开封县污水处理厂污泥资源化利用的潜在生态风险分析 6页

2016年5月化学研究312第27卷第3期CHEMICALRESEARCHhttp：／／hxya．cbpt．cnki．net开封县污水处理厂污泥资源化利用的潜在生态风险分析贡恩伟，曹红霞，左桂云。，赵梦梦，王春艳。，代胜强。，喻叶。，种瑞峰，张凌¨(1．河南大学化学化工学院，环境与分析科学研究所，河南开封4750042．开封大学化学工程学院，河南开封475004；3．河南大学民生学院，河南开封475004)摘要：以开封县污水处理厂污泥为实验材料，分析了污泥基本理化性质和Cu、Pb、Cr、As、Ni、Zn、Mn等元素的含量，利用BCR提取法研究其存在形态特征，并利用潜在生态危害指数法(RI)，对污泥中重金属农用可能带来的潜在风险进行了综合性评价．结果表明，污泥的基本理化性质满足CJ／T309—2009农用泥质标准，污泥中所测元素含量均符合国家农用控制标准(GB18918—2002)，但Zn、Cu、Cr、As、Mn含量高于开封市潮土背景值．污泥中Mn主要以酸溶态和可还原态形式存在，Zn主要以可还原态形式存在，Ni在5种形态的分布差异不大，Cu、Pb主要以有机物结合态形式存在．单因子指数、内梅罗综合污染指数、地累积指数法对供试污泥样品的评价结果均为重污染水平，潜在生态危害指数48．92，属低风险水平．关键词：污泥重金属；形态分布；农业利用；污染评价中图分类号：X705文献标志码：A文章编号：1008—1011(2016)O3—0312一O6AssessmentofsludgeutilizationonpotentialecologicalriskfromthewastewatertreatmentplantsinKaifengcountyGONGEnwei，CAOHongxia，ZUOGuiyun。，ZHAOMengmeng，WANGChunyan。，DAIShengqiang。，YUYe。，CHONGRuifeng¨，ZHANGLing(1．InstituteofEnvironmentalandAnalyticalSciences，CollegeofChemistryandChemicalEngineering，HenanUniversityKai如ng475004Henan．China2．CollegeofChemistryandChemicalEngineering．Kat&ngUniversity．Kaifeng475004，Henan，China；3．CollegeofMinsheng，HenanUniversity，Kaifeng475004，Henan，China)Abstract：Inthepresentwork，thephysico—chemicalpropertiesandthecontentsofheavymetalelements，suchasCu，Pb，Cr，As，Ni，ZnandMn，etc．，inthesewagesludgefromwastewatertreatmentplantsinKaifengCountywereanalyzed．ThechemicalstatesofthesemetalswereinvestigatedusingBCRSmethod，andpotentialecologicalriskindex(RI)wasusedtoevaluatethepotentialriskofthesemetalsinsludgeforagriculturaluse．Theresultsshowedthatthephysico—chemicalpropertiesofsewagesludgemettherequirementofStandardsforAgricultura1Use(CJ／T309—2009)．A1ltheheavymetalsconcentrationsreachedtherequire—mentoftheDischargeStandardofPollutantsforMunicipalWastewaterTreatmentPlant(GB18918—2002)．However，likeZn、Cu、Cr、AsandMn，theircontentsweremuchhigherthanthebackgroundvaluesofKaifengsoils．Inthesludge，Mnexistedinmainlyacidsolubleandre—ducedforms，Znwasinreducedstates，andNiwasdistributedinfivechemicalforms。Cuand收稿日期2016—01—26．基金项目河南省科技攻关重点项目(1221O231O5oo)，河南省教育厅科学技术研究重点项目(14B610013)．作者简介贡恩伟(1988一)，男，硕士生，主要研究方向为固体废弃物资源化．通讯联系人，E—mail：rfehong@henu．edu．en；henu—zhangling@163．corn．IN)I：10．14002／j．hxya．2016．03．008f化学研究。2016，27(3)：312—317\n第3期贡恩伟等：开封县污水处理厂污泥资源化利用的潜在生态风险分析313Pbexistedinmetallo—organicforms．Theresearchassessedthesludgebysinglefactorindex，nemerowindexmethodandindexofgeo—accumulationbelongedtoseriouscontamination，andthepotentialenvironmenta1comprehensiveriskindexofsludgeis48．92。whichbelongedtoalowriskwhenappliedinagriculture．Keywords：sludgeheavymetals；fractionaldistribution；agriculturalapplication；pollutionas—sessment截至2014年底，我国城镇污水处理能力已达到评价某一个污染物的污染程度，也是国内外普遍采1．57亿m。／d，由此带来的城市污泥产量超过3500用的方法之一-16]，内梅罗综合污染指数法"是对万吨／年(含水率80)r1]．土地利用是一种经济有污泥中重金属的综合污染程度进行评价，其计算公效的污泥资源化方法]，但是污水中原有的有机物、式分别为：有害微生物以及重金属等，经过污水处理后大多数P—C／s(1)仍残留在污泥中，若处置不当将会产生二次污(2)染[3]．《水污染防治行动计划》明确要求：污水处理设施产生的污泥应进行稳定化、无害化和资源化处公式(1)中，P指某一金属污染物的污染指数；C指理处置，地级及以上城市污泥无害化处理处置率应某一金属污染物的实测浓度mg·kg_。；S指某一于2020年底前达到9O％以上r6]．因此，国内外许多金属污染物的环境背景值mg·kg[1。；公式(2)科研工作者相继开展了城市污泥中重金属营养元素中，P为内梅罗综合污染指数；P⋯指某单因子指分析]、重金属含量和重金属形态分布分析[9。。、数最大值；P指某单因子指数算术平均值．重金属在环境中的迁移转化等探索研究r1卜]，以确1．3．2潜在生态风险评估法保土地利用的安全性_1．本工作是在前期探讨开封Muller_1提出的地累积指数法(Indexofgeo—市东区和西区污水处理厂污泥资源化的基础accumuation，)和Hakanson[2叩提出的潜在生态上，对开封县污水处理厂污泥进行分析研究，评风险指数法(RI)是国际上常用的评价重金属影响价污泥农用潜在生态风险，以期为开封县污水处理的先进方法．和RI计算公式如下：厂污泥资源化提供基础数据．I一log2(C／k·B)(3)E；一T；(C／B)(4)1实验部分Rj一∑Ei(5)1．1污泥样品式(3)中，为地累积指数；C为样品的实测浓度污泥取自开封县污水处理厂脱水机出泥口．多(mg·kg-1)，本评价中的C为各金属T、T、T。日、多点取样后将样品进行混合，置于阴凉、通风处和T四种形态之和；k为背景值变动系数(常取自然风干，再用玛瑙研钵研磨样品，过200目尼龙1．5)；B为评价元素的背景值(mg·kg)．开封市筛，用四分法取样保存于密封袋中标号备用．潮土面积最大且分布最广，其面积占市郊土壤总面1．2样品消解、形态特征试验及重金属含量分析积的97．91，本工作采用黄河下游潮土区土壤元素称取0．2O00g上述样品于微波消解罐中，按背景值_2；公式(4)中，E；为某一金属带来的潜在生程序升温的微波消解方法消解]，用修正的BCR态风险因子；T为单个污染物的毒性响应参数，RI法进行形态特征分布提取[1引，该法将污泥中的重指多种重金属综合潜在生态风险指数．金属形态分为水溶态(T)、酸溶态(T。)、可还原态(铁锰氧化物结合态，T。)、可氧化态(有机结2结果与讨论合态，T)和残渣态(T)五种．用ICP—AES测定2．1污泥农用价值分析重金属元素含量．依据《城市污水处理厂污泥检验方法》(CJ／1．3重金属污染评价方法T362—2011)中监测分析方法]，测定了城市污泥1．3．1单因子指数法和内梅罗综合污染指数法中的含水率、pH值、有机质、总氮和总磷，实验结果单因子指数法是利用实测数据和标准对比，来见表1．DOI：10．14002／j．hxya．2016．03．008『化学研究。2016，27(3)：312—317\n314化学研究表1污泥样品的理化指标Table1Physiochemicalcharactesticsofsewagesludge注：①数据引自文献L22J；表中结果为平行6份样品平均值．由表1中实验结果可知，该污泥中氮、磷、钾的溶态和可还原态均占有一定的比例，因酸溶态受含量都在全国污泥统计平均值范围内；pH满足农pH值影响较大，pH值变小时易重新溶出进入到环用泥质标准_2，有机质含量远高于全国平均值．从境中．Cr在污泥中五种形态含量依次是：0．18、表1中理化数据可断定，污泥有很大的农用潜力．0．51、0．96、9．53、88．82，主要以残渣态形式2．2污泥中重金属含量特征存在．As主要以残渣态的状态存在，比例达到按1．2的实验方法平行测定6次，所得结果及标87．31，表明在自然条件下对环境的生态风险较准偏差(RSD)见表2．表2中Fe、Ba金属含量较低．污泥中Ni主要分布在水溶态，其他四种状态分高，但污泥农用并未做要求，其他重金属浓度从高到布较为均匀，它的富集受污泥的吸附、有机物螯合等低分别为Zn>Mn>Cr>Cu>As>Ni>Pb，并且低复杂物理化学作用的影响[1I．污泥中Zn以可氧化于农用泥质标准，但Cu、Cr、As、Zn、Mn的含量均明态和可还原态为主，分别达到40．34、42．29％，这显高于开封市潮土背景值，Mn(1387．5mg／kg)含与Zn在与铁锰化合物络合时络合能力较强有关；量远远超过全国耕地土壤背景值和开封市潮土背景可氧化态容易随着土壤环境的改变而进入环境中，值，这为污泥的资源化利用可能会带来一定的风险．有较大的生物潜在危害性．污泥中Mn以酸溶态和2．3污泥中重金的形态特征可还原态为主，分别占到了44．2和37．68；当环用修正的BCR法进行形态提取，得到该样品污境pH变化时，具有一定的环境风险．Ba的形态分泥中重金属形态分布(图1)．由图1可知，污泥中布为残渣态>可还原态>可氧化态>酸溶态>水溶Cu以可氧化态和残渣态为主，分别达到49．52、态，其中残渣态占77．88，对环境的危害较小．Fe47．37，其他三种形态分布均匀；Cu在污泥中可氧以残渣态为主，达到83．5，不会对环境带来危害．化态的比例较高，在氧化条件下易被降解，从而使重由上述分析可知，Cu、Pb、Zn、Ni和Mn的生物潜在金属Cu从污泥中被释放出来，具有一定的潜在环性较大，污泥农用时可能会带来一定的风险．境危害．Pb在污泥中的水溶态、酸溶态、可还原态、2．4重金属生态风险评价可氧化态、残渣态的分布比例分别为：5．15、表3为开封县污泥中重金属单因子指数(P)、5．36、8．32、22．53、58．64，主要以可氧化态内梅罗综合污染指数(P)、地累积指数()以及潜和残渣态为主；由于Pb本身毒性较大，水溶态、酸在生态风险指数(R工)评价结果．表2污泥样品中重金属含量国家标准限值0国内城市开封市平均值金属／Rs。／(mg·kg)污泥均值③潮土均值④(m,kg)gpH<6．5pH≥6．5／(mg·kg)／(mg·kg)Cu83．250．O61800150048624．1Pb16．250．018300100013121．9Cr129．1750．093600100018553．6Cd————5202．97／As57．1750．099757516．112．9Ni19．1750．02110020077．529．6Zn1508．51．3220004000145071．1Mn1387．50．92／／／600Ba20233．5／／／Fe159551．2／／／注：②《城镇污水处理厂污泥处置农用泥质》污染物浓度限值GB／24600—2009；③数据引自文献[22]；④数据引自文献E18]；“／”表示缺少相关数据；“”表示未检出．DOI：10．14002／j．hxya．2016．03．008l化学研究，2016，27(3)：312—317\n第3期／a嚣釜o贡恩伟等：蒜开／封。钧县暑污；水(1处理厂污泥资源化利用的潜在生态风险分析315／。蛩ll彗，。暑mI莹20。。。T1T2T3T4T5Zn4。鋈30萤C：。ll。OT1T2T3I"4T5Mn图1污泥中重金属形态分布Fig．1Percentageconcentrationofheavymetalfractionsinsludge表3污泥中重金属污染评价Table3Assessmentofecologicalrisksofheavymetalsinsewagesludge由表3中重金属单项污染指数可知，Pb、As、0．67，介于0～1之间，为1级，对应的污染为轻污Cr、Ni的P值均小于0．7，污染等级为安全；Cu的染；Zn的Igeo值为4．63，介于4～5之间时，为5级，P值为1．58，介于1～2之间，属于轻度污染；Mn的对应的污染为重污染．P值为2．38，介于3～4之间，属于中度污染；Zn的潜在生态风险等级分类标准级别为：E：<4O，P值大于3，属于重度污染；综合污染指数P为RIll50为低风险；E；介于4O～80，RI介于150～26．58，属于重污染水平．300时为中等风险；E；介于80～160，RI介于300～地累积指数与污染程度之间的关系为数值600为较高风险；E；介于160～320，RI介于600～越大，潜在生态风险等级越高，污染程度越严重L1。。．1200时为高风险；当E；≥320，RI≥1200时为极高由表3中地累积指数Pb、As、Ni、Cr的工值均小风险．表3中7种重金属元素的潜在风险指数于0，为无污染；Cu和Mn的值分别为0．O8和E；值均小于4O，属于低风险水平；重金属污染的复DOI：10．14002／j．hxya．2016．03．008l化学研究。2016，27(3)：312—317\n316化学研究2016正ment／waste／sludge／pdf／partiiireport．pdf．合生态危害指数RI为48．92，远远小于120，处于低—危害水平．E42GUERRAP，AHUMADAI，CARRASCOA．EffectsofbiosoildincorporationtOmollisolsoilsonCr，Cu，单因子指数、内梅罗综合污染指数、地累积指数Ni，Pb。andZnfractionationandrelationshipwiththeir法对供试污泥样品的评价结果类似，均为重污染水bio—availability[J]．Chemosphere，2007，68(11)：2021平，但潜在生态风险指数评价结果却有所不同，这是—2O27．由于潜在生态风险指数法引入了生态毒性系数T，[5]MCBRIDEMB．Toxicmetalsinsewagesludgeon浓度较高的Mn、Zn金属的毒性系数值均为1，所以amendedsoils：haspromotionofbeneficialusediscoun—评价结果偏低．潜在生态风险指数法引入了背景值tedtherisks[J]．AdvEnvironmRes，2003，8(1)：5—B和生态毒性系数T：，它将重金属的环境效应、生19．态效应和毒理学效应综合考虑，消除了重金属分布[62中华人民共和国环境保护部．水污染防治行动计划地带的差异[1，并评估人类活动对环境带来的影[EB／OL]．httpt||ww．mep．gov．cn／ztbd／rdzl／swrfzjh／响，保证了评价结果科学、准确、可靠．zxdt／2O15O5／t2O15O529—302577．htm．[7]李海燕，胡晓东，吴启航，等．广州城市污泥中重金属3结论的含量排放通量及农用风险评价EJ]．环境工程学报，2015，9(3)：1409—1416．(1)开封县污水处理厂污泥中氮、磷、钾的含量E8]苏萌，曹红霞，程小雪，等．不同消解方法分析污泥中都在全国污泥统计平均值范围内，有机质含量高于重金属含量的比较[J]．化学研究，2014，25(5)：492—平均值，污泥有很大的农用潜力．496．(2)污泥中所测元素均低于农用泥质标准，但[9]晋王强，南忠仁，王胜利，等．兰州市城市污水处理厂Cu、Cr、As、Mn含量明显高于开封市潮土背景值，污泥中重金属形态分布特征与潜在生态风险评价[J]．Zn含量高于潮土背景值200多倍，Mn(1387．5农业环境科学学报，2010，29(6)：1211—1216．mg／kg)含量远远超过全国耕地土壤中背景值和开[1O]涂剑成，赵庆良，杨倩倩．东北地区城市污水处理厂污封市潮土背景值，因此，污泥农用时可能带来一定的泥中重金属的形态分布及其潜在生态风险评价[J]．环生态风险．境科学学报，2012，32(3)：689—695．(3)改进的BCR法提取实验结果表明，污泥中[112刘敬勇，孙水裕，许燕滨，等．广州城市污泥中重金属Cr、As、Fe和Ba主要以残渣态为主，Cu、Pb可氧化的存在特征及其农用生态风险评价[J]．环境科学学报，2009，29(12)：2545—2556．态占较大比例，Zn以可还原态为主，Ni广泛分布于[12]ANTHEMIDISAN，IOANNOUKI．Developmentof各个形态，Mn以酸溶态和可还原态为主．因此，形asequentialinjectiondispersiveliquid—liquidmicroex—态分布表明Mn、Zn、Ni、Cu和Pb的生物潜在性较tractionsystemforelectrothermalatomicabsorption大，污泥农用时可能会带来一定的风险．spectrometrybyusingahydrophobicsorbentmaterial：(4)单因子指数、内梅罗综合污染指数、地累积Determinationofleadandcadmiuminnaturalwaters指数法对供试污泥样品的评价结果均为重污染水[阳．AnalyticaChimicaActa，2010，668(1)：35—40．平，潜在生态危害指数法评价结果为低危害水平．[13]张灿，陈虹，余忆玄，等．我国沿海地区城镇污水处理厂污泥重金属污染状况及其处置分析[J]．环境科学，参考文献：2013，34(4)：1345—1350．E12中华人民共和国住房和城乡建设部．住房城乡建设部关[14]苏萌．开封市污水处理厂污泥中重金属分析及改性污于全国城镇污水处理设施2o14年第四季度建设和运行泥吸附Cr(VI)研究[D]．开封：河南大学，2014：16—情况的通报[EB／OL]．http：／／www．mohurd．gov．cn／25．zcfg／jsbwj[15]FERNANDEZA，PEREZBC，FERNANDEZGE，et—O／jsbwjcsjs／2O15O2／t2015O2l7—220335．ht—m1．a1．ComparisonbetweensequentialextraetionproceduresE2]韦小颖，郭朝晖，肖细元，等．污泥中重金属的环境活andsingleextraetionsformetalpartitioninginsewages性及生态风险评估[J]．水土保持通报，2012，32(4)：ludgesamples[J]．Analyst，2000，125：1353—1357．203——208．[16]陈怀满．环境土壤学[M]．北京：科学出版社，2005：E33MilieuLtd．，WRe，RPAfortheEuropeanCommission．522—523．EconomicandSocialImpactsoftheUseofSewage[17]LIW，ZHANGX，wuB，eta1．Acomparativeanaly—SludgeonLand，FinalReport，Partiii：ProjectInterimsisofenvironmentqualityassessmentmethodsforheavyReports[R／OL]．2010http：／／ec．europa．eu／environ—metal—contaminatedsoils[J]．Pedosphers，2008，18DOI：10．14002／j．hxya．2016．03．008I化学研究，2016，27(3)：312—317\n第3期贡恩伟等：开封县污水处理厂污泥资源化利用的潜在生态风险分析317(3)：344—352．出版社，2011．[18]杜平，马建华，韩晋仙．开封市化肥河污灌区土壤重金E22]杨军，郭广慧，陈同斌，等．中国城市污泥的重金属含属潜在生态风险评价EJ1．地球与环境，2009，37(4)：量及其变化趋势[J]．中国给水排水，2009，25(13)：122436—440．—124．[19]FORSTNERU．Lecturenotesinearthsciences(con—[23]中华人民共和国住房和城乡建设部．城市污水处理厂taminatedsediments)[M]．Belin：SpringerVerlag，污泥检验方法CJ／T362-2011Esq．北京：中国标准出版1989：107—109．社，2009．[2O]HANKINSONL．AnecologicalriskindexforaquaticE24]范拴喜，甘卓亭，李美娟，等．土壤重金属污染评价方pollutioncontrol：asedimentologicalapproach／-J]．Wa—法进展EJ]．中国农学通报，2010，26(7)：31O一315．terRes，1980，14：975一i001．[责任编辑：吴文鹏][21]中华人民共和国住房和城乡建设部．城镇污水处理厂污泥处置一农用泥质CJ／T3O9—2009[s]．北京：中国标准DOI：10．14002／j．hxya．2016．03．008I化学研究。2016，27(3)：312—317