水污泥中的重金屬主要分布在流動(dòng)相中，Cu在各組分分布較為平均;而在工業(yè)污水與生活污水各占50%的污泥中，Pb、Cd均分布在膠粒組分中，其他重金屬主要分布在流動(dòng)相組分中，其中Cu在各組分分布均勻，Zn主要分布在流動(dòng)相和顆粒組分中，Ni主要分布在流動(dòng)相和生物絮團(tuán)組分中。

2.3 污泥處理廠(chǎng)原泥各組分中的重金屬質(zhì)量比

表3數(shù)據(jù)表示的是污泥中顆粒、生物絮團(tuán)、膠粒、流動(dòng)相4個(gè)組分中重金屬的質(zhì)量比。

以Cu、Zn為例，從表3中可以看出，Cu、Zn總體上在各組分質(zhì)量比最大，其中在膠粒組分和顆粒組分中質(zhì)量比最大，其次是在生物絮團(tuán)和流動(dòng)相中。在江心洲污水處理廠(chǎng)的污泥中膠粒組分的重金屬質(zhì)量比最大;吳中區(qū)城南污水處理廠(chǎng)的污泥中顆粒組分、生物絮團(tuán)和膠粒組分中重金屬質(zhì)量比較大，而流動(dòng)相中重金屬質(zhì)量比較小;而在昆山市污水處理廠(chǎng)污泥中各組分中重金屬質(zhì)量比相差不大。

由于顆粒態(tài)主要由粒徑大于40 μm的礦物顆粒、金屬、染料以及塑料組成，富集了高濃度的重金屬。生物絮團(tuán)組分里有大量細(xì)菌，與重金屬發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，并且吸附了分散在水中的無(wú)機(jī)沉淀，本身組分質(zhì)量大，從而造成了生物絮團(tuán)組分重金屬質(zhì)量比低于顆粒組分的。膠粒組分而因?yàn)槲搅诵☆w粒的無(wú)機(jī)沉淀，并且本身組分質(zhì)量小，造成了膠粒組分重金屬質(zhì)量比很高。流動(dòng)相組分中的重金屬主要為離子態(tài)，重金屬質(zhì)量比相對(duì)較低，與原泥中重金屬質(zhì)量比接近，進(jìn)一步表明污泥原泥中重金屬質(zhì)量比與流動(dòng)相組分中的重金屬密切相關(guān)。

3 結(jié)論

a.污泥流動(dòng)相中的重金屬質(zhì)量占污泥重金屬總質(zhì)量的60% ～100%，其中生活污水的污泥重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于工業(yè)與生活污水各占50%的污泥重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)。無(wú)機(jī)相和有機(jī)相膠粒組分中，重金屬質(zhì)量比高于流動(dòng)相的質(zhì)量比，但無(wú)機(jī)相和有機(jī)相中膠粒組分含量在污泥中的比例遠(yuǎn)小于流動(dòng)相。

b.污水處理廠(chǎng)中的污水來(lái)源不同，污泥各組分中重金屬分布也有差異，生活污水污泥中的重金屬主要分布在流動(dòng)相中，Pb、Cd分布在流動(dòng)相中的重金屬占到了污泥重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)的90%以上，Zn、Cr、Ni分布在流動(dòng)相中的重金屬占總量的80%左右，Cu分布在流動(dòng)相中的重金屬占總量的60%左右;而在混有工業(yè)廢水的吳中區(qū)城南污水廠(chǎng)污泥中，Pb、Cd存在于有機(jī)相中的膠粒組分中;Zn、Cr、Ni在流動(dòng)相中重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)占總量的65%;而Cu大量存在于有機(jī)相中生物絮團(tuán)組分，重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)占總量的60%，流動(dòng)相和無(wú)機(jī)相中分別占20%左右。

因此在實(shí)際污泥處理處置中，需要針對(duì)流動(dòng)相組分中重金屬進(jìn)行處理。

表3 脫水污泥各組分中重金屬質(zhì)量比 mg/kg

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