北京市污水处理厂污泥重金属污染特征和生态风险评价孟国欣

生态环境学报2017,26(9):[e-mail]北京城市污水处理厂污泥与园林绿化剩余物协同利用关键技术研发与示范项目（Z151100002115006）孟国欣（1991年生），女，硕士研究生，主要从事土壤重金属研究。E-mail:[e-mail]*通信作者。E-mail:[e-mail]2017-07-09孟国欣1，查同刚1*，张晓霞1，刘峥1，苏光瑞21.北京林业大学水土保持学院//北京市水土保持工程技术研究中心，北京100083；2.北京圣海林生态环境科技股份有限公司，北京100083通过连续采集法获得北京市4家污水处理厂脱水污泥样品（标记为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ），经微波消解后采用电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-AES）检测了Zn、Cu、Pb、Cr、Cd、Ni、As、Hg的含量，利用BCR连续提取分析法分析污泥中重金属赋存形态，并采用不同污染指数评价了污泥中重金属污染程度和潜在生态风险，为研究北京市污泥污染特征研究提供基础资料。结果表明，（1）北京市4家污水处理厂重金属含量差异显著（P0.05），Cu、Ni、As平均含量分别超过全国城市污泥均值的7.2%、71.9%、7.4%。（2）重金属形态分析表明，Zn、Cd以可提取态为主，分别为56.8%~63.7%和81.3%~85.7%；Cu、Pb以可还原态为主，分别为54.6%~70.2%和63.9%~79.1%；Cr、Ni、As主要以残渣态形式存在，分别为53.4%~71.8%、33.4%~51.3%和49.3%~67.4%。（3）各重金属单因子污染指数大小为ZnCuNiCdPbAsCr，各污水处理厂污泥的内梅罗综合指数依次为ⅣⅡⅠⅢ，分别达到中、中、轻、重污染水平。（4）重金属单因子潜在生态风险指数表现为：CuCdNiZnPbAsCr，各污水处理厂污泥的综合因子潜在生态风险指数大小为ⅣⅡⅢⅠ，均处于低生态风险水平。污泥重金属；形态分布；单因子污染指数；内梅罗综合污染指数；潜在生态风险指数DOI:10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.09.016X132;X820.4A1674-5906（2017）09-1570-07孟国欣,查同刚,张晓霞,刘峥,苏光瑞.2017.北京市污水处理厂污泥重金属污染特征和生态风险评价[J].生态环境学报,26(9):1570-1576.MENGGuoxin,ZHATonggang,ZHANGXiaoxia,LIUZheng,SUGuangrui.2017.HeavymetalpollutioncharacteristicsandecologicalriskassessmentofthesludgefromwastewatertreatmentplantsinBeijing[J].EcologyandEnvironmentalSciences,26(9):1570-1576.污泥主要由多种细菌菌体、有机残片、无机颗粒和胶体组成（王绍文等，2007），是污水处理过程中的必然产物。随着中国城镇污水处理率的不断提高，污泥产量急剧增加，污泥处置问题日益突出（席欣欣等，2011；夏克非等，2010）。得不到及时处理的污泥不断累积而占用大量土地，污泥含有各种重金属和有机污染物等毒害物质可造成二次污染，而且有机质和养分元素的流失也引起资源浪费（Listeretal.，2001）。污泥农用作为一种污泥处置新方法具有重要前景，备受科学家的关注（张灿等，2013；姚金铃等，2010；Caietal.，2007）。污泥土地利用的主要限制因素是其重金属含量较高（边伟，2009），进入土壤环境不容易被生物分解，一旦进入食物链富集将会给人类健康造成威胁。重金属毒性作用的轻重程度与重金属的种类、含量和赋存形态有关（郭鹏然等，2014；宋琳琳等，2012；李如忠等，2013）。因此，污泥中重金属含量和形态特征及其潜在风险应该引起高度重视（郭鹏然等，2014；Sundarayetal.，2011）。污泥重金属分析和评价有利于客观、真实地了解污泥的污染特征和污染程度，为污泥的二次利用提供科学依据。选择合理的评价方法对真实反映污泥污染程度至关重要（郭笑笑等，2011）。内梅罗综合污染指数、潜在生态风险指数等指数法因其形式简单、易懂、易学、易操作等特点成为目前评价土壤重金属污染的优选方法（方晓波等，2015；郭笑笑等，2011）。内梅罗综合指数一方面考虑各种重金属元素的平均污染水平，另一方面强调了污染昀严重的因子，克服了各种污染水平平均分担的缺陷，能较好地反映污泥重金属污染水平。涂剑成等（2012）研究东北地区城市污水厂污泥污染情况，污泥中单项污染物潜在的生态风险评估结果表明，Cr和Ni的内梅罗单项污染指数所对应的污染程度与地累积指数相当，而Cu、Zn、Mn对应的污染程孟国欣等：北京市污水处理厂污泥重金属污染特征和生态风险评价1571度高于地累积指数。潜在生态风险指数引入了重金属毒性系数，将重金属的生态效应、环境效应与毒理学联系在一起，使评价体系更侧重于毒理方面。张凌等（2016）采用地累积指数法和潜在生态危害指数法评价了开封市污泥重金属污染程度，两种评价方法所得结果略有不同。刘亚纳等（2017）采用地累积指数法和潜在生态危害指数法评价了洛阳市污泥重金属污染程度，地累积指数法评价结果污染程度稍大于生态危害指数法污染程度。邓炳波等（2015）采用内梅罗综合污染指数和潜在生态风险指数评价了合肥市污水处理厂污泥污染水平，2种评价方法对供试污泥样品的综合评价结果近似，但不同评价方法对单个重金属的评价有所不同。陈同斌等（2003）对中国城市污泥的研究结果显示，中国城市污泥中的重金属含量普遍低于英美等发达国家，其中，Zn是含量昀高的重金属元素，其次是Cu，再次是Cr，而毒性较大的元素Hg、Cd、As含量往往较低。郭广慧等（2014）研究表明，与2006年城市污泥重金属含量相比，2013年中国城市污泥重金属Cu、Pb、Zn、Cd、Hg、As、Cr和Ni含量均呈下降趋势。为了掌握和评估北京市污水厂污泥重金属含量、污染特征、潜在生态风险，本研究以北京市4家污水处理厂产生的脱水污泥为研究对象，通过对比污泥相关标准来确定北京市污泥中重金属污染程度，采用BCR连续提取法对重金属4种形态进行分析，以期为研究北京市污泥中重金属污染现状、潜在生态风险和探讨污泥处理处置方法提供基础资料。采集北京市4家污水处理厂脱水污泥样品（标记为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ）。Ⅰ号污水处理厂占地面积4.80hm2，工程总规模1.20×105m3·d-1，处理工艺采用延时曝气的奥贝尔氧化沟工艺，具有生物除磷脱氮功能。Ⅱ号污水处理厂中心总占地面积8.00hm2，一期处理规模5.4×104m3·d-1，污水处理方法为二级生物处理，采用氧化沟活性污泥法工艺。Ⅲ号污水处理厂承担着13.8km2地区的污水收集与治理任务，服务人口11.8万，一期工程处理规模为4.0×104m3·d-1，整个工程占地11.97hm2。污泥经机械浓缩、离心脱水后外运。Ⅳ号污水处理厂占地11.50hm2，污水处理规模4.0×104m3·d-1，承担着城区及周边五镇50.0km2地区的污水二级处理及再生任务，处理工艺为氧化沟二级处理和高速过滤再生水工艺，污泥经机械浓缩、离心脱水后外运。2016年9—10月，连续7d在北京市4家污水处理厂污泥脱水车间采集脱水污泥样品。每个污水处理厂布设3个采样点，共采集84个污泥样品。每次用聚乙烯自封袋取样500g，采集的新鲜样品经自然风干，用四分法多次筛选后取100g污泥样品，研磨过100目筛（尼龙筛）后保存备用。1.3.1含量分析称0.2000g预处理后的样品于微波消解罐中，采用HNO3-HCl-HF-HClO4消煮，利用电感耦合等离子体原子发射光谱仪ICP-AES测定重金属元素含量（戴亮等，2012）。ICP-AES昀佳工作参数：射频功率1300W；进样量1.5mL·min-1；载气流量1.2mL·min-1；辅助气流量0.2mL·min-1，读数延迟60s（苏萌等，2014）。测定波长（nm）分别为：Zn213.86、Cu324.75、Pb220.35、Cr267.72、Cd226.50、Ni231.60、As189.04。1.3.2重金属形态分析方法重金属元素化学形态分析采用欧共体修正的BCR顺序提取法（Ureetal.，1993）。酸可提取态：称取0.5000g样品到50mL离心管中，加入20mL0.11mol·L-1醋酸（HOAc），室温振荡16h，在3000r·min-1的转速下离心20min，取上清液待测，残渣留存；可还原态：向上一步的残渣中加0.5mol·L-1的NH2OH·HCL溶液（盐酸羟胺）20mL，室温振荡16h，在3000r·min-1的转速下离心20min，取上清液待测，残渣留存；可氧化态：向上一步的残渣中加30%的H2O25mL，室温反应1h，偶尔振荡，(85±2)℃下水浴硝化1h，蒸发至体积少于2mL，补加5mLH2O2，重复上述操作，体积减少到大约1mL；冷却后加1.0mol·L-1NH4OAc溶液25mL，室温下振荡16h，在3000r·min-1转速下离心20min，取上清液待测，残渣留存；残渣态：方法同全量检测方法。1.4.1污泥重金属污染评价单因子污染指数法：单因子污染指数法是国内外普遍采用的方法之一，可对土壤中某一污染物的污染程度进行评价（陈怀满，2005），其计算公式为：iiiCSP（1）式中，Pi为土壤中污染物i的环境质量指数；Ci为污染物i的实测含量（mg·kg-1）；Si为污染物i的环境质量标准（mg·kg-1）。内梅罗综合污染指数法：内梅罗综合污染指数法可全面反映土壤中各污染物的平均污染水平，也1572生态环境学报第26卷第9期（2017年9月）突出了污染昀严重的污染物给环境造成的危害（何绪文等，2016），其计算公式为：maxave22()()=2iiPPP（2）式中，P为监测点的综合污染指数；Pimax为i监测点污染物单污染指数中的昀大值；Piave为i监测点所有污染物单污染指数平均值。依据单因子指数法和内梅罗综合污染指数法可将土壤重金属污染划分为5个等级，具体如表1所示。《土壤环境质量标准》（GB15618—1995）提供的土壤环境质量标准如表2所示，本研究选用国家土壤质量Ⅰ级标准为评价标准。1.4.2污泥重金属潜在生态风险指数计算重金属潜在生态风险评价采用瑞典科学家Hakanson（1980）提出的评价方法，该方法是目前沉积物重金属污染质量评价应用昀广泛的方法之一（于云江等，2010）。计算公式如下：sfniiiCCC（3）rrf=iiiETC（4）srrfr111nRI===innniiiiiiiiCETCTC（5）式中，fiC为重金属i相对参比值的污染系数；siC为重金属i的实测含量；niC为重金属i的评价参比值；riE为第i种重金属单因子潜在生态风险指数；riT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。本研究中，7种土壤重金属毒性响应系数riT参照表3（Hakanson，1980）；为方便同类研究结果的比较，评价参比值niC采用Hakanson提出的工业化前全球土壤昀高背景值，由于Hakanson未提供元素Ni的评价参比值，用土壤质量Ⅰ级标准值替代，评价结果分级见表4。本研究检测了污泥中Zn、Cu、Pb、Cr、Cd、Ni、As、Hg8种重金属元素的含量，其中，Hg含量低于检测值，其余7种重金属含量差异较大（表5）。Zn、Cu、Pb、Cr、Cd、Ni、As的含量分别介于405.71~1563.38、101.57~421.31、14.73~34.30、21.32~137.34、