林繼志， 余淑蓉， 張耀瑜， 洪俊明

(1. 華僑大學 科學技術研究處， 福建 廈門 361021；2. 廈門市中環(huán)污水處理有限公司， 福建 廈門 361006；3. 華僑大學 化工學院， 福建 廈門 361021)

光電產業(yè)園區(qū)污水處理廠重金屬分布特征分析

林繼志1， 余淑蓉2,3， 張耀瑜3， 洪俊明3

(1. 華僑大學 科學技術研究處， 福建 廈門 361021；2. 廈門市中環(huán)污水處理有限公司， 福建 廈門 361006；3. 華僑大學 化工學院， 福建 廈門 361021)

對南方某光電產業(yè)園區(qū)污水處理廠進水、出水、污泥中重金屬污染物(Cu2+,Cr2+,Ni2+)排放質量濃度和分布特征進行分析和討論,并提出光電工業(yè)園區(qū)污水處理廠污泥處置方式的建議.結果表明:光電產業(yè)園區(qū)的發(fā)展狀況和污染物排放之間具有正相關性;工業(yè)區(qū)污水處理廠生物處理工藝對銅離子具有較好的吸附效果，但是對鎳離子的吸附效果較差;工業(yè)區(qū)應加強對含鎳廢水的管理. 關鍵詞： 重金屬； 污泥; 光電產業(yè)園區(qū)； 污水處理廠

隨著光電半導體技術與相關技術的不斷突破，光電產業(yè)從20世紀90年代逐漸興起并快速發(fā)展，現(xiàn)已成為21世紀最具有發(fā)展前景的朝陽產業(yè)之一[1].近年來，我國的光電子技術及其產業(yè)也得到了較快的發(fā)展，“十二五”國家戰(zhàn)略性新興產業(yè)發(fā)展規(guī)劃確定了七大重點發(fā)展產業(yè)，光電產業(yè)所涵蓋的光通信、精密光學、光電顯示、發(fā)光二極管(LED)照明、激光紅外、光伏等領域均與其密切相關.因此，許多城市的經濟發(fā)展規(guī)劃都把發(fā)展光電產業(yè)作為當地的重點戰(zhàn)略產業(yè)和未來經濟增長的主導產業(yè)[1].光電行業(yè)生產過程中需要配套的電鍍、蝕刻等生產工藝和配套設施，這造成了工業(yè)區(qū)污水含銅、鎳、鉻等重金屬排放的問題，其產生的環(huán)境保護與治理問題日益受到各方的關注.重金屬是指比重大于5的金屬，銅、鉻、鎳、鉛、汞等均屬于重金屬范疇.銅、鎳是維持正常生命活動必需的微量元素，但過多地攝入會對生命體造成危害[2-3].鉻作為重要的戰(zhàn)略金屬元素，在工業(yè)領域應用極廣，在環(huán)境中，鉻主要以三價鉻和六價鉻形態(tài)存在，其中,六價鉻毒性大，致癌致畸作用強，其污染源和污染防治技術復雜，是國家重點控制的五大重金屬污染物之一[4-5].粉末狀鎳可與一氧化碳化合生成四羰基鎳，四羰基鎳已被確認是一種致癌物質，它通過呼吸道進入人體后，可導致肺出血、浮腫、腦白質出血、毛細血管壁脂肪變性并發(fā)呼吸障礙等癥狀，并可誘發(fā)呼吸系統(tǒng)癌癥[6].隨著工業(yè)區(qū)配套污水處理廠的建設和運行，污泥產量急劇增加[7]，但由于污泥中重金屬質量濃度高，進入土壤環(huán)境中難以被生物分解，卻易于通過食物鏈導致生物富集，其所帶來的環(huán)境問題一直受到廣泛關注[8-9]，這也是污泥資源化的主要限制因素之一[10-11].我國對重金屬廢水排放標準有嚴格的規(guī)定，GB 18918-2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》中對Cu，Cr，Ni的排放標準限值分別為0.50，0.10，0.05 mg·L-1.以福建省為例，在《福建省“十三五”科技發(fā)展和創(chuàng)新驅動專項規(guī)劃》中，明確提出要加緊解決高濃度難降解工業(yè)廢水處理的技術與設備問題.本文以南方某光電產業(yè)園區(qū)高速發(fā)展過程中的污水排放和處理情況為例，通過污水處理廠進出水、污泥樣品的重金屬質量濃度分析，研究工業(yè)區(qū)發(fā)展對污水處理廠運行過程中重金屬的質量濃度變化和遷移規(guī)律.

1 研究對象及數據來源

南方某光電產業(yè)園區(qū)，規(guī)劃面積為10.68 km2，主要以集成電路、平板顯示、LED等產業(yè)為重點，吸引了一批先進制造業(yè)及產學研一體化的研發(fā)單位，是一個公共配套設施齊全、生產城鎮(zhèn)融合的高新技術產業(yè)和現(xiàn)代服務業(yè)基地.工業(yè)區(qū)配套污水處理廠建設規(guī)模25 000 m3·d-1，主體工藝采用氧化溝，污泥采用一體式離心濃縮脫水機直接脫水，出水水質執(zhí)行GB 18918-2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》中一級B標準，尾水直接排海.

文中采用該工業(yè)區(qū)配套污水處理廠在工業(yè)區(qū)高速發(fā)展過程中2010-2015年的測試數據，對進水、出水、污泥中重金屬元素質量濃度和排放現(xiàn)狀數據進行分析.該污水處理廠的工藝流程，如圖1所示.

圖1 污水處理廠工藝流程圖Fig.1 Process flow diagram of sewage treatment plant

2 實驗部分

2.1 污泥和污水樣本的采集和處理

在污水處理廠的進水、出水和污泥處分別設置采集點.污泥樣本采用每月定期采集脫水污泥，并將取來的污泥自然風干，平鋪于硬質白紙板上，壓散，除去異物，用四分法縮分至所需量樣品.用瑪瑙研缽磨至樣品全部通過80～100目尼龍篩，混勻，裝入稱量瓶，放置在干燥器中備用.污水樣本數據采用該污水處理廠進水、出水日常監(jiān)測點位采樣所得的數據.

2.2 污泥重金屬檢測方法

采用Mars-5型密閉微波消解系統(tǒng)(美國CEM公司)，根據SW 846-3051方法，采用逆王水(V(鹽酸)∶V(硝酸)= 1∶4)進行微波消解.水樣中銅的檢測分析方法參考GB/T 7475-1987《水質銅、鋅、鉛、鎘的測定原子吸收光度法》，檢出限為0.05 mg·L-1.鉻的測定采用火焰原子吸收法[12-13]，檢出限為0.03 mg·L-1.鎳的監(jiān)測方法采用火焰原子吸收分光光度法，檢出限為0.01 μg·mL-1.實驗儀器為Aanalyst 400型原子吸收分光光度計(日本島津公司).

2.3 評價標準

脫水后污泥的農用標準采用GB 18918-2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》中污泥農用污染物控制標準(土壤pH<6.5).脫水后污泥的園林綠化用泥標準采用GB/T 23486-2009《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置：園林綠化用泥質》中園林綠化用泥質標準(土壤pH<6.5).

圖2 污水處理廠污水和污泥處理量變化Fig.2 Changes of water and sludge in sewage treatment plant

3 結果與分析

3.1 工業(yè)區(qū)發(fā)展與污水處理廠運行狀況

2010-2013年，光電產業(yè)園區(qū)的工業(yè)產值穩(wěn)定增長，2013年，完成工業(yè)產值674.90億元，2014年，工業(yè)區(qū)全年累計實現(xiàn)產值822.52 億元；2014-2015年，該光電產業(yè)園區(qū)發(fā)展較快，工業(yè)產值增加了22%，工業(yè)區(qū)進入成熟階段.

工業(yè)區(qū)污水廠處理水量(m(水))和污泥量(m(泥))年度變化情況，如圖2所示.由圖2可知：污水處理量逐年增加，污泥處理量呈上漲趨勢；污水廠污水污泥處理量可以分為兩個階段，2010-2012年，污水處理量均在4 000萬 t以下，污泥處理量在900 t以下，2013-2015年，污水處理量均達到7 200萬t以上，污泥處理量在1 400 t以上;相較于2012年,2013年污水處理量上漲44.69%，污泥處理量上漲39.28%.結合光電產業(yè)園區(qū)的工業(yè)產值變化，說明該階段工業(yè)區(qū)內企業(yè)生產活動明顯地加強；2014-2015年，光電產業(yè)園區(qū)的工業(yè)產值明顯提高，工業(yè)區(qū)污水污泥處理量大幅增加，進一步顯示該階段光電產業(yè)園區(qū)取得較快發(fā)展.

3.2 工業(yè)區(qū)污水污泥中銅的質量濃度

工業(yè)區(qū)污水污泥中銅的質量濃度(ρ(Cu2+))，如圖3所示.由圖3(a)可知：光電產業(yè)園區(qū)的污水處理廠進水中銅的質量濃度總體偏高，這是由于工業(yè)園區(qū)的光電企業(yè)配套了一定的電路板生產企業(yè)和金屬表面處理生產線，這些企業(yè)排放了含銅廢水，引起工業(yè)區(qū)內的銅離子質量濃度偏高.經過該污水處理廠處理后，出水基本滿足GB 18918-2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》中的一級排放標準.

(a) 污水處理廠進出水 (b) 污水處理廠污泥圖3 工業(yè)區(qū)污水污泥中銅的質量濃度Fig.3 Cu2+ concentration in sewage and sludge

由圖3(a)還可知：污水處理廠常規(guī)生物處理工藝對銅離子的去除率基本上能達到60%以上.在常規(guī)的污水處理過程中，主要是生物處理過程，重金屬的去除原理主要是活性污泥的吸附，包括初沉池中吸附在固體顆粒上去除和在曝氣池與二沉池中通過生物吸附等作用去除.因此，污水處理廠對含銅廢水有較好的處理效果，這和張智春的研究結論[14]相符.

由圖3(b)可知：工業(yè)區(qū)污水處理廠污泥中銅的質量濃度普遍較高，所有監(jiān)測樣本中的污泥銅的質量濃度均遠遠超過農用污泥和園林綠化用泥容許標準.因此，工業(yè)區(qū)污水處理廠的污泥不能用于污泥的土地利用，建議采用焚燒法對污泥進行處置.

3.3 工業(yè)區(qū)污水污泥中鉻的質量濃度

光電工業(yè)園區(qū)的含鉻廢水主要來自于電鍍工藝中的鉻鈍化、金屬表面鍍鉻工藝的清洗廢水，工業(yè)區(qū)污水處理廠進出水和污泥中鉻的質量濃度(ρ(Cr2+))變化，如圖4所示.由圖4(a)可知：工業(yè)區(qū)污水處理廠進水中鉻的質量濃度較穩(wěn)定，普遍不高.2013-2014年，污水中的含鉻有上升的趨勢，這可能是由于這階段處于工業(yè)區(qū)擴建階段，擴建了包括金屬表面鍍鉻在內的生產線，部分企業(yè)的環(huán)保設施又沒能同步調試完善，導致工業(yè)區(qū)污水中鉻的質量濃度上升.從整體來看，經過該污水處理廠生物處理工藝處理后，污水廠出水中鉻的質量濃度滿足排放標準.由圖4(b)可知：工業(yè)區(qū)城市污水處理廠污泥中鉻的質量濃度每年都普遍較低，監(jiān)測樣本中的污泥鉻質量濃度基本上能滿足農用污泥和園林綠化用泥容許標準.

(a) 污水處理廠進出水 (b) 污水處理廠污泥圖4 工業(yè)區(qū)污水污泥中總鉻的質量濃度Fig.4 Total Cr2+ concentration in sewage and sludge

3.4 工業(yè)區(qū)污水污泥中鎳的質量濃度

光電工業(yè)園區(qū)的含鎳廢水主要來自于電鍍工藝中的金屬表面鍍鎳工藝的清洗廢水.工業(yè)區(qū)污水處理廠進出水和污泥中鎳的質量濃度(ρ(Ni2+))變化,如圖5所示.由圖5(a)可知：污水廠進水中鎳的質量濃度較高，符合GB 8978-1996《污水綜合排放標準》的標準限值.經過該污水處理廠生物處理過后，出水無法達到GB 18918-2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》中排放標準0.05 mg·L-1.這說明該污水處理廠的生物處理工藝對鎳的吸附效果并不明顯.因此，針對含鎳廢水排放比例較高的工業(yè)園區(qū)，鎳的排放標準應該提高.由圖5(b)可知：工業(yè)區(qū)城市污水處理廠污泥中鎳的質量濃度每年都普遍較高，監(jiān)測樣本中的污泥鎳質量濃度基本上不能滿足農用污泥和園林綠化用泥100 mg·kg-1干污泥的容許標準.因此，建議采用焚燒工藝進行污泥處置.

(a) 污水處理廠進出水 (b) 污水處理廠污泥圖5 工業(yè)區(qū)污水污泥中鎳的質量濃度Fig.5 Ni2+ concentration in sewage and sludge

4 結論

1) 光電產業(yè)園區(qū)由于生產過程中配套涉及重金屬表面處理的生產工藝，因此,廢水中銅、鉻、鎳等污染物排放量較大，為了保障污水處理廠的穩(wěn)定運行，建議加強產業(yè)園區(qū)中含重金屬廢水的前處理.

2) 污水處理廠生物處理工藝中活性污泥對污水中銅離子和總鉻具有較好的吸附效果，但對鎳離子的吸附效果較差，因此,對光電產業(yè)園區(qū)排放的含鎳廢水應降低鎳的排放質量濃度，保障污水處理廠出水中鎳質量濃度的達標.

3) 光電產業(yè)園區(qū)污水處理廠的剩余污泥由于生物的吸附作用，引起污泥中的銅、鎳質量濃度較高，超過農用和園林綠化的標準，建議光電產業(yè)園區(qū)的污泥采用焚燒法處置.

4) 由于光電產業(yè)園區(qū)污水處理廠生物處理工藝并不能實現(xiàn)重金屬的去除，只是從水中轉移到污泥，因此，園區(qū)含重金屬廢水建議單獨處理或者零排放.

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(責任編輯： 錢筠 英文審校： 劉源崗)

Distribution Analysis of Heavy Metals in Photoelectric Industrial Sewage Plant

LIN Jizhi1， YU Shurong2,3， ZHANG Yaoyu3， HONG Junming3

(1. Department of Science and Technology Research, Huaqiao University, Xiamen 361021, China;2. General Water of Xiamen Sewage Company Limited, Xiamen 361006, China;3. Department of Enviromental Science and Engineering, Huaqiao University, Xiamen 361021, China)

The emission concentration and distribution characteristics of heavy metal pollutants (Cu2+, Cr2+, Ni2+) in the influent, effluent and sludge of photoelectric industrial sewage plant were analyzed and discussed in this research. Then the suggestion of sludge disposal way of photoelectric industrial sewage plant was proposed. The results showed that the relationship between the developments of photoelectric industry park and the pollutant emission was positive correlated. In addition, due to the high removal efficiency of Cu2+rather than Ni2+, the industrial park should strengthen the management of the sludge disposal containing Ni2+. Keywords： heavy metals； sludge; photoelectric industrial park； sewage plant

10.11830/ISSN.1000-5013.201702010

2016-11-10

洪俊明(1974-)，男，教授，博士，主要從事水污染控制工程的研究.E-mail:jmhong@hqu.edu.cn.

福建省高校重大產學研項目(2014Y4006)； 福建省泉州市科技計劃項目(2016Z074， 2016Z075)； 福建省廈門市科技計劃項目(3502Z20153025, 3502Z20151256)

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A

1000-5013(2017)02-0184-05