污水处理厂汞的赋存形态及迁移转化研究进展

张永慧

(焦作市环境信息中心，河南　焦作　454000)



污水处理厂汞的赋存形态及迁移转化研究进展

张永慧

(焦作市环境信息中心，河南焦作454000)

汞是造成环境污染的重金属元素之一，其特殊的物理化学性质和强的毒性，已引起全球关注。针对目前污水处理厂汞的来源以及国内研究现状，通过分析汞在污水处理厂的迁移转化规律以及在城市污泥中的赋存形态，探索并制定了合理的污泥处理与调控措施，降低污泥在土地利用中存在的重金属环境风险，并结合污泥中汞的赋存特征，讨论了污泥土地应用的环境风险，为污泥土地利用提供信息指导。

汞；污水处理厂；迁移转化；污泥；形态特征

随着城市化进程的加快，污水处理规模以及处理技术也迅速发展，城市污水处理厂成为人们生产生活中外排污染物的主要汇集之处。城市污水处理过程中一般会产生城市污泥，由于污泥中携带污水中大部分的重金属，在土地利用过程中容易对土壤、地下水和动植物造成二次污染。汞作为重金属的一种，其极强的生物毒性和生物富集性效应导致的中毒事件时有发生，由汞引发的环境和健康问题越来越受到全球的重视。因此，对污水处理厂汞的迁移转化规律的研究以及对污泥中汞的形态特征分析，可以为污水处理厂对汞污染的控制提供科学依据，为污泥土地利用提供信息指导。

1　污水处理厂汞污染来源

城市污水中汞的来源主要包括以下几个方面：工业废水、医疗废水、实验室废水、生活废水以及自然降雨径流。其中工业废水中汞主要来自有色金属冶炼和压延加工业、化学原料和化学制品制造业以及有色金属矿采选业等行业；生活污水中汞来源复杂，包括日用化妆品、破碎温度计、汞齐牙科填料及药品、颜料和木材防腐剂等。

2　污水处理厂汞的迁移转化

2.1国内外研究

国外关于污水处理厂中汞的研究，较早的一篇是Gilmour和Bloom对在美国宾夕法尼亚州的一座生活污水处理厂进行研究，约95%的汞存在于污泥中，只有约3%的汞排入受纳水体[1]。随后Bodaly等[2]针对加拿大的三座生活污水处理厂进行了采样分析，发现进水中汞的浓度波动较大(2～160 ng·L-1)，平均浓度为61 ng·L-1，出水中汞的波动范围为 3～14 ng·L-1，三座污水处理厂对总汞的平均去除率为88%。国内也有研究表明，相对于其他重金属，整个污水工艺流程污水中Hg的去除率最大，平均达76.4%(进水浓度为(0.55±0.1) μg·L-1)[3]。另外，罗丽指出溶解态Hg的去除率可达到85.8%，其中曝气沉砂池的去除率与氧化沟的去除效果相当(49.2%和48.4%)，二沉池的去除率为2.4%，出水中溶解态所占比率高于进水[4]。国外有研究表明，汞在整个污水处理厂内的迁移取决于各个处理单元内悬浮颗粒物的动态变化，且6月去除汞的效果比12月更显著[5]。国内也有研究表明，颗粒态Hg占污水中Hg总量的比例由进水、初沉池出水和二沉池出水依次降低，从进水的84.1%减少到二沉池出水39.7%[3]，说明汞的去除主要以颗粒态的去除为主。李花等[6]的研究也证实了这一点，得出二沉池出水中溶解态汞占总汞的比例显著升高(2.8%±2.0%升至21.7%±7.7%)，另外，在对比初沉池与曝气沉砂池对总汞的去除率时发现，由于初沉池的水力停留时间远远大于曝气沉砂池，同时又由于曝气沉砂池的搅拌作用，初沉池中的悬浮物质能够更好地通过沉淀从水中沉淀出来，因而获得了较高的汞去除率。

2.2汞的迁移转化过程

城市污水处理工艺流程图如图1所示。在整个污水处理流程中，汞以悬浮态和溶解态进入污水处理厂，同时包括浓缩池回流水、压滤回流水携带的少量汞。经格栅的截留、去除大块悬浮物后，上清液中总汞浓度会有所提高，而栅渣中的汞含量相对降低。污水进入沉砂池后，一小部分的汞随沉砂池排放出。一项针对城市污水处理厂总汞质量平衡计算的研究报告中指出，该部分汞仅占进水总汞的0.3%[7]，其余大部分汞随水进入初沉池。由于初沉池较长的水力停留时间，悬浮态汞随颗粒物沉降到初沉污泥中，溶解态汞所占总汞比例升高。在二级处理中，污水中的总汞含量得到很大程度的削减，经过处理后，只有极少量的汞随出水外排进入到环境。目前，国内所见的两例关于污水厂出水汞浓度的报道，分别是重庆市某污水处理厂二级处理出水总汞浓度(130 ng·L-1)[3]，以及焦作市第一污水处理厂二级处理出水总汞浓度(21.5 ng·L-1)。剩余污泥中的汞最终经污泥浓缩池、污泥脱水外排进入环境。污水厂中的汞除上述迁移转化过程外，还包括其在各个处理单元构筑物内的吸附、沉积。对于汞在污水厂处理厂内是否有气态汞挥发的过程，Balogh等[8]在一个大型城市污水处理厂开展的汞质量平衡研究中指出，在此过程中没有发现汞挥发损失的证据。

图1　污水处理流程图(实线表示水流，虚线表示污泥)

3　污泥中汞的含量及形态分析

受污水来源、污水性质、污水和污泥处理工艺技术、测定方法等多种因素的综合影响，不同城市污水厂污泥中汞的含量有所差别。对美国明尼苏达州污水处理厂的研究表明，污泥中汞的含量远远高于污水中汞的含量，且各工段污泥中汞的含量在0.48～0.78 mg·kg-1之间，初沉池污泥汞的浓度最高[8]。国内有研究表明，王新庄、五龙口和西南科技大学污水处理厂出泥中汞含量在3～5 mg·kg-1[5]，厦门市 6 座城市污水处理厂污泥中的汞含量均未超过2 mg·kg-1。郭广慧等[7]在2006～2013年期间对国内城市污泥重金属含量进行统计分析，最终发现我国城市污泥的汞含量在0.1～15.8 mg·kg-1之间，平均含量为1.4 mg·kg-1，但部分污泥中汞的含量高于《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)中规定的污泥农用(碱性和中性土壤)时汞最高限值(15 mg·kg-1)。

污泥中重金属的含量及其生物有效性是影响污泥土地利用的重要因素，而污泥中重金属的总量不能准确地判断重金属的潜在环境影响，重金属的迁移性、生态有效性主要取决于形态。通常而言，重金属主要以可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、硫化物及有机结合态和残渣态5种赋存形态,其中，前三种一般被认为是不稳定态，后两种为稳定态。针对污泥中重金属汞的形态研究，倪伟伟等[10]在研究污泥干化过程中汞的形态转化时发现，常温下污泥中的汞只存在可氧化态和残渣态。刘英霞等以烟台市套子湾污水处理厂的剩余污泥为研究对象，采取连续化学浸取方法(七态分级法)，得出污泥中的汞主要以残渣态存在，约占总量的98.78%，此外还有极少量的碳酸盐结合态、可交换态和硫化物及有机结合态[11]。

4　结　语

城市污水处理厂汇集了大部分生产生活释放出来的汞，经过浓缩、消化、生物处理及脱水作用，最终富集在污泥中，对环境造成危害。尽管目前国内较多研究者认为污泥中的汞主要以稳定形态存在，其迁移性和生物可利用性较弱，但鉴于汞的甲基化潜力与有机结合态之间存在的显著相关性，以及甲基汞的高生物富集性，污泥中的汞可能会随着土壤性质的改变重新释放到环境中，形成毒性更大的甲基汞进入食物链。此外，土壤是一个复杂的大系统，诸多因素都会影响到重金属的形态分布，比如土壤有机质、酸碱度等。因此，探索并制定合理的污泥处理与调控措施，降低污泥在土地利用中存在的重金属环境风险，是实现污泥资源化利用的必然之路。

[1]Gilmour C C，Bloom N S.A case study of Mercury and methylmercury dynamics in a Hg-Contaminated municipal wastewater treatment plant[A].Mercury as a Global Pollutant[C].Springer Netherlands，1995：799-803.

[2]Bodaly R A D，Rudd W M，Flett R J.Effect of urban sewage treatment on total and methylmercury concentrations in effluents [J].Biogeochemistry，1998，40，279-291.

[3]卢吉文，陈萍丽，赵秀兰.传统活性污泥法处理城市污水过程中重金属的变化研究[J].环境污染与防治，2008，30(5):29-32．

[4]罗丽，康得军，王晓昌.城市污水处理中典型重金属离子去除与迁移规律研究[J].安全与环境学报，2010，1:52-55．

[5]李霞，李国金，郭淑琴，等.郑州马头岗污水处理厂污泥处理处置方案比选[J].给水排水，2008，34(9):51-53．

[6]李花，毛宇翔，李永，等.汞在城市污水处理厂的赋存特征及质量平衡--总汞[J].环境化学,2014，33(7):1059-1065．

[7]郭广慧，陈同斌，杨军，等.中国城市污泥重金属区域分布特征及变化趋势[J].环境科学学报，2014，34(10)：2455．

[8]Balogh S J，Nollet Y H.Mercury mass balance at a wastewater treatment plant employing sludge incineration with offgas Mercury control [J].Science of the Total Environment，2008，389(1):125-131.

[9]明银安，陶涛，谢小青，等.厦门市污水处理厂污泥重金属含量分析[J].武汉理工大学学报，2008，30(9)：69-71．

[10]倪伟伟，翁焕新，章金骏，等.污泥中汞的存在形态及其在干化过程中的动态变化[J].环境科学学报，2014，34(5)：1262-1267．

[11]刘英霞，杨启霞，常显波.烟台市污水处理厂污泥中重金属的形态分析[J].安徽农业科学，2008，36(27)：11977-11978．

The Transformation of Mercury in the Sewage Treatment Plant and Analysis of Its Speciation in Sewage Sludge

ZHANG Yong-hui

(Jiaozuo Environmental Information Center,Henan Jiaozuo 454000,China)

Mercury is one of the heavy metals that give rise to environmental pollution,due to its special physicochemical property and extreme toxicity,it has raised global attention.The progress on the emission sources of mercury to the sewage treatment plant and the research situation was reviewed.The transformation of mercury in sewage treatment plant and the speciation of mercury in sewage sludge were also analyzed.Finally,according to the occurrence of mercury in sewage sludge,the environmental risk of sludge land utilization was discussed.

mercury; sewage treatment plant; transport; sewage sludge; occurrence

张永慧(1980-)，女，工程师，主要从事环境影响评价、环境污染防治、环境规划工作。

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1001-9677(2016)011-0049-02