东北地区城市污水处理厂污泥中重金属的形态分布及其潜在生态风险评价

书书书第３２卷第３期２０１２年３月环　境　科　学　学　报　ＡｃｔａＳｃｉｅｎｔｉａｅＣｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅＶｏｌ．３２，Ｎｏ．３Ｍａｒ．，２０１２基金项目：国家水体污染控制与治理科技专项课题（Ｎｏ．２００９ＺＸ０７３１７００８）ＳｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＷａｔｅｒＰｏｌｌｕｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌａｎｄＭａｎａｇｅｍｅｎｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＭａｊｏｒＰｒｏｊｅｃｔｓ（Ｎｏ．２００９ＺＸ０７３１７００８）作者简介：涂剑成（１９８０—），男，Ｅｍａｉｌ：[e-mail]；通讯作者（责任作者），Ｅｍａｉｌ：[e-mail]：ＴＵＪｉａｎｃｈｅｎｇ（１９８０—），ｍａｌｅ，Ｅｍａｉｌ：[e-mail]；Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒ，Ｅｍａｉｌ：[e-mail]涂剑成，赵庆良，杨倩倩．２０１２．东北地区城市污水处理厂污泥中重金属的形态分布及其潜在生态风险评价［Ｊ］．环境科学学报，３２（３）：６８９６９５ＴｕＪＣ，ＺｈａｏＱＬ，ＹａｎｇＱＱ．２０１２．ＦｒａｃｔｉｏｎａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｎｄａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｏｆｐｏｔｅｎｔｉａｌｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｒｉｓｋｏｆｈｅａｖｙｍｅｔａｌｓｉｎｍｕｎｉｃｉｐａｌｓｌｕｄｇｅｓｆｒｏｍｗａｓｔｅｗａｔｅｒｔｒｅａｔｍｅｎｔｐｌａｎｔｓｉｎＮｏｒｔｈｅａｓｔＣｈｉｎａ［Ｊ］．ＡｃｔａＳｃｉｅｎｔｉａｅＣｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅ，３２（３）：６８９６９５东北地区城市污水处理厂污泥中重金属的形态分布及其潜在生态风险评价涂剑成１，３，赵庆良１，２，，杨倩倩１１．哈尔滨工业大学市政环境工程学院，哈尔滨１５００９０２．城市水资源与水环境国家重点实验室，哈尔滨１５００９０３．江西洪城水业股份有限公司，南昌３３００２５收稿日期：２０１１０６１０　　　修回日期：２０１１０８２３　　　录用日期：２０１１０９０５摘要：分析了东北地区７个城市污水处理厂脱水污泥中Ｃｕ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｎ的含量，利用修正的ＢＣＲ法研究了污泥中重金属的形态分布特征，并使用地累积指数（Ｉｇｅｏ）法和内梅罗指数法（ＰＩ）评估了污泥在土地利用过程中重金属的潜在生态风险．结果表明，污水厂污泥中Ｚｎ含量超过了国家标准（ＧＢ４２８４—１９８４）限值，且污泥中Ｃｕ、Ｚｎ和Ｍｎ的含量远远超过东北耕地黑土中的背景含量．污泥中Ｃｕ和Ｃｒ的有机物结合态（即可氧化态）所占比例较大，可迁移形态含量最高的重金属是Ｚｎ，Ｎｉ广泛分布于可交换态、酸溶态、可还原态、可氧化态和残渣态中，Ｍｎ的残渣态在５种形态中所占比例最高．５种金属中迁移性最强的是Ｚｎ，其次为Ｍｎ，Ｃｒ的迁移性最差．内梅罗单项污染指数法和地累积指数法的评价结果表明，Ｃｕ、Ｚｎ和Ｍｎ是污泥土地利用过程中潜在的污染元素．内梅罗综合指数法的评价结果显示，７种脱水污泥均对耕地黑土环境存在严重的潜在生态风险．关键词：污泥；重金属；内梅罗指数；地累积指数；ＢＣＲ文章编号：０２５３２４６８（２０１２）０３６８９０７　　　中图分类号：Ｘ７０３　　　文献标识码：ＡＦｒａｃｔｉｏｎａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｎｄａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｏｆｐｏｔｅｎｔｉａｌｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｒｉｓｋｏｆｈｅａｖｙｍｅｔａｌｓｉｎｍｕｎｉｃｉｐａｌｓｌｕｄｇｅｓｆｒｏｍｗａｓｔｅｗａｔｅｒｔｒｅａｔｍｅｎｔｐｌａｎｔｓｉｎＮｏｒｔｈｅａｓｔＣｈｉｎａＴＵＪｉａｎｃｈｅｎｇ１，３，ＺＨＡＯＱｉｎｇｌｉａｎｇ１，２，，ＹＡＮＧＱｉａｎｑｉａｎ１１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｕｎｉｃｉｐａｌ＆ＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨａｒｂｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ１５００９０２．ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＵｒｂａｎＷａｔｅｒＲｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ（ＳＫＬＵＷＲＥ），ＨａｒｂｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ１５００９０３．ＪｉａｎｇｘｉＨｏｎｇｃｈｅｎｇＷａｔｅｒｗｏｒｋｓＣｏ．，Ｌｔｄ，Ｎａｎｃｈａｎｇ３３００２５Ｒｅｃｅｉｖｅｄ１０Ｊｕｎｅ２０１１；　　　ｒｅｃｅｉｖｅｄｉｎｒｅｖｉｓｅｄｆｏｒｍ２３Ａｕｇｕｓｔ２０１１；　　　ａｃｃｅｐｔｅｄ５Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ２０１１Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｔｏｔａｌｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓｏｆｈｅａｖｙｍｅｔａｌｓｉｎｍｕｎｉｃｉｐａｌｓｌｕｄｇｅｓｆｒｏｍｓｅｖｅｎｉｎｄｉｖｉｄｕａｌＷａｓｔｅｗａｔｅｒＴｒｅａｔｍｅｎｔＰｌａｎｔｓ（ＷＷＴＰｓ）ｗｅｒｅｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｂｙｍｉｃｒｏｗａｖｅｄｉｇｅｓｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ；ｔｈｅｆｒａｃｔｉｏｎａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｈｅａｖｙｍｅｔａｌｓｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｍｏｄｉｆｉｅｄＢＣＲｓｅｑｕｅｎｔｉａｌｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｐｒｏｃｅｄｕｒｅ；ｔｈｅｐｏｔｅｎｔｉａｌｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｒｉｓｋｏｆｈｅａｖｙｍｅｔａｌｓｆｏｒｓｌｕｄｇｅｌａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｗａｓｅｖａｌｕａｔｅｄｂｙｎｅｍｅｒｏｗａｎｄｇｅｏａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎｐｏｌｌｕｔｉｏｎｉｎｄｅｘ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈａｔＺｎｉｎＳ１，Ｓ３，Ｓ５ａｎｄＳ６ｗａｓｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔｈｅｔｈｒｅｓｈｏｌｄｖａｌｕｅｓｆｏｒａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ（ＧＢ４２８４—１９８４），ａｎｄｃｏｎｔｅｎｔｓｏｆＣｕ，ＺｎａｎｄＭｎｗｅｒｅｍｕｃｈｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｂａｃｋｇｒｏｕｎｄｖａｌｕｅｓｉｎｂｌａｃｋｓｏｉｌｓ．ＰｒｅｄｏｍｉｎａｎｔＣｕａｎｄＣｒｗｅｒｅｅｘｉｓｔｅｎｔｉｎｏｒｇａｎｉｃｃｏｍｂｉｎｅｄｆｒａｃｔｉｏｎ；Ｚｎｍａｉｎｌｙｅｘｉｓｔｅｄｉｎｔｒａｎｓｆｅｒｒａｂｌｅｆｒａｃｔｉｏｎ；Ｎｉｗａｓｗｉｄｅｌｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｉｎｆｉｖｅｃｈｅｍｉｃａｌｆｒａｃｔｉｏｎｓ；ｔｈｅｒｅｓｉｄｕｅｆｒａｃｔｉｏｎｏｆＭｎｉｓｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｏｔｈｅｒｆｒａｃｔｉｏｎｓｉｎｓｌｕｄｇｅ．ＴｈｅｍｅｔａｌｗｉｔｈｔｈｅｓｔｒｏｎｇｅｓｔｍｏｂｉｌｉｔｙｉｓＺｎ，ｆｏｌｌｏｗｅｄｂｙＭｎ，ａｎｄＣｒｔｈｅｗｅａｋｅｓｔ．ＲｅｓｕｌｔｓｏｆｎｅｍｅｒｏｗａｎｄｇｅｏａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎｐｏｌｌｕｔｉｏｎｉｎｄｅｘｒｅｖｅａｌｅｄｔｈａｔＣｕ，Ｚｎ，Ｍｎｈａｄｐｏｔｅｎｔｉａｌｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｒｉｓｋｆｏｒｓｌｕｄｇｅｌａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｔｈｉｓｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｓｕｇｇｅｓｔｓｈｅａｖｙｍｅｔａｌｓｗｉｌｌｃａｕｓｅｓｅｒｉｏｕｓｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｒｉｓｋｗｈｅｎｓｌｕｄｇｅｗａｓｄｉｒｅｃｔｌｙｕｔｉｌｉｚｅｄａｓｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｌｕｄｇｅ；ｈｅａｖｙｍｅｔａｌｓ；Ｎｅｍｅｒｏｗｐｏｌｌｕｔｉｏｎｉｎｄｅｘ；ｇｅｏａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎｐｏｌｌｕｔｉｏｎｉｎｄｅｘ；ＢＣＲ环　　境　　科　　学　　学　　报３２卷１　引言（Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ）截至２０１１年３月底，全国各市、县累计建成城镇污水处理厂２９９６座，处理能力达到１．３３×１０８ｍ３·ｄ－１，由此将产生巨量的污泥，如处置不当将会引发严重的环境污染问题（中华人民共和国住房和城乡建设部，２０１１）．由于污泥中含有大量可被植物利用的营养物质，因此，污泥土地利用成为一种理想的选择（秦俊芳，２０１０）．但污泥中亦含有大量比重超过４．５ｇ·ｃｍ－３的金属元素，这些金属元素是一类难于控制的污染物，具有毒性大、潜伏期长和能沿食物链富集等特点，且在污泥土地利用过程中会迁移释放风险物质（Ｓｍｉｔｈ，２０００），土壤一旦被其污染，修复难度将会很大．因此，在污泥土地利用前需获得污泥中重金属的环境行为信息并评估其潜在的生态风险．研究发现，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（Ｈｏｏｄａｅｔａｌ．，１９９４）．同时，在污泥土地利用前对重金属污染进行评价，可以实现对环境质量的有效监控．因此，本文通过对东北地区哈尔滨、佳木斯、长春、松源、吉林、齐齐哈尔、牡丹江等城市７个污水处理厂污泥中的重金属含量、化学形态进行试验研究，并利用地累积指数法和内梅罗综合指数法对污泥中重金属进行生态风险评价，以期为污泥土地利用研究提供科学依据．２　材料与方法（Ｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｍｅｔｈｏｄｓ）２．１　仪器与试剂仪器：ｐＨｓ３Ｃ型ｐＨ计，ＤＤＳ１１Ａ型电导仪，７９１型磁力搅拌器，电感耦合等离子体原子发射光谱仪（ＩＣＰＡＥＳ，Ｏｐｔｉｍａ５３００ＤＶ，ＰｅｒｋｉｎＥｌｍｅｒ），元素分析仪（ＶａｒｉｏＥＬｃｕｂｅ，Ｅｌｅｍｅｎｔａｒ），ＳＸ２４１０型马弗炉，ＳＨＺＢ型恒温水浴振荡器，微波消解仪（ＭＡＲＳ５，ＣＥＭ）．试剂：硝酸为电子分析纯，氢氟酸、盐酸、冰乙酸为优级纯，盐酸羟铵、双氧水、乙酸铵为分析纯．２．２　试验材料实验污泥为取自东北地区７个城市污水处理厂的脱水污泥，样品取样地点和编号见表１．污泥取回后迅速置于干燥箱于４０℃条件下干燥２４ｈ，干燥后的样品过５０目筛以除去其中的石子和动植物残体等，筛下物采用四分法缩分，并用玛瑙研钵对污泥进行研磨直到能通过２５０目的筛子，过筛后的污泥储存在聚乙烯盒中，置于４℃冰箱中保存备用．表１　实验污泥取样地点基本信息Ｔａｂｌｅ１　Ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎｏｆｓｌｕｄｇｅｓａｍｐｌｉｎｇｓｉｔｅｓ取样地点样品编号污水处理工艺日处理能力／（１０４ｔ·ｄ－１）长春西郊污水处理厂Ｓ１Ａ／Ｏ１５松源江南污水处理厂Ｓ２ＳＢＲ１０吉林北郊污水处理厂Ｓ３改良型Ａ／Ａ／Ｏ３９佳木斯东区污水处理厂Ｓ４ＳＢＲ２０齐齐哈尔中心城区污水处理厂Ｓ５ＣＡＳＳ２０牡丹江城市污水处理厂Ｓ６Ａ／Ｏ１０哈尔滨太平污水处理厂Ｓ７Ａ／Ｏ３２．５２．３　污泥中重金属化学浸提试验２．３．１　污泥理化性质和重金属总量　将１０．００００ｇ干污泥与１００ｍＬ超纯水混匀，在２２℃恒温水浴振荡器中振荡２ｈ后，测定ｐＨ值和电导率（ＥＣ）．有机质含量按城市污水处理厂污泥检验方法（ＣＪ／Ｔ２２１—２００５）测定，总氮（ＴＮ）使用元素分析仪测定．污泥中重金属总量通过微波消解法来测定，具体操作为：准确称取０．３０００ｇ污泥样品于聚四氟乙烯消解罐内，加入１ｍＬＨＣｌ、４ｍＬＨＦ和５ｍＬＨＮＯ３，放置２０ｍｉｎ使样品中的有机物充分氧化后盖上内盖并压紧，拧紧外盖放入转盘上．采用梯度温度程序，在１２０℃下消解５ｍｉｎ，在１８０℃下消解３０ｍｉｎ，再在１２０℃下消解５ｍｉｎ，待消解程序结束后，取出并冷却至室温，在４０００ｒ·ｍｉｎ－１条件下离心３０ｍｉｎ后再用定量滤纸过滤残渣，滤液移至容量瓶中用ＨＮＯ３溶液（２％）定容至５０ｍＬ，用ＩＣＰＡＥＳ测定污泥中的ＴＰ、Ｍｇ、Ｋ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｃｒ和Ｎｉ含量．２．３．２　污泥中重金属连续浸提试验　采用修正的ＢＣＲ法（Ａｒａｉｎｅｔａｌ．，２００８）分析污泥中重金属形态及对应组分含量，此方法将污泥中的重金属分为５种化学形态，分别为水溶态（Ｔ１）、酸溶／可交换态（Ｔ２）、可还原态（Ｔ３）、可氧化态（Ｔ４）和残渣态（Ｔ５）．其中，水溶态主要是指可自由移动和以与水溶性有机物相结合的形式存在的离子，易被雨水冲洗迁移，污染地表水或饮用水源；酸溶／可交换态主要是指金属以可交换、吸附或与碳酸盐结合的形式存在的离子，该形态迁移性较强，可以直接被生物利用；可还原态的主要存在形式是与无定形的铁锰氧化物和水合氧化物结合；可氧化态主要是与有机质和硫化物结合，可以被植物间接利用，如随着土０９６３期涂剑成等：东北地区城市污水处理厂污泥中重金属的形态分布及其潜在生态风险评价壤ｐＨ改变，可还原态和可氧化态可以部分转化为可被植物利用的有效形态；残渣态主要与硅酸盐矿物、结晶铁镁氧化物等结合，很难被生物利用