中国农业信息杂志污泥中重金属Cd和Pb的形态分析

　　中国农业信息杂志（月刊）由农业部主管，中国农学会农业信息分会、中国农业科学院农业资源与农业区划研究所共同主办，是我国目前全方位登载国内外农业产前、产中、产后信息，面向国内外公开发行的国家级期刊，报道的范围是：国内外农村科技研究与生产技术动态，如新成果、新理论、新经验、新技术、新工艺、新产品。
　　摘要：分析了新疆喀什市污水处理厂污泥的基本性质、污泥中重金属Cd和Pb的含量及形态，并利用地累积指数(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，该污泥有良好的农用价值。但是污泥中Cd的总量为5.48 mg/kg，此结果超过中国农用污泥中重金属的控制标准(酸性土壤中)，主要形态为残渣态和可交换态，分别占44.34%和23.18%，生物可利用态含量较高，易被植物吸收利用，所以农用具有较大的风险。Pb含量在我国农用污泥中重金属的控制标准范围内，存在形态主要为残渣态，占82.64%，在污泥中较稳定;地累积指数法和内梅罗单项指数法的评估结果表明，污泥农用对土壤环境存在严重的潜在生态风险。

　　关键词：污泥,重金属,化学形态,内梅罗指数,地累积指数

　　DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.05.012

　　Abstract： The basic properties， total contents and speciation of heavy metals Cd & Pb in sewage sludge from kashgar sewage plant were analyzed. The potential ecological risk of heavy metals for sludge land application was evaluated by geo-accumulation pollution index (Igeo) and Nemerow .index method(PI). The results showed that the sludge was organic fertilizer with good value for farmland. The total content of Cd was 5.48 mg/kg， above the Chinese sewage sludge criteria for agricultural use. The main speciation was residual and exchangeable form， accounting for 44.34% and 23.18%， respectively. The proportion of bioavailable forms of Cd can be easily absorbed by plants. Appropriate treatment should be carried out before using in farmland. The total content of Pb was less than the Chinese sewage sludge criteria for agricultural use and its main speciation was residual form accounting for 82.64%. The results of Nemerow and geo-accumulation pollution index showed that heavy metals in sewage sludge caused serious ecological risk when they were directly utilized as fertilizer.

　　Key words： sludge; heavy metal; chemical fractions; Nemerow pollution index; geo-accumulation pollution index

　　随着中国污水处理量的不断增加，处理过程中产生的剩余污泥也急剧增加。大量产生的污泥若处置不当将会引起严重的环境污染问题[1]。污泥中含有大量的有机物和氮、磷、钾等植物所需的营养物质，因此，污泥的农用成为目前比较理想的一种污泥处置方法[2]。但是污泥中也含有大量的重金属等污染物质，这些重金属由于具有毒性大、难降解、潜伏期长及容易富集等特点成为限制污泥农用的一个主要因素[3]。因此，在污泥农用之前需掌握污泥中重金属的环境行为信息并对其潜在风险进行评估[4]。重金属在环境中的行为不仅与含量有关，更大程度上取决于其存在形态[5]。重金属的不同形态表现出不同的生物毒性和环境行为。不稳定态重金属在环境中易迁移转化，存在一定的潜在生态风险，所以在污泥土地利用之前对重金属污染进行评价显得尤为重要。

　　目前，对于中国东南部等经济发达城市污水处理厂污泥的处理，污泥中重金属的形态分布及其对植物的毒性效应或富集效应研究较多[6，7]，而对于西部经济欠发达城市污水处理厂污泥中重金属元素的相关研究较少，针对新疆喀什市污泥重金属形态研究方面的内容鲜有报道。

　　基于以上分析，本研究选择新疆喀什市污水处理厂的污泥为研究对象，采用Tessier连续五步提取法和地累积指数法、内梅罗综合污染指数法研究了喀什市城市污水处理厂污泥的理化性状和污泥中重金属的形态分布特征，并对其进行了潜在生态风险评价，为该厂污泥的合理处置及资源化利用提供科学依据。

　　1 材料与方法

　　1.1 样品采集

　　试验污泥取自新疆喀什市污水处理厂脱水后污泥(春季)。污泥带回实验室经烘干、磨碎、过100目筛，入广口瓶备用。

　　1.2 试验方法

　　参照《城市污水处理厂污泥检验方法》[8]规定的方法对污泥基本性质进行分析;用火焰原子吸收光谱法测定[9]污泥重金属总量;采用Tessier等[10]五步提取法对污泥重金属进行形态分析。　　1.3 污泥中重金属潜在生态风险评估方法

　　1.3.1 地累积指数法地累积指数法是由德国学者Muller[11]于1969年提出的，现在已经广泛地被用于沉积物中重金属污染程度的定量指标，具体计算方法如下：

　　式中，Cn是重金属元素n在沉积物中的含量(mg/kg)，本文是采用各重金属可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化结合态、有机结合态4种形态之和;Bn是沉积物中该元素的地球化学背景值(mg/kg)，本研究采用中国土壤中重金属含量均值[12]。

　　1.3.2 内梅罗综合指数法内梅罗指数法常用于评估土壤中重金属污染程度[13]，首先根据公式(2)求出污泥样品中重金属元素的内梅罗单项污染指数，再根据公式(3)计算所有重金属的综合污染指数。

　　2 结果与分析

　　2.1 污泥的养分含量

　　城市污泥组分的含量与污水的来源及处理工艺等因素有关。喀什市污水处理厂污泥中营养元素的含量见表1。

　　由表1可以看出，喀什市污水处理厂剩余污泥的pH为6.79，呈弱酸性，这与中国其他城市污泥的pH范围(6.30～6.91)相近。污泥的含水率为62.69%，脱水效果较好。污泥中有机质和钾的含量较高，超过了全国污泥均值，氮和磷含量低于全国污泥均值，可能是由污水处理厂处理程度不同造成的，喀什市污水处理厂污水处理程度一般只达到二级处理，所以脱氮除磷效果不是很好。总的来说，从污泥的养分含量可知该厂污泥具有很好的农用价值。

　　2.2 污泥重金属含量及形态分布

　　由表2可以看出，喀什污水处理厂污泥中Cd的总量为5.48 mg/kg，Pb的总量为88.84 mg/kg。污泥中Cd的含量已经超过了中国酸性土壤中污泥农用标准(pH<6.5的土壤，Cd<5 mg/kg)，且毒性较强的铅的含量也不低，所以在农用前应该需要用一定的方法去除污泥中的重金属，使其满足国家污泥农用标准。

　　污泥中重金属的含量与污水来源密切相关。喀什污水处理厂污泥呈现出高Cd的特点，这与喀什周边的很多小型的塑料生产企业、金属加工企业和矿业产生的污水有关，这些企业规模小数量多，其污水基本都是排入下水道与喀什市生活污水混合一起汇入污水处理厂。此外，城市面源污染中的重金属随地表径流流入地下管网而进入污水处理厂也是其因素之一。

　　重金属的不同存在形态直接影响重金属的环境行为和生物毒性。水溶态和可交换态对环境条件的变化比较敏感，在环境中易迁移转化并被植物所吸收。碳酸盐结合态对pH敏感，pH升高会使游离态重金属形成碳酸盐共沉淀，pH下降时易重新释放出来进入环境中。铁锰氧化物结合态和硫化物及有机结合态重金属比较稳定，但在土壤环境条件发生变化时亦可被释放出来，为生物所吸收，铁锰氧化物结合态在还原条件下具有较高的生物有效性，而硫化物及有机结合态则在氧化条件下具有较高的生物有效性。残渣态一般性质稳定，在自然界正常条件下不易释放，能长期稳定在土壤中，不易为植物吸收。除了残渣态之外，其他几种形态的重金属都具有一定的生物有效性，被植物吸收。图1为污泥中重金属Cd和Pb的化学形态分布图。从表2和图1可知，Cd化学形态分布趋势为：残渣态>可交换态>碳酸盐结合态>铁锰氧化物结合态>硫化物及有机结合态。Cd的残渣态含量最高，占44.34%，残渣态较稳定，不易被植物吸收;其次是可交换态，占23.18%，可交换态为不稳定态，在环境中易于迁移，被植物吸收;碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态和硫化物及有机结合态含量较少，分别为13.87%、11.86%、6.75%，这些形态在土壤环境条件发生变化时可被释放出来被植物吸收。Pb的化学形态分布趋势为：残渣态>可交换态>铁锰氧化物结合态>碳酸盐结合态>硫化物及有机结合态。主要存在形态为残渣态，占82.64%，其次为可交换态，占5.93%，碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态和硫化物及有机结合态含量较少，分别占3.12%、5.21%和3.10%。

　　结合以上内容可知，Cd的生物有效态含量为55.66%，在总量中的比例较大，很容易被植物吸收从而通过食物链危害人体健康。Pb的生物有效态含量总体来说虽然只有17.36%，但是可交换态含量占到5.93%，而且Pb的毒性较大，随着在土壤中易积累，造成潜在危害。污泥中不稳定态比例较高是因为喀什污水处理厂的污泥未经消化处理直接脱水，污泥中重金属的活性较高，建议可以采用消化处理来降低重金属活性，提高污泥农用的价值。

　　2.4 污泥中重金属潜在生态风险评估

　　地累积指数一般可分为7个级别，内梅罗综合污染指数分为5级，内梅罗单项污染指数分级分为4级[13]，具体分级见表3。

　　本研究采用中国土壤中重金属含量均值[12]作为Bn，计算地累积指数、内梅罗单项污染指数和内梅罗综合污染指数，结果见表4和表5。

　　由表4可以看出，污泥中Pb的Igeo指数小于0，污染级别为0级，说明污泥中Pb对土壤环境无污染风险;污泥中Cd的含量远远超过土壤背景值，其Igeo指数较高，污染级别为4级，达到强度污染水平，潜在生态风险程度较高。

　　由表5中重金属的内梅罗单项污染指数可以看出，污泥中Pb的内梅罗单项污染指数的污染级别高于地累积指数，为1级低度污染，对环境有一定的潜在风险;污泥中Cd的内梅罗单项污染指数的污染级别与地累积指数相当，为4级严重污染，其潜在生态风险较高。由表5中重金属的内梅罗综合污染指数可以看出，污泥总体对土壤环境存在较严重的潜在生态风险，内梅罗综合污染指数在考虑各污染因子的平均污染状况的同时还考虑污染最严重的因子，能较好地反映污泥总体潜在生态风险。

　　由地累积指数、内梅罗单项污染指数和内梅罗综合污染指数可以看出，喀什污水处理厂剩余污泥中重金属Cd对土壤存在严重的潜在风险，其原因与附近排入污水处理厂的大量小型塑料、金属加工、采矿等行业污水有关。因此，既要控制含重金属废水的排放，还需要对施用于土壤中的污泥在施用之前降低重金属的含量，尤其是污泥中Cd的含量。　　3 结论与建议

　　1)喀什市污水处理厂污泥中含有大量的营养物质，有很好的农用价值;但是污泥中重金属Cd的总量较高，超过了中国酸性土壤农用标准。Pb的含量在农用标准范围之内。

　　2)污泥中重金属Pb和Cd的形态分布主要以残渣态和可交换态为主，尤其是Cd的可交换态含量较高，占23.18%，生物可利用态含量较高，易被植物吸收利用，所以农用具有较大的风险。建议该厂采用消化的方法降低污泥中重金属的活性，以减少生物有效态的比例。

　　3)地累积指数法和内梅罗指数法的评价结果表明，污泥中Cd的潜在生态风险较高，达到4级污染，对农用地的风险较大，在农用前应进行稳定化处理或者去除。

　　参考文献：

　　[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部.关于全国城镇污水处理设施2011年第一季度建设和运行情况的通报[OL].http：∥www.mohurd.gov.cn，2011-07-18.

　　[2] 刘辉，刘月娥，庞桂林，等.城市污泥重金属含量分析及稳定化研究[J].环境科学与技术，2012，35(6)：114-117.

　　[3] 刘敬勇，孙水裕，许燕滨，等.广州城市污泥中重金属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.

　　[4] 涂剑成，赵庆良，杨倩倩.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，2012，32(3)：689-695.

　　[5] 陈贻龙，汪传新，牛樱，等.广州市城市污水处理厂污泥处理处置初步研究[J].中国市政工程，2007(1)：38.

　　[6] 李晓晨.城市污水处理过程中重金属形态分布及潜在迁移性研究[D].南京：河海大学，2006.

　　[7] 陈茂林，胡忻，王超.我国部分城市污泥中重金属元素形态的研究[J].农业环境科学学报，2004，23(6)：1102-1105.