趙 君，吳 坤，王 毓，任俊鵬，馬小云，周進(jìn)康

(貴州師范學(xué)院化學(xué)與材料學(xué)院，貴州 貴陽 550018)

城市污泥是污水處理過程中產(chǎn)生的富含有機(jī)質(zhì)、氮、磷等成分的半固體物質(zhì)，隨著我國城市污水處理深度的加深和處理量的增加，城市污泥年產(chǎn)量逐年遞增預(yù)計(jì)在2020年底污泥產(chǎn)量將突破6000萬噸[1]。與污水處理形成較大反差的是污泥處置的重視程度相對不足、存在“重水輕泥”的現(xiàn)象，為此國家《“十三五”全國城鎮(zhèn)污水處理及再生利用設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》提出進(jìn)行污泥改造實(shí)現(xiàn)無害化、資源化處理[2]。

污泥中可被生物利用的氮、磷等營養(yǎng)元素含量豐富，使得污泥的處理方式從衛(wèi)生填埋轉(zhuǎn)向農(nóng)用或者土壤修復(fù)成為可能，這不僅可減少化肥等化學(xué)肥料使用，還能真正有效、資源化的實(shí)現(xiàn)水體和污泥處理[3-5]。在污泥農(nóng)用或土壤修復(fù)時(shí)污泥中的磷不可避免會(huì)進(jìn)入水體增加水體富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)，水體富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)與總磷及磷在環(huán)境中的形態(tài)都密切相關(guān)[6]，所以污泥中磷的形態(tài)和含量分析研究不僅是水處理中磷去除的前提，也是污泥可利用可行性及農(nóng)用安全性的考量指標(biāo)從而為污泥合理處置提供科學(xué)的參考。目前國內(nèi)眾多地區(qū)已開展對污泥中磷形態(tài)的研究，貴州地區(qū)污泥的研究主要以重金屬等含量分析為主還未見有關(guān)磷形態(tài)研究的相關(guān)報(bào)道[7-9]。本文選取貴州某市城市污泥為對象，利用在沉積物、污泥中得到廣泛認(rèn)可的STM法對該市污泥磷形態(tài)和生物可利用性進(jìn)行研究，為污泥科學(xué)處置和資源化利用提供一定的參考和借鑒。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

污泥樣品來自該市污水處理廠脫水污泥共計(jì)16個(gè)。在脫水污泥出口處運(yùn)用梅花形布點(diǎn)法收集污泥，污泥混勻后裝入瓶中置于保溫箱中帶回實(shí)驗(yàn)室；樣品經(jīng)自然風(fēng)干、除雜后運(yùn)用四分法取樣，磨碎過100目篩，密封置于干燥陰涼處保存待測。

主要儀器：SSM-5000A總有機(jī)碳測定儀，島津有限公司；UV-2450紫外分光光度計(jì)，島津有限公司；CPA-225D電子天平，賽多利斯科學(xué)儀器有限公司；TG16-WS離心機(jī)，湖南湘儀儀器有限公司；SX-4-10馬弗爐，天津泰斯特有限公司。

主要試劑：磷標(biāo)準(zhǔn)液(1000 mg/L)，壇墨質(zhì)檢科技有限公司；氫氧化鈉(分析純)，重慶川東化工；鹽酸(分析純)，國藥集團(tuán)有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

污泥中磷形態(tài)采用歐洲標(biāo)準(zhǔn)測量組織的SMT方法進(jìn)行測定，提取步驟如圖1所示[10]。該方法將磷形態(tài)分為五種形態(tài)，其中總磷(TP)由無機(jī)磷(IP)和有機(jī)磷(OP)兩類組成，無機(jī)磷(IP)又包括磷灰石態(tài)(AP)和非磷灰石態(tài)(NAIP)兩種形態(tài)。各形態(tài)磷均是在提取、經(jīng)離心后取上清液，利用抗壞血酸法測定所含正磷酸鹽為該形態(tài)下的磷含量；利用總有機(jī)碳測定儀對污泥中的總有機(jī)碳進(jìn)行測定。

圖1 磷形態(tài)分級(jí)提取的SMT流程

1.3 質(zhì)量控制

玻璃儀器在實(shí)驗(yàn)前用30%稀鹽酸浸泡12 h后用去離子水沖洗三次，同時(shí)設(shè)置樣品空白，確保實(shí)驗(yàn)過程無干擾物污染；每個(gè)樣品均設(shè)置3個(gè)平行樣品進(jìn)行平行處理，保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

2 結(jié)果與討論

2.1 污泥中磷形態(tài)分布

該市污泥中總有機(jī)碳和不同形態(tài)磷的含量如表1所示。由表1可知：不同污水處理廠污泥總有機(jī)碳、總磷和磷形態(tài)含量均存在一定差異，但總體屬于低有機(jī)質(zhì)、低磷型污泥，其中總有機(jī)碳含量在80.78～344.10 mg/g，總磷含量在2.54～10.72 mg/g。因?yàn)槌鞘形勰嘀械牧字饕窃诔鞘形鬯幚磉^程中被活性污泥吸附而產(chǎn)生的，城市污水中的磷主要與人體排泄物和洗滌劑消費(fèi)等有關(guān)，因此城市污泥會(huì)呈現(xiàn)出明顯的地域性特征[11]。貴州作為經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)的西部地區(qū)地廣人稀、磷消費(fèi)量偏低，所以污水中有機(jī)質(zhì)、磷等含量低于發(fā)達(dá)的東部地區(qū)，污泥中有機(jī)質(zhì)、磷含量也相對較低。

污泥中不同形態(tài)磷在TP中所占比例從高到低順序依次為IP>NAIP>AP>OP，其中污泥中IP含量范圍在1.66～9.98 mg/g，占污泥中TP的比例高達(dá)65.4%以上，是污泥中磷的主要形態(tài)；NAIP在污泥中含量范圍在0.88～7.11 mg/g，大部分樣品中NAIP含量占IP含量的50.6%以上而AP含量在0.74～3.57 mg/g，在IP中所占比例較低。主要因?yàn)樵谖鬯幚磉^程中活性污泥上有機(jī)膜將水中的磷吸附在污泥表面，之后在微生物作用下磷酸根與污泥中鈣、鐵結(jié)合形成溶解度更小的磷酸鈣、磷酸鐵，以NAIP、AP的形式穩(wěn)定的存在于污泥中成為污泥中磷的主要組成成分[12]；污泥中OP含量范圍在2.54～10.72 mg/g，在污泥TP中比例最低，不到TP含量的30%，說明該市水體中磷的輸入差異性不大，農(nóng)業(yè)性面源污染輸入較小[13]。

表1 污泥中總有機(jī)碳和不同形態(tài)磷含量

2.2 污泥中磷形態(tài)關(guān)系

利用SPSS18.0分析該市污泥中磷形態(tài)含量及總有機(jī)碳間的相關(guān)性，結(jié)果如表2所示。由表2可知：在P<0.01水平上污泥中TP與各形態(tài)磷含量均存在顯著的相關(guān)性，其中TP與IP的相關(guān)性最高，其次是TP與NAIP、TP與OP間的相關(guān)性。因?yàn)镮P在污泥的磷形態(tài)組成中占有絕對優(yōu)勢，而污泥中無定形的鐵、鋁物質(zhì)對NAIP的吸附是污水處理中磷的主要去除方式。在P<0.01水平上IP與NAIP、AP均為極顯著正相關(guān)，因?yàn)镹AIP、AP是IP的主要組成部分，其含量對IP在污泥中的分布起決定性作用。

總有機(jī)碳與磷形態(tài)均呈正顯著相關(guān)，特別是OP的正相關(guān)水平最高，因?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)是OP重要的載體，在污水處理中OP是隨有機(jī)質(zhì)的增加而增加[14]。在沉積物等相關(guān)研究中有機(jī)質(zhì)與OP關(guān)系密切：污水處理中有機(jī)質(zhì)包裹在鐵、鋁、碳酸類礦物質(zhì)表面形成礦化的有機(jī)膠體膜，同時(shí)有機(jī)質(zhì)中的腐殖質(zhì)可與鐵、鋁等形成有機(jī)-無機(jī)復(fù)合體成為磷的吸附點(diǎn)，加強(qiáng)了對磷的吸附作用[15-17]。

生物有效磷是可被植物直接吸收利用的溶解態(tài)正磷酸鹽及在植物生長過程中能被植物分泌物轉(zhuǎn)化易吸收IP的OP，所以可以用NAIP和OP加和來估算污泥、沉積物的生物有效磷的含量[18]。該市污泥樣品中生物有效磷含量范圍在1.75～9.44 mg/g，除13號(hào)樣品外所有污泥中生物有效磷含量占總磷TP的64.1%以上，說明該市污泥中的磷大部分可以被生物利用，污泥可作為肥料用于農(nóng)用從而減少化學(xué)肥料的使用；污泥中TP與生物有效磷在0.01水平上呈極顯著相關(guān)，說明總磷含量高低可以間接反映生物有效磷的含量，在不具備測定磷形態(tài)的條件下可以通過總磷來粗略估計(jì)污泥的潛在生物可利用磷。

表2 污泥中磷形態(tài)和總有機(jī)碳間的相關(guān)性矩陣

3 結(jié) 論

通過對貴州某市16座處理廠污泥中磷形態(tài)含量分析，該市污泥中總磷含量為2.54～10.72 mg/g，有機(jī)碳含量為80.78～344.10 mg/g，不同處理廠污泥磷形態(tài)含量差異性不大，均屬于低磷、低有機(jī)質(zhì)污泥，呈現(xiàn)出明顯的地域特征。IP是污泥中磷的主要賦存形態(tài)在TP中所占比例高達(dá)65.4%以上，NAIP在IP中占有優(yōu)勢其含量占到IP含量的50.6%以上。該市污泥的生物可利用性較高，生物有效磷含量占TP的64.1%以上；污泥中TP與生物有效磷及磷的其他形態(tài)在0.01水平上呈極顯著相關(guān)，可以通過總磷對污泥中磷的生物利用性進(jìn)行預(yù)測。