李元瀚,孫長順,王麗香,郭嘉偉,馬俊杰

(1.陜西省環(huán)境科學研究院,西安 710100；2.西北大學,西安 710127)

前 言

隨著工業(yè)與城市的快速發(fā)展，污水排放量也迅速增加，占污水體積0.3%～0.5%的副產物污泥的含量也隨之俱增[1～3]。截至2016年，我國城市污水處理廠日處理能力為16 779萬m3/d，每年產生的剩余污泥產量達到3 000余萬t(以含水率80%計)，但相應的污泥處理能力并沒有得到同步提升，我國目前污水處理廠有污泥無害化處理處置設施的污水處理廠所占比例不到1/4，污泥處理能力提升低于污泥產生量的增加，逐漸成為我國城市污染控制領域的薄弱環(huán)節(jié)[4-5]。此外，污泥中含有大量N、P、K等植物營養(yǎng)元素，如能合理利用則不僅可變廢為寶，還能增加經濟效益[6]。

西安市作為西北地區(qū)的中心城市，截至2017年，西安市污水廠年處理總量達到76 719.43萬t，污泥年產量達到66.9萬t(數(shù)據來源：《西安市環(huán)境保護局關于發(fā)布2017年度固體廢物有關信息的公告》)。本研究主要目的是通過評價各水廠污泥再利用風險，為西安市生活污水廠污泥處置探索一條合理的途徑提供數(shù)據。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

2016年6月、2016年9月和2017年3月分別選取西安市7家正常運行的生活污水處理廠采集終端污泥，7個污水廠污水收水量約占西安市污水總收水量的61%，污泥排放量占西安市污泥總排放量的52%，可以代表西安市污泥排放水平。采集的污泥裝入塑料密封瓶，帶回實驗室冷凍保存待測。

1.2 樣品處理與分析方法

采集的污泥經冷凍干燥后研磨過0.15mm篩，精確稱取0.2g左右樣品，放于消解管中，置于消解架上，使用全自動石墨消解儀進行消解。過濾后加5%硝酸定容至50mL。使用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES，美國Optima5300DV)測定樣品中Cd、Cr、Pb、Ni、Cu和Zn 6種重金屬的含量。

2 結果與討論

2.1 西安市污水廠污泥理化性質

由表1可知，西安市生活污水廠污泥pH值范圍為5.92～7.26，滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置農用泥質》(CJ/T309-2009)要求。污泥中營養(yǎng)元素含量滿足CJ/T309-2009要求，污泥總體呈現(xiàn)高有機質、高N、高P特點，具有很好的土地利用價值，這與其他相關研究結果一致[6-7]。

表1 污泥的理化性質Tab.1 Physico-chemicalpropertiesofsewagesludge

2.2 西安市污水廠污泥重金屬

西安市7家污水廠的污泥重金屬含量見表2。由表2可知，污泥中各重金屬濃度范圍分別為:

Cr為37.6～329mg/kg，Cu為56.9～178mg/kg，Ni為15.3～63.4mg/kg，Pb為28.9～105mg/kg，Cd為0.46～9.20mg/kg，Zn為190～811mg/kg。Cu和Zn占重金屬含量比例最高，Cd比例最小。鋅含量高可能與中國城市排水管道大多采用鍍鋅材料有關，Cu和Cr含量高可能與進水中含有電鍍、化工、機械加工、制革等工業(yè)污水有關[8-9]。

表2 污泥樣品中重金屬含量Tab.2 Heavy metal concentration in sludge samples (mg/kg)

續(xù)表2

各污水廠污泥重金屬總量XA1、XA4、XA5、XA6基本持平，處于較高水平；XA3污水廠收水范圍內包含部分電子企業(yè)，但重金屬總量較低，可能與西安市對排污企業(yè)專項整治有關；XA2重金屬總量最低。其中XA1、XA4、XA5、XA6、XA7除生活污水外還接收部分工業(yè)廢水，收水范圍內有電子企業(yè)、電鍍企業(yè)、焦化廠等污染企業(yè)，導致整體重金屬含量偏高。

與《城市污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)相比，西安市7家污水廠只有XA3污水廠樣本①超標；與《農用污泥中污染物控制標準》(GB4284-2018)相比，7家污水廠所有指標均符合污泥污染物控制標準；與《城市污水處理廠污泥處置農用泥質》(CJ/T309-2009)相比，存在部分樣品Cd超過A級標準限值的現(xiàn)象，XA3①樣品Cd超標達到A級限值的3.1倍，其余所有指標均達到B級標準限值，均可考慮用作園林綠化及土地改良。

2.3 西安市污水廠污泥再利用可行性評價及潛在生態(tài)風險評價

2.3.1 潛在生態(tài)風險評價

不同重金屬對農作物及人體健康產生的危害不同，即使在污泥中濃度相同，其產生的危害也有差別。運用潛在生態(tài)風險評價法對污泥中重金屬潛在危害進行評價[14～18]。其計算公式為:

(1)

式中:Ei為第i種重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù);Ti為第i種重金屬的毒性響應系數(shù)(Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn分別為30、2、5、5、5、1);Ci為第i種重金屬的測定濃度，mg/kg;C0為該項重金屬元素的參比值(Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn分別為0.09、62.5、21.4、28.8、21.4、69.4mg/kg)，mg/kg。對于參比值的選擇，Hakanson提出取值應為工業(yè)化前未受過污染的背景值，但如今土壤背景值普遍升高且區(qū)域差異較大。綜合考慮本次研究采集樣品的特點以及參考其他文獻，本文選陜西省土壤環(huán)境背景值作為參比值[19]。

根據Ei與RI值大小，重金屬生態(tài)危害程度的劃分標準見表3。

表3 潛在生態(tài)危害評級標準Tab.3 Standards of potential ecological risk assessment

本研究在Hakanson研究的基礎上進行了適當調整。前人的研究中，在計算生態(tài)風險時多使用重金屬總量，從形態(tài)上劃分，重金屬可分為穩(wěn)定態(tài)和不穩(wěn)定態(tài)，其中不穩(wěn)定態(tài)易被植物吸收，穩(wěn)定態(tài)很難被生物吸收。穩(wěn)定態(tài)在酸性條件下有可能轉化為不穩(wěn)定態(tài)，而西安市土壤為堿性土壤[19]，因此穩(wěn)定態(tài)極難轉化為不穩(wěn)定態(tài)，因此本研究以重金屬不穩(wěn)定態(tài)來計算生態(tài)風險。

經計算，西安市城市污水廠污泥中重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)與復合生態(tài)危害指數(shù)見表4。表中六種重金屬危害指數(shù)的大小順序大致為：Cd>Zn>Ni>Pb>Cu>Cr。潛在危害最高的是XA6污水廠的Cd，潛在風險指數(shù)達到160.8，屬于高風險。XA4和XA5污水廠的Cd也超過限制達到中等風險，剩余所有均顯示低風險。XA3污水廠收水范圍內存在部分電子企業(yè)，但是整體風險均顯示較低，說明該區(qū)域內工業(yè)污水處理較徹底。

7家污水廠污泥重金屬的復合生態(tài)危害指數(shù)大小依次為XA6>XA5>XA4>XA7>XA3>XA2>XA1。由表中不難看出，除XA1、XA2兩個污水廠所有重金屬潛在危害均較低外，其余四個污水廠Cd的潛在風險貢獻度均達到了90%以上，可見Cd是污泥重金屬中最主要的風險隱患，該結論也與何緒文等(2016)、張康等(2019)和王曉林(2016)等研究結論一致[13,20-21]。

表4 污泥中重金屬潛在污染評價Tab.4 Assessment of potential ecological risks of heavy metals in sewage sludge

Cu和Zn在污泥中含量較高，但由于其毒性較低，環(huán)境背景值較高，風險指數(shù)貢獻度均較小。7家污水廠中，XA6的危害性最高，屬于中等風險，其污泥不建議再利用，其余6家污水廠重金屬潛在危害較低，可以考慮污泥再利用。

2.3.2 污泥再利用可行性評價

由前文可知，西安市各污水廠污泥重金屬含量基本符合農用標準，且除了XA6污水廠外，相應潛在生態(tài)風險較低，可以按照不同標準投放到綠地或土地改良中。

按照《陜西省統(tǒng)計年鑒》統(tǒng)計，西安市林地約508 390hm2，綠地面積31 681hm2，年產生濕污泥約100萬t(含水率以80%計)，按照《農用污泥污染物控制標準》(GB4284-2018)中的規(guī)定，污泥年用量最高不超過7.5t/hm2，則西安市林地綠地年可承載污泥量約400萬t，年總承載力約為年產出污泥量的4倍，承載能力遠大于年產出污泥量，可見在污泥污染物質全部達標的前提下，污泥再利用是解決污泥問題的可行途徑。

3 結 論

3.1 本文研究的西安市7家污水處理廠重金屬含量均達到《農用污泥中污染物控制標準》。除XA3污水處理廠2016年6月污泥樣本中Cd超過限值外，其他污水廠污泥均達到污泥再利用要求，可以進一步考慮污泥再利用。

3.2 西安市農用地和綠地可投放污泥量遠高于污泥年生產量，7個水廠污泥再利用的潛在風險大小順序依次為：XA6>XA5>XA4>XA7>XA3>XA2>XA1。XA6污水廠污泥再利用的重金屬污染風險為中等，其污泥不建議農業(yè)利用，其余各廠污泥均為低風險，可以考慮污泥再利用。Cd是污泥重金屬風險的主要貢獻因子，在XA3、XA4、XA5、XA6、XA7風險評價中貢獻率均超過90%。