沈阳市污水污泥中重金属含量及其生物有效性

2014-05-16杨春璐郑嘉惠

实验室研究与探索 2014年5期

关键词：水湾分光沈阳市

王杰，杨春璐，郑涛，邱莎，李坤，郑嘉惠

（1.辽宁大学环境学院，辽宁沈阳 110036;2.沈阳农业大学土地与环境学院，辽宁沈阳 110866;3.国电东北北部污水处理厂，辽宁沈阳 110035）

沈阳市污水污泥中重金属含量及其生物有效性

王杰1，2，杨春璐1，郑涛3，邱莎1，李坤1，郑嘉惠1

（1.辽宁大学环境学院，辽宁沈阳 110036;2.沈阳农业大学土地与环境学院，辽宁沈阳 110866;3.国电东北北部污水处理厂，辽宁沈阳 110035）

分析了沈阳市4座污水处理厂排放的污泥中重金属含量及生物毒性，探讨4种污泥的土地利用可行性。采用盐酸-硝酸-高氯酸消解法提取污泥中Cu、Cd、Zn、Pb、Ni和Cr 6种重金属总量，用DTPA(二乙基三胺五乙酸)-TEA(三乙醇胺)提取污泥中6种重金属的有效态含量，用火焰原子吸收光谱法测定。结果表明，4种污泥中Zn和Cu含量较高;Cr、Pb和Ni次之;Cd含量较低;4种污泥重金属总含量大小依次为西部＞北部＞沈水湾＞满堂河。与我国污泥农用标准(GB18918—2002)相比较，除了西部污水处理厂污泥中的Cu以外，所有污泥中的重金属含量均不超标，并且DTPA可提取态重金属含量占重金属总量的比例不高，表明4种污泥生物有效性差，不易对环境造成危害。

污泥;重金属;生物毒性

0 引言

污泥是污水处理厂的主要副产物之一［1］，是含有各种有机无机物质、微生物和泥沙的复杂非均质体［2］。沈阳市共有10余座污水处理厂，每天产生污泥量达1 000多t。污泥富含氮、磷、钾、有机质和各种常量微量元素，具有一定的肥效价值［3］，但污泥中的重金属和腐败微生物等有害成分若不经妥当处置会给环境带来污染［4-7］，危害人类和动植物的生存空间。因此，寻求合理的污泥处理处置方式是沈阳市亟待解决的环境问题。研究表明，土地利用是污泥最具有发展前途的处置方式［8］，但长久以来，由于重金属具有迁移性差、易富集和危害大等特点，人们普遍认为污泥土地利用势必会给生态环境带来重金属污染，导致重金属成为限制污泥土地利用的重要因素［9-10］。因此，了解污泥中重金属含量及其生物有效性对于污泥土地资源化利用具有重要意义。为此，本文以沈阳市有代表性的4座污水处理厂的污泥为研究对象，对污泥中重金属全量及有效态含量进行全面分析，以期对污泥用于土地资源化利用途径奠定理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

污泥来源:试验用污泥为沈阳市北部、满堂河、沈水湾和西部污水处理厂的新鲜脱水污泥。污泥表观均为黑色，黏稠伴有杂质，有强烈刺激性臭味，其基本性质如表1所示。

表1 污泥基本理化性质

试剂:Cu、Cd、Pb、Zn、Ni、Cr标液(1 mg/mL)为国家有色金属及电子材料分析测试中心生产，其余试剂均为AR级，为国药集团化学试剂有限公司生产。

仪器:TU-1810紫外可见分光光度计，北京普析通用仪器公司;TAS-990火焰原子吸收分光光度计，北京普析通用仪器公司;PHSJ-4A酸度计，上海雷磁仪器公司;BS224 S电子分析天平，北京赛多利斯仪器公司。

1.2 方法

有机质采用低温外热重铬酸钾氧化-比色法测定［11］;总氮采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定;总磷采用氢氧化钠熔融-钼锑抗分光光度法测定;pH值采用酸度计测定;含水率采用烘干法测定;重金属 Cu、Cd、Pb、Zn、Ni、Cr总量采用盐酸-硝酸-高氯酸消解后原子吸收分光光度法测定［12-13］;有效态重金属采用DTPA-TEA浸提-原子吸收分光光度计测定，测定条件见表2。

表2 原子吸收分光光度计测定条件

采集的污泥样品一部分放入铝盒内用于含水率测定，其余污泥样品平铺在牛皮纸上进行风干，定期翻动以防止滋生腐败微生物，剔除杂物后磨碎，分别过20、60和100目筛，做好标记后装入样品瓶内，以供分析测试之用。

2 结果与讨论

2.1 4种污泥重金属总量

一直以来，重金属被认为是污泥土地利用的重要限制性因素，重金属含量高的污泥施入土壤后会危害土壤环境，抑制植物生长。本研究测定了4种污泥中总 Cu、Cd、Pb、Zn、Ni、Cr的含量(见图 1)。研究发现，4种污泥中Zn和Cu的含量显著高于其他元素，Cd则是含量最低的元素。与污泥农用标准(GB18918—1985)对比，北部和西部污水处理厂的Cu和Zn含量超标，尤其是西部污水处理厂的Cu含量是相关标准的3倍以上，沈水湾污水处理厂的Zn也超标，这可能是因为这两个污水处理厂所处理的污水中工业污水所占比重相对大，也与我国城市中排水管道大多采用了镀锌材料有关［14］;而4 种污泥中的 Cd、Pb、Ni和 Cr含量均不超标。我国于2002年修改了污泥农用标准，加宽了污泥中Cu和Zn的限制含量。通过比较可以看出，除了西部污水处理厂的Cu含量仍超出相应标准(GB18918—2002)外，4种污泥的重金属含量均不超标。另外，4种污泥中重金属Cd的含量较低且差异不大，其他元素含量差异较大。

图1 4种污泥重金属总量

2.2 4种污泥有效态重金属

重金属的形态与其生物有效性具有密切关系，本文采用DTPA-TEA法提取污泥中有效态重金属(见图2)。结果表明，污泥中有效态重金属含量最高的2种元素仍然是Zn和Cu，尽管重金属总量很高，但相应的有效态重金属所占比例并不高。这可能是因为污泥pH值偏中性，重金属主要以结合态或碳酸盐态等难溶化合物形式存在［15］。不同污泥中有效态重金属占其总量比例大小差异较大，北部为Ni＞Cr＞Zn＞Cu＞Cd＞Pb;西部为Ni＞Cr＞Zn＞Cd＞Cu＞Pb;沈水湾为 Ni＞Pb＞Cd＞Zn＞Cr＞Cu;满堂河为 Cr＞Ni＞ Cu＞Cd＞Pb＞Zn。可以看出，含量较高的Zn和Cu其有效性在6种重金属中属于中等或偏弱，而含量不太高的Ni和Cr的有效性在6种重金属中却是最高的，Cd和Pb的有效性则是偏低。这一方面与重金属自身特性有关，另一方面与污泥的不同性质有关。

图2 4种污泥有效态重金属含量

3 结论

研究表明，4种污泥中都含有大量有利于植物生长的养分元素，完全符合相关标准(GB18918—2002)所要求的营养指标。有机质含量均大于40%，但差异并不显著，含量由大到小依次为沈水湾＞满堂河＞西部＞北部;总氮含量均大于30 g/kg，总磷含量均大于10 g/kg，且4座污水处理厂污泥的氮和磷含量大小依次为西部＞满堂河＞沈水湾＞北部，但是4种污泥含水率较高，介于77% ～83%，pH值接近中性。因此，从养分角度看，4种污泥均具备很好的肥效价值，但必须经过稳定化处理后才能进行土地利用。

无论污水来源是工业污水还是生活污水，Zn和Cu都是污水处理厂排放的污泥中含量最高的重金属。与相关标准(GB18918—2002)相比，除了西部污水污泥的Cu超标外，4种污泥中的重金属含量均未超过相应标准，并且有效态重金属占重金属总量比例不高，不易对环境造成危害。因此，西部污水处理厂的污泥具有一定的土地利用风险，而其他3种污泥均适合污泥土地利用。

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Study on the Heavy Metals and Its Availability of Sewage Sludge in Shenyang City

WANG Jie1，2，YANG Chun-lu1，ZHENG Tao3，QIU Sha1，LI Kun1，ZHENG Jia-hui1
(1.College of Environment，Liaoning University，Shenyang 110036，China;
2.Colledge of Land and Environment，Shenyang Agricultural University，Shenyang 110866，China;
3.Guodian North Wastewater Treatment Plant，Shenyang 110035，China)

The total and available concentrations of Cu，Cd，Zn，Pb，Ni and Cr in four kinds of sewage sludges from different wastewater plants were analyzed and determined，in order to explore the feasibility of sewage sludge for land use in Shenyang.The total concentrations of heavy metals were extracted by HCl-HNO3-HClO4digestion，the available concentrations of heavy metals were extracted by DTPA-TEA，then were both determined by flame atomic absorption spectrometry.The results were as follows:The concentrations of Zn and Cu in all the sewage sludges were very high，followed by Cr，Pb，Ni，and Cd was the lowest，the total concentrations of heavy metals showed a trend:Xibu ＞ Beibu＞Shenshuiwan ＞Man tanghe.Compared with China＇s agricultural standard(GB18918—2002)，the concentrations of heavy metals in sewage sludges were altogether lower than the corresponding standards，except for Cu concentrations in Xibu sludge，and the concentration of heavy metals extracted by DTPA had a low proportion，which indicated that the sewage sludge wasn’t available to organisms，and wouldn＇t cause harm to environment easily.

sewage sludge;heavy metals;biological availability

X 705

1006－7167(2014)05－0026－03