某城镇污泥中重金属含量分析及农用环境风险评价

修英楠

(佳木斯市环境保护监测站，黑龙江 佳木斯 154004)

某城镇污泥中重金属含量分析及农用环境风险评价

修英楠

(佳木斯市环境保护监测站，黑龙江 佳木斯 154004)

使用原子荧光、原子吸收分光光度法，对城市污水处理厂排放的污泥进行了重金属含量监测。砷、汞、锌、镉、铅、镍、铜的浓度分别为10.06、0.027、240、0.119、25.3、9.6、40.6mg/kg，排放浓度符合《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)中相关标准限值要求。如作为农用，其浓度符合《城镇污水处理厂污泥处置农用泥质》(CJ/T309-2009)中相关标准-A级污泥农用限值要求。利用潜在生态危害指数进行评价，监测的七种重金属的RI为6.368，如作为农用，具有轻微的生态危害。

城镇污泥；重金属；含量分析；农用；潜在生态危害指数

随着城镇化、工业化进程的快速发展，以及相关部门对水环境保护意识的提高，我国加快了城市污水处理厂的建设，而城市污水处理厂的副产物污泥也正在以惊人的速度增加。由于城市规模、工业门类、以及社会生活及服务业、医疗卫生等行业的不同，城镇污泥的成分也有较大差异，特别是重金属、致病菌、有机质的含量差别非常大。目前，我国城镇污泥的主要处理途径为运送至垃圾处理厂堆放或者卫生填埋、焚烧处理或者发电、发酵灭菌处理后作为城市绿化肥料、农用肥料等。污泥处理后农用是污泥的最好利用途径，不但可以使污泥达到有效的处理和利用，也可以减少化肥等肥料的使用率，增加土壤肥力，减小因长期使用化肥造成的土壤板结。经过处理后的城镇污泥致病菌等已经降低，但重金属含量未发生变化。如高含量的重金属进入到土壤中，会随植物的生长发生富集，经食物链进行传递，对植物生长，以及人和动物健康产生重要影响。

本项目选取的城镇污水处理厂采用CASS工艺，通过长期对某城镇污水处理厂重金属含量的监测，选取7种含量高且对环境影响较大的重金属进行分析评价。使用电热板对污泥进行消解，利用原子吸收分光光度计、原子荧光光谱仪对某城镇污水处理厂污泥中部分重金属含量进行了监测[1-4]，并使用《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)、《城镇污水处理厂污泥处置农用泥质》(CJ/T309-2009)两条标准对污泥中的部分重金属指标进行考核，为污泥的农用可行性提供数据支持[5-6]。

1 实验

1.1 仪器设备、试剂

原子吸收分光光度计(Z-2000，日本日立公司)、双道原子荧光光度计(AFS-830，北京吉天仪器有限公司)、电热板(GM-0501，上海楚定分析仪器有限公司)，pH计(SevenEasy S20，梅特勒-托利多仪器(上海))。

本实验所用试剂有盐酸、硝酸、高氯酸、过氧化氢、氢氟酸、硼氢化钾、氢氧化钾、硫脲、抗坏血酸(以上试剂均为优级纯或保证实验精度等级试剂，天津科密欧化学试剂有限公司)。工作曲线绘制所用标准溶液均来自环境保护部标准样品研究所，在实验时根据所用浓度进行稀释。原子荧光所用氩气和原子吸收所用乙炔气体纯度均为99.999%以上。

由于实验所用玻璃仪器和采用工具等可能受到污染，在使用前应使用硝酸浸泡一昼夜，取出后用自来水、蒸馏水依次冲洗沥干后使用。实验采用全程序空白。

1.2 样品的采集

本实验所用污泥样品为厂区内污泥经过压滤机压滤后的泥饼。为保证产品的代表性，需要采集不同时段的泥饼样品，带回实验室混合后分析。本次试验共采集6个时段的污泥样品，将泥饼转入塑料器皿中，带回实验室。将采集到的污泥样品摊铺在专用的搪瓷盘内，自然风干。使用木质工具将污泥敲碎，过100目尼龙筛，使样品全部通过尼龙筛，四分法取样，保留一份样品用于测定。

1.3 污泥样品的消解

取十二个聚四氟乙烯坩埚，每个样品称取两次(一份用于原子荧光测定，编号为1-6；一份用于原子吸收测定，编号为7-12)。称取0.5000 g制备好的污泥样品于坩埚内，加入硝酸和高氯酸的混酸10 ml(硝酸：高氯酸=4：1体积比)，调节电热板温度为280 ℃至有黄烟冒出，然后调低电热板温度至180℃，使混合溶液微沸状态，继续加热至溶液透明或者无明显颗粒态时，继续加入2.5 ml氢氟酸，飞硅后加热至剩余1.0 ml左右，停止加热。用于原子荧光测定的消解液，则使用盐酸(盐酸：水=1：1体积比)进行洗涤，同时加入抗坏血酸和硫脲(0.05 g/ml)各2.5 ml，定容到50.00 ml后用于测定；而原子吸收测定的消解液转移至50.00 ml容量瓶中后，使用3%的硝酸多次洗涤坩埚，一并转移至容量瓶中，定容备用。

1.4 仪器参数

原子荧光光度计参数设置为：汞灯电流30 mA、负高压270 V；砷灯电流60 mA、负高压270 V，自动进样器进样，且带有自动稀释功能。

原子吸收分光光度计不同元素参数设置如下：铜、铅、镉、镍、锌波长分别为324.8、283.3、228.8、232.0、213.9 nm；灯电流分别为6.5、6.0、6.0、6.0、6.5 mA；波长狭缝1.3、1.3、1.3、0.2、1.3 nm；铜、铅、镉、镍、锌火焰高度均为7.5 mm。曲线绘制情况见表1。

1.5 样品测试

与1.4曲线绘制条件一致，每个样品测定一次，取6个样品测定值的平均值作为污泥样品测定值。如样品浓度过高，原子荧光光谱仪自动稀释后重新测定；原子吸收则使用人工进行稀释，以保证数据的有效性。

表1 工作曲线绘制

续表1

本项目为便于对污泥进行评价，需要对污泥的pH进行测定。测定方法为称取10 g污泥样品，加入25 ml蒸馏水，轻轻摇动，使水土充分混匀，放入磁力搅拌子在磁力搅拌器上搅拌1 min，放置30 min后测定。

2 实验结果

2.1 测定结果

使用pH计对污泥进行pH测定，污泥样品的pH为7.14。

本实验是将固体转化为液体进行测试，需要对实验所得数据进行计算后取得样品中重金属的浓度，其转化计算公式如下：

式中：C—污泥中重金属的浓度，mg/kg； c—消解定容后样品溶液中重金属的浓度，mg/L(汞、砷的数值需×10-3)； 50.00—消解定容后的体积，ml； f—消解后测试液体样品稀释倍数； 0.5—称取样品的量，g。

经过计算后，测定污泥中重金属浓度见表2。

2.2 精密度试验

分别取0.4 μg/L汞标准溶液和0.010 mg/L铅标准溶液连续测定6次，汞的相对标准偏差(RSD值)为3.2%，铅的相对标准偏差(RSD值)为2.1%，结果表明实验精密度良好。

2.3 重复性试验

对1号样品平行测定6次，进行重复性实验，结果见表3。由表3可知，1号样品中7种金属的相对标准偏差(RSD值)在0.7%～8.5%之间。表明实验重复性良好。

表2 污泥中重金属浓度测试结果 单位：mg/kg

表3 重复性试验测试结果 单位：mg/kg

2.4 回收率试验

选取样品编号3和编号9两个样品做加标回收率实验，砷加标回收率为89%，汞加标回收率为86%，锌加标回收率为92%，镉加标回收率为87%，铅加标回收率为85%，镍加标回收率为94%,铜加标回收率为103%。测定结果样品加标回收率在85%-103%之间。

3 讨论

以6个污泥样品的均值作为污泥中重金属测定的结果，使用两种不同的标准对测定结果进行评价，评价污泥农用的可行性[7-8]。

3.1 以《城镇污水处理厂污染物排放标准》评价

以《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)中相关标准对污泥排放情况进行评价，评价污泥排放的达标情况，评价结果见表4。

表4 污泥排放达标情况 单位：mg/kg

由表4可以看出，污泥中重金属的含量均在标准限值之内。其中砷的占标率较高，但也仅为13.4%；汞的占标率最低，为0.2%，其它金属的占标率均在10%以内。表明此次测定的城镇污泥中重金属的含量处在较低的水平，这可能与城市的工业结构有关，不存在冶金、化工、电镀等重金属产生企业。

3.2 以《城镇污水处理厂污泥处置农用泥质》标准评价

以《城镇污水处理厂污泥处置农用泥质》(CJ/T309-2009)中相关标准—A级污泥对污泥排放情况进行评价，评价污泥农用的可行性，评价结果见表5。

表5 污泥排放达标情况 单位：mg/kg

由表5可以看出，此次测定的城镇污泥中7种重金属的浓度均符合污泥农用的A级污泥标准，经过处理的污泥，从金属含量方面可作为肥料施用于农田。

3.3 潜在生态危害指数的计算

表6 潜在生态危害系数和危害指数与污染程度的关系

具体计算公式如下所示：

单个元素的污染系数Cri=Ci/Cni(式中Ci为测定值，Cni为该元素的评价标准)；

某取样点的沉积物重金属污染度Cd=∑Cri；

各重金属的毒性响应系数Tri(本文数据取值见参考文献[9])；

某一重金属的潜在生态危害系数Eri=Tri×Cri；

以《城镇污水处理厂污泥处置农用泥质》(CJ/T309-2009)中相关标准-A级污泥对污泥排放情况进行潜在生态危害指数评价，评价结果见表7。

表7 潜在生态危害系数和危害指数

根据表6中的评价标准进行评价，单项重金属的Eri数值均小于40，RI数值小于150，有一定的轻微生态危害。

4 结论

本次测定的城镇污泥中，砷、汞、锌、镉、铅、镍、铜的浓度分别为10.06、0.27、240、0.119、25.3、9.6、40.6mg/kg。其排放浓度符合《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)中相关标准限值要求。如作为农用，这7种金属浓度符合《城镇污水处理厂污泥处置农用泥质》(CJ/T309-2009)中相关标准-A级污泥农用中其金属的限值要求。计算的Eri、RI数值均表明监测的7种重金属具有潜在的轻微生态危害。但以本次测定的7种重金属监测结果进行评价，本次测定的城镇污泥可以作为农业施用，但存在一定的潜在轻微生态危害。

城镇污泥属于城镇污水处理的副产物，在作为农用时，要从多方面进行综合考虑。同时，重金属在土壤中易发生累积现象，如将城镇污泥农用时，要密切监视土壤中重金属的含量变化情况，必要时加大监测频次，保证重金属不出现累积现象，对土壤环境质量产生影响。

[1] 于卫荣,马振,孙翌.微波消解-石墨炉原子吸收光谱法测定污水厂污泥和进、出水中的镉、铅[J].化学分析计量,2016,25(3):49-53.

[2] 王建龙,易红星,李书军.微波消解平台石墨炉原子吸收法测定活性污泥中重金属[J].中国环境监测,2004,20(5):42-44

[3] 张金生,李丽华,陈雨艳.微波消解—火焰原子吸收法测定废活性污泥中的铜、锌和镍[J].辽宁石油化工大学学报,2009,29(4):24-26.

[4] 李墨卿,王世杰.微波消解-火焰原子吸收法测定污泥中的铜、锌[J].净水技术,2007,26(5):71-72.

[5] 李海燕,胡晓东,吴启航,等.广州城市污泥中重金属的含量、排放通量及农用风险评价[J]. 环境工程学报,2015,9(3):1409-1416.

[6] 陈碧美.城市污泥重金属含量及农用风险评价[J].长春工业大学学报,2015,36(3):347-351.

[7] 张蓉,谢贻兵,花日茂,等.合肥及周边城市污水污泥重金属含量和农用潜在生态风险评价[J].安徽农业大学学报,2012,39(2):128-133.

[8] 王雨生,刘鸿雁,李瑞,等.贵州省城市污泥重金属组成特征与农用风险评价[J].长江流域资源与环境, 2014,23(3):392-399.

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Analysis of heavy metal content in sewage sludge and evaluation of agricultural environmental risk

Xiu Yingnan

(Jiamusi Environmental Monitoring Station, Jiamusi 154004,China)

Atomic fluorescence and atomic absorption spectrophotometry were used to monitor the heavy metal content of sludge discharged from municipal sewage treatment plants. The concentrations of arsenic, mercury, zinc, cadmium, lead, nickel and copper were 10.06, 0.027, 240, 0.119, 25.3, 9.6, and 40.6 mg/kg, which was in line with Discharge Standards of Pollutant for Municipal Wastewater Treatment Plant (GB18918-2002). If the sludge was used as agricultural fertilizer, the concentrations of heavy metals in it were in compliance with class A of Disposal of Sludge from Municipal Wastewater Treatment Plant-Control Standards for Agricultural Use (CJ/T309-2009). Using the potential ecological hazard index to evaluate the enviromental risk, the RI of the monitored 7 heavy metals in the sludge was 6.368, showing a slight ecological hazard for agricultural use.

urban sludge; heavy metal; content analysis; agricultural; potential ecological hazard index

2017-01-11;2017-03-03修回

修英楠(1983-)，男，黑龙江伊春人，大学本科，工程师，研究方向：环境监测。E-mail:longxing.2008@163.com

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