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乌鲁木齐城市污泥重金属形态特征及农用可行性分析 * 罗艳丽1郑春霞1王梦颖2王煜2 1. 新疆农业大学草业与环境科学学院， 乌鲁木齐 830052; 2. 新疆农业大学科学技术学院， 乌鲁木齐 830052 摘要 选取乌鲁木齐市两家有代表性的污水处理厂的污泥， 对其理化性质和重金属形态进行了测定， 分析了污泥的农 用价值和重金属的生物有效性。结果表明乌鲁木齐两家污水厂污泥基本呈中性， 含水率在 70以上， 污泥呈现高有 机质、 高氮、 高磷、 低钾的特点。污泥中重金属含量均满足我国 CJ/T 3092009 城镇污水处理厂污泥处置农用泥质标 准 中 B 级标准， 但 HD 污水厂 Zn 和 Cd 含量、 QDW 污水厂 Cd 含量超出 A 级标准， 不可施用于蔬菜和粮食作物。污 泥中 Zn 和 Cu 主要以残渣态和有机结合态为主， 其余三种形态所占比例较小， Pb 和 Cd 以残渣态、 碳酸盐结合态和铁 锰氧化态为主。Zn、 Cu 的不可利用态所占比例在 50以上， 生物可用性较低。Pb、 Cd 生物有效态和潜在有效态所占 比例之和在 50以上， 有较强的生物可利用性， 在污泥农用时存在潜在风险， Cd 污染问题要引起重视。 关键词 城市污泥; 重金属; 形态分析; 农用价值; 乌鲁木齐 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201405017 HEAVY METALS SPECIATION OF MUNICIPAL SEWAGE SLUDGE IN UＲUMQI AND ITS AGＲICULTUＲAL USE FEASIBILITY Luo Yanli1Zheng Chunxia1Wang Mengying2Wang Yu2 1. College of Pratacultural and Environmental Science， Xinjiang Agriculture University，Urumqi 830052，China; 2. College of Science and Technology， Xinjiang Agriculture University，Urumqi 830052，China AbstractBasic quality and speciation of heavy metals in sludge from two municipal sewage plants in Urumqi were determined，agricultural use feasibility of sludge and bioavailability of the heavy metals were analyzed． The results showed that the sludge，with moisture content of 70，presents the characteristics of high organic matter，nitrogen，phosphorus contents and low potassium contents． The contents of Zn，Cu，Cd and Pb are lower than B class limiting value of National Control Standards for Biosolids Agricultural Use CJ/T 3092009 ． However，the contents of Zn，Cd in HD plant and Cd in QDW plant were higher than the A class limiting value． Zn and Cu existed mainly in of residues and organic． Pb and Cd existed in mainly residues， iron- manganese oxidation s and carbonate s． The proportions of unavailable s of Zn and Cu were more than 50，which was advantageous for agricultural use of the sludge． The proportions of available s and potential available s of Pb and Cd were more than 50，which presented potential risk for agricultural use of the sludge． Keywordssludge;heavy metals;speciation analysis;agricultural value;Urumqi * 新疆维吾尔自治区高校科研计划 XJEDU2012S10 ; 新疆自治区土壤 学重点学科资助。 收稿日期 2013 －06 －21 0引言 随着我国城镇污水处理率的不断提高， 城镇污水 处理厂污泥产量也急剧增加。据统计 ［1 ］， 我国每年 污泥产生量超过 3 107t， 污泥问题日益突出。污泥 中含有丰富的有机质、 氮、 磷、 钾等营养物质， 所以污 泥农用成为污泥资源化处置的有效途径之一， 但是富 集在污泥中的重金属会给污泥农用带来潜在的环境 风险。众多研究表明， 重金属的毒性不仅与重金属的 总量有关， 更大程度上由其化学形态决定［2 ］。 乌鲁木齐现有 8 座污水处理厂， 2011 年处理污 水约 1. 5 108t， 产生污泥量约 1. 5 105t 按含水率 80计 ， 其中相当数量没有得到妥善处理。在未经 有效处理的情况下随意排放， 极易对地下水、 土壤、 空 气等造成二次污染， 直接威胁环境安全和公众健康。 新疆土壤中有机质含量低， 肥力也较低， 而城市污泥 96 固废处理与处置 Solid Waste Treatment and Disposal 富含农作物生长所需的有机质、 氮和磷等营养物质， 施入后会明显地增加土壤养分， 减少化学肥料的施用 量 ［3 ］。如果污水厂产生的污泥能够农用， 可以产生 一定的环境和经济效益。对乌鲁木齐市具有代表性 的 2 个污水处理厂剩余污泥进行取样， 对其理化性质 和重金属形态特征进行了测定， 分析污泥的农用价值 和重金属的生物有效性， 旨在探讨乌鲁木齐城市污泥 农用的可行性， 为城市污泥农业利用、 污泥无害化和 资源化利用提供科学依据。 1实验部分 1. 1采样污水厂处理工艺 在乌鲁木齐市选取了两家有代表性的污水处理 厂 文中称 HD 污水厂、 QDW 污水厂 。两家污水厂 每日处理的污水总量达到了全市污水处理量的 80 以上， 处理工艺较为典型， 因此， 污泥样本的选择具有 一定的代表性。HD 污水厂日处理污水量为 40 104 m3/d， 采用 AB 法工艺。污水厂产生的污泥先进入污 泥浓缩池初步脱水， 然后经污泥消化池厌氧消化， 最 后经板框压滤机机械脱水后外运。QDW 污水厂日处 理污水量为 7 104m3/d， 采用氧化沟处理工艺， 污水 厂产生污泥直接在干化场自然干化后外运。 1. 2污泥的采集与预处理 HD 污水厂、 QDW 污水厂污泥的采样时间为 2011 年6 月和12 月。样品带回实验室后鲜样进行含水率 的测定， 剩余污泥摊平在通风处自然风干， 研磨破碎后 过孔径1 mm 及100 目尼龙筛， 装瓶密封备用。 1. 3实验方法 含水率用烘干称重法测定， 全氮用凯氏定氮法测 定， 全磷用钼锑抗光度法测定， 全钾用 H2SO4－ H2O2 消化后， 用火焰光度法测定， 有机质用重铬酸钾外加 热法测定， 各指标具体测定方法见文献［ 4］ 。重金属 形态分析采用 Tessier 连续提取五态分级法提取， 原 子吸收法测定 ［5 ］。 2结果与讨论 2. 1污泥的农用价值分析 乌鲁木齐两家污水厂污泥的基本理化性质见表1。 由表 1 可以看出 两家污水厂污泥基本呈中性， 不进行 pH 调节就适合于污泥农用。污泥经过机械 脱水或自然干化后， 含水率仍较高， 在 70 以上， 呈 半固体状态， 为污泥的运输和农用增加了难度， 我国 农用泥质标准要求含水率在 60 以下。因此， 这两 家污水厂污泥在农用之前需要进一步脱水干燥， 而这 表 1两家污水厂污泥的基本理化性质 Table 1The physico- chemical properties of sewage sludge in two sewage plants 项目pH 值 含水 率/ TN/ TP/ TK/ 有机 质/ HD 污水厂6 月样6. 19 751. 801. 690. 2059. 55 HD 污水厂12 月样7. 51 741. 271. 630. 1362. 72 QDW 污水厂6 月样7. 5872 1. 431. 530. 2146. 48 QDW 污水厂12 月样6. 8773 1. 331. 730. 1739. 89 我国城市污泥平均值［6 ］ 2. 711. 430. 6938. 4 CJ/T 3092009［7 ］5. 5 ～9≤60 ≥3 氮磷钾 之和 ≥30 会提高污泥农用的成本。污泥中营养元素符合我国 农用泥质标准， 污泥呈现高有机质、 高 N、 高 P、 低 K 的特点，这与其他相关研究是一致的［8- 9 ］。因此污泥 在施用时必须注意钾平衡的问题。两家污水厂污泥 在6 月和12 月理化性质波动不大， 除有机质含量 HD 污水厂高于 QDW 污水厂外， 其他元素差别不大。这 两家污水厂污泥中有机质和磷含量高于我国城市污 泥的平均值， 而氮和钾含量比全国平均值略低。 2. 2污泥中重金属含量 两家污水处理厂污泥中重金属含量见表 2。 表 2污泥中主要重金属含量 Table 2The contents of heavy metals in sludgemg/kg 项目ZnCuPbCd HD 污水厂 6 月样1 708. 69 98. 2030. 755. 12 HD 污水厂 12 月样1 681. 67113. 10 40. 243. 48 QDW 污水厂 6 月样1 389. 10114. 11 33. 894. 16 QDW 污水厂 12 月样1 013. 20251. 32 21. 794. 99 我国城市污泥平均值1 4504861312. 97 CJ/T 3092009 A 级1 500 5003003 B 级3 000 1 5001 00015 美国［10 ］ 7 5004 30084085 欧盟［10 ］4 0001 7501 20040 从表 2 可以看出 所采污泥中重金属含量均满足 CJ/T 3092009 B 级污泥标准， 也满足美国和欧盟的 农用污泥标准要求。但 HD 污水厂 Zn 和 Cd 含量、 QDW 污水厂 Cd 含量超出我国农用泥质标准中 A 级 污泥标准。CJ/T 3092009 中 A 级污泥标准规定的 重金属控制限值要严于美国和欧盟的标准， A 级污泥 允许施用作物有蔬菜、 粮食作物、 油料作物、 果树、 饲 料作物、 纤维作物， B 级污泥允许施用作物有油料作 物、 果树、 饲料作物、 纤维作物， 禁止施用于蔬菜和粮 食作物。和我国其他城市污泥中重金属相比， 乌鲁木 齐两家污水厂的污泥中 Cu 和 Pb 含量较低， Zn、 Cd 含 量较高， 特别是污泥中的 Cd 含量， 约是我国城市污 泥中 Cd 平均含量的 1. 5 倍， 乌鲁木齐城市污泥农用 07 环境工程 Environmental Engineering 时尤其要注意 Cd 污染的问题。 2. 3污泥施用年限估算 控制城市污泥农用的环境污染问题， 最基本的途 径就是确定其环境容量。由于我国目前尚无污泥农 用环境容量的标准， 暂以美国污泥土地利用环境容量 标准为依据， 对乌鲁木齐两家污水处理厂污泥农用年 限进行了估算。表 3 为美国城市污泥土地利用重金 属控制标准 ［11 ］。 表 3美国城市污泥土地利用重金属控制标准 Table 3Heavy metal limits of the US in sewage sludge for land use 重金属 土壤中最大 累积量/ kg hm －2 单位土地面积 控制标准/ kg hm －2 a－1 最高浓度 控制标准/ mg kg －1 “优质” 城市污 泥的控制标准/ mg kg －1 Zn2 8001407 5002 800 Cu1 500754 3001 500 Pb30015840300 Cd3928539 我国污泥农用泥质标准中规定 1hm2土地施用 量不高于 7. 5 t， 按此限值计算乌鲁木齐城市污泥达 美国标准中规定的土壤中最大累积量所用年限， 结果 见表 4。 表 4污泥达土壤中最大累积量所用年限 Table 4The allowable largest application period of sludgea ZnCuPbCd HD 污水厂220 1 8931 1271 209 QDW 污水厂311 1 0941 4371 135 注 计算所用数据为每家污水厂 6 月和 12 月采样的平均值。 由表 4 可以看出 两家污水厂都是 Zn 首先达到 土壤的最大累积量， 但两个污水厂四种重金属达到土 壤的最大累积量所用年限都远远高于我国污泥农用 泥质标准中规定的 10 年施用年限。 2. 4污泥中重金属形态分析 污泥中重金属含量及其有效态直接关系到其利 用方式， 城市污泥中重金属对污泥农用的影响， 应重 点考虑其有效态的含量。两家污水厂污泥中重金属 形态含量见表 5。 从表 5 可以看出 Zn 和 Cu 主要以残渣态和有机 结合态为主， 其余三种形态所占比例较小; Pb 和 Cd 以残渣态、 碳酸盐结合态和铁锰氧化态为主。 根据各形态的生物利用性可以把各种化学形态分 为有效态、 潜在有效态和不可利用态 ［ 12 ］。其中有效态 容易被生物吸收， 包括可交换态和碳酸盐结合态; 潜在 有效态包括铁锰氧化态和有机结合态， 它们是有效态 表 5污泥中重金属各形态含量 Table 5The concentrations of different s of heavy metal in sludgemg/kg 污泥重金属形态ZnCuPbCd HD 污水厂 6 月可交换态 98. 607. 252. 240. 68 碳酸盐结合态20. 468. 271. 82 铁锰氧化态5. 661. 657. 431. 19 有机结合态351. 6034. 203. 940. 39 残渣态1 232. 3755. 118. 871. 04 HD 污水厂 12 月可交换态 189. 014. 765. 200. 35 碳酸盐结合态12. 0211. 501. 58 铁锰氧化态4. 561. 955. 551. 21 有机结合态346. 7743. 963. 65 残渣态1 129. 3162. 4314. 340. 34 QDW 污水厂 6 月可交换态 32. 223. 882. 750. 32 碳酸盐结合态5. 944. 291. 11 铁锰氧化态4. 431. 954. 791. 05 有机结合态138. 2227. 735. 54 残渣态1 208. 3080. 5616. 521. 68 QDW 污水厂 12 月 可交换态1. 504. 75 0. 30 碳酸盐结合态9. 720. 301. 06 铁锰氧化态5. 411. 654. 101. 23 有机结合态294. 1381. 992. 850. 24 残渣态702. 44 162. 9314. 552. 17 重金属的直接提供者; 不可利用态一般是指残渣态， 基本不被生物利用。两家污水厂污泥重金属生物有效 态、 潜在有效态和不可利用态的质量分数见图1。 图 1两家污水厂污泥 6 月 重金属三态分布特征 Fig．1The distribution characteristics of three s of heavy metals in sludge of the two wastewater plants 两家污水厂污泥中 Zn、 Cu 的不可利用态所占比 例均在 50以上， 其生物可用性较低， 这对污泥农用 是有利的。Pb、 Cd 两元素的生物有效态和潜在有效 态之和所占比例在 50 以上， 有较强的生物可利用 性， 同时 Pb、 Cd 对于生物的危害性较大， 存在潜在风 险， 在污泥农用时要引起重视。 3结论 1 乌鲁木齐两家污水厂污泥基本呈中性， 含水 率在 70以上。污泥呈现高有机质、 高 N、 高 P、 低 K 的特点， 是较好的有机肥源， 但在施用时需注意钾平 衡的问题。 17 固废处理与处置 Solid Waste Treatment and Disposal 2 两家污水厂污泥中重金属含量均满足我国农 用泥质标准中 B 级污泥标准， 但 HD 污水厂 Zn 和 Cd 含量、 QDW 污水厂 Cd 含量超出 A 级污泥标准， 污泥 在农用时禁止施用于蔬菜和粮食作物， 1 hm2土地施 用量不高于 7. 5 t， 农田连续施用不应超过 10 a， 污泥 农用时要尤其注意 Cd 的污染问题。 3 污泥中 Zn 和 Cd 主要以残渣态和有机结合态 为主， 其余三种形态所占比例较小， Pb 和 Cd 以残渣 态、 碳酸盐结合态和铁锰氧化态为主。Zn、 Cu 的不可 利用态所占比例均在 50 以上， 其生物可用性较低。 Pb、 Cd 生物有效态和潜在有效态所占比例之和在 50以上， 有较强的生物可利用性， 存在潜在风险， 在 污泥农用时要引起重视。 参考文献 ［1］张敏芳． 污泥分质集中处理 － 我国污泥处理发展的趋势［J］ ． 水工业市场， 2012 1 45- 47. ［2］刘清， 王子健， 汤鸿霄． 重金属形态与生物毒性及生物有效性关 系的研究进展［ J］ ． 环境科学， 1996， 17 1 89- 92. ［3］陈同斌， 李艳霞， 金燕， 等． 城市污泥复合肥的肥效及其对小麦 重金属吸收的影响［ J］． 生态学报， 2002， 22 5 643- 648. ［4］鲍士旦．土壤农化分析 ［ M ］ ．3 版． 北京 中国农业出版社， 2008. ［5］Tessier A，Campbell P G C，Bisson M． Sequential extraction procedure for the speciation of particulate trace metals［J］． Analytical Chemistry， 1979， 51 7 844- 850. ［6］李艳霞， 陈同斌， 罗维， 等． 中国城市污泥有机质及养分含量与 土地利用［J］ ． 生态学报， 2003， 23 11 2464- 2474. ［7］CJ/T 3092009 城镇污水处理厂污泥处置农用泥质标准［S］ ． ［8］林立君， 贺君， 王帅杰， 等． 秦皇岛城市污水处理厂剩余污泥基本 性质及农用价值分析［ J］ ． 环境科学与管理， 2006， 31 5 38- 40. ［9］谭国栋， 李文忠， 何春利． 北京市污水处理厂污泥特性分析 ［J］． 科技信息， 2011 7 19- 21. ［ 10］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. ［ 11］孙西宁， 张增强， 张永涛， 等． 陕西杨凌污水处理厂污泥成分月 际变化及其土地利用探讨［J］ ． 西北农林科技大学学报． 自然 科学版， 2007， 35 9 215- 220. ［ 12］张朝升， 陈秋丽， 张可方， 等． 大坦沙污水厂污泥重金属形态及 其生物有效性的研究［J］ ． 农业环境科学学报， 2008， 27 3 1259- 1264. 第一作者 罗艳丽 1977 － ， 女， 硕士， 副教授。 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 luoyanlimail sina． con 上接第 52 页 图 7管道压力 0. 5 MPa 泄压阀内部声源功率级分布 Fig． 7Internal sound power distribution of relief valve at pipeline pressure of 0. 5 MPa 1在水击泄压阀阀芯部分会有明显的节流效 应， 导致阀内速度的突变， 引起泄压阀内部动能的变 化， 且相应的会引起噪声的变化。 2随着管道压力的增加， 管道内部速度总体呈 现增大趋势， 随着阀门开度的增大， 可以明显地看出 节流作用的降低。 3噪声和速度具有一定的相关性， 阀门内部声 功率级分布基本呈现对称分布， 最大噪声源集中在阀 芯附近的微小区域， 最大值达到 110dB 以上， 在泄压 阀底座中低部存在一显著的低噪区。 参考文献 ［1］李仕． 输油站水击泄放阀的使用与维护［J］ ． 石油库与加油站， 2009， 18 6 36- 38. ［2］杨源泉． 阀门设计手册［ M］． 北京 机械工业出版社， 2004. ［3］袁新明， 贺治国， 毛根海． 用 ＲNG k- ε 紊流模型对截止阀三维紊 流流动的数值模拟［ J］． 流体机械， 2006， 34 2 34- 35. ［4］张龙涛， 向虎． 一种大流量先导式平面截止阀明［J］ ． 煤矿机 械， 2007， 28 1 119- 120. ［5］王禁非， 黄晓云． 先导式高压清水截止阀的设计［J］． 阀门， 2006 2 13- 14. ［6］王福军． 计算流体动力学分析 CFD 软件原理与应用［M］． 北 京 清华大学出版社， 2004 125- 129. ［7］韩占忠． Fluent流体工程仿真计算实例与分析［M］． 北京 北 京理工大学出版社， 2009. ［8］杨玲霞， 郭佩佩， 范如琴． 平流沉淀池紊流流场的数值模拟 ［J］． 环境工程， 2008， 26 4 87- 88. ［9］安连锁， 吕玉坤． 泵与风机［ M］． 北京 中国电力出版社， 2008． 第一作者 单如健 1988 － ， 男， 硕士， 主要从事输油管道水击泄压阀 等方向的研究。291563873 qq． com 27 环境工程 Environmental Engineering