修英楠

(佳木斯市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站，黑龍江 佳木斯 154004)

某城鎮(zhèn)污泥中重金屬含量分析及農(nóng)用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

修英楠

(佳木斯市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站，黑龍江 佳木斯 154004)

使用原子熒光、原子吸收分光光度法，對(duì)城市污水處理廠排放的污泥進(jìn)行了重金屬含量監(jiān)測(cè)。砷、汞、鋅、鎘、鉛、鎳、銅的濃度分別為10.06、0.027、240、0.119、25.3、9.6、40.6mg/kg，排放濃度符合《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)中相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)限值要求。如作為農(nóng)用，其濃度符合《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置農(nóng)用泥質(zhì)》(CJ/T309-2009)中相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)-A級(jí)污泥農(nóng)用限值要求。利用潛在生態(tài)危害指數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，監(jiān)測(cè)的七種重金屬的RI為6.368，如作為農(nóng)用，具有輕微的生態(tài)危害。

城鎮(zhèn)污泥；重金屬；含量分析；農(nóng)用；潛在生態(tài)危害指數(shù)

隨著城鎮(zhèn)化、工業(yè)化進(jìn)程的快速發(fā)展，以及相關(guān)部門對(duì)水環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提高，我國(guó)加快了城市污水處理廠的建設(shè)，而城市污水處理廠的副產(chǎn)物污泥也正在以驚人的速度增加。由于城市規(guī)模、工業(yè)門類、以及社會(huì)生活及服務(wù)業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生等行業(yè)的不同，城鎮(zhèn)污泥的成分也有較大差異，特別是重金屬、致病菌、有機(jī)質(zhì)的含量差別非常大。目前，我國(guó)城鎮(zhèn)污泥的主要處理途徑為運(yùn)送至垃圾處理廠堆放或者衛(wèi)生填埋、焚燒處理或者發(fā)電、發(fā)酵滅菌處理后作為城市綠化肥料、農(nóng)用肥料等。污泥處理后農(nóng)用是污泥的最好利用途徑，不但可以使污泥達(dá)到有效的處理和利用，也可以減少化肥等肥料的使用率，增加土壤肥力，減小因長(zhǎng)期使用化肥造成的土壤板結(jié)。經(jīng)過(guò)處理后的城鎮(zhèn)污泥致病菌等已經(jīng)降低，但重金屬含量未發(fā)生變化。如高含量的重金屬進(jìn)入到土壤中，會(huì)隨植物的生長(zhǎng)發(fā)生富集，經(jīng)食物鏈進(jìn)行傳遞，對(duì)植物生長(zhǎng)，以及人和動(dòng)物健康產(chǎn)生重要影響。

本項(xiàng)目選取的城鎮(zhèn)污水處理廠采用CASS工藝，通過(guò)長(zhǎng)期對(duì)某城鎮(zhèn)污水處理廠重金屬含量的監(jiān)測(cè)，選取7種含量高且對(duì)環(huán)境影響較大的重金屬進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。使用電熱板對(duì)污泥進(jìn)行消解，利用原子吸收分光光度計(jì)、原子熒光光譜儀對(duì)某城鎮(zhèn)污水處理廠污泥中部分重金屬含量進(jìn)行了監(jiān)測(cè)[1-4]，并使用《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)、《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置農(nóng)用泥質(zhì)》(CJ/T309-2009)兩條標(biāo)準(zhǔn)對(duì)污泥中的部分重金屬指標(biāo)進(jìn)行考核，為污泥的農(nóng)用可行性提供數(shù)據(jù)支持[5-6]。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 儀器設(shè)備、試劑

原子吸收分光光度計(jì)(Z-2000，日本日立公司)、雙道原子熒光光度計(jì)(AFS-830，北京吉天儀器有限公司)、電熱板(GM-0501，上海楚定分析儀器有限公司)，pH計(jì)(SevenEasy S20，梅特勒-托利多儀器(上海))。

本實(shí)驗(yàn)所用試劑有鹽酸、硝酸、高氯酸、過(guò)氧化氫、氫氟酸、硼氫化鉀、氫氧化鉀、硫脲、抗壞血酸(以上試劑均為優(yōu)級(jí)純或保證實(shí)驗(yàn)精度等級(jí)試劑，天津科密歐化學(xué)試劑有限公司)。工作曲線繪制所用標(biāo)準(zhǔn)溶液均來(lái)自環(huán)境保護(hù)部標(biāo)準(zhǔn)樣品研究所，在實(shí)驗(yàn)時(shí)根據(jù)所用濃度進(jìn)行稀釋。原子熒光所用氬氣和原子吸收所用乙炔氣體純度均為99.999%以上。

由于實(shí)驗(yàn)所用玻璃儀器和采用工具等可能受到污染，在使用前應(yīng)使用硝酸浸泡一晝夜，取出后用自來(lái)水、蒸餾水依次沖洗瀝干后使用。實(shí)驗(yàn)采用全程序空白。

1.2 樣品的采集

本實(shí)驗(yàn)所用污泥樣品為廠區(qū)內(nèi)污泥經(jīng)過(guò)壓濾機(jī)壓濾后的泥餅。為保證產(chǎn)品的代表性，需要采集不同時(shí)段的泥餅樣品，帶回實(shí)驗(yàn)室混合后分析。本次試驗(yàn)共采集6個(gè)時(shí)段的污泥樣品，將泥餅轉(zhuǎn)入塑料器皿中，帶回實(shí)驗(yàn)室。將采集到的污泥樣品攤鋪在專用的搪瓷盤內(nèi)，自然風(fēng)干。使用木質(zhì)工具將污泥敲碎，過(guò)100目尼龍篩，使樣品全部通過(guò)尼龍篩，四分法取樣，保留一份樣品用于測(cè)定。

1.3 污泥樣品的消解

取十二個(gè)聚四氟乙烯坩堝，每個(gè)樣品稱取兩次(一份用于原子熒光測(cè)定，編號(hào)為1-6；一份用于原子吸收測(cè)定，編號(hào)為7-12)。稱取0.5000 g制備好的污泥樣品于坩堝內(nèi)，加入硝酸和高氯酸的混酸10 ml(硝酸：高氯酸=4：1體積比)，調(diào)節(jié)電熱板溫度為280 ℃至有黃煙冒出，然后調(diào)低電熱板溫度至180℃，使混合溶液微沸狀態(tài)，繼續(xù)加熱至溶液透明或者無(wú)明顯顆粒態(tài)時(shí)，繼續(xù)加入2.5 ml氫氟酸，飛硅后加熱至剩余1.0 ml左右，停止加熱。用于原子熒光測(cè)定的消解液，則使用鹽酸(鹽酸：水=1：1體積比)進(jìn)行洗滌，同時(shí)加入抗壞血酸和硫脲(0.05 g/ml)各2.5 ml，定容到50.00 ml后用于測(cè)定；而原子吸收測(cè)定的消解液轉(zhuǎn)移至50.00 ml容量瓶中后，使用3%的硝酸多次洗滌坩堝，一并轉(zhuǎn)移至容量瓶中，定容備用。

1.4 儀器參數(shù)

原子熒光光度計(jì)參數(shù)設(shè)置為：汞燈電流30 mA、負(fù)高壓270 V；砷燈電流60 mA、負(fù)高壓270 V，自動(dòng)進(jìn)樣器進(jìn)樣，且?guī)в凶詣?dòng)稀釋功能。

原子吸收分光光度計(jì)不同元素參數(shù)設(shè)置如下：銅、鉛、鎘、鎳、鋅波長(zhǎng)分別為324.8、283.3、228.8、232.0、213.9 nm；燈電流分別為6.5、6.0、6.0、6.0、6.5 mA；波長(zhǎng)狹縫1.3、1.3、1.3、0.2、1.3 nm；銅、鉛、鎘、鎳、鋅火焰高度均為7.5 mm。曲線繪制情況見(jiàn)表1。

1.5 樣品測(cè)試

與1.4曲線繪制條件一致，每個(gè)樣品測(cè)定一次，取6個(gè)樣品測(cè)定值的平均值作為污泥樣品測(cè)定值。如樣品濃度過(guò)高，原子熒光光譜儀自動(dòng)稀釋后重新測(cè)定；原子吸收則使用人工進(jìn)行稀釋，以保證數(shù)據(jù)的有效性。

表1 工作曲線繪制

續(xù)表1

本項(xiàng)目為便于對(duì)污泥進(jìn)行評(píng)價(jià)，需要對(duì)污泥的pH進(jìn)行測(cè)定。測(cè)定方法為稱取10 g污泥樣品，加入25 ml蒸餾水，輕輕搖動(dòng)，使水土充分混勻，放入磁力攪拌子在磁力攪拌器上攪拌1 min，放置30 min后測(cè)定。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 測(cè)定結(jié)果

使用pH計(jì)對(duì)污泥進(jìn)行pH測(cè)定，污泥樣品的pH為7.14。

本實(shí)驗(yàn)是將固體轉(zhuǎn)化為液體進(jìn)行測(cè)試，需要對(duì)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算后取得樣品中重金屬的濃度，其轉(zhuǎn)化計(jì)算公式如下：

式中：C—污泥中重金屬的濃度，mg/kg； c—消解定容后樣品溶液中重金屬的濃度，mg/L(汞、砷的數(shù)值需×10-3)； 50.00—消解定容后的體積，ml； f—消解后測(cè)試液體樣品稀釋倍數(shù)； 0.5—稱取樣品的量，g。

經(jīng)過(guò)計(jì)算后，測(cè)定污泥中重金屬濃度見(jiàn)表2。

2.2 精密度試驗(yàn)

分別取0.4 μg/L汞標(biāo)準(zhǔn)溶液和0.010 mg/L鉛標(biāo)準(zhǔn)溶液連續(xù)測(cè)定6次，汞的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD值)為3.2%，鉛的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD值)為2.1%，結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)精密度良好。

2.3 重復(fù)性試驗(yàn)

對(duì)1號(hào)樣品平行測(cè)定6次，進(jìn)行重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，1號(hào)樣品中7種金屬的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD值)在0.7%～8.5%之間。表明實(shí)驗(yàn)重復(fù)性良好。

表2 污泥中重金屬濃度測(cè)試結(jié)果 單位：mg/kg

表3 重復(fù)性試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果 單位：mg/kg

2.4 回收率試驗(yàn)

選取樣品編號(hào)3和編號(hào)9兩個(gè)樣品做加標(biāo)回收率實(shí)驗(yàn)，砷加標(biāo)回收率為89%，汞加標(biāo)回收率為86%，鋅加標(biāo)回收率為92%，鎘加標(biāo)回收率為87%，鉛加標(biāo)回收率為85%，鎳加標(biāo)回收率為94%,銅加標(biāo)回收率為103%。測(cè)定結(jié)果樣品加標(biāo)回收率在85%-103%之間。

3 討論

以6個(gè)污泥樣品的均值作為污泥中重金屬測(cè)定的結(jié)果，使用兩種不同的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)測(cè)定結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)污泥農(nóng)用的可行性[7-8]。

3.1 以《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》評(píng)價(jià)

以《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)中相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)污泥排放情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)污泥排放的達(dá)標(biāo)情況，評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 污泥排放達(dá)標(biāo)情況 單位：mg/kg

由表4可以看出，污泥中重金屬的含量均在標(biāo)準(zhǔn)限值之內(nèi)。其中砷的占標(biāo)率較高，但也僅為13.4%；汞的占標(biāo)率最低，為0.2%，其它金屬的占標(biāo)率均在10%以內(nèi)。表明此次測(cè)定的城鎮(zhèn)污泥中重金屬的含量處在較低的水平，這可能與城市的工業(yè)結(jié)構(gòu)有關(guān)，不存在冶金、化工、電鍍等重金屬產(chǎn)生企業(yè)。

3.2 以《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置農(nóng)用泥質(zhì)》標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)

以《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置農(nóng)用泥質(zhì)》(CJ/T309-2009)中相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)—A級(jí)污泥對(duì)污泥排放情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)污泥農(nóng)用的可行性，評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 污泥排放達(dá)標(biāo)情況 單位：mg/kg

由表5可以看出，此次測(cè)定的城鎮(zhèn)污泥中7種重金屬的濃度均符合污泥農(nóng)用的A級(jí)污泥標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過(guò)處理的污泥，從金屬含量方面可作為肥料施用于農(nóng)田。

3.3 潛在生態(tài)危害指數(shù)的計(jì)算

表6 潛在生態(tài)危害系數(shù)和危害指數(shù)與污染程度的關(guān)系

具體計(jì)算公式如下所示：

單個(gè)元素的污染系數(shù)Cri=Ci/Cni(式中Ci為測(cè)定值，Cni為該元素的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn))；

某取樣點(diǎn)的沉積物重金屬污染度Cd=∑Cri；

各重金屬的毒性響應(yīng)系數(shù)Tri(本文數(shù)據(jù)取值見(jiàn)參考文獻(xiàn)[9])；

某一重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)Eri=Tri×Cri；

以《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置農(nóng)用泥質(zhì)》(CJ/T309-2009)中相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)-A級(jí)污泥對(duì)污泥排放情況進(jìn)行潛在生態(tài)危害指數(shù)評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 潛在生態(tài)危害系數(shù)和危害指數(shù)

根據(jù)表6中的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，單項(xiàng)重金屬的Eri數(shù)值均小于40，RI數(shù)值小于150，有一定的輕微生態(tài)危害。

4 結(jié)論

本次測(cè)定的城鎮(zhèn)污泥中，砷、汞、鋅、鎘、鉛、鎳、銅的濃度分別為10.06、0.27、240、0.119、25.3、9.6、40.6mg/kg。其排放濃度符合《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)中相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)限值要求。如作為農(nóng)用，這7種金屬濃度符合《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置農(nóng)用泥質(zhì)》(CJ/T309-2009)中相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)-A級(jí)污泥農(nóng)用中其金屬的限值要求。計(jì)算的Eri、RI數(shù)值均表明監(jiān)測(cè)的7種重金屬具有潛在的輕微生態(tài)危害。但以本次測(cè)定的7種重金屬監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，本次測(cè)定的城鎮(zhèn)污泥可以作為農(nóng)業(yè)施用，但存在一定的潛在輕微生態(tài)危害。

城鎮(zhèn)污泥屬于城鎮(zhèn)污水處理的副產(chǎn)物，在作為農(nóng)用時(shí)，要從多方面進(jìn)行綜合考慮。同時(shí)，重金屬在土壤中易發(fā)生累積現(xiàn)象，如將城鎮(zhèn)污泥農(nóng)用時(shí)，要密切監(jiān)視土壤中重金屬的含量變化情況，必要時(shí)加大監(jiān)測(cè)頻次，保證重金屬不出現(xiàn)累積現(xiàn)象，對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生影響。

[1] 于衛(wèi)榮,馬振,孫翌.微波消解-石墨爐原子吸收光譜法測(cè)定污水廠污泥和進(jìn)、出水中的鎘、鉛[J].化學(xué)分析計(jì)量,2016,25(3):49-53.

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Analysis of heavy metal content in sewage sludge and evaluation of agricultural environmental risk

Xiu Yingnan

(Jiamusi Environmental Monitoring Station, Jiamusi 154004,China)

Atomic fluorescence and atomic absorption spectrophotometry were used to monitor the heavy metal content of sludge discharged from municipal sewage treatment plants. The concentrations of arsenic, mercury, zinc, cadmium, lead, nickel and copper were 10.06, 0.027, 240, 0.119, 25.3, 9.6, and 40.6 mg/kg, which was in line with Discharge Standards of Pollutant for Municipal Wastewater Treatment Plant (GB18918-2002). If the sludge was used as agricultural fertilizer, the concentrations of heavy metals in it were in compliance with class A of Disposal of Sludge from Municipal Wastewater Treatment Plant-Control Standards for Agricultural Use (CJ/T309-2009). Using the potential ecological hazard index to evaluate the enviromental risk, the RI of the monitored 7 heavy metals in the sludge was 6.368, showing a slight ecological hazard for agricultural use.

urban sludge; heavy metal; content analysis; agricultural; potential ecological hazard index

2017-01-11;2017-03-03修回

修英楠(1983-)，男，黑龍江伊春人，大學(xué)本科，工程師，研究方向：環(huán)境監(jiān)測(cè)。E-mail:longxing.2008@163.com

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