干旱區(qū)污水處理廠污泥資源化風(fēng)險評價

麥旭東，譚軍利，2，3*，王西娜，田軍倉，2，3

（1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，寧夏銀川 750021；2.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，寧夏銀川 750021；3.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心，寧夏 銀川 750021；4.寧夏大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

污泥中的成分受人類活動的影響而呈現(xiàn)季節(jié)性變化。如果要實現(xiàn)污泥堆肥資源化利用，就必須掌握污泥中養(yǎng)分及重金屬含量的季節(jié)性變化規(guī)律，并對重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險進行評價。影響污泥資源化利用的主要因素是污泥中的重金屬，重金屬含量的多少會直接影響土壤環(huán)境中微生物的分解和吸收[1]，部分進入食物鏈中的重金屬長時間富集會影響人體的健康[2]。污泥中重金屬的種類、含量以及賦存的形態(tài)與重金屬毒性影響的嚴重程度相關(guān)[3]。但污泥中含有大量的營養(yǎng)物質(zhì)，通過處理的污泥施用于農(nóng)田能有效提高土壤氮、磷、鉀等養(yǎng)分，為農(nóng)產(chǎn)品生長提供所需養(yǎng)分，減少化學(xué)肥料的施用量[1]。為更加準確地了解污泥中重金屬污染特征和污染程度，采用客觀的、科學(xué)有效的評價方法至關(guān)重要[4]，從而為污泥資源化利用提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。目前評價污泥中重金屬污染形式普遍、操作簡單的方法有內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法等[5-7]。本文以中衛(wèi)市應(yīng)理集團污水處理廠產(chǎn)生的脫水污泥為研究對象，研究污泥中主要養(yǎng)分（包括有機質(zhì)、全氮、全磷）以及重金屬含量的年變化規(guī)律，以期為中衛(wèi)市乃至全國污水處理和污泥資源化利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

2019年的9月—2020年9月，項目組從中衛(wèi)市某污水處理廠采集脫水污泥樣品，分別在春（3月份、4月份）、夏（5月份、6月份）、秋（8月份、9月份）、冬（11月份）4 個季節(jié)采樣，共采集7 次。樣品采集后立即送至寧夏中科精科檢測技術(shù)有限公司檢測，檢測項目包括：有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、pH、水分、汞、砷、總鉻、鉛、鎘。

1.2 檢測方法

（1）有機質(zhì)：《土壤檢測 第6 部分：土壤有機質(zhì)的測定》（NY/T 1121.6—2006）。

（2）全氮：《土壤質(zhì)量 全氮測定 凱氏法》（HJ 717—2014）。

（3）全磷：《土壤 總磷的測定 堿熔-鉬銻抗分光光度法》（HJ 632—2011）。

（4）全鉀：《土壤元素的近代分析方法》[8]（原子吸收光度法）。

（5）pH：《土壤檢測 第2 部分：土壤pH 的測定》（NY/T 1121.2—2006）。

（6）水分：《土壤 干物質(zhì)和水分的測定 重量法》（HJ 613—2011）。

（7）汞、砷：《土壤質(zhì)量 總汞、總砷、總鉛的測定原子熒光法 第1 部分：土壤中總汞的測定》（GB/T 22105.1—2008）；《土壤質(zhì)量 總汞、總砷、總鉛的測定 原子熒光法 第2 部分：土壤中總砷的測定》（GB/T 22105.2—2008）。

（8）總鉻、鉛：《土壤和沉積物 銅、鋅、鉛、鎳、鉻的測定火焰原子吸收分光光度法》（HJ 491—2019）。

（9）鎘：《土壤質(zhì)量 鉛、鎘的測定 石墨爐原子吸收分光光度法》（GB/T 17141—1997）。

1.3 風(fēng)險評價方法

（1）單因子污染指數(shù)法是國內(nèi)外普遍采用的方法之一，該方法可對土壤中某一污染物的污染程度進行評價[9]，其計算公式為

式中：Pi為土壤中污染物i 的環(huán)境質(zhì)量指數(shù)；Ci為污染物i 的實測質(zhì)量比，mg/kg；Si為污染物i 的環(huán)境質(zhì)量標準，mg/kg。

（2）內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法可全面反映土壤中各污染物的平均污染水平，也突出了污染最嚴重的污染物給環(huán)境造成的危害[10]，其計算公式為

式中：P 為監(jiān)測點的綜合污染指數(shù)；Pimax為i 監(jiān)測點污染物單污染指數(shù)中的最大值；Piave為i 監(jiān)測點所有污染物單污染指數(shù)平均值。

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法將土壤重金屬污染劃分為5 個等級，具體如表1 所示。

表1 土壤重金屬污染分級標準

（3）污泥重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法是依據(jù)重金屬污染物的性質(zhì)以及對環(huán)境的影響特征，從沉積學(xué)的角度對土壤中重金屬的平均污染水平進行評價，也是目前沉積物重金屬污染評價應(yīng)用最廣泛的方法之一[11-12]。其計算公式為

表2 不同重金屬的毒性效應(yīng)系數(shù)

表3 生態(tài)危害指數(shù)分級標準

2 結(jié)果與分析

2.1 污泥pH、含水率季節(jié)性變化

由圖1 可知，污泥pH 穩(wěn)定在6.5～7.5，pH 全年平均值為6.9，變異系數(shù)為0.2%。pH 隨季節(jié)性變化趨勢不強，呈現(xiàn)秋季最高，夏季最低。污泥總體表現(xiàn)為中性偏酸性，污泥農(nóng)用不會對土壤酸堿度造成不利影響。一年內(nèi)污泥的含水率均在80%～90%，含水率全年平均值為88.2%，變異系數(shù)為0.2%，無明顯變化趨勢，污泥含水率與污水處理廠的污泥脫水工藝相關(guān)。污泥含水率的農(nóng)用泥質(zhì)標準≤60%，所以需進一步降低含水率。

圖1 污泥pH、含水率季節(jié)性變化

2.2 污泥有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀季節(jié)性變化

由圖2 可知：污泥中全年全氮的質(zhì)量比總體保持在25～35 g/kg，明顯高于雞糞、牛糞的全氮質(zhì)量比；全氮全年質(zhì)量比的平均值為30 g/kg，變異系數(shù)為3.9%。全氮質(zhì)量比隨季節(jié)變化呈較為明顯的變化趨勢，冬季質(zhì)量比最低，秋季質(zhì)量比最高，春、夏、秋、冬四季全氮質(zhì)量比表現(xiàn)為先降低后升高再降低的變化規(guī)律。污泥中全磷的質(zhì)量比總體保持在240～431 mg/kg，也高于雞糞、牛糞的全磷質(zhì)量比；全磷全年質(zhì)量比的平均值為300.4 mg/kg，變異系數(shù)為19%。全磷質(zhì)量比隨季節(jié)變化呈非常明顯變化趨勢，其中冬季質(zhì)量比最低，秋季質(zhì)量比最高，這可能與寒旱地區(qū)人類生活習(xí)性相關(guān)，在夏、秋季節(jié)洗澡和洗衣服多，春、夏、秋、冬四季全磷質(zhì)量比表現(xiàn)為先升高再降低的變化規(guī)律。

圖2 污泥全氮、全磷、全鉀和有機質(zhì)季節(jié)性變化

污泥中全鉀質(zhì)量比總體保持在3.2～9.0 g/kg，全鉀全年質(zhì)量比的平均值為5.79 g/kg，變異系數(shù)為4.4%。全鉀質(zhì)量比隨季節(jié)性呈現(xiàn)較為明顯的變化趨勢，冬季質(zhì)量比最低，秋季質(zhì)量比最高，春、夏、秋、冬四季全鉀質(zhì)量比表現(xiàn)為冬季到春季逐漸升高，春季到夏季逐漸降低，夏季到秋季逐漸升高，秋季到冬季逐漸降低的趨勢。污泥中有機質(zhì)變化幅度不高、相對平穩(wěn)，有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)總體保持在60%～70%，有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)全年平均值為63.9%，變異系數(shù)為1.8%。有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)隨季節(jié)變化呈較明顯的變化趨勢，表現(xiàn)為冬季質(zhì)量分數(shù)最低，秋季質(zhì)量分數(shù)最高，春、夏、秋、冬四季有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)表現(xiàn)為先升高再降低的變化規(guī)律。

2.3 污泥中重金屬質(zhì)量比的變化

由表4 和圖3 可知，重金屬砷（As）的質(zhì)量比為2～17 mg/kg，其質(zhì)量比均遠低于《農(nóng)用污泥污染物控制標準》（GB 4284—2018）（以下簡稱《標準》）的限值（75 mg/kg）。As 的全年質(zhì)量比的平均值為11.25 mg/kg，變異系數(shù)為2.42%。As 的質(zhì)量比隨季節(jié)變化呈明顯變化趨勢，秋季最高，春季最低，春、夏、秋、冬四季As的質(zhì)量比表現(xiàn)為先升高再降低的變化規(guī)律。在2020年3月，As 的質(zhì)量比最低，可能是新冠疫情期間大型娛樂場所關(guān)閉、飯店停業(yè)，污水處理廠污水處理量減少，使得重金屬As 的質(zhì)量比最低。重金屬鎘（Cd）的質(zhì)量比為0.1～1.9 mg/kg，其質(zhì)量比均遠低于《標準》的限值（15 mg/kg）。Cd 的全年質(zhì)量比的平均值為0.61 mg/kg，變異系數(shù)為0.5%。Cd 的質(zhì)量比隨季節(jié)變化呈明顯變化趨勢，秋季最高，春季最低，春、夏、秋、冬四季Cd的質(zhì)量比表現(xiàn)為先升高再降低的變化規(guī)律。在2019年9月，Cd 的質(zhì)量比最高，在2020年的各月，Cd 的質(zhì)量比顯著降低，同樣也是受疫情影響，在2020年3月質(zhì)量比最低。重金屬汞（Hg）的質(zhì)量比為0.7～8.7 mg/kg，其質(zhì)量比均低于《標準》的限值（15 mg/kg）。Hg 的全年質(zhì)量比的平均值為4.03 g/kg，變異系數(shù)為2.67%。Hg 的質(zhì)量比隨季節(jié)變化呈明顯變化趨勢，夏季最高，春季最低，春、夏、秋、冬四季Hg 的質(zhì)量比表現(xiàn)為先升高后降低再升高的變化規(guī)律。重金屬鉛（Pb）的質(zhì)量比為15～50 mg/kg，其質(zhì)量比均遠低于《標準》的限值（1 000 mg/kg）。Pb 的全年質(zhì)量比的平均值為33.35 mg/kg，變異系數(shù)為1.81%。Pb 的質(zhì)量比隨季節(jié)變化呈明顯變化趨勢，冬季最高，春季最低，春、夏、秋、冬四季Pb 的質(zhì)量比表現(xiàn)為先升高后降低再升高的變化規(guī)律。重金屬鉻（Cr）的質(zhì)量比為60～80 mg/kg，其質(zhì)量比均遠低于《標準》的限值（1 000 mg/kg）。Cr的全年質(zhì)量比的平均值為75.28 mg/kg，變異系數(shù)為6.92%。Cr 的質(zhì)量比隨季節(jié)變化呈明顯變化趨勢，春季最高，秋季最低，春、夏、秋、冬四季Cr 的質(zhì)量比表現(xiàn)為先降低再升高的變化規(guī)律。

圖3 污泥中5 種重金屬質(zhì)量比的季節(jié)性變化

表4 污泥中5 種重金屬質(zhì)量比季節(jié)性變化

2.4 重金屬污染風(fēng)險評價分析

由表5 可知，城市生活污泥中5 種典型重金屬單因子污染指數(shù)平均值由大到小的順序為：As，Cd，Cr，Hg，Pb。其中：重金屬As 在整個調(diào)查期內(nèi)污染較為嚴重，單因子污染指數(shù)平均值為2.02，為中度污染水平；重金屬Cd，Cr，Hg，Pb 的單因子污染指數(shù)平均值分別為0.37，0.19，0.15，0.11，均小于0.7，污染水平為清潔。分析各重金屬內(nèi)梅羅綜合指數(shù)在各月的污染水平可知，2020年5月份和6月份污泥中的重金屬污染嚴重，為中度和重度污染。從整個調(diào)查時間來看，城市生活污泥中重金屬內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)由大到小的順序為：2020年6月、2020年5月、2020年8月、2019年9月、2020年4月、2019年11月、2020年3月。由此可知，污泥中重金屬的污染水平為夏、秋季明顯高于春、冬季，這與調(diào)查結(jié)果中重金屬質(zhì)量比的變化趨勢一致。綜合評價該污水處理廠污泥中重金屬污染水平為輕度污染，可以考慮將該污水處理廠的污泥作為污泥堆肥的原材料。而在實際生產(chǎn)過程中，污泥經(jīng)過堆肥處理后堆體中重金屬的質(zhì)量比和形態(tài)會發(fā)生變化，污泥在資源化生產(chǎn)利用中帶來的生態(tài)環(huán)境風(fēng)險小于該評價的分析值。因此，對于中衛(wèi)市城市生活污水處理廠的生活污泥應(yīng)考慮合理的資源化利用。

表5 重金屬污染評價指數(shù)

2.5 污泥重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)分析

由于Hakanson 未提供元素Hg 的毒性響應(yīng)系數(shù)和評價參比值，所以本研究未對Hg 進行潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)分析。由表6 可知，城市生活污泥中4 種典型重金屬單因子潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)平均值由大到小的順序為：Cd，As，Pb，Cr。其中：重金屬Cd 在整個調(diào)查取樣過程中單因子潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)較大，平均值為34.29，為低危害風(fēng)險程度；重金屬As，Pb，Cr 的單因子潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)平均值分別為7.38，6.60，2.52，均遠小于40，為低危害風(fēng)險程度。根據(jù)各月重金屬污染水平潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)可知，2019年11月污泥中4 種重金屬綜合因子的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)較大，平均值為123.21，為低危害風(fēng)險程度。通過分析污水處理廠污泥單因子和綜合因子的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)可知，在整個調(diào)查取樣期內(nèi)各月重金屬污染風(fēng)險程度存在明顯差異。其中，2020年各月污水處理廠污泥中4 種重金屬均遠低于低危害風(fēng)險程度，2019年的2 個月重金屬Cd 處于中高危害風(fēng)險。調(diào)查期內(nèi)各月重金屬綜合因子的潛在風(fēng)險均小于低危害風(fēng)險水平。

表6 重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)

綜合以上3 種污染風(fēng)險評價方法可知，中衛(wèi)市生活污水處理廠污泥為低危害風(fēng)險、輕度污染。

3 結(jié)論

（1）污泥中1年的全氮質(zhì)量比的平均值為30 g/kg，全磷質(zhì)量比的平均值為300 mg/kg，全鉀質(zhì)量比的平均值為5.79 g/kg，有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)的平均值為63.9%，pH 平均值為6.9，含水率平均值為88.2%。全磷較全氮、全鉀和有機質(zhì)相比隨季節(jié)變化趨勢明顯，養(yǎng)分在秋季最高，冬季最低。

（2）污泥中重金屬Cr 質(zhì)量比的季節(jié)性變化較為明顯，春、夏、秋、冬四季表現(xiàn)為先降低后升高的變化規(guī)律，其中秋季最低。Cd 和As 質(zhì)量比的季節(jié)性變化規(guī)律相同，春、夏、秋、冬四季表現(xiàn)為先升高后降低的變化規(guī)律，其中秋季最高。Hg 和Pb 質(zhì)量比的季節(jié)性變化規(guī)律相同，春、夏、秋、冬四季表現(xiàn)為先升高后降低再升高的變化規(guī)律，Hg 的質(zhì)量比夏季最高，Pb 的質(zhì)量比冬季最高。

（3）污泥中各重金屬質(zhì)量比均在《農(nóng)用污泥污染物控制標準》（GB 4284—2018）限值內(nèi)。重金屬內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)和綜合因子潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的評價結(jié)果為輕度污染和低危害風(fēng)險。