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        陜西省典型城市污泥養(yǎng)分與重金屬含量調查*

        2021-04-06 03:25:58孫長順王麗香李元瀚
        環(huán)境污染與防治 2021年3期

        陳 宣 孫長順 王麗香 李元瀚

        (陜西省環(huán)境科學研究院,陜西 西安 710061)

        隨著城市化進程的加速,污泥作為污水處理過程中產生的固體廢棄物,其產生量急劇增加,據(jù)計算,污泥約占污水的0.5%(體積分數(shù),下同)~1.0%。污泥處理不當或是不經過處理就直接投棄會造成二次污染。目前,國內外污泥處置的主要方法有填埋、焚燒、土地利用和建材利用等[1]。2016年陜西省已經建成污水處理廠171家,污泥產生量約為45萬t,其中僅有16.2%的污泥進行了土地利用??紤]到污泥中含有大量有機物及豐富的氮、磷、鉀等植物營養(yǎng)成分,是良好的肥料和土壤改良劑[2-3]。將污泥進行土地利用是城市污泥的重要處置方法,其對于城市和農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義,也是未來污泥處置的根本出路。然而,污泥中潛在的重金屬風險成為制約其土地利用的關鍵因素[4]。

        陜西省城市污泥中養(yǎng)分和重金屬含量鮮有系統(tǒng)報道,本研究選擇陜西省22家具有一定規(guī)模和代表性并運行良好的城市污水處理廠進行調查采樣,分析陜西省城市脫水污泥的養(yǎng)分特征和重金屬污染現(xiàn)狀,并采用Pearson相關性分析與主成分分析等統(tǒng)計學方法探討重金屬的相關性及可能來源,以期為陜西省污泥的資源化處置提供科學依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 樣品采集

        本試驗中所用污泥樣品采集于陜西省有代表性的22家正常運行的城市污水處理廠,污水處理工藝分布為:氧化溝工藝4家,A2/O工藝10家,序批式活性污泥法(SBR)4家以及連續(xù)進水周期循環(huán)曝氣活性污泥法(CASS)/間歇進水周期循環(huán)式活性污泥法(CAST)4家。采集不同水期的脫水污泥(7—9月為豐水期,12月至次年3月為枯水期),采樣時間跨度為2016—2017年。所有的污泥樣品均為污水處理廠脫水污泥傳送帶上的當日新鮮樣,0.5 h采集1次,多次混合,每個污水處理廠重復采集3次,污泥樣品經冷凍干燥后去除雜物,研磨,過100目篩后貯存待測。污泥及所在污水處理廠相關信息見表1。

        表1 供試污泥及污水處理廠信息Table 1 Information of sludge and sewage treatment plants in Shaanxi Province

        1.2 樣品處理與分析

        污泥樣品pH采用玻璃電極法測定;有機物采用重鉻酸鉀氧化—分光光度法測定,總氮采用堿性過硫酸鉀消解—紫外分光光度法測定,總磷采用氫氧化鈉熔融—鉬銻抗分光光度法測定,總鉀采用常壓消解—火焰原子吸收分光光度法測定,以上分析過程均按《化學分析方法驗證確認和內部質量控制要求》(GB/T 32465—2015)進行質量控制。

        本研究的重金屬分析項目包括Pb、Cd、Cu、Zn、Ni、Cr、Hg、As。污泥樣品先采用冷凍干燥機(Scientz-50F)進行冷凍干燥預處理,再采用全自動石墨消解儀(DEENA)進行消解預處理。稱取0.500 0g樣品于聚四氟乙烯消解管中,經三酸消解法(HNO3-HF-HClO4)進行消解并定容至25 mL后采用火焰原子吸收分光光度計(ICE3500)進行測定。為了保證數(shù)據(jù)質量,重金屬樣品分析時加入平行樣和空白樣。

        重金屬不同形態(tài)的提取采用Tessier五步連續(xù)提取法[5]。

        2 結果與討論

        2.1 污泥的理化指標

        表2展示了豐水期及枯水期污泥pH和含水率的整體分布特征。污泥pH為6.34~8.54,pH的差異性可能與絮凝劑的種類及數(shù)量有關。污泥含水率為52.94%~92.08%。污泥pH及含水率在豐水期及枯水期并不存在顯著性差異(P>0.05)。

        表2 不同水期污泥的pH及含水率分布特征Table 2 Distribution of the pH and moisture content of sludge in different water periods

        2.2 污泥養(yǎng)分特征

        2.2.1 污泥養(yǎng)分的含量水平

        22家污水處理廠污泥中,有機物的平均質量分數(shù)為54.59%,總氮、總磷平均值分別為32 712.04、21 026.59 mg/kg,均高于傳統(tǒng)農家肥(豬廄肥中平均含氮量16 300 mg/kg,含磷量3 000 mg/kg;牛廄肥中平均含氮量15 100 mg/kg,含磷量3 100 mg/kg)[6]??傗浧骄禐? 297.54 mg/kg,遠低于一般耕層土壤含鉀量(16 600 mg/kg)[7]。

        圖1顯示豐水期和枯水期污泥的養(yǎng)分含量變化。污泥中有機物、總氮、總磷、總鉀含量均呈現(xiàn)枯水期大于豐水期的分布特征,且有機物、總氮、總磷、總鉀含量均受到水期的顯著影響(P<0.05)(見表3)。

        表3 不同水期污泥養(yǎng)分分布特征Table 3 Distribution of sludge nutrient content in different water periods

        由圖1可見,有15家污水處理廠的總氮在枯水期遠高于豐水期,其余7家在豐水期與枯水期的總氮含量差異不大。污泥養(yǎng)分含量的水期變化受到微生物代謝活性的影響,調研發(fā)現(xiàn)22家污水處理廠均露天建設,季節(jié)和氣溫的變化對污水處理工藝的運行效果具有較大影響。豐水期處于氣溫較高的夏季,微生物代謝活性高,對氮素、有機物的氧化分解作用強,使得污水中氮素及有機物含量減少,因此,污泥中總氮、有機物含量也相應減少[8-9]。而枯水期處于冬季,溫度較低,微生物對總氮及有機物代謝弱,從而使大量養(yǎng)分最終沉降至污泥中。此外,不同污泥養(yǎng)分的差異性可能與進水濃度和污水處理廠的工藝有關。本研究匯水區(qū)域內并未完全實現(xiàn)雨污分流,導致雨水進入污水管網,對污水處理廠進水水質具有較大影響,使污泥養(yǎng)分含量在不同水期呈現(xiàn)出顯著差異??紤]到污水生化處理工藝對鉀元素去除效果不佳,總鉀的差異可能與進水和居民飲食生活習慣有關??偭缀吭诓煌谧兓鄬Σ幻黠@,可能是由于污水中磷的去除主要借助聚磷菌的厭氧釋磷與好氧吸磷[10],并通過排泥的方式實現(xiàn)。

        注:有機物以質量分數(shù)計,下同。圖1 不同水期污泥中養(yǎng)分變化Fig.1 The nutrient content of sludge in different periods

        2.2.2 污泥養(yǎng)分間相關性分析

        污泥養(yǎng)分間的相關系數(shù)見表4。有機物和總氮、總磷、總鉀之間呈現(xiàn)一定的相關性,其中有機物和總氮、總鉀之間的相關性均達到極顯著水平,與總磷達到顯著水平;總氮和總磷、總鉀之間的相關性均達到極顯著水平,而總磷和總鉀之間的相關性不顯著。

        表4 污泥養(yǎng)分之間的相關系數(shù)1)Table 4 Correlation coefficients among various nutrients of sludge

        2.3 重金屬特征分析

        2.3.1 污泥中重金屬含量

        城市污泥具有較好的土地利用潛力[11-12],但污泥中潛在的重金屬風險成為其土地利用的制約因素[13]。對陜西省城市污泥豐水期、枯水期重金屬含量進行了測定和分析,結果見表5。豐水期、枯水期重金屬含量均為Zn>Cu>Cr>Pb>Ni>As>Hg>Cd。Zn、Cu、Cr、Pb、Ni含量的測定結果均呈現(xiàn)豐水期大于枯水期。8種重金屬中,Zn、Cr、Hg含量受到水期的顯著影響(P<0.001)。

        表5 不同水期污泥重金屬分布Table 5 Overall heavy metal distribution characteristics of sludge during different water periods

        與陜西省土壤耕層背景值相比,城市污泥中Pb、Cd、Cr和Hg含量普遍高于土壤背景值(20.9、0.116、67.0、0.101 mg/kg),Ni和As含量部分高于土壤背景值(29.80、11.147 mg/kg),Cu和Zn作為植物生長需要的微量元素,也高于土壤背景值(29.7、76.7 mg/kg)。

        2.3.2 污泥土地利用風險分析

        表6展示了不同污水處理廠不同水期污泥重金屬質量濃度。與《農用污泥污染物控制標準》(GB 4284—2018)中的A級標準限值(Pb、Cd、Cu、Zn、Ni、Cr、Hg、As分別為300、3、500、1 200、100、500、3、30 mg/kg)相比,除Cu、Zn、Ni、Cr沒有超標外,Pb、Cd、Hg、As均存在不同程度的超標現(xiàn)象;與B級標準限值相比(Pb、Cd、Cu、Zn、Ni、Cr、Hg、As分別為1 000、15、1 500、3 000、200、1 000、15、75 mg/kg),均達標。與《城市污水處理廠污泥處置 園林綠化用泥質》(GB/T 23486—2009)和《城市污水處理廠污泥處置 土地改良用泥質》(GB/T 24600—2009)中規(guī)定的酸性土壤(pH<6.5)控制限值(Pb、Cd、Cu、Zn、Ni、Cr、Hg、As分別為300、5、800、2 000、100、600、5、75 mg/kg)相比,除Pb、Hg超標外,其余重金屬均達標;與GB/T 24600—2009中堿性土壤(pH≥6.5)控制限值(Pb、Cd、Cu、Zn、Ni、Cr、Hg、As分別為1 000、20、1 500、4 000、200、1 000、15、75 mg/kg)相比,均達標。綜上,陜西省城市污泥較適合施用于園地、牧草地、不種植食用農作物的耕地以及中堿性土壤土質改良等用途,同時需特別注意Pb、Cd、Hg、As含量應控制在標準限值內。

        表6 不同污水處理廠不同水期污泥中重金屬質量濃度Table 6 Heavy metals concentrations of sludge in different sewage treatment plants during different periods mg/kg

        2.3.3 污泥中重金屬形態(tài)分析

        采用Tessier五步連續(xù)提取法將重金屬形態(tài)分為可交換態(tài)、碳酸鹽結合態(tài)、鐵錳氧化物結合態(tài)、有機物結合態(tài)和殘渣態(tài),其中可交換態(tài)、碳酸鹽結合態(tài)和鐵錳氧化物結合態(tài)易被生物直接或間接吸收,屬于不穩(wěn)定態(tài),而后兩種形態(tài)不易被生物吸收,屬于穩(wěn)定態(tài)。

        根據(jù)沈曉南等[14]對生污泥及消化污泥中的重金屬形態(tài)分布測定結果,污泥中所含的Hg和As幾乎全部以殘渣態(tài)存在,故本研究選取重金屬Cd、Cr、Pb、Cu、Zn、Ni進行形態(tài)分析,結果見圖2。重金屬在不同污水處理廠污泥中的賦存形態(tài)存在一定的差異性。Zn主要以鐵錳氧化物結合態(tài)、有機物結合態(tài)和殘渣態(tài)存在,其不穩(wěn)定態(tài)占比較大(占比為30%~65%)。Cu、Ni、Cr、Cd主要以有機物結合態(tài)和殘渣態(tài)存在,其中Cu的上述兩種形態(tài)占比為71%~98%,Ni的上述兩種形態(tài)占比為67%~84%,Cr的上述兩種形態(tài)占比為79%~99%,Cd的上述兩種形態(tài)占比為43%~90%。Pb主要以殘渣態(tài)存在(占比為67%~97%),其穩(wěn)定態(tài)占比為71%~98%。

        圖2 污泥重金屬形態(tài)占比Fig.2 Chemical fraction percentage of heavy metals in sludge

        2.4 重金屬統(tǒng)計分析

        2.4.1 重金屬相關性分析

        若不同重金屬間正相關性顯著,則說明可能為同源污染或者復合污染[15]。由表7可見,Pb與Cu、Zn、Ni,Cd與Zn,Cu與Zn、Ni,Zn與Ni及Ni與Cr之間呈極顯著正相關;Pb與Cd、As及Cd與Ni之間呈顯著正相關。這說明多種重金屬可能受相同的人類活動影響,與SUN等[16]所得結論一致。

        表7 重金屬相關系數(shù)Table 7 Correlation coefficient among various heavy metals

        2.4.2 重金屬主成分分析

        主成分分析結果顯示,有3個主成分初始特征值大于1,其累積方差貢獻率超過64%,包括了8種重金屬大部分特征信息(見表8)。第1主成分主要反映Pb、Zn、Cu的富集信息,且3種重金屬兩兩成極顯著相關;第2主成分主要反映了Ni、Cr的富集信息,且Ni與Cr之間呈極顯著相關;第3主成分主要反映了Hg的富集信息。

        表8 重金屬旋轉后的主成分載荷矩陣Table 8 Rotated component matrix of heavy metals

        3 結 論

        (1) 陜西省城市污泥pH為6.34~8.54,城市污泥中有機物、總氮、總磷明顯高于一般農家肥,但總鉀相對較低。有機物、總氮、總磷、總鉀含量均呈現(xiàn)枯水期大于豐水期的分布特征,且有機物、總氮、總磷和總鉀含量均受到水期的顯著影響(P<0.05)。

        (2) 陜西省城市污泥8種重金屬含量表現(xiàn)為Zn>Cu>Cr>Pb>Ni>As>Hg>Cd,其中Zn、Cr、Hg含量受到水期的顯著影響(P<0.001)。

        (3) 污泥土地利用風險分析結果表明,部分污泥中Pb、Cd、Hg、As存在一定的環(huán)境風險。但多數(shù)污泥的重金屬含量均符合GB 4284—2018、GB/T 23486—2009和GB/T 24600—2009的要求??傮w而言,陜西省城市污泥具有較高的土地利用價值,適合施用于園地、牧草地、不種植食用農作物的耕地以及中堿性土壤土質改良。

        (4) 污泥中Zn主要以鐵錳氧化物結合態(tài)、有機物結合態(tài)和殘渣態(tài)存在,Cu、Ni、Cr、Cd主要以有機物結合態(tài)和殘渣態(tài)存在,Pb主要以殘渣態(tài)存在。

        (5) 相關性分析和主成分分析均表明Pb、Zn、Cu兩兩之間,Ni與Cr之間可能存在一定的同源性。

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