北京市城市污水中主要污染物分布调查分析_胶体组分
导读:：未经恰当处理处置的污泥进入环境后。北京市污泥产量达103.5万t(含水率80%)。值。有机质、氮、磷、钾的含量有差异。
关键词：污泥，含水率，pH值，有机质，重金属含量[1]
城市化进程的加快，城市污水处理率正在快速提高，城市污水处理厂的污泥产量随之急剧增加[1-4]。未经恰当处理处置的污泥进入环境后，直接对土壤、水体、大气产生二次污染，对生态环境和人类活动构成威胁[5-7]。由于污泥中有机物、营养元素含量比较高，尤其是氮、磷、钾等，如何处理利用是生态环境学科的一个重要课题。
据统计，2008年，北京市年污水排放量为13.4亿m3pH值，污水处理率达78%，年污水处理量为10.5亿m3。其中，城区年污水排放量9亿m3，污水处理率达93%，年污水处理量为8.4亿m3;郊区年污水排放量4.4亿m3，污水处理率48%，年污水处理量为2.1亿m3。根据《北京城市总体规划(2004年-2020年)》，预计 2020年，北京市年污水排放量18亿m3，污水处理率达90%，年污水处理量16.2亿m3。
随着北京市污水处理设施的增加、处理率的提高和处理程度的深化，污水处理厂的污泥产量急剧增加。2008年，北京市污泥产量达103.5万t(含水率80%)，其中，城区86.6万t，郊区16.9万t。根据《北京城市总体规化(2004年-2020年)》，预计2020年，北京市全年污泥产量将达200万t(含水率80%)。
由于污泥中含有大量的有机物、营养元素等pH值，因此污泥的资源化利用受到人们的关注，如污泥农业利用、土地利用、建筑利用和园林绿化利用等[8-12]。为此，分析污泥的性质是科学合理地进行污泥处置与资源化的前提条件。
1 材料与方法
对北京市的污水处理厂进行调查研究，考察各污水处理厂的基本运行情况。以黄村、房山城关、良乡、门头沟、延庆夏都、昌平、密云、平谷、怀柔、顺义李桥、亦庄等11家污水处理厂的生污泥作为样品，分别对含水率、pH值、有机质等养分和重金属含量等理化性质进行化验测定分析。
土壤理化分析按GB/T 15618-1995《土壤环境质量标准(Environmental quality standard for soils)》规定执行。其中pH用GB/T 6920-1986方法pH测试仪测定，全氮用NY/T 53-1987测定，全磷用NY/T 88-1988测定，全钾用GB 9836-1988测定，重金属用GB 15618-1995测定。
2 结果与分析
2.1 pH值
pH值对污泥处理来说是十分重要的条件。一般认为，发酵在pH6-9范围内进行，且最佳pH值在8左右。研究表明[13]，国内污水处理厂的污泥pH值均在6~9之间，总碱度为16~26mg/L左右。
pH对重金属的稳定性有着非常重要的作用。重金属各种状态的稳定性对环境条件(主要是pH值、离子强度)变化的敏感程度顺序为吸附及离子可交换态>氢氧化物>碳酸盐结合态>硫化物及有机结合态。虽然重金属的碳酸盐态、氢氧化物络合态的稳定常数比有机络合物的大，但由于易受pH值变化的影响，因此其稳定性反而不如有机络合物，而重金属硫化物不论从其稳定常数，还是从其对pH值变化的敏感程度看，都具有较强的稳定性。正是基于这一特性pH值，目前在稳定污泥重金属危害性方面，也可将污泥中一些稳定性差的易受pH值变化影响的重金属化合物转化为稳定性较好的受pH值变化影响小的重金属硫化物，以提高污泥农用的安全可靠性。
本研究采集污泥的pH值在6.71~7.51(表1)，在土地利用(农用、园林绿化、土地改良等)中施用，不会对土壤的酸碱度造成大的影响。但是污泥含水量较高(平均为82.73%)，不宜直接施用。
表1 北京市污水处理厂污泥营养成分g/Kg
Table 1 Nutrient content of thesewage in wastewater treatment plant in Beijingg/Kg
|
污水厂名称 |
pH |
含水量 （％） |
总氮 |
总磷 |
总钾 |
有机质 |
有机物 |
全盐量 |
|
Name of wastewater treatment plant |
pH value |
Moisture rate |
Total N |
Total P |
Total K |
Organic matter |
|
|
|
黄村 Huangcun |
7.38 |
79.49 |
51.7 |
37.2 |
7.2 |
561.0 |
600.7 |
21.7 |
|
房山城关 Fangshan Chengguan |
7.51 |
72.46 |
28.7 |
23.1 |
8.6 |
313.5 |
379.4 |
9.0 |
|
良乡 Liangxiang |
7.33 |
83.94 |
42.8 |
54.4 |
6.3 |
441.2 |
510.3 |
14.1 |
|
门头沟 Mentougou |
6.97 |
84.03 |
53.0 |
54.3 |
8.0 |
565.7 |
628.4 |
19.4 |
|
延庆夏都 Yanqing Xiadu |
7.07 |
85.73 |
39.5 |
32.1 |
9.0 |
434.9 |
497.1 |
15.3 |
|
昌平 Changping |
6.71 |
84.05 |
56.6 |
49.1 |
9.3 |
667.6 |
704.9 |
26.8 |
|
密云 Miyun |
7.13 |
83.73 |
45.3 |
41.4 |
5.3 |
601.8 |
611.3 |
20.6 |
|
平谷 Pinggu |
7.03 |
84.95 |
53.1 |
55.9 |
8.9 |
537.7 |
633.6 |
34.0 |
|
怀柔 Huairou |
6.92 |
80.72 |
39.3 |
45.4 |
11.2 |
475.8 |
511.7 |
12.2 |
|
顺义李桥 Shunyi Liqiao |
7.44 |
83.83 |
42.1 |
46.0 |
9.7 |
470.7 |
504.8 |
12.0 |
|
亦庄 Yizhuang |
7.01 |
87.13 |
55.2 |
61.3 |
8.1 |
534.0 |
632.2 |
17.8 |
|
平均 Average |
7.14 |
82.73 |
46.12 |
45.47 |
8.33 |
509.45 |
564.95 |
18.45 |
注：数据来源于北京市水利科学研究所水生态中心
2.2 养分含量
城市污泥中含有丰富的氮、磷和钾等营养元素，维持植物正常生长的多种微量元素B和Mo等以及改良土镶结构的有机质及腐殖质，提高土雄的保水性能和保肥能力[14]。一般来说，在没有其它限制因素时，养分浓度越高，农业利用价值越大。总体上讲，城市污泥是一种富含有机质、高氮、高磷而低钾的有机肥，pH为中性或偏酸性，其养分含量高于一般禽畜粪便，矿化速度也比农家肥迅速[15]。北京市污水处理厂污泥营养成分含量(表1)中，11个污水处理厂的污泥因其来源及污水、污泥处理工艺不同，有机质、氮、磷、钾的含量有差异，但总体上污泥是一种富含有机质(平均为509.45 g/kg)、高氮(平均为46.12 g/kg)、高磷(平均为45.47 g/kg)、低钾(平均为8.33 g/kg)的有机肥pH值，呈现出：“三高一低”的状况的格式。
李艳霞[16]等对我国16个城市29个污水处理厂城市污泥养分的统计分析并与美国的城市污泥中养分进行比较，与国外污水污泥相比，我国城市污泥含有丰富的氮和磷等养分，且平均值均高于美国城市污泥，尤其是磷和氮含量普遍较高。
与中国传统的农家肥——猪粪、牛粪、鸡粪相比(表2)，北京市污水处理厂污泥总氮和总磷的含量比纯猪粪高120.6%和407.4%，比牛粪高176.1%和957.4%，比鸡粪高97%和3.89%;北京市污水处理厂污泥中钾的含量较低，相比纯猪粪、牛粪和鸡粪低34.4%、14%和93.2%。因此，城市污泥作为肥料提供氮和磷可以优于猪粪及猪厩肥，但全钾含量偏低，施用城市污泥时应补充钾肥。
土壤有机质在土壤肥力中有其他元素不可代替的作用，常以它作为土壤肥力高低的指标;一般认为≥1.7%为高肥力，≤1.2%为低肥力[17]。城市污泥经堆肥后会形成大量腐殖质和许多己被植物吸收状态的营养物质，可以能够改善土壤结构，增加土壤肥力，促进作物生长。李艳霞等[16]对我国16个城市29个污水处理厂城市污泥养分的统计分析并与美国的城市污泥中养分进行比较，我国污泥中有机质含量(384g/kg)较美国(534g/kg)低。但是pH值，北京市污水厂污泥有机质含量(509.45g/kg)与美国(534g/kg)接近。另外，北京市污泥中的有机质含量(509.15g/kg)与传统农家肥相比，相当于纯猪粪有机质平均含量的71.3%;相当于牛粪有机质平均含量的80.3%;相当于鸡粪有机质平均含量的97.9%。
表2 传统农家肥的有机质含量及养分含量 g/Kg
Table 2 Organic matter and nutrientsconcentrations in traditional farm manure g/Kg
|
项目 |
总氮TN |
总磷TP |
总钾TK |
有机质Organic matter |
|
城市污泥 |
46.12 |
45.47 |
8.33 |
509.45 |
|
猪粪平均值[18] |
20.9 |
8.96 |
11.2 |
714 |
|
牛粪[18] |
16.7 |
4.30 |
9.50 |
634 |
|
鸡粪[18] |
23.4 |
9.29 |
16.1 |
520 |
2.3 重金属含量
在污水处理过程中，污水中50%~80%以上的重金属通过细菌吸收、细菌和矿物颗粒表面吸附，以及无机盐(磷酸盐、硫酸盐)共沉淀等多种途径浓缩到产生的污泥中[19]。而污泥中重金属种类和数量也因城市生活、生产特点的不同而异。城市污泥中主要含有Cu、Zn、Cd、Ni、Cr、Pb、Hg和As等有害有毒重金属。研究发现，污泥中重金属的85%~95%附着于生物团(细菌碎屑)上，5%~15%存在于矿物颗粒和有机碎屑颗粒物上，很少一部分存在于可溶态和胶状的有机物质上[19,20]。重金属有剂量小、危害大、易富集等的特点，一直是限制污泥农业利用的最主要的因素[21,22]。因此，污泥中潜在的重金属污染(Cu、Cd、Pb、Ni和Zn)得到了广泛的关注。即使是植物必须的微量元素，Cu和Zn等，其在土壤中的含量超过了一定浓度，也会对植物产生毒害作用。
陈同斌等[23]对国内(1994-2001年)报道的城市污泥重金属的资料进行统计分析表明，我国城市污的Ni、Pb、Cr、Cu和Zn含量变化幅度很大，极差最高达几千个mg/kg。城市污泥中的各种金属含量，Zn含量普遍较高，这可能是因为我国城市大量使用镀锌管道，导致城市污水中Zn含量较高的缘故。其次是CupH值，再次是Ni和Pb。而Cd、Hg、As含量除极个别污水厂外，通常含量低，在几个到几十个mg/kg范围内的格式。不同污水处理厂重金属的含量差别较大，可能与污水来源、污水量及处理工艺有关。
北京市污水处理厂污泥中含有Pb、Cr、Cd、Cu、Zn、Ni、As、Hg等重金属，见表3。北京市不同地区的污泥重金属含量差异较大，但污水厂污泥重金属含量均未超出我国农用污泥污染物控制标准，只有个别区县的污泥中重金属含量稍微超标。总体来说，北京市污水污泥的重金属含量不高，远低于美国、加拿大、欧盟等国农用标准中的重金属限值(见表4)。
从表4中可以看出，北京市污水处理厂污泥重金属含量平均值均不超标，即使容易超标的Zn、Cu、Cd和Pb平均含量与欧美标准相比，也不超过标准。从表3中发现，Cu含量(2401.11mg/kg，怀柔污水处理厂)超过中国标准60%，超过欧盟、德国、法国标准37.2%、140.1%、200.1%;Ni含量(326.96mg/kg，密云污水处理厂)超过中国标准63.4%，也超过德国、法国标准63.4%;As含量(111.39mg/kg，亦庄开发区污水处理厂)超过中国标准值48.5%pH值，也超过美国标准48.5%。
表3北京市污水处理厂污泥重金属mg/Kg
Table 3 Heavy metal contentof the sewage in wastewater treatment plant in Beijing mg/kg
|
污水处理厂名称 Name of wastewater treatment plant |
铅 |
镉 |
铬 |
铜 |
锌 |
镍 |
砷 |
汞 |
|
Pb |
Cd |
Cr |
Cu |
Zn |
Ni |
As |
Hg |
|
|
黄村 Huangcun |
34.32 |
2.79 |
48.00 |
131.89 |
1136.00 |
18.60 |
10.84 |
4.58 |
|
房山城关 Fangshan Chengguan |
49.53 |
0.21 |
338.50 |
98.05 |
518.25 |
47.40 |
20.34 |
2.51 |
|
良乡 Liangxiang |
42.37 |
0.43 |
64.12 |
113.19 |
1232.56 |
28.33 |
16.50 |
4.89 |
|
门头沟 Mentougou |
42.01 |
0.46 |
42.14 |
77.01 |
625.67 |
23.00 |
18.24 |
9.03 |
|
延庆夏都 Yanqing Xiadu |
37.37 |
0.33 |
46.72 |
75.79 |
338.46 |
23.46 |
16.74 |
5.63 |
|
昌平 Changping |
63.68 |
2.09 |
55.87 |
157.44 |
727.89 |
80.99 |
16.02 |
5.99 |
|
密云 Miyun |
43.96 |
0.30 |
285.80 |
214.11 |
716.33 |
326.96 |
14.50 |
4.44 |
|
平谷 Pinggu |
41.69 |
0.32 |
55.99 |
112.94 |
501.78 |
44.62 |
15.38 |
3.04 |
|
怀柔 Huairou |
65.11 |
0.37 |
200.56 |
2401.11 |
857.11 |
133.00 |
17.39 |
3.62 |
|
顺义李桥 Shunyi Liqiao |
27.86 |
0.43 |
97.94 |
233.89 |
590.00 |
62.00 |
12.35 |
2.57 |
|
亦庄 Yizhuang |
40.27 |
0.29 |
66.41 |
702.70 |
930.29 |
77.63 |
111.39 |
12.74 |
|
平均 |
44.38 |
0.73 |
118.37 |
392.56 |
743.12 |
78.73 |
24.52 |
5.37 |
表4 欧美及中国的城市污泥土地利用重金属控制标准
Table 4 The heavy metal limits for landapplication of Europe and USA and China
|
|
重金属，mg/Kg |
|||||||
|
铅 |
镉 |
铬 |
铜 |
锌 |
镍 |
砷 |
汞 |
|
|
Pb |
Cd |
Cr |
Cu |
Zn |
Ni |
As |
Hg |
|
|
欧盟标准(1) |
1200 |
40 |
1000 |
1750 |
4000 |
400 |
25 |
|
|
德国标准 |
800 |
15 |
1000 |
1000 |
3000 |
200 |
10 |
|
|
法国标准 |
900 |
10 |
900 |
800 |
2500 |
200 |
8 |
|
|
美国标准(2) |
840 |
85 |
3000 |
4300 |
7500 |
420 |
75 |
57 |
|
中国标准 |
||||||||
|
农用标准(3)Soil pH≥6.5 |
1000 |
20 |
1000 |
1500 |
3000 |
200 |
75 |
15 |
|
园林标准(4)Soil pH≥6.5 |
1000 |
20 |
1000 |
1500 |
4000 |
200 |
75 |
15 |
|
土地改良(5)Soil pH≥6.5 |
1000 |
20 |
1000 |
1500 |
4000 |
200 |
75 |
15 |
|
混合填埋(6) |
1000 |
20 |
1000 |
1500 |
4000 |
200 |
75 |
25 |
|
北京市污水厂污泥重金属平均含量 |
44.38 |
0.73 |
118.37 |
392.56 |
743.12 |
78.73 |
24.52 |
5.37 |
|
注：(1) 欧盟官方网站2002年数据，http://europa.eu.int (2) USEPA，2002《美国城市污泥土地利用重金属控制标准》（最高浓度控制标准） (3) GB/T 18918－2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》 (4) GB/T 23486－2009《城镇污水处理厂污泥处置 园林绿化用泥质》 (5) GB/T 24600－2009《城镇污水处理厂污泥处置 土地改良用泥质》 (7) GB/T 23485－2009《城镇污水处理厂污泥处置 混合填埋用泥质》 |
||||||||
3 结论
由于污水处理厂的处理水源不同、处理工艺不同，生产的污泥中养分和重金属含量各不相同，可资源化利用的价值也不相同。用做农用、园林绿化、土地改良等介质土的污水处理厂污泥，含有足够的有益成分，N、P、有机质含量较高，对土壤能起到改良作用，促进植物生长。
以上分析也表明，北京市城市污泥的重金属含量普遍低于欧美国家标准，也低于中国国家标准，而且还将呈现逐渐下降的趋势[23]。因此，城市污泥在进行土地利用时重金属环境风险并不像人们想像的那样严重，近年来的相关研究也证明[25,26]：合理进行城市污泥土地利用并不会造成土壤和农产品的重金属污染问题。
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