城市污泥的污染现状及其土地利用评价

土壤(Soils),2006,38(5):517~524城市污泥的污染现状及其土地利用评价①申荣艳1,2,3，骆永明1,2,3*，滕应1,2，李振高1,2（1中国科学院南京土壤研究所土壤与环境生物修复研究中心，南京210008；2土壤与农业可持续发展国家重点实验室(中国科学院南京土壤研究所)，南京210008；3中国科学院研究生院，北京100049）摘要：随着城市污泥产生量的迅速增加，污泥的科学处置及土地利用是当前城市固体废弃物资源化的主要研究内容。本文较系统地阐述了污泥的基本性质、污泥污染和处置现状及土地利用的风险评价等相关研究，并指出了目前城市污泥研究中存在的问题。关键词：城市污泥；处置方式；资源化；土地利用中国分类号：X825城市污泥是一种既含有大量N、P等养分资源，又含有重金属、有机污染物和病原物等有害物质的混合物。污泥中的重金属是昀早引起人们重视的污染物，近年来国外有关污泥中重金属方面的研究昀多，对有机污染物和病原物的研究则相对较少。虽然在上世纪70—80年代美国就有对污泥中病原物的许多研究[1-2]，但人们普遍认为，病原物对外界环境比较敏感，如果污泥经过稳定处理，一般就能达到杀菌、消毒的效果，通常不会污染外界环境和威胁人类健康。近几年，由于在污泥施用地种植的植物中检测到了多种有机污染物，因此，人们认为污泥中有机污染物的污染应受到高度重视，并进行详细地研究。与国外相比，我国污水处理产业发展较晚，总体上研究的深度也不够，目前多停留于总结国外研究状况、探讨污泥稳定方法和污泥的农艺价值等方面，而有关污泥中的污染物及其环境风险的研究较少。鉴于此，本文较系统地阐述了污泥的基本性质、污泥污染和处置现状及土地利用的风险评价等相关研究，并指出了目前城市污泥研究中存在的问题。1污泥的基本性质一般污水处理厂产生的污泥为含水量在700~970g/kg之间的固体或流体状物质，其中的固体成分主要是有机残片、细菌菌体、无机颗粒和胶体等，但主要以有机成分为主，其中包含对农业有潜在利用价值的有机质、N、P、K和各种微量元素养分。有机质的含量通常可占污泥干重的30%~40%，相当于一般的农家肥。由于污泥来源于各种污水，所以污泥中不可避免地含有各种有毒有害物质，如重金属、有机污染物和病原物等，且因为污泥含较多的易分解或腐化的成分，通常会散发出难闻的气味。污泥中有益成分和有害成分共存的特点，使其成为复杂化的问题。1.1污泥中的重金属污泥中的重金属种类繁多，主要有Cu、Pb、Zn、Ni、Cr、Hg和Cd等，是污泥资源化利用的昀主要障碍[3-4]。我国各地污泥所含重金属的种类大同小异，但其含量相差甚大[5]。以处理生活污水为主所产生的污泥，重金属含量通常较低，如佛山市污泥[5]，而以处理工业污水为主所产生的污泥，重金属含量往往较高。随着社会、经济的发展和人们环保意识的不断提高，污泥中的重金属含量会逐渐降低。在不发达国家，由于经济和政策的限制，污泥管理的风险大于污水灌溉的风险[6]。重金属是污泥中昀主要的污染物之一。由于重金属具有难迁移、易富集和危害大等特点已成为限制污泥农业利用的昀主要因素[7-8]。对国内（1994─2001年）有关污泥①基金项目：国家自然科学基金重点项目(40432005)、国家重点基础研究发展规划项目(2002CB410810/9)和中国科学院院知识创新工程重要方向项目（KZCX3-SW-429）共同资助。*通讯作者（[e-mail]）作者简介：申荣艳（1977—），女，黑龙江佳木斯人，博士研究生，主要从事污泥的农业资源化利用研究。E-mail：[e-mail]:10.13758/j.cnki.tr.2006.05.004518土壤第38卷中重金属的资料进行统计分析表明[9]，我国污泥中重金属Ni、Pb、Cr、Cu和Zn含量变化幅度很大，极差昀高达几千毫克/千克；Zn是含量昀高的元素，Cu和Cr次之；毒性较大的重金属Hg、Cd和As含量往往较低，通常在几到十几个毫克/千克范围内。从统计结果和我国污泥农用标准来看，Cu和Zn是我国污泥中含量昀高的元素，也是限制其土地利用的主要因素之一。对我国44个城市污水污泥的重金属含量进行统计分析表明[8]，Cu和Zn的含量低于陈同斌等[9]对我国部分污水处理厂污泥统计结果，而毒性较大的Hg和As含量远远高于陈同斌等[9]的统计结果。统计结果相差很大，主要是由于其资料来源及其相关的污水处理厂数量、污水处理方式和污泥类型等因素不同造成的。近年来，由于我国环境污染管理制度和法规的完善与实施，污水达标排放率不断提高，城市污水中Hg、Cd、As和Pb等重金属含量逐年下降[9]，这将有利于污泥的农用，降低污泥土地利用的环境风险。陈同斌等[9]调查表明，北京高碑店污水处理厂污泥中的重金属含量每年都以2.7%~4.9%的幅度下降；1988—1999年天津纪庄子污水处理厂的污泥重金属含量每年下降幅度为0.1%~2.4%。对英、美等国污水处理厂污泥中重金属进行统计分析也得到相同的结果。英国污泥中的重金属以Cd和Pb的下降幅度昀大，年平均下降6%~8%；美国污泥则以Cr和Pb下降幅度昀大，年平均下降17%~18%[9]。随着社会、经济的发展和科技水平的提高，污泥中的重金属含量逐渐降低是一个普遍趋势。1.2污泥中的有机污染物污泥中常含有一些有机污染物，如氯酚（CPs）、氯苯（CBs）、硝基苯（NBs）、多氯联苯（PCBs）、多氯代二苯并二恶英/呋喃（PCDD/Fs）、邻苯二甲酸酯（PEs）、多环芳烃（PAHs）和有机氯农药（OCPs）等[10-13]。污泥农用常增加土壤中PAHs的浓度，考虑到对人类的危害，PAHs已被列为污泥中重要有机污染物的研究对象。污泥农用后其中PCBs的去向和转化的结果说明了其对生物及人类有潜在危害[14]。污泥使用后，一部分污染物可进入食物链[14]，其中的PAHs可被土壤吸附[15]，在大多数植物器官中也可检测到PAHs，通常范围在1~100μg/kg，个别值高达1~10mg/kg及以上，有些研究者还检测到植物根系中高浓度的有机污染物[16]。Simon等[17]长期进行了污泥土地利用后有机污染物的行为和去向的研究，主要对象为PAHs，对1942—1961年间连续施污泥与不施污泥的农田进行了PAHs的检测，并对1942—1984年的土壤样品进行了收集和保存。研究结果显示，施用污泥后土壤中PAHs浓度至1984年已增加3倍多。对英国的444份污泥进行分析的结果显示，污泥中的PCBs、r-HCH（灵丹）和dieldrin（地特灵）的检出率和浓度均比aldrin(阿特灵)和endrin（安特灵）要高[11]。任何进入环境的有机化合物均可能在污泥中被发现。但许多污泥中检测到的有机污染物的含量要比当地土壤背景值高出数倍、数十倍甚至上千倍[18]。国内对污泥中有机污染物的研究不多，且以调查为主。莫测辉等[29]测定了我国内地和香港地区共11个污泥中的PAHs含量，范围在2.27~143.8mg/kg之间，其含量已高于香港及国外一些污泥，部分污泥中苯并[a]芘（B[a]P）含量超过了我国农用污泥标准；蔡全英等[19]对污泥中氯苯类化合物进行了分析，其含量在0.01~6.92mg/kg之间，其中主要以1,2,4-三氯苯和六氯苯为主；蔡全英等[20]研究还发现，污泥农用后土壤中PAHs含量明显提高，主要是3、4和5环的化合物；堆肥和污泥消化处理可降低污泥中有机污染物的含量[19]；广州市大坦沙污水处理厂的污水中检测到毒性有机污染物54种，主要包括邻苯二甲酸酯类、单环芳烃、PAHs、苯酸类、芳香胺类、芳香酸类、氨基甲酸甲酯衍生物和杂环化合物等，其含量多在几十微克/升以上，昀高达808μg/L[21]；莫测辉等[13]对该厂的污泥检测结果也发现了这些污染物，同时用该厂污泥施肥栽种通菜（Ipomoeaaquatica），收获的植株中邻苯二甲酸酯类（酞酸酯类）和PAHs等多类优控污染物含量比空白对照高10倍以上；栽种菜心的土壤渗漏水中氯代苯类和硝基酚类的含量也明显比空白对照和化肥对照高[13]。昀近我们对长江三角洲地区46个城市污泥的PCBs、OCPs、PAHs的含量与组分进行了系统研究。结果表明：该地区城市污泥中PCBs的含量为0~0.720mg/kg，平均为0.076mg/kg，大部分低于0.1mg/kg，仅2个样品含量超过我国污泥农用标准（0.2mg/kg）；OCPs的含量为0~0.426mg/kg，平均为0.055mg/kg，大部分低于0.05mg/kg。污泥中PCBs以PCB44检出量昀高，OCPs以o,p’-DDT检出量昀高。污泥中PAHs的含量为0.0167~15.486mg/kg，平均为1.376mg/kg，大部分低于1.5mg/kg，第5期申荣艳等：城市污泥的污染现状及其土地利用评价519污泥中B[a]P含量均低于污泥农用标准（3.0mg/kg）。PAHs单体以3、4环的检出率和含量较高，2、5和6环则较低。同时也发现城市污泥中上述有机污染物的含量、组分和分布与污泥类型、污水来源、污水处理工艺及化合物本身的理化性质等有关[44]。污泥因其来源于各种污水，不可避免地含有多种有机污染物[11-13]。不同污泥中有机污染物的种类和含量不同，与污水的来源、污泥类型及其处理方式等因素有关。国外一些研究者对污泥农用中有机污染物的特征及其在农业环境中的行为、生态效应和调控措施等方面进行了一些研究。西方发达国家对污泥使用中有机污染物的浓度有一定的限制，如对PCBs和PCDD/Fs等提出了一些限量建议。但我国1984年农业部颁布的标准（GB4284-84）中除了对B[a]P的含量制定了控制标准外，还未能制订出较完善的污泥有机污染物限制标准。2002年由国家环保局制定的《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002），增加了一些有关有机污染物的新项目，但也仅对PCBs和B[a]P有限制标准，分别为0.2mg/kg和3.0mg/kg。就整体而言，对于我国污泥中有机污染物的种类、含量、毒性、转化和去向等还需进行更深入、更全面的研究，以便为污泥的安全土地利用提供科学依据。1.3污泥中的病原菌近年来，广大学者一直把污泥土地利用后重金属、杀虫剂和其他化学污染物对生态环境和人类健康的危害作为研究重点，而关于病原物的研究却不多[19，22-23]。病原物是能够对人类或其他生物健康产生危害或引起疾病的一类有害生物或其他物质的总称[24]。能够引起人类疾病的病原物主要有4类：细菌、病毒、原生动物和寄生虫，在生活污水污泥中一般都能检测到这些物质的存在[24]。美国环保署及其他组织的一些学者对污泥中存在的病原物进行统计发现，污泥中已确认的病原物中，至少有24种细菌、7种病毒、5种原生动物和6种寄生虫[24]。这些病原物在污泥中的含量取决于污水来源地区居民的健康状况、污水处理工艺和污泥处理方式等因素。到目前为止，有关污泥中病原物含量的调查资料还非常有限。孙玉焕等[25]对长江三角洲地区15个城市的45个污水处理厂污泥中粪大肠菌群（FC）进行了调查，结果表明，污泥中FC的昀大可能数（MPN）的范围在0~3.41×106MPN/g（干基），平均为3.79×105MPN/g（干基），检出率达89.6%。不同类型污泥中FC的数量差别较大，“河流”污水污泥和污泥制品的FC数量昀低，以生活污水和混流污水为主的污泥中FC数量较高。Gaspard等[23]对法国89个污水处理厂污泥中病原物进行调查的结果表明，在所有被调查的污泥样品中，每100g污泥样品中寄生虫卵平均为464个，昀高为898个，其中47%的样品＜60个，38%的样品为60~240个，有15%的样品高于240个。由此可见，污泥中病原物种类和数量繁多，当污泥土地利用时，病原物可随污泥一起进入土壤环境，增加土壤中病原物的含量。如果对污泥处理或施用不当，会污染外界环境，威胁人类健康。Gibbs等[26]的研究结果表明，污泥施