孝感市污水处理厂污泥重金属含量及形态研究

苏　欣，胡远强，张春花，闵　倩，陈国雄

(1 湖北工程学院新技术学院生物化学系，湖北　孝感　432000; 2 湖北工程学院化学与材料科学学院，湖北　孝感　432000)



孝感市污水处理厂污泥重金属含量及形态研究

苏欣1，胡远强2，张春花1，闵倩1，陈国雄1

(1 湖北工程学院新技术学院生物化学系，湖北孝感432000; 2 湖北工程学院化学与材料科学学院，湖北孝感432000)

选取孝感市污水处理厂的污泥为研究对象，测定了污泥中重金属Zn、Cu、Cr、Cd、Pb的总量及其各形态的含量，并对各形态进行分析。结果表明，孝感市污水处理厂的城市污泥中5种重金属元素的含量大小依次为Cr>Zn>Cu>Pb>Cd。均低于《农用污泥中污染物控制标准》(GB4284-84)中污泥农用的碱性标准，所以该污泥适合用于pH>6.5的土壤作为农用处置。Zn、Cu、Cr、Cd、Pb在该污泥中主要以残渣态和有机结合态存在，不易释放到环境中。

污泥；重金属；形态

随着污水处理规模不断扩大，有效缓解了生活污水和工业废水对环境的污染，同时污水处理过程中产生的剩余污泥也随之增加。据统计，到2015年，全年城镇污水处理厂干污泥(含水率0%)产生量将为1189万吨，占我国总固体废弃物的3.2%[1]。目前，污泥最终处置方法有填埋、焚烧和土地利用等，污泥中含有丰富的营养元素，用于土地利用可以提高土壤的营养物含量，但由于污泥中还含有难以降解的重金属，而重金属有70%～90%通过吸附或沉淀转移到土壤中[2]，会和周围环境发生一系列物理化学、生物反应，进入大气、土壤、地下水。因此，污泥中的重金属对环境及动植物的危害不仅与总量有关，还与其存在形态的分布密切相关，重金属的不同形态表现出不同的生物毒性和环境行为[3]。针对孝感市污水处理厂产生的污泥，选择合适的处置方式，需要综合考虑本地的经济发展水平、产业结构布局、环境条件、土地资源、污泥成分等，其中污泥中重金属的含量与形态分布是一个重要依据，因此，研究污泥中重金属含量和形态分布为污泥处理方法的选择优化和风险评估提供依据，对本地区污泥合理处置与利用具有重要的指导意义。

1　材料与方法

1.1样品采集与处理

样品选自孝感市污水处理厂经过机械脱水的污泥。去掉污泥样品表层被氧化部分后，在105℃恒温烘干，碾细，用100目尼龙筛过滤后，将其储存在干燥器内保存待用。

1.2主要仪器

电子天平(BSA223S)，赛多利斯科学仪器有限公司；电热鼓风干燥箱(CS101-2EB)，重庆四达试验设备有限公司；电热恒温水浴锅(DZKW-S-6)，北京市永光明医疗仪器有限公司；台式离心机(TDL-60B)，上海安亭科学仪器厂；恒温振荡器(KYC 100C)，上海福玛实验设备有限公司；火焰原子吸收分光光度仪(TAS-990)，北京普析通用仪器有限责任公司。

1.3实验方法

污泥中重金属形态分析参照Tes-sier方法[4]对污泥样品进行逐步提取,其具体步骤如下：

(1)可交换态：称取污泥样品2.000 g，置于100 mL小烧杯中，加入20 mL 1.0 mol/L的氯化镁溶液，放入振荡器中，25℃ 下以200 rpm的速度振荡1h，然后转入离心管中以200 rpm的速度离心30 min，取上清液用0.45 μm滤膜过滤于25 mL比色管中，定容。

(2)碳酸盐结合态：将(1)的残渣转入100 mL小烧杯中后加入0.1 mol/L的醋酸溶液20 mL，放入振荡器中，25℃下以200 rpm的速度振荡4 h，取出后转入离心管中以200 rpm的速度离心30 min，取上清液用0.45 μm滤膜过滤于25 mL比色管中，定容。

(3)铁锰氧化物结合态：将(2)的残渣转入100 mL小烧杯中后加入20 mL当天配制的0.5 mol/L的盐酸羟胺溶液，在75℃下水浴1h，再放人振荡器中，25℃下以200 rpm的速度振荡2 h，然后转入离心管中以200 rpm的速度离心30 min，取上清液用0.45 μm滤膜过滤于25 mL比色管中，定容。

(4)可氧化态：将(3)的残渣转入100 mL小烧杯中后缓慢加入3 mL 0.1 mol/L硝酸和10 mL 30%的双氧水，在75℃下水浴1 h后，放入振荡器中，25℃下以200 rpm的速度振荡1 h，取出再加10 mL 30%的双氧水，于75℃水浴加热1 h后，25℃下以200 rpm的速度振荡1 h，取出后加入6 mL 1.0 mol/L的硝酸溶液，25℃下以200 rpm的速度振荡0.5 h，取出后加入15 mL 1.0 mol/L醋酸铵溶液，然后转入离心管中以200 rpm的速度离心30 min，取上清液用0.45 μm滤膜过滤于25 mL比色管中，定容。

(5)残渣态：将(4)的残渣转入100 mL小烧杯中后，加几滴蒸馏水润湿，加10 mL 65%硝酸溶液，置于电炉上消解．缓慢蒸发至约剩下5 mL时加入5 mL高氯酸溶液继续加热至粘稠状，再加入5 mL 65%硝酸溶液，继续加热至白烟冒尽，然后加入10 mL氢氟酸溶液消解，加热蒸发。消解结束后用2%硝酸溶液溶解残渣，过滤并多次洗涤残渣，用0.45 μm滤膜过滤于25 mL比色管中，定容。

污泥中重金属各形态含量均采用火焰原子吸收分光光度法测定，然后利用标准曲线法定量。

2　结果与讨论

2.1污泥中重金属各形态分析

根据上述方法，得到Zn、Cu、Cr、Cd、Pb的各形态在污泥中的含量、以及污泥中重金属的各形态含量所占总含量比例见表1所示。

从表1中可以看出，污泥中重金属元素各有效形态分布有所不同。Zn的五种形态的含量差距较小，分布较为均匀，其中可交换态含量最低，只占总量的5.93%；含量最高的是残渣态，占总量的33.19%；碳酸盐结合态和有机结合态两者的含量所占比例相差不大，均约为20%左右；对于Cu而言，在该污泥中没有测出Cu的铁锰氧化物结合态，其他四种形态均有测出，四种形态含量大小顺序为：残渣态>有机结合态>可交换态>碳酸盐结合态，其中前两种形态属于紧结合态，为生物无效态部分[5],在土壤中一般不会对环境产生危害，在所测污泥中这两者所占比例达85%，铜的这种形态分布状况与其易于同有机质牢固结合的特性是相吻合。Cr的五种形态都有测出，其中残渣态的含量相对于其他形态偏高，其含量达到609.90 mg/kg，所占比列高达83.64%，这部分重金属在自然条件下不易释放出来，对环境的危害较小；而其余四种形态含量较少。Cd主要也以残渣态形式存在，所占比列高达89.58%，还有少量可交换态，其他三种形态含量甚微。Pb的五种形态含量大小依次为残渣态>有机结合态>可交换态>碳酸盐结合态>铁锰氧化物结合态。

表1　污泥中重金属各形态分布统计结果

注：“-”表示未检测出该物质。

重金属的生物毒性不仅与其总量有关，更大程度上由其形态分布所决定，不同的形态产生不同的环境效应，直接影响到重金属的毒性、迁移及在自然界的循环[6-7]。由于重金属可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态容易在土壤溶液中与水、有极配位、酸以及生物等作用发生迁移，并可能为植物所吸收[8]。若此污泥直接用于土壤有可能引起重金属通过土壤向植物和水体等迁移转化，引发一系列的污染。残渣态一般称为非有效态,因为这部分重金属在自然条件下，不易释放出来[9]。

2.2污泥中重金属含量分析与污泥标准中重金属控制限制比较

对孝感市污水处理厂剩余污泥样品中重金属元素含量的统计结果见表2，从表2中可以看出，Zn、Cu、Cr、Cd、Pb的含量存在较大差异，5种重金属元素的含量大小依次为Cr>Zn>Cu>Pb>Cd。

考虑到剩余污泥作为污水处理厂的固体废物，污泥的出路是污水处理厂亟需解决的问题。表2也给出了我国及欧盟、美、德等发达国家对污泥中重金属限值的相关规定。前期测得污泥样品的pH为碱性，所以本列表部分标准只给出pH>6.5的相关规定。由表2可以得出，我国对污泥中重金属控制限值以《农用污泥中污染物控制标准》(GB4284-84)最为严格。Zn、Cu、Cr、Cd、Pb的含量均低于《农用污泥中污染物控制标准》(GB4284-84)，也就是说污水处理厂产生的剩余污泥均可以作为碱性土壤农用，对其危害较小。

表2　污泥中重金属含量及其重金属控制限值

3　结　论

(1)通过Tessier方法对污泥中重金属形态进行分步提取，Zn、Cu、Cr、Cd、Pb在该污泥中主要以残渣态和有机结合态存在。

(2)孝感市污水处理厂的城市污泥中5种重金属元素的含量大小依次为Cr>Zn>Cu>Pb>Cd。

(3)该污水处理厂的污泥前期预处理，使得污泥pH>6.5，该污泥中5种重金属元素含量均低于《农用污泥中污染物控制标准》(GB4284-84)中污泥农用的碱性标准，所以该污泥适合用于pH>6.5的土壤作为农用处置。

[1]王佳伟,卢长松.污水厂污泥处理技术规程研究[J].建设科技,2009(19):61-62.

[2]邓民,王伟.不同污泥中5种重金属总量与形态分析[J].吉林化工学院报，2004,26(2):28.

[3]郑承松.三明市城市生活污水处理厂污泥中的重金属含量及其形态分布研究[J]．海峡科学，2007,6(6):48-49．

[4]Tessier A,CAMPBELL P G C,BLSSON M.Sequential extraction procedure for the speciation of particulatetrace metals[J].Analytical Chemistry,1979,51(7):844-851.

[5]谢鸿志.淮南市城市污泥特征及其重金属生物可利用性研究[D].合肥:安徽理工大学,2009.

[6]钱进,王子健,单孝全,等.土壤中微量金属元素的植物可给性研究进展 [J].环境科学,1995,16(6):73-75.

[7]彭克明.农业化学[M].北京:农业出版社,1980:36-74.

[8]周广柱,王翠珍,黄伟.污水厂污泥中重金属有效形态分布特征研究[J].山东科技大学学报，2007,26(1):53-56.

[9]HE Guihua,GAO Liancun.Studies on solubilization and transformation of species Cu,Pb,Zn and Cr in sumulant acid rain[J].ChineseChemical Letter,1994,5(1):93-94.

Study on Distribution Characteristics and Concentrations of Heavy Metals Speciation in Sludge of Waste Water Plant in Xiaogan

SU Xin1,HU Yuan-qiang2,ZHANG Chun-hua1,MIN Qian1,CHEN Guo-xiong1

(1 Hubei Engineering University Department of Biological Chemistry College of technology,Hubei Xiaogan 432000;2 Hubei Engineering University College of Chemistry and Materials Science,Hubei Xiaogan 432000,China)

Selected Xiaogan sewage treatment plant sludge as the research object,the amount of Zn,Cu,Cr,Cd,Pb in the sludge and its content of each form were determined,and various forms were analyzed.The results showed that the amount of 5 kinds of heavy metals in sewage sludge of the Xiaogan city sewage treatment plant was Cr>Zn>Cu>Pb>Cd.its content of each heavy metals was lower than alkaline of sludge in Standard of Pollutant Control in Agricultural Sludge (GB4284-84),so the sludge was suitable for pH>6.5 soil as agricultural disposal.Zn,Cu,Cr,Cd and Pb in the sludge mainly existed in form of residue and organic combination,which was not easy to release to the environment.

sludge；heavy Metals；characteristics

苏欣(1985-)，女，助教，主要从事环境污染分析与防治研究。

X703

A

1001-9677(2016)04-0106-03