近年来, 不同规模大小的污水处理厂在各城市广泛分布, 且随着我国污水处理能力迅速增长, 产生了大量的剩余污泥.根据文献[1]可知, 2018年中国城镇污水处理厂的数量达到了2 321座, 污水处理总量为4.98×10¹⁰ m³, 产生14.38×10⁶ t污泥(干固体).以北京为例, 2018年全市城镇污水处理厂数量为158座, 污水处理量为20.77亿t, 以0.3%~0.5%的产泥率来计算, 年产污泥量可达623.1万~1 038.5万t^[2].

污泥作为污水处理厂的主要产物, 产量非常大, 急需有效且安全的处理方式.目前污泥的处理方式包括填埋、焚烧和土地利用^[3].土地利用是污泥实现资源化的一种重要处置方法, 也是目前最普遍的方式, 剩余污泥微生物丰富, 其新陈代谢可以使土壤的空隙增多, 增加通气性和含水率, 生物间的物理化学反应对农田的酸碱性有缓冲作用; 另外, 污泥中含有的大量有机质、氮磷钾养分元素和多种植物生长所需的微量元素, 有利于提高作物产量和减少化学肥料的使用^[4~6].然而, 城市污水处理厂污泥物质来源广泛, 污泥中可能同时含有大量病原菌、无机或有机的有毒污染物(如金属微量元素和多环芳烃等), 具有毒性大、潜伏期长和易在食物链中富集等特性^{[7, 8]}.其中, 重金属作为一种持久性潜在有毒污染物, 不容易被微生物利用降解, 会致使重金属在土地农用过程中可能产生生态危害风险, 从而限制其大规模土地利用^{[9, 10]}.因此, 在污泥进行土地利用前, 评估污泥中重金属等污染物的潜在生态风险具有十分重要的意义.

目前, 针对城市污水处理厂污泥的研究重点在于某一个污水处理厂或主城区污水处理厂的重金属分析, 谭国栋等^[11]以某市11个城镇污水处理厂的生污泥为样品, 对其进行pH值、含水率和有机质等养分和重金属含量化验分析; 何绪文等^[12]连续采集某市某污水处理厂污泥, 并对重金属赋存形态和污染指数进行分析; 杨妍妍等^[2]对某城市中心城区8家城镇污水处理厂污泥中重金属开展了持续监测, 分析其重金属污染状况、年际及季节变化特征和潜在生态风险.然而, 城市城镇污水处理厂数量较多, 分布范围较广, 污泥产量大, 以往研究对象范围不够广, 样本量少, 监测覆盖面代表性不足, 同时对污泥有机物污染分析也比较缺乏.因此, 本文采集了某市49家城镇污水处理厂的污泥样品, 对其污泥特性进行测定分析, 同时对重金属的污染生态风险和潜在生态危害进行评估.通过对全市污泥泥质特性进行全面的统计分析, 以期为该市乃至全国污水处理和污泥资源化利用提供基础数据和理论依据, 也为制定污泥处置政策提供支持.

本实验采样阶段于2018年12月至2019年1月进行, 对某市49家城镇污水处理厂开展1次污泥采集, 采样点位为脱水机房出泥口、污泥车间堆放处、污泥车间传送带、污泥放置池以及污泥晾晒场, 样品均为脱水污泥, 采样样品质量大于1 kg, 现场加采10%的平行样, 共获取54个污泥样品, 采样后, 样品存放于现场冷藏保温箱, 在4℃下冷藏密封保存.

这49家污水处理厂分布于某市14个区和经济技术开发区, 且均建有生物污泥工艺, 污水设计处理能力合计为480万t·d^-1, 占该市污水处理厂总的污水设计能力的88%, 处理污水90%以上为城市生活污水, 污水处理工艺多为活性污泥法, 包括A²/O工艺、SBR工艺和MBR工艺, 部分污水厂采用生物膜法和超滤膜工艺; 污泥产生量为1.8万t·d^-1, 污泥脱水方式主要为机械脱水工艺, 污泥去向以土地利用(23家)和焚烧(15家)为主, 土地利用量和焚烧量占比分别为54%和31%.

此实验检测项目包括pH、含水率、Cd、Cr、Cu、Zn、Pb、As、Hg、Ni、矿物油、挥发酚、多环芳烃、有机质和氮磷钾.根据文献[2]的方法, pH和含水率采用梅特勒酸度计(S220, 瑞士)和电子天平(MS204TS, 瑞士)进行测定; Cu、Cd、Zn、Pb、Ni和钾采用原子吸收分光光度计(A3F-13, 中国)测定; As和Hg采用原子吸收分光光度计(AFS-9700, 中国)测定; Cr采用电感耦合等离子体发射光谱仪(Optima8300, 美国)测定; 挥发酚、氰化物和氮磷采用紫外可见分光光度计(1810, 中国)测定; 矿物油采用红外分光测油仪(JDS-106U+, 中国)测定; 多环芳烃采用气相色谱质谱联用仪(QP2020 Ultra, 日本)测定.为保证检测工作质量, 本项目通过精密度控制(至少10%平行样测试)、准确度控制(加标回收、标准参考物或质控样测试)、实验室空白测试和标准点检验等质控措施, 确保检测样品质控率不低于10%.数据分析时, 若标准差远远大于均值, 可判定数据存在异常值, 并对其进行处理, 所有数据和绘图均采用Origin 9.0软件和Excel 2013进行处理和分析.

单个污泥样品中各重金属元素内梅罗单项污染指数(P_i)如式(1)^[13], 内梅罗综合污染指数法可全面反映各污染物的平均污染水平, 计算如式(2), 同时, 综合污染指数也突出了污染最严重的污染物给环境造成的危害^[14], 内梅罗加权综合污染指数法[见式(3)]是根据不同污水处理厂污泥产量占比计算所得.

(1)

(2)

(3)

式中, P_i为土壤中污染物i的环境质量指数; C_i为污染物i的实测含量(mg·kg^-1); S_i为参比值, 本次评价以《农用污泥污染物控制标准》(GB 4284-2018)中A级污泥的控制限值为参比值; P为监测点的综合污染指数; P_imax为i监测点污染物单污染指数中的最大值; P_iave为i监测点所有污染物单污染指数平均值; P′为加权综合污染指数; P_j为第j家污水处理厂的综合污染指数; m_j为第j家污水处理厂污泥产量; M为49家污水处理厂污泥总产量; N为污水处理厂数量.依据单因子指数法和内梅罗综合污染指数法可将重金属污染划分为5个等级：≤0.7, Ⅰ级(清洁); 0.7~1.0, Ⅱ级(警戒线); 1.0~2.0, Ⅲ级(轻度污染); 2.0~3.0, Ⅳ级(中度污染); ＞3.0, Ⅴ级(重度污染).

重金属潜在生态风险评价采用瑞典科学家提出的评价方法^[15], 该方法是目前沉积物重金属污染质量评价应用最广泛的方法之一^[16].计算公式如下：

(4)

(5)

式中, C_fⁱ为重金属i相对参比值的污染系数; C_sⁱ为重金属i的实测含量; C_nⁱ为重金属i的评价参比值; E_rⁱ为第i种重金属单因子潜在生态风险指数; T_rⁱ为重金属i毒性响应系数; RI为多元素综合潜在生态风险指数; RI′为加权综合潜在生态风险指数; RI_j为第j家污水处理厂的综合潜在生态风险指数.C_nⁱ为参比值, 本次评价中以《农用污泥污染物控制标准》(GB 4284-2018)中A级污泥的控制限值为参比值.不同生态风险水平的划分标准参照表 1, 污泥产物化学性质和污染物含量限值参照表 2.

表 1 (Table 1)

表 1 不同生态风险水平的划分 Table 1 Division of different ecological risk levels Eri RI 潜在生态风险等级 Eri＜40 RI＜50 轻微生态危害 40≤Eri＜80 50≤RI＜300 中等生态危害 80≤Eri＜160 300≤RI＜600 强生态危害 160≤Eri＜320 RI≥600 很强生态危害 Eri≥320 极强生态危害

表 1 不同生态风险水平的划分 Table 1 Division of different ecological risk levels

表 2 (Table 2)

表 2 污泥产物化学性质和污染物含量限值 Table 2 Concentration limits of the chemical properties and pollutants in sludge 序号 控制项目 污染物限制 A级污泥产物 B级污泥产物 1 pH 5.5~8.5 5.5~8.5 2 含水率/% ≤60 ≤60 3 总镉(以干基计)/mg·kg-1 ＜3 ＜15 4 总汞(以干基计)/mg·kg-1 ＜3 ＜15 5 总铅(以干基计)/mg·kg-1 ＜300 ＜1 000 6 总铬(以干基计)/mg·kg-1 ＜500 ＜1 000 7 总砷(以干基计)/mg·kg-1 ＜30 ＜75 8 总镍(以干基计)/mg·kg-1 ＜100 ＜200 9 总锌(以干基计)/mg·kg-1 ＜1 200 ＜3 000 10 总铜(以干基计)/mg·kg-1 ＜500 ＜1 500 11 矿物油(以干基计)/mg·kg-1 ＜500 ＜3 000 12 多环芳烃(以干基计)/mg·kg-1 ＜5 ＜6 13 有机质(以干基计)/mg·kg-1 ≥200 ≥200

表 2 污泥产物化学性质和污染物含量限值 Table 2 Concentration limits of the chemical properties and pollutants in sludge

pH值对污泥处理来说是十分重要的条件.有研究表明, 国内污水处理厂的污泥pH值均在6~9之间^[9].本研究采集污泥的pH值在4.84~8.67之间(图 1和表 3), 其中有3家单位超过了《农用污泥污染物控制标准(GB 4284-2018)》对其限值(5.5~8.5), 这是因为少数污水处理厂污水来源为工业产酸或产碱废水, 因此导致其pH值过低或过高; 49家污水处理厂中有39家污水污泥pH值在6.0~7.0之间, 在污泥农用时不会对土壤的酸碱度造成大的影响, 但是从图 1中可以看出该市污水处理厂污泥含水量较高(平均为81.3%), 86%的污水处理厂脱水污泥含水率均在70%以上, 因此, 高含水率污泥不宜直接施用于不同处置方式中, 需将对应污泥进行下一步脱水处理才可以利用.污泥脱水工艺分为自然干化工艺和机械脱水工艺, 自然干化的方法操作简单但脱水周期长且脱水不彻底, 机械脱水方式脱水率较高, 一般可采用真空过滤脱水、离心脱水和压滤脱水的方式来降低污泥含水率.

图 1

Fig. 1

图 1 污泥pH值和含水率的频数分布 Fig. 1 Frequency distribution of pH and moisture content from urban sewage sludge

表 3 (Table 3)

表 3 某市49家城镇污水处理厂污泥成分含量统计分析 Table 3 Statistical analysis of the sludge composition in 49 sewage plants in a centain city 成分 极小值 中位数 极大值 均值 标准差 全国平均水平[2, 9, 17~19] 平均值 范围 pH 4.84 6.43 8.67 6.46 0.79 7.12 6~9 含水率/% 54.0 84.5 93.0 77.4 13.2 87.3 10~90 Cd/mg·kg-1 0.01 0.43 3.4 0.5 0.4 7.1 0.4~39.9 Cr/mg·kg-1 32.1 104.6 444.2 118.5 46.5 136.9 10.6~639 Hg/mg·kg-1 0.31 4.1 35.2 5.0 4.5 2.8 0.1~15.8 As/mg·kg-1 0.85 11.7 91.7 16.8 15.9 15.7 0.9~61.8 Cu/mg·kg-1 41.0 99.9 532.1 121.0 64.8 283.5 55.7~2 867.4 Ni/mg·kg-1 19.3 33.2 107.6 39.7 52.7 63.6 13.1~495.3 Pb/mg·kg-1 20 20 346.3 93.6 35.9 78 9.3~370 Zn/mg·kg-1 38.9 583.0 1 710 686.1 4 327 925.7 42.1~3 568.3 矿物油/mg·kg-1 58 214 865 250.5 123.2 — 100~500 挥发酚/mg·kg-1 0.05 1.67 14.8 3.4 0.8 — — 多环芳烃/mg·kg-1 0.1 0.25 2.32 0.44 0.3 — 1.39~143.8 有机质/g·kg-1 169 480 830 481 136 384 112~509 N/g·kg-1 10.8 33.4 52.3 32.1 1.7 27.0 8.4~50.3 P/g·kg-1 1.41 12.7 22.7 13.2 4.9 14.3 6.0~37.5 K/g·kg-1 1.93 6.1 11.5 5.8 3.7 7.0 1.4~12.2

表 3 某市49家城镇污水处理厂污泥成分含量统计分析 Table 3 Statistical analysis of the sludge composition in 49 sewage plants in a centain city

污泥中重金属的85%~95%附着于生物团(细菌碎屑)上, 5%~15%存在于矿物颗粒和有机碎屑颗粒物上, 很少一部分存在于可溶态和胶状的有机物质上.重金属有剂量小、危害大、易富集等特点, 一直是限制污泥农业利用的最主要的因素, 其在土壤中的含量超过了一定含量, 会对植物产生毒害作用^{[20, 21]}.该市49家城镇污水处理厂污泥重金属含量频数分布和统计分析如图 2和表 3所示, 从中可知, 该市城镇污水处理厂重金属含量呈现偏态分布, 其高低排序为: Zn＞Cu＞Cr＞Pb＞Ni＞As＞Hg＞Cd.其中, Zn的含量最高, 含量在38.9~1 380.0 mg·kg^-1之间的样品占93.9%, 其次是Cu, 含量在62.6~182.7 mg·kg^-1之间的样品占89.6%, 污泥中Zn和Cu含量较高的原因是城市管网镀Zn和镀Cu管道的使用, 该市49家污水处理厂污泥中Zn和Cu平均含量未超过国家平均水平, 但是分别有1家和2家污水处理厂污泥Zn和Cu含量超过了《农用污泥污染物控制标准(GB 4284-2018)》对其限值^[12].

图 2

Fig. 2

图 2 污泥中重金属含量的频数分布 Fig. 2 Frequency distribution of heavy metal concentrations from urban sewage sludge

污泥中的Cr主要来源于不锈钢的使用、防水布料和照相制版等^[22], Cr含量在63.6~181.3 mg·kg^-1之间的样品占89.4%; Pb主要来源于聚氯乙烯(PVC)管路、汽车维修和清洗废水, Pb含量在0.0~97.8 mg·kg^-1之间的样品占93.5%, 其中80.8%的样品含量均值低于国家平均水平, 原因是我国禁止在PVC管路中使用含Pb稳定剂, 并全面禁止使用含Pb汽油^[23], 从而降低进入污水处理厂的Pb含量; Ni来源于钢铁、电镀及电池制造等行业, Ni含量在19.3~68.4 mg·kg^-1之间的样品占91.8%.

As主要来源于合金冶炼、农药医药、颜料防腐剂和洗涤剂等^[4], As含量在0.8~29.2 mg·kg^-1之间的样品占89.8%. Hg来源于牙科材料废水、电镀、电池制造和消毒剂制造等行业^{[24, 25]}, 该市涉Hg工业极少, 49个样品中Hg含量在0.3~8.7 mg·kg^-1之间的样品占95.9%, 且77.5%的样品中Hg含量超过了国家平均水平, 原因可能是大部分研究对象受纳污水以生活污水为主, 污水中Hg的来源主要考虑医院、牙科门诊、美容美发等生活面源, 以及化学、环境和安全等实验室废水排放, 另外大气干湿沉降也可能产生一定的影响; Cd主要来自于电镀、印刷和塑料等工业废水^[26], 生活污水中也含有少量的Cd, 如塑料包装物和印刷纸品, 93.9%的样品中Cd含量在0.01~0.96 mg·kg^-1之间.

此外, 综合49家污水处理厂污泥重金属含量可知, 符合《农用污泥污染物控制标准(GB 4284-2018)》A级和B级的污水处理厂数量分别为9家和35家, 有5家污水处理厂重金属超标, 不符合污泥农用标准, 建议采用焚烧处置的方法.对比杨妍妍等^[2]对该市中心城区8家污水处理厂污泥重金属年际变化的研究可知, 2019年该市城镇污水处理厂污泥重金属含量与2011~2017年相比, 其中As和Zn的含量变化不大, Cu、Cd和Hg含量呈现下降趋势, 而Cr、Ni和Pb含量有所上升, 这可能是因为污泥是在冬季采样, 季节对污泥重金属含量有影响, 根据杨妍妍等^[2]的研究结果可知, 冬季污泥重金属含量高于春夏秋三季.

在污水污泥中, 重金属之间往往具有复杂的相关关系, 它们之间的关系主要由人为因素控制, 如人类活动和工业分布等, 其次也会受到底层岩性的影响.采用Pearson相关分析法对污泥重金属之间的相关性进行分析^[27], 结果如表 4所示.从中可知, Pb和Cd(r=0.601)之间是呈强相关性, As和Cr(r=0.586)之间呈显著相关, Cr和Ni(r=0.478)之间是呈显著相关, Ni和As(r=0.523)之间是呈显著相关.Pb和Cd之间呈强相关关系、As和Cr之间的显著相关关系、Cr和Ni之间的显著相关关系和Ni和As之间的显著相关关系表明Pb和Cd可能具有同源污染物质, As、Cr和Ni可能受相同的人类活动所影响.

表 4 (Table 4)

表 4 某市49家城镇污水处理厂污泥重金属相关性分析1)(n=49) Table 4 Correlation analysis of the sludge composition in 49 urban sewage plants in a centain city (n=49) 总镉 总汞 总铅 总铬 总砷 总铜 总锌 总镍 总镉 1.000 总汞 0.069 1.000 总铅 0.601* -0.042 1.000 总铬 -0.033 -0.042 -0.027 1.000 总砷 0.009 -0.061 0.108 0.586* 1.000 总铜 -0.056 -0.046 -0.036 -0.027 -0.146 1.000 总锌 0.125 0.284 -0.078 -0.026 -0.092 0.083 1.000 总镍 -0.016 -0.144 -0.069 0.478* 0.523* 0.084 -0.069 1.000 1)* 表示相关性在0.01层上显著(双尾)

表 4 某市49家城镇污水处理厂污泥重金属相关性分析1)(n=49) Table 4 Correlation analysis of the sludge composition in 49 urban sewage plants in a centain city (n=49)

对污泥重金属进行主成分分析, 其结果如表 5和图 3所示, 得出污泥重金属特征根大于1的两个主成分, 其累计方差贡献率为97.26%, 主成分1的贡献率可达94.17%, 可知第一主成分占主要贡献, 对重金属影响较大.城镇污水处理厂受纳水体主要包括居民生活污水, 机关、学校、医院、商业服务机构及各种公共设施排水, 以及允许排入城镇污水收集系统的工业废水和初期雨水.该市城镇污水处理厂以居民生活污水为主, 其中化妆品、家庭清洁和使用电池等会含有Cd、Pb、Hg、Ni和As, 除此之外, 医院和医疗美容相关单位的污水会导致Hg的污染.由上述分析可知, 主成分1的相关因子为Cd、Pb、Hg、Ni和As, 主要由人类活动所造成, 其来源解译为生活清洁和医疗.此外, 从图 3(b)可以看出38.6%的城镇污水处理厂污泥重金属来源比较密集, 应多为生活清洁和医疗废水来源, 这与样品采集中所提到处理污水90%以上为城市生活污水是一致的, 且污泥受Cd、Pb、Hg、Ni和As影响较大.

表 5 (Table 5)

表 5 某市城镇污水处理厂污泥重金属主成分矩阵和分析因子载荷矩阵 Table 5 Principal component matrix and analysis factor loading matrix for heavy metals from the sludge of sewage plants in a centain city 主成分 特征根 变量百分比/% 累计百分比/% 重金属 主成分 1 2 3 4 5 6 1 44.3 94.17 94.17 Cd 0.856 -0.917 0.493 0.230 -0.237 -0.161 2 1.45 3.09 97.26 Hg 0.717 -0.767 0.489 0.201 -0.185 -0.223 3 0.68 1.75 99.01 Pb 0.281 -0.804 -0.742 -0.728 0.021 -0.022 4 0.49 0.67 99.68 Cr 0.100 0.233 -0.665 0.871 -0.201 0.003 5 0.08 0.19 99.87 As 0.286 -0.835 0.286 0.359 -0.006 0.474 6 0.04 0.09 99.96 Cu 0.262 0.404 0.807 -0.347 -0.059 0.053 7 0.002 0.04 100 Zn -0.073 0.599 0.090 -0.105 0.005 -0.013 8 0.000 1 0 100 Ni 0.571 0.285 0.242 0.308 0.662 -0.109

表 5 某市城镇污水处理厂污泥重金属主成分矩阵和分析因子载荷矩阵 Table 5 Principal component matrix and analysis factor loading matrix for heavy metals from the sludge of sewage plants in a centain city

图 3

Fig. 3

图 3 某市城镇污水处理厂污泥中重金属主成分分析 Fig. 3 Principal component analysis of heavy metal concentrations from urban sewage plants in a centain City

在主成分分析中, 主成分2~4的贡献率很低, 分别为3.09%、1.75%和0.67%, 其整体载荷因子为Zn、Cu、Cr、Cd和Hg, 镀锌和镀铜管道的使用会造成Zn和Cu污染, 部分冶金行业也会造成Zn和Cu的污染, Cr主要来源于皮革制剂、鞣革和橡胶工业. 通过重金属含量分析可知, 部分工业过程如电镀行业和电池制造行业会造成Cd和Hg的污染, 因城镇污水处理厂会收纳一部分允许排放城镇污水收集系统的工业废水, 所以在重金属成分中会存在Cd和Hg的载荷因子.因此, 主成分2~4的整体主要来源可以解译为镀锌镀铜管道、皮革橡胶和电镀电池制造.结合图 3(b)可以看出, 26.1%的城镇污水处理厂污泥重金属受主成分2~4影响较大, 在所采集的样品中除了90%的城市生活污水外, 还含有少量可排入城镇污水收集系统的工业废水, 图 3(b)较离散的几个点是Zn、Cu、Cr和Hg超标的5家城镇污水处理厂.

污泥是污水处理中有机污染物的主要富集载体, 有机污染物含量差异大、种类繁多, 决定了污泥构成的复杂性^[28].其中, 矿物油来源于洗衣粉, 洗涤剂和农药乳化剂等制造废水中, 这也是导致污水处理厂矿物油超标的原因^[29], 从图 4(a)中可以看出, 49家污水处理厂污泥矿物油含量集中分布在58.0~398.0 mg·kg^-1之间, 占比为87.0%; 97.9%的污泥矿物油含量符合污泥农用A级和B级标准.

图 4

Fig. 4

图 4 污泥中矿物油、多环芳烃和挥发酚含量的频数分布 Fig. 4 Frequency distribution of mineral oil, PAHs and volatile phenol from urban sewage sludge

多环芳烃广泛分布于环境中, 任何有机物加工, 废弃、燃烧或使用的地方都有可能产生多环芳烃^[30], 污泥中的多环芳烃人为源主要来自于工业工艺生产过程和食品制作过程等方面^[31], 多环芳烃含量主要分布在0.10~0.81 mg·kg^-1之间[图 4(b)], 占比为87.9%; 挥发酚主要污染源为煤气洗涤、合成氨、造纸和木材防腐等^[18], 存在挥发酚污染的污水处理厂, 其含量主要在0.0~1.9 mg·kg^-1之间[图 4(c)], 占比为77.6%; 多环芳烃和挥发酚含量虽低, 但其累积会造成农作物的污染, 最终危害人体健康.

城市污泥是富含有机质和氮磷钾, 是营养比较丰富的有机肥原料, 可以维持植物正常生长所必须的元素, 同时还可以提高土壤的保水性能和保肥能力^[19].该市49家污水处理厂污泥营养成分含量频数分布如图 5所示, 其呈现正态分布.污水处理厂污水来源和污泥处理工艺的不同, 决定了不同污水处理厂污泥养分含量的不同, 但总体上污泥是一种富含有机质(平均为481 g·kg^-1)、高氮(平均为32.1 g·kg^-1)、高磷(平均为13.2 g·kg^-1)、低钾(平均为5.8 g·kg^-1)的有机肥, 呈现出“三高一低”的状况.该市49个污水处理厂污泥养分的平均值高于我国的城市污泥养分平均值(381 g·kg^-1), 污泥中的有机质含量与传统农家肥相比, 相当于纯猪粪有机质(713 g·kg^-1)、纯牛粪有机质(634 g·kg^-1)和纯鸡粪有机质(520 g·kg^-1)^[11]平均含量的67.4%、75.9%和92.5%, 氮磷钾含量与猪粪、鸡粪和牛粪氮磷钾含量相差不大.因此, 该市城镇污水处理厂污泥的农用具有一定的养分价值, 但农用是应充分调配好养分比例, 以防养分不均衡.

图 5

Fig. 5

图 5 污泥中有机质和氮磷钾含量的频数分布 Fig. 5 Frequency distribution of organic matter, nitrogen, phosphorus, and potassium content from urban sewage sludge

采用内梅罗综合指数评价法对该市49家污水处理厂污泥中重金属进行生态风险评价, 结果如表 6和图 6所示, 从中可以看出各种重金属生态污染指数大小顺序为：Cr＞Hg＞Zn＞Ni＞Pb＞As＞Cu＞Cd, Cr的污染指数最高, 为3.19, Cd污染指数最低, 为0.19.按照评价标准, 8种重金属中有4种污染水平为处于清洁; 由表 6可知, 8种重金属内梅罗综合污染指数为5.3, 内梅罗加权综合污染指数为19.1, 表明该市49家污水处理厂污泥在处理不当的条件下，其重金属含量总体上对环境存在着一定的风险.

表 6 (Table 6)

表 6 某市49家城镇污水处理厂污泥重金属平均生态风险等级1) Table 6 Average ecological risk level of heavy metals in the sludge from 49 sewage plants in a centain city 重金属 实测均值 土壤背景值/mg·kg-1 Pi 污染等级 Cd 0.5 0.145 0.19 Ⅰ级(清洁) Cr 118.5 31.1 3.19 Ⅴ级(重度污染) Hg 5.0 0.1 1.68 Ⅱ级(警戒限) As 16.8 7.81 0.45 Ⅰ级(清洁) Cu 121.0 19.7 0.37 Ⅰ级(清洁) Ni 39.7 27.9 0.71 Ⅱ级(警戒限) Pb 93.6 22.4 0.58 Ⅰ级(清洁) Zn 686.1 59.6 0.73 Ⅱ级(警戒限) 1)P为5.3, P′为19.1, 污染等级为Ⅴ级(重度污染)

表 6 某市49家城镇污水处理厂污泥重金属平均生态风险等级1) Table 6 Average ecological risk level of heavy metals in the sludge from 49 sewage plants in a centain city

图 6

Fig. 6

图 6 污泥生态风险和生态危害指数分布 Fig. 6 Distribution of ecological risk and potential ecological hazard indexes of urban sewage sludge

从表 7和图 6中还可以看出, 49个污泥样品中重金属污染等级处于轻度污染(Ⅲ级)及以下的样品有29个, 处于中度污染等级的污泥样品有14个, 处于重度污染等级的样品有6个; 处于重金属中度污染等级的14个污泥样品中, 有12个污泥样品的最大污染贡献金属为Hg, 其余2个污泥样品的最大污染贡献金属分别为Pb和As; 处于重金属重度污染等级的6个污泥样品中, 有2个污泥样品的最大污染贡献金属为Hg, 其余4个污泥样品的最大污染贡献金属分别为Cu、Zn、Pb和Cr.综上可见, 重金属Hg、Cu、Zn、Cr、Cd和As对生态环境风险较大, 这与杨妍妍等^[1]的研究结果比较一致.因此, 在污泥农用于土壤前, 应加强对重金属的去除与治理, 降低其含量值, 尤其要重视对风险较大重金属的去除.

表 7 (Table 7)

表 7 不同评级等级样品数量和主要污染贡献重金属 Table 7 Sample numbers of different levels and the main pollution contribution of heavy metals 指标 内梅罗综合污染等级 Hakanson生态毒性等级 Ⅰ级 Ⅱ级 Ⅲ级 Ⅳ级 Ⅴ级 轻微 中等 强 很强 极强 样品数量 2 5 22 14 6 13 34 2 0 0 污染贡献重金属 — — — Hg、Pb和As Hg、Cu、Zn、Pb和Cr — Hg、Cd和As Hg和Cr — —

表 7 不同评级等级样品数量和主要污染贡献重金属 Table 7 Sample numbers of different levels and the main pollution contribution of heavy metals

采用Hakanson潜在生态危害指数评价法对该市49家污水处理厂污泥中重金属进行评价, 结果如表 8所示, 各种重金属潜在生态危害等级大小顺序为：Hg＞Cr＞Cd＞As＞Pb＞Cu＞Ni＞Zn, 其中, Hg金属潜在危害最大, 为中等生态危害, 其他7种金属均为轻微生态危害.所有污水处理厂的复合潜在生态危害指数(RI和RI′)为89.6和240.4, 显示污泥危害程度为中等.从表 7和图 6污泥中重金属生态毒性等级分布图中还可以看出, 所有污泥样品中重金属污染等级处于中等生态危害及以下的样品有47个, 最大污染贡献金属分别为Hg、Cd和As, 处于强生态危害的样品均为2个, 最大污染贡献金属分别为Hg、Cr和Cu.由上可见, 处于生态危害顶层的重金属仍然主要为Hg、Cd、Cr和As, 说明该市污水处理厂污泥中重金属, 尤其是Hg、Cd和As等致癌重金属的控制应引起足够重视. 由此可见, 部分污水处理厂污泥虽然符合污泥农用标准, 但是综合生态风险评价表明其农用会对环境造成一定的生态风险, 应合理选择其他资源化方式, 如焚烧或水泥窑协同处置.

表 8 (Table 8)

表 8 某市城镇污水处理厂污泥重金属平均潜在生态危害等级1) Table 8 Average potential ecological hazard levels of heavy metals in the sludge from urban sewage plants in a centain city 重金属 Tri Eri 潜在生态危害程度 Cd 30 5.7 轻微 Cr 2 6.4 轻微 Hg 40 66.1 中等 As 10 4.6 轻微 Cu 5 1.9 轻微 Ni 2 1.4 轻微 Pb 5 3.0 轻微 Zn 1 0.7 轻微 1)RI为89.6, RI′为240.4, 潜在生态危害程度为中等程度

表 8 某市城镇污水处理厂污泥重金属平均潜在生态危害等级1) Table 8 Average potential ecological hazard levels of heavy metals in the sludge from urban sewage plants in a centain city

在符合《农用污泥污染物控制标准(GB 4284-2018)》A级的9家污水处理厂中, 有1家污水处理厂污泥属于重度污染和强生态危害, 符合B级的35家污水处理厂中, 有3家污水处理厂污泥属于重度污染和强生态危害, 因此, 部分污水处理厂污泥虽然符合污泥农用标准, 但是综合生态风险评价表明其农用会对环境造成一定的生态风险, 应合理选择污泥资源化方式.

(1) 某市49家城镇污水处理厂污泥中重金属含量高低为: Zn＞Cu＞Cr＞Pb＞Ni＞As＞Hg＞Cd, 且Cd、Pb、Hg、Ni和As为重金属来源第一主成分(生活清洁和医疗)的主要载荷因素; 其中, 90%的污水厂污泥符合污泥农用标准A级和B级.

(2) 污泥中矿物油、挥发酚和多环芳烃频数分布最集中的含量值分别为58.0~398.0、0.0~1.9和0.1~0.81 mg·kg^-1, 矿物油和多环芳烃超标的城镇污水处理厂数量分别为1家和2家; 所有污水处理厂污泥农用具有一定的养分价值, 且其有机质平均含量相当于传统农家肥的67.4%~92.5%, 氮磷钾含量与传统农家肥氮磷钾含量相差不大.

(3) 内梅罗指数和Hakanson生态危害指数显示，该市城镇污水处理厂污泥农用时存在一定的生态风险，污泥农用前应结合生态风险评价，合理选择其他污泥资源化方式，如焚烧或水泥窑协同处置，避免对环境造成破坏.