徐榮樂， 黃業(yè)翔， 許 謙， 韋士程， 趙侶璇， 宋曉薇

（1.廣西壯族自治區(qū)環(huán)境保護科學研究院, 廣西 南寧 530022；2.廣西綠城水務股份有限公司江南污水處理廠， 廣西 南寧 530022）

0 引言

隨著我國城鎮(zhèn)居民生活污染防治工作的不斷推進，污水處理設施建設及配套污水管網(wǎng)不斷完善，城鎮(zhèn)居民生活污水處理能力逐年增長，根據(jù)《2019年城市建設統(tǒng)計年鑒》記載，目前我國建設運行污水處理廠2 471 座，生活污水處理量約為1.44 × 108m3/d，干污泥產(chǎn)生量約為3.0 × 105t/d。 在污水處理能力逐步提升的同時， 剩余污泥作為污水處理廠運行過程的主要副產(chǎn)物，含有大量微生物和寄生蟲，部分污泥可能含有重金屬等有毒有害物質(zhì)等， 極易造成二次污染風險[1]。

我國脫水污泥處置經(jīng)多年發(fā)展，形成了“厭氧消化＋土地利用、好氧發(fā)酵＋土地利用、干化焚燒＋灰渣填埋或建材利用、深度脫水＋應急填埋”等4 種主流處理處置技術路線， 有效解決了我國污泥處理處置的問題[2]。 但由于重金屬元素具有較強的富集性、難降解性，若污泥中重金屬含量過高，在污泥土地利用過程中易造成土壤重金屬累積，存在環(huán)境風險隱患，影響污泥及其資源化產(chǎn)品的重新利用，因此，對脫水污泥中重金屬含量、 重金屬形態(tài)分布及資源化利用生態(tài)風險等進行分析評估顯得尤為重要。 在我國北方區(qū)域， 對北京市及河北省的不同污水處理廠污泥進行的研究結(jié)果[3-5]表明，部分污水處理廠污泥重金屬存在超標情況，且存在一定的潛在生態(tài)風險。另有對廣西壯族自治區(qū)城鎮(zhèn)污水處理廠污泥進行的研究結(jié)果表明[6-8]，部分污水處理廠脫水污泥中重金屬Zn也存在超標情況，Zn，Ni 的可交換態(tài)和可還原態(tài)占比較大，遷移轉(zhuǎn)化能力強，極易被生物利用，同時風險指數(shù)分析表示Cd 是重金屬元素潛在生態(tài)風險的主要貢獻者。

根據(jù)前期對廣西壯族自治區(qū)市政污泥處理處置方式的調(diào)查分析結(jié)果得知： 污泥處理主要的處置方式為“好氧堆肥+土地利用”，占比在55%左右。 為進一步探究廣西市政污泥“好氧堆肥+土地利用”方式的潛勢， 以南寧市4 個典型市政污水處理廠為研究對象，開展污泥及其堆肥產(chǎn)品重金屬特性研究，并對土地利用的重金屬生態(tài)風險進行評價。

1 材料及方法

1.1 實驗材料

污泥分別取自南寧市江南污水處理廠、 瑯東污水處理廠（一期）、瑯東污水處理廠（二期）和武鳴污水處理廠的污泥脫水車間， 各污水處理廠基本情況見表1。 每2 個月采集1 次污泥樣品1 000 g 置于聚乙烯自封袋中，共采集6 次。 污泥樣品經(jīng)自然風干、研磨后過0.15 mm 篩，密封保存，用于理化性質(zhì)分析和測定污泥中重金屬 （As，Cd，Cr，Cu，Hg，Ni，Pb 和Zn）含量及形態(tài)分布。同時取相同時段的污泥堆肥產(chǎn)品（營養(yǎng)土）用以測定污泥堆肥產(chǎn)品重金屬（Hg，As，Pb，Cd 和Cr）含量。

表1 污水處理廠基本情況

1.2 檢測及分析方法

污泥中重金屬形態(tài)采用BCR 3 步連續(xù)提取法提取。Al，Cu，Cd，Cr（還原態(tài)、氧化態(tài)、可交換態(tài)），Ni，Pb 采用HJ 766—2015 電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定；Cr（全量、殘渣態(tài)）采用HJ 749—2015 火焰原子吸收光譜法測定；Zn 采用HJ 786—2016 火焰原子吸收分光光度法測定；As，Hg 采用HJ 702—2014 微波消解/原子熒光法測定。

1.3 評價方法

（1）污泥中重金屬污染指數(shù)評價

單個污泥樣品中各重金屬元素單項污染指數(shù)（Pi）見公式（1）：

式中：Pi為土壤中污染物i 的環(huán)境質(zhì)量指數(shù)；Ci為污染物i 的實測質(zhì)量分數(shù)，mg/kg；Si為參比值，mg/kg，本次評價以GB 4284—2018 《農(nóng)用污泥污染物控制標準》中A 級污泥產(chǎn)物的污染物濃度限值為參比值。

采用內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法對污泥中重金屬污染的平均水平進行綜合評價， 該計算方法綜合考慮最大單污染指數(shù)與平均污染指數(shù)， 突出了污染最嚴重的污染物危害，可全面反映重金屬的平均污染水平[4]。

式中：Pm為綜合污染指數(shù)；Pimax為污染物單污染指數(shù)中的最大值；Piavg為所有污染物單污染指數(shù)平均值。依據(jù)單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法可將重金屬污染劃分為5 個等級[9]，具體見表2。

表2 污泥中重金屬污染水平等級劃分

（2）Hakanson 潛在生態(tài)危害指數(shù)法

重金屬潛在生態(tài)風險評價采用瑞典科學家提出的評價方法， 是目前沉積物重金屬污染質(zhì)量評價應用最廣泛的方法之一。

本次評價中以GB 4284—2018 《農(nóng)用污泥污染物控制標準》 中A 級污泥產(chǎn)物的控制限值為參比值，生態(tài)風險水平的劃分標準見表3。

表3 生態(tài)風險水平劃分

2 結(jié)果與討論

2.1 污泥及資源化產(chǎn)品重金屬特性分析

2.1.1 污泥中重金屬含量

南寧市污水處理廠污泥中重金屬含量見表4。

表4 南寧市典型污水處理廠污泥中重金屬含量

由表4 可以看出， 污泥中含量最大的重金屬為Zn，平均質(zhì)量分數(shù)為474.38 mg/kg，其次為Cu，Cr，平均質(zhì)量分數(shù)分別為117.63 ，87.32 mg/kg； 隨后依次為Pb，Ni，As，Hg 和Cd， 平均質(zhì)量分數(shù)分別為38.71，36.84，15.11，2.01 和1.95 mg/kg。 部分月份污泥中重金屬Hg，Cd 含量超過污泥處置農(nóng)用污泥（GB 4284—2018）A 級污泥控制限值，其余重金屬含量均滿足A 級標準限值要求。 與林榮科等[6]研究結(jié)果對比，隨著南寧市社會經(jīng)濟發(fā)展，雨污分流、初期雨水收集等工作不斷推進， 南寧市污水處理廠脫水污泥中Cd，Cr，Cu，Pb 和Zn 等含量隨著進水中污染物濃度增加也有一定程度的增加。

重金屬含量主要受污水來源及城市地理位置、城市性質(zhì)和工業(yè)布局等因素影響， 在污水處理過程有70%～90%的重金屬通過吸附或沉淀轉(zhuǎn)移到污泥中，隨著環(huán)境保護標準的日益嚴格，生活污水和初期雨水逐漸取代工業(yè)廢水成為城市污泥中重金屬的主要來源[10]。 有研究報道[11-13]，市政污泥中重金屬主要成分Pb，Zn，Cu 等來自鍍鋅管道和PVC 管路（含鉛鹽穩(wěn)定劑），也可能來源于汽車清洗廢水、汽車尾氣排放或汽車零部件釋放污染物形成的城市徑流；Hg來源于牙科材料廢水；Cd，Cr 和Ni 通常來源于電池、電子、印染和電鍍等工業(yè)企業(yè)；As 源于含砷木材防腐劑（鉻化砷酸銅）及含As 洗滌劑等。

南寧市各污水處理廠污泥中重金屬平均含量見圖1。 由圖1 可以看出，江南污水處理廠作為南寧市最大的污水處理廠，污水收集范圍大、服務人口多，且接納部分產(chǎn)業(yè)園區(qū)污水， 脫水污泥中As，Cd，Cr，Hg，Ni 和Pb 含量均高于其余3 個污水處理廠；武鳴污水處理廠接納部分工業(yè)園區(qū)污水，包含食品加工、建筑材料、金屬機械、木材家具等多種行業(yè)，脫水污泥中重金屬Cu，Cd，Ni，Zn 等含量均高于瑯東污水處理廠。

圖1 污泥中重金屬含量

2.2.2 污泥中重金屬形態(tài)分布

各污水處理廠污泥中重金屬形態(tài)分布及占比見圖2。

圖2 污泥中各重金屬形態(tài)分布及占比

由圖2 可以看出， 各污水處理廠的污泥中Cu，Cr，As，Pb 形態(tài)均以殘渣態(tài)為主， 占比均在80%以上，Cu 可交換態(tài)占比在10%左右，Pb 可還原態(tài)占比為13.77%；Zn 的殘渣態(tài)占比為40.63% ～ 48.26%，其次為可交換態(tài)和可還原態(tài)，占比分別為27.27%～34.46%,15.41%～17.73%；Cd 殘渣態(tài)占比為49.99%～58.43%，其次為可還原態(tài)和可交換態(tài)，但瑯東污水處理廠（二期）污泥中Cd 可氧化態(tài)高于其余2 種形態(tài)；Hg 殘渣態(tài)占比為75.87%～93.26%，瑯東（二期）的污泥殘渣態(tài)占比較小， 可氧化態(tài)占比為16.53%；Ni 殘渣態(tài)占比為61.95%～68.79%， 其次為可交換態(tài)，占比為16.56%～2 7.06%。 由此可見，南寧市4個污水處理廠污泥重金屬形態(tài)分布基本相同， 殘渣態(tài)是污泥重金屬的主要形態(tài)， 該結(jié)果也與安米基等[14]對成都市29 家污水處理廠污泥重金屬形態(tài)分布的研究結(jié)果較相似， 由于殘渣態(tài)元素主要與硅酸鹽礦物等結(jié)合，遷移性很小，較難被生物利用，對環(huán)境影響較少[15]；但Zn，Cd，Ni 的可交換態(tài)和可氧化態(tài)含量較高，具有一定的遷移性，在進行污泥資源化利用過程中需加強重金屬防控，降低污染風險。

2.2.3 污泥資源化產(chǎn)品中重金屬含量

在開展污泥調(diào)查期間， 同步進行污泥堆肥產(chǎn)品中Hg,As,Pb,Cd,Cr 含量的調(diào)查，調(diào)查結(jié)果見表5。 由表5 可以看出，在污泥堆肥過程中，根據(jù)污泥有機質(zhì)含量狀況， 為保證最終產(chǎn)品有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)達到20%以上， 通常加入污泥總質(zhì)量20%～30%的統(tǒng)糠作為輔料， 污泥堆肥產(chǎn)品中Hg，As，Pb，Cd，Cr 質(zhì)量分數(shù)分別為0.26～1.84，4.01～24.7，7.8～43.2，0.31～1.78，54～195 mg/kg， 達到農(nóng)用污泥 （GB 4284—2018）A 級標準限值要求。堆肥后污泥中各重金屬單位含量均有所降低（除Cr 外），該現(xiàn)象與陳鎮(zhèn)新等[16]和葛驍?shù)萚17]研究結(jié)果基本相似，說明添加輔料在一定程度上可降低單位污泥重金屬含量。 若忽略輔料添加量的影響，堆肥過程中Hg，Cd 平均含量較原污泥分別降低了29.48%,6.13%，推斷原因可能為堆肥過程中重金屬隨著滲濾液溶出[18]；而As，Pb，Cr 含量分別提高了26.49%，0.59%，34.10%， 說明污泥堆肥過程仍具有一定的重金屬累積效應， 其中As，Cr 的累積效應較強。 因此在堆肥過程中，需添加調(diào)理劑，嚴格控制堆肥條件， 促進污泥中有效態(tài)重金屬向穩(wěn)定態(tài)轉(zhuǎn)化，提高資源化產(chǎn)品使用安全性。

表5 污泥堆肥產(chǎn)品中各重金屬質(zhì)量分數(shù)

2.3 污泥及資源化產(chǎn)品重金屬生態(tài)安全性分析

2.3.1 污泥及資源化產(chǎn)品重金屬污染狀況評價

以污泥處置農(nóng)用污泥標準 （GB 4284—2018）A級污泥產(chǎn)物控制限值為參比， 對污泥及堆肥產(chǎn)品重金屬Pi和Pm進行計算，結(jié)果見表6。 由表6 可以看出，瑯東污水處理廠（一期）污泥中重金屬Pi均在0.7 以下， 處于安全范圍； 江南污水處理廠污泥中Cd，Hg 的Pi分別為0.8，075， 瑯東污水處理廠 （二期）污泥中Hg 的Pi為0.85，武鳴污水處理廠污泥中Cd 的Pi為0.77，均處于警戒限范圍，因此污泥中重金屬Cd，Hg 污染應重點關注。 從綜合污染指數(shù)情況來看，4 個污水處理廠污泥中重金屬Pm均小于0.7，其中瑯東污水處理廠 （一期） 污泥中重金屬Pimax＜0.7，處于安全范圍；其余3 個污水處理廠由于Pimax＞0.7，處于警戒限范圍。 從污泥堆肥產(chǎn)品來看，各重金屬Pi在0.09～0.45 之間，重金屬Pm為0.32，處于安全范圍。

表6 污泥及堆肥產(chǎn)品中重金屬污染狀況

2.3.2 污泥及資源化產(chǎn)品中重金屬生態(tài)安全性

以農(nóng)用污泥標準（GB 4284—2018）A 級污泥產(chǎn)物控制限值為參比， 南寧市污水處理廠污泥及資源化產(chǎn)品Hakanson 潛在生態(tài)風險指數(shù)見表7。 由表7可以看出，4 個污水處理廠污泥中重金屬單因子潛在生態(tài)風險指數(shù)Er均小于40，RI 在49.56～69.4 之間，其中江南、瑯東（一期）、瑯東（二期）污水處理廠污泥潛在生態(tài)風險為中等， 武鳴污水處理廠生態(tài)風險指數(shù)為輕微。經(jīng)堆肥處理后，污泥資源化產(chǎn)品的重金屬RI 降至34.48，對生態(tài)環(huán)境存在的風險較低。但根據(jù)前期研究，即使污泥堆肥產(chǎn)品滿足農(nóng)用要求，但在多年連續(xù)施用過程中仍可使土壤中重金屬含量一定程度的增加[19]，因此在堆肥過程仍需加強重金屬污染控制，通過水熱、超聲、微波、臭氧、化學淋濾、生物瀝浸、水解酸化等多種堆肥預處理方式，降低污泥堆肥產(chǎn)品施用風險[20]；同時進一步探明堆肥污泥使用閾值， 合理控制施用量， 將堆肥污泥用于園林綠化、林業(yè)土壤基質(zhì)、礦山修復[21,22]等方面，減少污泥中重金屬遷移轉(zhuǎn)化對人類健康的潛在影響。

表7 污泥及資源化產(chǎn)品的重金屬潛在生態(tài)風險狀況

3 結(jié)論

（1）根據(jù)污泥中重金屬含量分析結(jié)果，除Hg，Cd以外， 南寧市4 個市政污水處理廠污泥中重金屬含量均達到GB 4284—2018 《農(nóng)用污泥污染物控制標準》中的A 級標準，部分時段的Hg，Cd 僅達到B 級標準。根據(jù)污泥中重金屬形態(tài)分布分析結(jié)果，殘渣態(tài)是4 個市政污水處理廠污泥中重金屬的主要形態(tài)，但Zn，Cd，Ni 的可交換態(tài)、可氧化態(tài)含量較高，具有一定的遷移性，應重點關注其污染風險。根據(jù)重金屬污染及生態(tài)風險評價結(jié)果， 各污水處理廠污泥潛在生態(tài)風險等級為輕微～ 中等，其中Hg，Cd 污染指數(shù)相對較大，應加強控制。

（2）污泥堆肥處理后，由于添加了木屑、鋸末等不同輔料，故降低了單位堆肥產(chǎn)品中重金屬含量，使得Hg，As，Pb，Cd，Cr 含量均能達到GB 4284—2018《農(nóng)用污泥污染物控制標準》中的A 級標準，污泥堆肥產(chǎn)品的重金屬污染程度及潛在生態(tài)風險處于輕微狀態(tài)。

（3）建議在污泥堆肥過程中采取更有效的重金屬鈍化措施，降低重金屬遷移轉(zhuǎn)化風險；同時避免將污泥堆肥產(chǎn)品用于農(nóng)作物種植，可通過園林綠化、礦山生態(tài)修復等途徑，實現(xiàn)污泥資源化利用，避免污泥堆肥產(chǎn)品遷移對人類健康產(chǎn)生影響。