杭州市某城镇污水厂污泥重金属含量分析及评价

诸晓锋 周 磊 李 伟

(中煤浙江检测技术有限公司，杭州 310000)

0 引言

随着我国城市化进程的加快，城镇污水处理厂的污泥产量也不断增加。污泥的处理和处置受到人们的日益关注，《城镇污水处理厂污泥处置分类》（GB/T23484−2009）[1]中对污泥处理、处置方法主要进行了分类，其中主要有以下几种：（一）污泥土地利用：将处理后的污泥作为肥料或土壤改良的材料，用于园林绿化、土地改良或农业等场合的处置方式。其中，园林绿化是用作城镇绿地系统或郊区林地建造和养护等的基质材料或肥料原料；土地改良用作盐碱地、沙化地和废弃矿场的土壤改良材料；农业用途用作农用肥料或农田土壤改良材料。（二）污泥填埋：采取工程措施将处理后的污泥集中进行堆、填、埋，置于受控制场地内的处置方式。其中又分为单独填埋和混合填埋两种情况，单独填埋是在专门填埋污泥的填埋场进行填埋处置，而混合填埋是在城市生活垃圾填埋场进行混合填埋。（三）污泥建筑材料利用：将污泥作为制作建筑材料部分原料的处置方式。可作为制水泥的部分原料或添加料、制砖的部分原料、制轻质骨料（陶粒等）的部分原料。（四）污泥焚烧：利用焚烧炉将污泥完全矿化为少量灰烬的处理处置方式。其中又分为单独焚烧、垃圾混合焚烧、工业焚烧炉或火力发电厂焚烧炉中作燃料利用。可见污泥作为一种固体废弃物也有一定的利用价值，但这些处置方式中都对污泥中的重金属含量或者污泥中重金属的浸出毒性都有一定的限值要求，重金属的含量直接关系到污泥的处置方式。目前对单一污水处理厂全年污泥重金属含量测试以及污泥处置方法评估尚无文献报道，本研究对杭州市某城镇污水厂污泥中重金属含量分析，根据各重金属含量与目前国内污泥处置相关标准进行比较，给出污泥处置建议，以便为其他污水处理厂污泥提供参考。

1 实验过程

1.1 样品采集及处理

从2020年7月到2021年6月，按照《城市污水处理厂污泥检验方法》（CJ/T221−2005）[2]中污泥样品采集方法每月对该污水处理厂产生的剩余污泥进行采集，将污泥样品分为两份，一份做浸出毒性试验，一份做重金属含量试验。重金属含量测试的污泥样品经过105℃鼓风干燥箱内烘干后，用研磨仪将样品研磨至全部通过0.2mm的尼龙筛，四分法取样，保留一份样品用于测定。

1.2 实验方法

1.2.1 实验主要仪器设备

电感耦合等离子体发射光谱仪（赛默飞世尔科技ICAP-7400）；原子荧光光谱仪（北京吉天仪器有限公司AFS-933）；重金属标准溶液（1000μg/mL，国家钢铁材料测试中心钢铁研究总院）。

1.2.2 实验主要过程

将每月采集污泥样品及时制备成0.2mm的分析样品后，按照《固体废物 22种金属元素的测定 电感耦合等离子体发射光谱法》（HJ781−2016）[3]中电热板消解法消解试样，用电感耦合等离子体发射光谱仪对铜、铅、镍、铬、锌、镉 6种重金属元素通过外标法进行分析测试[4]；按照《固体废物 汞、砷、硒、铋、锑的测定微波消解 702-2014）[5]原子荧光法》（HJ微波法消解试样后，用原子荧光光谱仪对砷和汞两种重金属元素通过外标法进行分析测试，重金属含量全部以干污泥计，单位为mg/kg。

将每月采集湿污泥样品按照《固体废物 浸出毒性浸出方法 硫酸硝酸法》（HJ/T 299−2007）[6]以固液比1:10进行浸出液制备，浸出液按照《固体废物22种金属元素的测定 电感耦合等离子体发射光谱法》（HJ 781−2016）[3]和《固体废物 汞、砷、硒、铋、锑的测定 微波消解 原子荧光法》（HJ 702−2014）[5]对铜、铅、镍、铬、锌、镉、砷、汞进行浸出毒性测试，测试结果单位为mg/L。仪器测试主要参数条件见表1、表2。

表1 电感耦合等离子体发射光谱仪仪器参数

表2 原子荧光光谱仪仪器参数

2 结果与分析

2.1 重金属含量年度分析

为研究该污水处理厂污泥中各种重金属含量分布，将各重金属年度平均值、最大值、最小值、极差以及最大值和最小值倍数进行统计，汇总结果见表3。从表3 中数据可以看出该污水处理厂污泥中重金属含量从高到低依次为锌>铬>铜>铅>镍>砷>镉>汞，该含量基本符合中国城市污泥重金属含量情况[7，8]，其中含量最高的是锌，达到了11055mg/kg，含量最低为汞，含量只有1.57mg/kg，由于重金属含量差异较大导致重金属含量极差也从1.4mg/kg到11850mg/kg不等，最大值和最小值倍数最大为汞（28.2倍），最小为镍和镉（1.7倍），从倍数关系可以看出各种重金属中月度分布并不均匀，镉、镍、铜、镉4种重金属全年波动较小，其他4种金属元素波动较大，最大值和最小值倍数为3倍以上。

表3 重金属含量年度统计表

2.2 重金属含量月度分析

为研究该污水处理厂污泥样品中重金属波动情况以及探索和气候的原因，将各月重金属检测数据进行统计，统计结果见图1~图8，从图中可以看出该污水处理厂污泥中各种重金属含量每个月都有所波动，其中镍元素最大值89.3mg/kg出现在2020年10月，最小值52.7mg/kg出现在2021年4月，汞元素最大值4.83mg/kg出现在2020年9月，最小值0.171mg/kg出现在2021年4月，砷元素最大值13.4mg/kg出现在2020年9月，最小值0.739mg/kg出现在2021年3月，铅元素最大值237mg/kg出现在2020年11月，最小值26.7mg/kg出现在2021年3月，镉元素最大值3.4mg/kg出现在2020年11月，最小值2.0mg/kg（方法检出限）出现在2020年8月、2021年3月和4月，铬元素最大值320mg/kg出现在2020年11月，最小值163mg/kg出现在2021年6月，铜元素最大值232mg/kg出现在2020年11月，最小值115mg/kg出现在2021年3月，锌元素最大值17800mg/kg出现在2020年11月，最小值5950mg/kg出现在2020年7月。由此可见，该污水处理厂污泥样品中重金属含量随着月份的不同而不同，这也符合GARClA-DELGADO等[9]的研究结果，但是由于最大值和最小值出现的月份没有任何规律，且各重金属含量与月份并无明显趋势，说明污泥中重金属含量和气候无明显关联，其波动原因还是与污水厂污水来源与组成有关。

图1 铅含量与月份关系图

图2 锌含量与月份关系图

图8 汞含量与月份关系图

图3 镍含量与月份关系图

图4 铬含量与月份关系图

图5 砷含量与月份关系图

图6 镉含量与月份关系图

图7 铜含量与月份关系图

2.3 浸出毒性研究

将每月所采集污泥样品按《固体废物 浸出毒性浸出方法 硫酸硝酸法》（HJ/T 299−2007）[6]以固液比1:10进行浸出液制制备后，对浸出液中重金属含量进行测试，根据干污泥重金属总量、污泥含水率以及浸出液中重金属浓度对各元素进行浸出率计算，将浸出浓度值和《危险废物鉴别标准 浸出毒性鉴别》（GB5085.3−2007）[9]中限值以及全年各重金属浸出率平均值结果汇总于表4。

表4 重金属浸出浓度值和浸出率统计表

由表4数据可以看出，该污水处理厂污泥各重金属的浸出浓度值均满足《危险废物鉴别标准 浸出毒性鉴别》（GB5085.3−2007）[10]中限值要求，就重金属而言该污水处理厂污泥不属于危险废物。从浸出率分析，在硫酸硝酸混合酸浸提介质中，各金属元素浸出率都比较低，其中镉最高为20.18%，汞最低为0.22%，其中镉元素浸出率较高主要是因为污泥中镉的总量偏低且使用电感耦合等离子体发射光谱法进行测定时，仪器灵敏度不够和方法检出限太高够造成结果偏差，其他金属元素在HJ/T 299的酸性体系中浸出率都在10%以内，主要是因为HJ/T 299的酸性体系是模仿固废在不规范填埋处置、堆存或经无害化处理后废物的土地利用时其中的有害组分在酸性降水的影响下，从废物中浸出到环境的过程，因此该酸性体系的酸性较弱，不足以将大量的重金属浸提到溶液中。

2.4 污泥重金属含量评价

我国目前现行有效的污泥处置相关标准主要有《城镇污水处理厂污泥处置农用泥质》（CJ/T309−2009）[11]、《城镇污水处理厂污泥处置水泥熟料生产用泥质》（CJ/T314−2009）[12]、《城镇污水处理厂污泥处置林地用泥质》（CJ/T362−2011）[13]、《城镇污水处理厂污泥处置混合填埋用泥质》（GB/T23485−2009）[14]、《城镇污水处理厂污泥处置园林绿化用泥质》（GB/T23486−2009）[15]、《城镇污水处理厂污泥处置单独焚烧用泥质》（GB/T23602−2009）[16]、《城镇污水处理厂污泥处置制砖用泥质》（GB/T25031−2010）[17]、《城镇污水处理厂污泥处置土地改良用泥质》（GB/T24600−2009）[18]，以上处置标准中都对重金属含量或者浸出毒性含量有限值要求，为合理处置和利用该污水处理厂污泥，将各重金属含量与标准限值进行比较和评价，结果见表5。

表5 重金属含量评价表

由表5中数据可以看出，该污水处理厂污泥中除金属锌以外的重金属满足各项处置标准的要求，其中锌的含量接近最高限值的3倍，严重超标，而城镇污水厂污泥中金属锌的来源主要为管道镀锌、采选矿、冶炼、机械加工等，而该污水处理厂周边并无采选矿和冶炼加工企业，最大原因为可能为该污水处理厂为新建污水处理厂管道镀锌会导致锌含量偏高，且周边有少量机械加工企业，企业废水并入到污水管网中，也导致了该污水处理厂污泥中金属锌严重超标。从浸出毒性检测结果分析，8项重金属浸出含量均很低，全部满足《城镇污水处理厂污泥处置 单独焚烧用泥质》（GB/T23602−2009）[16]中限值要求，说明该污泥重金属含量满足单独焚烧用，但是是否可以直接用作单独焚烧用泥质，还需对污泥有机质、热值等指标进行分析后方可实施。

3 结论

通过该污水处理厂一年来污泥样品中铜、铅、镍、铬、锌、镉、砷、汞8种重金属含量以及浸出毒性测试、分析，发现该污水处理厂重金属含量从高到低依次为锌>铬>铜>铅>镍>砷>镉>汞；浸出毒性含量均满足危险废物限值要求，从污泥处置方式分析该污水处理厂污泥中由于锌含量严重超标导致该污水处理厂污泥重金属含量不满足农用、林用、填埋等处置要求，因浸出含量较低满足单独焚烧用泥质的要求，所以该污水处理厂污泥需经过重金属去除措施后才可另做他用。为避免重金属去除过程产生的大量费用，就应将污染控制在污水处理厂的进水阶段，将各种重金属污水进行分类处理，建立并完善相关法制体系，禁止将生活污水和工业污水混合排放，或先进行一定的预处理再进行混合处理等，从而降低各种重金属在污泥中的含量。