陈思奇，罗 盈，胡洁琼，李进平



电热板消解—火焰原子吸收法对污泥中铅、铜、锌的测定研究

陈思奇，罗 盈，胡洁琼，李进平*

（武汉纺织大学 环境工程学院，湖北 武汉 430073）

取武汉市某污水处理厂脱水污泥为实验研究对象，用BCR三步提取法对污泥中Pb、Cu、Zn的4种存在形态进行分离提取，用电热板消解法进行全量消解，利用火焰原子吸收（FAAS）检查污泥样品中Pb、Cu、Zn的总量和各形态含量。结果表明，武汉市某污水处理厂脱水污泥中Pb和Cu的含量较低，Zn的含量较高，其中，Pb主要以残渣态的形态存在，弱酸提取态较少，Cu的弱酸提取态仅占0.2%，主要以氧化态的形态存在；Zn的4种形态分布较平均，可氧化态所占比例略高于其它三种形态。

城市污泥；重金属；BCR三步提取；电热板消解；火焰原子吸收

随着经济的发展，人们生活水平的不断提高，城市人口数量快速增加，城市污水处理厂的数量和处理规模快速增长，产生的城市污泥量也随之快速增长。城市污泥的处理处置的方法有很多，目前国内外常规的处理处置方法有：污泥卫生填埋、污泥堆肥、污泥焚烧、污泥土地利用等[1]。目前，污泥土地利用处置方法己经被广泛应用于污泥处理处置，主要用于农田、林地、垦荒地、露天矿坑的固定及用于恢复植被等[2]。污泥中富含大量有可利用价值的有机质、N、P、K等营养物质[3]，所以污泥土地利用成为污泥资源化利用的有效途径之一，但是污水处理的过程中，重金属大部分被浓缩在污泥中，成为污泥土地利用的一大障碍[4-5]。污泥的重金属污染不仅和进入环境的重金属总量有关，还取决于重金属的生物效应和环境行为[6]。本研究通过电热板消解—火焰原子吸收测定污水处理厂脱水污泥中重金属（Pb、Cu、Zn）总量，并采用BCR三步提取法分析测定污泥中重金属的4种存在形态，为污泥中重金属的生物效应和环境行为提供科学参考，为污泥的土地利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

SB-1.8-4电热板（上海实研电炉有限公司）；TAS-986（G）原子吸收分光光度仪（北京普析通用仪器有限公司）；电热鼓风干化箱ST368-1（武汉松涛分析仪器有限制造公司）；KS-130B 振荡器（德国IKA公司）；HH.SII-6自动恒温水浴锅（俊腾电子仪器有限公司）；分析天平（北京赛多利斯仪器系统有限公司）

HCl（AR）、HNO3（AR）、HClO4（AR）、HF（AR）、0.1mol/L HOAc、0.5mol/L的NH4OH·HCl（用硝酸调pH=1.5）、H2O2（30%）、1mol/L的NH4OAc、去离子水等。

1.2 样品的采集与制备

污泥样品采自武汉市某污水处理厂。采样点选择在该污水处理厂污泥脱水车间连续稳定运行的污泥脱水机出泥口，样品使用聚乙烯封口袋收集，封口后带回实验室待处理。将采集的污泥样品置于阴凉、通风处晾干，平铺于硬质纸板上，去除枝叶以及碎石等杂物后，用研钵研磨至样品通过200目筛，贮与干燥洁净的聚乙烯塑料试管中备用。

1.3 实验方法

1.3.1 重金属的总量测定

准确称取0.2g样品于聚四氟乙烯坩埚中，用少量去离子水润湿后加入10ml浓盐酸，置于电热板上加热，温度控制在150℃左右。待溶液体积减少一半时，再加入1ml浓硝酸和5ml氢氟酸继续加热。最后，在坩埚内加入5ml高氯酸，继续加热直至坩埚内不再冒出白色烟雾。用去离子水冲洗坩埚，将消解完全的样品全部转移至50ml的比色管中待测。

最后，将转移完毕的样品过0.45μm的滤膜，按一定比例稀释后用原子吸收分光光度计测定其各金属元素的含量（mg/l），并最终换算至污泥中重金属元素的浓度（mg/kg）。

1.3.2 重金属的形态分析

BCR三步提取法是欧共体标准局在Tessier分析方法的基础上提出的，该方法将重金属的形态为弱酸提取态、可还原态、可氧化态和残渣态4种[7]，已被许多学者应用于预测土壤中重金属的迁移能力[8]。具体操作步骤如下：

弱酸提取态（可交换态）：准确称取过筛污泥样品0.5g于50ml离心管中，加入20ml 0.1mol/L HOAc，室温下160r/min振荡16h，然后3000r/min离心20min。上清液经0.45μm滤膜过滤后置于4℃冰箱内保存，待测。将离心管中的污泥残渣用25ml去离子水冲洗后振荡15min，然后3000r/min离心20min，弃掉上清液，离心管中的污泥残渣供下一步提取。

可还原态：向上一步残渣加入20ml 0.5mol/L的NH4OH·HCl（用硝酸调pH=1.5），室温下160r/min振荡16h，然后3000r/min离心20min。上清液经0.45μm滤膜过滤后置于4℃冰箱内保存，待测。将离心管中的污泥残渣用25ml去离子水冲洗后振荡15min，然后3000r/min离心20min，弃掉上清液，离心管中的污泥残渣供下一步提取。

可氧化态：向上一步污泥残渣中加入5ml H2O2（30%），振荡均匀后室温下静置1h，然后水浴加热至85℃，待试管中溶液减少至2ml左右时，加入5ml H2O2（30%），继续85℃水浴，至试管中的液体近干。冷却至室温后，加入25ml 1mol/L的NH4OAc，室温下160r/min振荡16h，然后3000r/min离心20min。上清液经0.45μm滤膜过滤后置于4℃冰箱内保存，待测。将离心管中的污泥残渣用25ml去离子水冲洗后振荡15min，然后3000r/min离心20min，弃掉上清液，离心管中的污泥残渣供下一步提取。

残渣态：将残渣在小于40℃条件下烘干，准确称量0.2g样品，消解、测定步骤同总量测定。

2 结果与讨论

2.1 城市污泥中重金属的总量

武汉市某污水处理厂污泥中重金属含量见表1。从表1可以看出，武汉市该污水处理厂产生的脱水污泥中各金属元素含量差异较大，其中以Zn元素含量最高，这可能是由于我国供水管道主要是镀锌管道。其次是Cu，毒性较大的Pb含量比较少，即武汉市该污水处理厂污泥重金属的平均值为Zn＞Cu＞Pb，这与张丽丽等[9]的报道一致。与全国平均值[10]比较，该污水处理厂污泥毒性较大的Pb略低于全国平均水平，Cu的含量仅为全国平均值的50%左右，而Zn的含量超出全国平均值77%左右。与《城镇污水处理厂污泥处置：农用泥质》(CJ/T309-2009)标准[11]相比，该污水处理厂污泥中Pb和Cu的含量均低于A级污泥标准，而Zn的含量低于A级污泥标准，高与B级污泥标准，不能直接施用于蔬菜和粮食用地中。而与美国EPA Part503及欧盟建议性标准限制[12]比较，Pb、Cu、Zn三种重金属含量皆较低。由此来看，武汉市该污水处理厂污泥经过处理后是可以农用的。

表1 污泥样品中重金属的含量（mg/kg）

2.2 城市污泥重金属不同形态分布

根据生物利用性的大小可以把重金属各种化学形态分为有效态、潜在有效态和不可利用态，其中弱酸提取态为有效态，可还原态和可氧化态为潜在有效态，残渣态为不可利用态。有效态容易被生物吸收，潜在有效态是有效态重金属的直接提供者，不可利用态基本不被生物利用[13]。

由图1、图2和图3可以看出，该污水处理厂污泥中不同重金属赋存形态差异较大，其中Pb主要以残渣态的形态存在，占总量的42.93%，可还原态和可氧化态的比例分别占19.58%和29.04%，弱酸提取态比例最低，为8.45%，这些结果与罗艳丽等[14]的研究结果相近，其测试的结果为Pb以残渣态为主，比例占40%左右；Cu主要存在形态为可氧化态，比例占70.06%，残渣态比例占16.24%，而弱酸提取态很少，仅占0.18%，可还原态比例占13.52%，这些结果与赵秀兰[15]和胡忻等[16]的报道相似；Zn的可氧化态比例较高，占38.13%，残渣态比例占20.21%，弱酸提取态和可还原态分别占22.59%和19.07%，这些结果与Walter等[17]的报道相似，而谢莹等[18]的报道发现Zn主要以还原态存在，其比例占61.64%，弱酸提取态比例占23.89%，而可氧化态和残渣态所占比例较少，分别为7.94%和6.53%。造成以上差异的原因可能是污水处理厂的污水来源不同、污水处理厂水处理工艺差异、污泥取样季节不同等。

图1 Pb的4种形态分布

图2 Cu的4种形态分布

图3 Zn的4种形态分布

由图4、图5、图6可以看出，Zn的有效态比例最高，达22.59%，而Cu的有效态比例几乎为零，仅占0.18%，Pb所占比例为8.45%；Cu的潜在有效态比例最高，达83.58%，Pb和Zn的比例分别为48.62%和57.20%；不可利用态比例最高的是Pb，占42.93%，Cu和Zn的不可利用态比例分别为16.24%和20.21%。各种元素的各形态含量比较可以看出，该污水处理厂脱水污泥中Pb的主要存在形态为残渣态，迁移性较弱；Cu和Zn的潜在有效态所占比例较高，达50%以上，其中Zn在污泥中总量含量比较高，并且有效态比例占22.59%，其潜在的迁移性和生态风险性值得关注。

图4 重金属有效态分布

图5 重金属潜在有效态分布

图6 重金属不可利用态分布

3 结论

通过电热板消解—火焰原子吸收测试表明，武汉市某污水处理厂脱水污泥中不同重金属的总量存在很大差异，各存在形态也差异较大，其中Pb主要以可氧化态和残渣态的形态存在，不可利用态所占比例高，稳定性较好；Cu和Zn的有效态及潜在有效态含量较高，主要存在形态为可还原态和可氧化态，可迁移性较强。

参考文献：

[1] 邢永杰，马伟芳，陈国伟，等．北京市污泥处置现状及生态利用研究[J]．中国给水排水，2012，28(4)：31-34．

[2] 王菲，杨国录，刘林双，等．城市污泥资源化利用现状及发展探讨[J]．南水北调与水利科技，2013，11(2)：99-103．

[3] 曹秀芹，谭晶晶．污泥农用中的资源利用价值分析[J]．环境工程，2008，26(3)：84-87．

[4] Brown M J，Lester J W．Metal removal in activated sludge：the role of bacterial extracellular polymer[J]．Wat Res，19-79，13(9)：817-837．

[5] Lester J N，Sterrnt R M，Kirk P W W．Significance and behaviour of heavy metals in wastewater treatment process[J]．Sci Total Environ，1983，30(1)：45-83．

[6] Miaomiao He，Guangming Tian，Xinqiang Liang．Phytotoxicity and speciation of copper，zinc and lead during the aero-bic composting of sewage sludge[J]．Journal of Hazardous Materials，2009，163：671-677．

[7] Que Vauviller P，Rauret G，Grie Pink B．Single and sequential extraction in sediments and soils，Intern[J]．Environ Anal Chem，1993，(51)：231-235．

[8] 张朝阳，彭平安，宋建中，等．改进BCR法分析国家土壤标准物质中重金属化学形态[J]．生态环境学报，2012，21(11)：1881-1884．

[9] 张丽丽，李花粉，苏德纯．我国城市污水处理厂污泥中重金属分布特征及变化规律[J]．环境科学研究，2013，26(3)：313-319．

[10] 杨军，郭广慧，陈同斌，等．中国城市污泥的重金属含量及其变化趋势[J]．中国给水排水，2009，25(13)：122-124．

[11] 中华人民共和国住房和城乡建设部．CJ/T309-2009城镇污水处理厂污泥处置：农用泥质[S]．北京：中国环境出版社，2009．

[12] 谭启玲，胡承孝，赵斌，等．城市污泥的特性及其农业利用现状[J]．华中农业大学学报，2002，21(6)：587-592．

[13] Mao M Z．Speciation of metals in sediments along the Le An River[R]．CERP Final Report．France：Imprimerie Jouve Mayenne，1996．55-57．

[14] 罗艳丽，郑春霞，贾宏涛，等．道湾污水厂污泥重金属形态特征研究[J]．环境工程，2011，29(6)：82-85．

[15] 赵秀兰，卢吉文，陈萍丽，等．重庆市城市污泥中的重金属及其农用环境容量[J]．农业工程学报，2008，24(11)：188~192．

[16] 胡忻，陈茂林，吴云海，等．城市污水处理厂污泥化学组分与重金属元素形态分布研究[J]．农业环境科学学报，2005，24(2)：387-391．

[17] Walter I，Martínez F，Cala V．Heavy metal speciation and phytotoxic effects of three representative sewage sludges f-or agricultural use[J]．Environmental Pollution，2006，139(2)：507~514．

[18] 谢莹，张涛，金建峰，等．污水处理厂脱水污泥中重金属的生态利用研究[J]．中国给水排水，2012，28(4)：31-34．

Determination of Heavy Metals Speies (Pb、Cu、Zn) in Sewage Sludge by Electric Heating Plate-FAAS

CHEN Si-qi,LUO Ying, HU Jie-qiong, LI Jin-ping

(School of Environmental Engineering, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430073, China)

Sewage sludge was collected from one wastewater treatment plant located in Wuhan as the experiment object.The airdried samples were dissolved by the method of electric heating plate before the total content determination and sequentially extracted with Community Bureau of Reference (BCR) three-step method before speciation determination for the heavy metals．Flame atomic adsorption spectrometry was used to determine Pb、Cu、Zn.The results showed that the contents of Pb and Cu were low in these samples,but Zn was much higher.The main form of Pb was residual fraction and the fraction of acid soluble was low. Cu was in the state of oxidisable forms and the fraction of acid soluble was only 0.2%.The four forms of Zn were distributed evenly and the fraction of oxidisable was slightly higher than the other three forms.

Sewage sludge; heavy metals; BCR; electric heating plate method; FAAS

X705

A

2095－414X(2015)03－0067－05

李进平（1979-），男，副教授，博士，研究方向：固废处理及资源化.

国家自然科学基金项目（51208393）.