贵州六盘水城市污泥中重金属的形态特征及其农用生态风险评价

2019-08-13 08:55:35 《江苏农业科学》 2019年1期

李金辉 吴汉福 翁贵英

摘要:分析贵州省六盘水市6座污水处理厂脱水城市污泥中的Cu、Pb、Cd、Cr、Ni、Zn、As、Hg含量,采用BCR法研究污泥中重金属的形态特征,并用地累积指数(Igeo)法和潜在生态危害指数(RI)法评价污泥在农用过程中的潜在生态风险。结果表明,L1、L2、L3、L4污泥中Cd含量超出农用泥质A级标准限值,低于B级标准限值(CJ/T 309—2009),其余重金属含量均满足A级标准。污泥中Cd的可提取态较高,Zn次之,Pb、Cr、As、Hg主要以稳定态存在。Igeo结果表明,Cu、Pb、Cd、Zn、Hg为潜在污染元素,其中Cd污染最严重;RI结果表明,ECdr、EHgr较高,为主要贡献者,L1、L2污泥为高生态风险,其余为中等生态风险。贵州六盘水城市污泥具有较好的农用价值,污染和生态风险主要来自Cd元素,在污泥农用时应加以重视。

关键词:城市污泥;重金属;形态特征;地累积指数;潜在生态危害指数;农用生态风险评价

中图分类号: X703 文献标志码: A 文章编号:1002-1302(2019)01-0304-05

随着经济的发展以及城镇化的推进,城镇生活污水排放量不断增加,污水处理量也随之增加,伴随着污水处理而产生的污泥量增加。据中华人民共和国环境保护部2015年环境统计年报报道,2015年,全国共有6 910座城镇污水处理厂,设计处理能力为18 736万t/d,全年共处理废水532.3亿t,其中处理生活污水470.6亿t,占总处理废水量的88.4%,污泥产生量为3 015.9万t,污泥处置量为3 015.8万t[1]。目前,国内外污泥处置方式主要有填埋、焚烧和土地利用等。污泥中富含农作物生长所需的有机质、氮、磷、钾等营养物质,具有较好的土地利用潜力,但亦含有一定量的重金属,重金属具有毒性大、潜伏期长、易在食物链中富集等特性,因此污泥中重金属含量是限制污泥农用的重要指标之一[2]。城市污泥中重金属的含量因地理位置、城市性质、处理工艺等的不同而存在很大差异[3]。污泥中重金属在环境中的行为不仅与其总量有关,更大程度上取决于其化学形态[4]。

六盘水市位于贵州省西部,是国家“三线”建设时期发展起来的一座能源、原材料工业城市。全市现有污水处理厂6座,污泥处置方式均为卫生填埋。当前随着垃圾填埋场库容的不断减少,污泥处置问题日益凸显,因此研究其城市污泥处置方式十分必要。目前污泥农用是污泥高效、经济的处置方式之一。本研究以六盘水市6座污水处理厂的城市污泥为研究对象,对污泥的理化性质、营养学指标和重金属(Cu、Pb、Cd、Cr、Ni、Zn、As、Hg)含量及形态特征进行分析,并采用地累积指数法、潜在生态危害指数法对其农用生态风险进行评价,以期为六盘水市城市污泥的合理处置提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 污泥样品的采集与预处理

污泥样品采集于六盘水市钟山区、水城县、盘州市、六枝特区的6座污水处理厂,分别命名L1、L2、L3、L4、L5、L6(图1)。

在2016年冬季对污泥进行系统采样,污泥样品均采集于污水处理厂传送带上,每5 min采集1次样品,经多次采集后将样品混合均匀,总计3 kg左右,装入聚乙烯样袋密封带回实验室。取新鲜样品进行含水率测定,于避光、通风处自然风干,采用四分法多次筛选后取200 g左右样品,用玛瑙研钵研细,过100目尼龙筛,装入聚乙烯样袋中保存备用。样品来源及污水处理厂基本情况见表1。

1.2 主要仪器与试剂

仪器:原子吸收分光光度计(iCE 3500,美国Thermo Fisher公司),双道原子荧光光度计(AFS-9700,北京海光仪器有限公司),定氮仪(KDN-102C,上海纤检仪器有限公司),电热板(EG35B,北京莱伯泰科仪器股份有限公司),纯水仪(New Human Power I,韩国),紫外可见分光光度计(TU-1901,北京普析通用仪器有限公司),电子天平[ME104,梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司],精密酸度计(pHs-2C,上海鸿盖仪器有限公司),电导率仪(DDS-308A,上海仪电科学仪器股份有限公司),多功能振荡仪(SHA-GW,金坛市科析仪器有限公司),离心机(TG18K,长沙东旺实验仪器有限公司)等。

试剂:HNO3、HF、HCl、HClO4、H2O2均为优级纯(国药集团化学试剂有限公司),其余试剂为分析纯,本研究用水均为超纯水。

1.3 污泥样品测定方法

污泥样品理化性质、营养学指标、重金属含量的测定方法参照《土壤农化分析》[5]和CJ/T 221—2005《城市污水处理厂污泥检验方法》[6]。含水率用烘干稱质量法测定,pH值用酸度计测定,电导率(EC)用电导率仪测定,有机质含量用重铬酸钾外加热法测定,全氮含量用凯氏定氮法测定,全磷含量用碱熔-钼锑抗分光光度法测定,全钾含量用酸溶-火焰光度计法测定,Cu、Pb、Cd、Cr、Ni、Zn等元素含量用硝酸-盐酸-氢氟酸-高氯酸消解原子吸收分光光度计测定,As、Hg含量用1 ∶ 1王水消解原子荧光光度计测定。重金属形态分析采用BCR连续提取法[7],测定方法与重金属含量测定方法相同。在分析过程中,采用平行样、加标回收等措施进行质量控制。

1.4 污泥重金属农用生态风险评价

2 结果与分析

2.1 污泥农用价值分析

由表4可知,各污水处理厂污泥含水率在69.95%~85.41% 之间,pH值在6.29~7.30范围内,电导率在0.26~1.68 mS/cm之间。根据CJ/T 309—2009《城镇污水处理厂污泥处置 农用泥质》[10],物理指标要求含水率≤60%,酸碱度在 5.5~9.0范围内,可以看出,各污水处理厂污泥的酸碱度满足标准要求,但各厂污泥含水率较高,不符合标准要求,须要进行进一步脱水处理才能满足使用要求。各污水处理厂污泥有机质含量为215.24~475.68 g/kg,全氮含量为16.07~55.37 g/kg,全磷含量为4.63~15.55 g/kg,全钾含量为 5.62~7.52 g/kg;根据CJ/T 309—2009《城镇污水处理厂污泥处置 农用泥质》[10],营养学指标应满足有机质含量≥200 g/kg,氮+磷+钾含量≥30 g/kg,六盘水市污水处理厂污泥有机质平均含量为329.76 g/kg,氮+磷+钾平均含量为49.01 g/kg,均达到营养学规定指标,且与猪厩肥相比,六盘水市城市污泥是高有机质、高氮、高磷含量的有机肥,具有良好的农业利用前景。

2.2 污泥重金属含量分析

由表5可知,不同污水处理厂污泥重金属含量存在较大差异。其中L4的Cu、Hg含量最高,分别为108.37、2.57 mg/kg,L2的Pb、Cd、Zn含量最高,分别为256.40、10.43、987.10 mg/kg,而Cr、Ni、As含量最高的是L3,分别为87.10、49.67、28.93 mg/kg。8种重金属平均含量表现为 Zn>Pb>Cu>Cr>Ni>As>Cd>Hg,与贵州省土壤背景值相比,六盘水城市污泥重金属平均含量除Cr、Ni、As外,均偏高;与2012年贵州省污泥重金属含量算数平均值相比,只有Pb含量偏高。按照农用泥质标准(CJ/T 309—2009),L1、L2、L3、L4污泥中Cd含量超出A级标准限值,低于B级标准限值,其余7种重金属含量均满足A级标准,可以施用于油料作物、果树、饲料作物、纤维作物,但禁止施用于蔬菜、粮食作物;L5、L6污水处理厂污泥中8种重金属含量均满足A级标准,对于蔬菜、粮食作物、油料作物、果树、饲料作物、纤维作物都可以施用。总体来说,六盘水市的城市污泥中Cd含量整体较高,尤其是L1、L2、L3,这可能与当地高背景值有关,水城县Cd的平均含量分别是全省背景值的5.0~5.6倍,是国家三级土壤临界值的1.5~1.8倍[14]。

2.3 污泥重金属形态特征分析

BCR连续提取法中的重金属形态通常包括酸溶态、可还原态、可氧化态、残渣态,4种重金属形态在环境中的移动性和生物有效性表现为酸溶态>可还原态>可氧化态>残渣态,其中酸溶态、可还原态、可氧化态为可提取态,重金属在一定环境条件下能释放出来,可被生物利用,而残渣态为稳定态,被认为在自然条件下对环境无污染风险[7,15]。

由图2可知,各污水处理厂重金属形态存在一定的差异。Pb、Cr、As、Hg在各污水处理厂污泥残渣态质量分数超过50%,主要以稳定态存在,生物有效性较差;Cu在L2、L4、L5、L6污泥中可提取态分别为70.65%、68.48%、81.24%、84.67%,生物有效性較高;Cd在各污水处理厂中的可提取态质量分数分别为76.00%、77.93%、70.79%、73.15%、78.95%、75.40%,生物有效性高;Ni在L5、L6污泥中的可提取态质量分数分别为50.36%、55.81%,生物有效性略高,Zn在L1、L2、L4、L5、L6污泥中的可提取态质量分数分别为 55.60%、72.36%、77.34%、89.12%、86.20%,生物有效性较高。六盘水市城市污泥中Cd的生物有效性整体最高,Zn次之,因Cd毒性较大,在污泥农用时应加以重视。

由表4可知,L1、L3污水处理厂的污泥pH值大于7.0,L2、L4污水处理厂的污泥pH值大于6.5,L5、L6污水处理厂pH小于6.5。由图2可知,pH值与重金属元素的可提取态存在相关性,pH值越小,可提取态所占比例越高;pH小于 7.0 时,Cu、Zn的可提取态质量分数都较高,则生物可用性高,Ni在pH值小于6.5时,可提取态质量分数均超过了50%。因此,污泥农用时pH值应引起注意,可以通过调整pH值来调控重金属可提取态比例。

2.4 污泥重金属污染生态风险评价

2.4.1 地累积指数法风险评价 由表6可知,六盘水市城市污泥中的污染元素有Cu、Pb、Cd、Zn、Hg,其中Cd的污染程度最高,6座污水处理厂污泥均受到不同程度的Cd污染,其中L1、L2、L3为中度污染,L4、L5为偏中度污染,L6为轻度污染;Zn的污染次之,其中L2为中度污染,L1、L3、L4、L5、L6为偏中度污染;Cu的污染程度处于第3位,其中L2、L4、L5、L6为轻度污染;Pb的污染程度处于第4位,其中L2为偏中度污染,L1、L3为轻度污染;Hg的污染程度处于第5位,其中L4、L5为轻度污染;Cr、Ni、As无污染。污染程度大小顺序为 Cd>Zn>Cu>Pb>Hg>Ni>Cr>As。

2.4.2 潜在生态危害指数法风险评价 由表7可知,六盘水市城市污泥重金属潜在生态危害指数中的ECdr、EHgr较高,其中ECdr在L1、L2中存在极高生态危害,L3为高生态危害,L4、L5、L6为较高生态危害;EHgr在L4、L5、L6为中等生态危害;多种重金属风险程度RI也较高,L1、L2为高生态危害,L3、L4、L5、L6为中等生态危害。通过对比潜在生态危害指数发现,对RI的贡献大小顺序为ECdr>EHgr>ECur>EPbr>EZnr>ENir>EAsr>ECrr,其中ECdr贡献最大,在各厂RI值中分别占 88.50%、85.07%、86.88%、56.48%、53.76、55.33%,在RI平均值中占76.05%,EHgr次之,因此六盘水城市污泥在农用时应特别注意Cd对土壤和环境的影响。

3 结论与讨论

六盘水市城市污泥含水率为69.95%~85.41%,pH值为6.29~7.30,电导率为0.26~1.68 mS/cm;有机质平均含量为329.76 g/kg,氮+磷+钾平均含量为49.01 g/kg,除含水率外,其他均符合规定理化性质和营养学指标。

城市污泥中重金属平均含量表现为Zn>Pb>Cu>Cr>Ni>As>Cd>Hg,与贵州省土壤背景值相比,除Cr、Ni、As外,均偏高;与2012年贵州省污泥重金属含量算数平均值相比,只有Pb含量偏高。L1、L2、L3、L4污泥中Cd含量超出农用泥质A级标准限值,低于B级标准限值(CJ/T 309—2009),其余重金属含量均满足A级标准,L5、L6污水处理厂污泥中的8种重金属含量均满足A级标准。

城市污泥重金属不同形态中Cd的可提取态较高,生物可利用较高,Zn次之。pH值与重金属元素的可提取态有相关性,pH值越小,可提取态所占比例越高。

采用地累积指数法分析得出,六盘水市城市污泥中的污染元素有Cu、Pb、Cd、Zn、Hg,其中Cd污染最严重,其次是Zn>Cu> Pb>Hg,Cr、Ni、As无污染;潜在生态危害指数法(RI)分析结果表明,ECdr、EHgr较高;为RI的主要贡献者,L1、L2污泥为高生态风险;L3、L4、L5、L6污泥为中等生态风险。

六盘水城市污泥为高有机质、高氮、高磷含量的有机肥,污泥含水率较高,利用前应降低含水率;L1、L2、L3、L4污泥允许施用于油料作物、果树、饲料作物、纤维作物,禁止施用于蔬菜、粮食作物;L5、L6污泥允许施用于蔬菜、粮食作物、油料作物、果树、饲料作物、纤维作物。Cd元素存在一定的污染和生态风险,在污泥处置和农业利用时应加以重视,制定相应防范措施。

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