北京市城市污水中主要污染物分布調查分析_膠體組分
導讀:：未經恰當處理處置的污泥進入環境后。北京市污泥產量達103.5萬t(含水率80%)。值。有機質、氮、磷、鉀的含量有差異。
關鍵詞：污泥，含水率，pH值，有機質，重金屬含量[1]
城市化進程的加快，城市污水處理率正在快速提高，城市污水處理廠的污泥產量隨之急劇增加[1-4]。未經恰當處理處置的污泥進入環境后，直接對土壤、水體、大氣產生二次污染，對生態環境和人類活動構成威脅[5-7]。由于污泥中有機物、營養元素含量比較高，尤其是氮、磷、鉀等，如何處理利用是生態環境學科的一個重要課題。
據統計，2008年，北京市年污水排放量為13.4億m3pH值，污水處理率達78%，年污水處理量為10.5億m3。其中，城區年污水排放量9億m3，污水處理率達93%，年污水處理量為8.4億m3;郊區年污水排放量4.4億m3，污水處理率48%，年污水處理量為2.1億m3。根據《北京城市總體規劃(2004年-2020年)》，預計 2020年，北京市年污水排放量18億m3，污水處理率達90%，年污水處理量16.2億m3。
隨著北京市污水處理設施的增加、處理率的提高和處理程度的深化，污水處理廠的污泥產量急劇增加。2008年，北京市污泥產量達103.5萬t(含水率80%)，其中，城區86.6萬t，郊區16.9萬t。根據《北京城市總體規化(2004年-2020年)》，預計2020年，北京市全年污泥產量將達200萬t(含水率80%)。
由于污泥中含有大量的有機物、營養元素等pH值，因此污泥的資源化利用受到人們的關注，如污泥農業利用、土地利用、建筑利用和園林綠化利用等[8-12]。為此，分析污泥的性質是科學合理地進行污泥處置與資源化的前提條件。
1 材料與方法
對北京市的污水處理廠進行調查研究，考察各污水處理廠的基本運行情況。以黃村、房山城關、良鄉、門頭溝、延慶夏都、昌平、密云、平谷、懷柔、順義李橋、亦莊等11家污水處理廠的生污泥作為樣品，分別對含水率、pH值、有機質等養分和重金屬含量等理化性質進行化驗測定分析。
土壤理化分析按GB/T 15618-1995《土壤環境質量標準(Environmental quality standard for soils)》規定執行。其中pH用GB/T 6920-1986方法pH測試儀測定，全氮用NY/T 53-1987測定，全磷用NY/T 88-1988測定，全鉀用GB 9836-1988測定，重金屬用GB 15618-1995測定。
2 結果與分析
2.1 pH值
pH值對污泥處理來說是十分重要的條件。一般認為，發酵在pH6-9范圍內進行，且最佳pH值在8左右。研究表明[13]，國內污水處理廠的污泥pH值均在6~9之間，總堿度為16~26mg/L左右。
pH對重金屬的穩定性有著非常重要的作用。重金屬各種狀態的穩定性對環境條件(主要是pH值、離子強度)變化的敏感程度順序為吸附及離子可交換態>氫氧化物>碳酸鹽結合態>硫化物及有機結合態。雖然重金屬的碳酸鹽態、氫氧化物絡合態的穩定常數比有機絡合物的大，但由于易受pH值變化的影響，因此其穩定性反而不如有機絡合物，而重金屬硫化物不論從其穩定常數，還是從其對pH值變化的敏感程度看，都具有較強的穩定性。正是基于這一特性pH值，目前在穩定污泥重金屬危害性方面，也可將污泥中一些穩定性差的易受pH值變化影響的重金屬化合物轉化為穩定性較好的受pH值變化影響小的重金屬硫化物，以提高污泥農用的安全可靠性。
本研究采集污泥的pH值在6.71~7.51(表1)，在土地利用(農用、園林綠化、土地改良等)中施用，不會對土壤的酸堿度造成大的影響。但是污泥含水量較高(平均為82.73%)，不宜直接施用。
表1 北京市污水處理廠污泥營養成分g/Kg
Table 1 Nutrient content of thesewage in wastewater treatment plant in Beijingg/Kg
|
污水廠名稱 |
pH |
含水量 （％） |
總氮 |
總磷 |
總鉀 |
有機質 |
有機物 |
全鹽量 |
|
Name of wastewater treatment plant |
pH value |
Moisture rate |
Total N |
Total P |
Total K |
Organic matter |
|
|
|
黃村 Huangcun |
7.38 |
79.49 |
51.7 |
37.2 |
7.2 |
561.0 |
600.7 |
21.7 |
|
房山城關 Fangshan Chengguan |
7.51 |
72.46 |
28.7 |
23.1 |
8.6 |
313.5 |
379.4 |
9.0 |
|
良鄉 Liangxiang |
7.33 |
83.94 |
42.8 |
54.4 |
6.3 |
441.2 |
510.3 |
14.1 |
|
門頭溝 Mentougou |
6.97 |
84.03 |
53.0 |
54.3 |
8.0 |
565.7 |
628.4 |
19.4 |
|
延慶夏都 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 |
|
懷柔 Huairou |
6.92 |
80.72 |
39.3 |
45.4 |
11.2 |
475.8 |
511.7 |
12.2 |
|
順義李橋 Shunyi Liqiao |
7.44 |
83.83 |
42.1 |
46.0 |
9.7 |
470.7 |
504.8 |
12.0 |
|
亦莊 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：數據來源于北京市水利科學研究所水生態中心
2.2 養分含量
城市污泥中含有豐富的氮、磷和鉀等營養元素，維持植物正常生長的多種微量元素B和Mo等以及改良土鑲結構的有機質及腐殖質，提高土雄的保水性能和保肥能力[14]。一般來說，在沒有其它限制因素時，養分濃度越高，農業利用價值越大。總體上講，城市污泥是一種富含有機質、高氮、高磷而低鉀的有機肥，pH為中性或偏酸性，其養分含量高于一般禽畜糞便，礦化速度也比農家肥迅速[15]。北京市污水處理廠污泥營養成分含量(表1)中，11個污水處理廠的污泥因其來源及污水、污泥處理工藝不同，有機質、氮、磷、鉀的含量有差異，但總體上污泥是一種富含有機質(平均為509.45 g/kg)、高氮(平均為46.12 g/kg)、高磷(平均為45.47 g/kg)、低鉀(平均為8.33 g/kg)的有機肥pH值，呈現出：“三高一低”的狀況的格式。
李艷霞[16]等對我國16個城市29個污水處理廠城市污泥養分的統計分析并與美國的城市污泥中養分進行比較，與國外污水污泥相比，我國城市污泥含有豐富的氮和磷等養分，且平均值均高于美國城市污泥，尤其是磷和氮含量普遍較高。
與中國傳統的農家肥——豬糞、牛糞、雞糞相比(表2)，北京市污水處理廠污泥總氮和總磷的含量比純豬糞高120.6%和407.4%，比牛糞高176.1%和957.4%，比雞糞高97%和3.89%;北京市污水處理廠污泥中鉀的含量較低，相比純豬糞、牛糞和雞糞低34.4%、14%和93.2%。因此，城市污泥作為肥料提供氮和磷可以優于豬糞及豬廄肥，但全鉀含量偏低，施用城市污泥時應補充鉀肥。
土壤有機質在土壤肥力中有其他元素不可代替的作用，常以它作為土壤肥力高低的指標;一般認為≥1.7%為高肥力，≤1.2%為低肥力[17]。城市污泥經堆肥后會形成大量腐殖質和許多己被植物吸收狀態的營養物質，可以能夠改善土壤結構，增加土壤肥力，促進作物生長。李艷霞等[16]對我國16個城市29個污水處理廠城市污泥養分的統計分析并與美國的城市污泥中養分進行比較，我國污泥中有機質含量(384g/kg)較美國(534g/kg)低。但是pH值，北京市污水廠污泥有機質含量(509.45g/kg)與美國(534g/kg)接近。另外，北京市污泥中的有機質含量(509.15g/kg)與傳統農家肥相比，相當于純豬糞有機質平均含量的71.3%;相當于牛糞有機質平均含量的80.3%;相當于雞糞有機質平均含量的97.9%。
表2 傳統農家肥的有機質含量及養分含量 g/Kg
Table 2 Organic matter and nutrientsconcentrations in traditional farm manure g/Kg
|
項目 |
總氮TN |
總磷TP |
總鉀TK |
有機質Organic matter |
|
城市污泥 |
46.12 |
45.47 |
8.33 |
509.45 |
|
豬糞平均值[18] |
20.9 |
8.96 |
11.2 |
714 |
|
牛糞[18] |
16.7 |
4.30 |
9.50 |
634 |
|
雞糞[18] |
23.4 |
9.29 |
16.1 |
520 |
2.3 重金屬含量
在污水處理過程中，污水中50%~80%以上的重金屬通過細菌吸收、細菌和礦物顆粒表面吸附，以及無機鹽(磷酸鹽、硫酸鹽)共沉淀等多種途徑濃縮到產生的污泥中[19]。而污泥中重金屬種類和數量也因城市生活、生產特點的不同而異。城市污泥中主要含有Cu、Zn、Cd、Ni、Cr、Pb、Hg和As等有害有毒重金屬。研究發現，污泥中重金屬的85%~95%附著于生物團(細菌碎屑)上，5%~15%存在于礦物顆粒和有機碎屑顆粒物上，很少一部分存在于可溶態和膠狀的有機物質上[19,20]。重金屬有劑量小、危害大、易富集等的特點，一直是限制污泥農業利用的最主要的因素[21,22]。因此，污泥中潛在的重金屬污染(Cu、Cd、Pb、Ni和Zn)得到了廣泛的關注。即使是植物必須的微量元素，Cu和Zn等，其在土壤中的含量超過了一定濃度，也會對植物產生毒害作用。
陳同斌等[23]對國內(1994-2001年)報道的城市污泥重金屬的資料進行統計分析表明，我國城市污的Ni、Pb、Cr、Cu和Zn含量變化幅度很大，極差最高達幾千個mg/kg。城市污泥中的各種金屬含量，Zn含量普遍較高，這可能是因為我國城市大量使用鍍鋅管道，導致城市污水中Zn含量較高的緣故。其次是CupH值，再次是Ni和Pb。而Cd、Hg、As含量除極個別污水廠外，通常含量低，在幾個到幾十個mg/kg范圍內的格式。不同污水處理廠重金屬的含量差別較大，可能與污水來源、污水量及處理工藝有關。
北京市污水處理廠污泥中含有Pb、Cr、Cd、Cu、Zn、Ni、As、Hg等重金屬，見表3。北京市不同地區的污泥重金屬含量差異較大，但污水廠污泥重金屬含量均未超出我國農用污泥污染物控制標準，只有個別區縣的污泥中重金屬含量稍微超標。總體來說，北京市污水污泥的重金屬含量不高，遠低于美國、加拿大、歐盟等國農用標準中的重金屬限值(見表4)。
從表4中可以看出，北京市污水處理廠污泥重金屬含量平均值均不超標，即使容易超標的Zn、Cu、Cd和Pb平均含量與歐美標準相比，也不超過標準。從表3中發現，Cu含量(2401.11mg/kg，懷柔污水處理廠)超過中國標準60%，超過歐盟、德國、法國標準37.2%、140.1%、200.1%;Ni含量(326.96mg/kg，密云污水處理廠)超過中國標準63.4%，也超過德國、法國標準63.4%;As含量(111.39mg/kg，亦莊開發區污水處理廠)超過中國標準值48.5%pH值，也超過美國標準48.5%。
表3北京市污水處理廠污泥重金屬mg/Kg
Table 3 Heavy metal contentof the sewage in wastewater treatment plant in Beijing mg/kg
|
污水處理廠名稱 Name of wastewater treatment plant |
鉛 |
鎘 |
鉻 |
銅 |
鋅 |
鎳 |
砷 |
汞 |
|
Pb |
Cd |
Cr |
Cu |
Zn |
Ni |
As |
Hg |
|
|
黃村 Huangcun |
34.32 |
2.79 |
48.00 |
131.89 |
1136.00 |
18.60 |
10.84 |
4.58 |
|
房山城關 Fangshan Chengguan |
49.53 |
0.21 |
338.50 |
98.05 |
518.25 |
47.40 |
20.34 |
2.51 |
|
良鄉 Liangxiang |
42.37 |
0.43 |
64.12 |
113.19 |
1232.56 |
28.33 |
16.50 |
4.89 |
|
門頭溝 Mentougou |
42.01 |
0.46 |
42.14 |
77.01 |
625.67 |
23.00 |
18.24 |
9.03 |
|
延慶夏都 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 |
|
懷柔 Huairou |
65.11 |
0.37 |
200.56 |
2401.11 |
857.11 |
133.00 |
17.39 |
3.62 |
|
順義李橋 Shunyi Liqiao |
27.86 |
0.43 |
97.94 |
233.89 |
590.00 |
62.00 |
12.35 |
2.57 |
|
亦莊 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 歐美及中國的城市污泥土地利用重金屬控制標準
Table 4 The heavy metal limits for landapplication of Europe and USA and China
|
|
重金屬，mg/Kg |
|||||||
|
鉛 |
鎘 |
鉻 |
銅 |
鋅 |
鎳 |
砷 |
汞 |
|
|
Pb |
Cd |
Cr |
Cu |
Zn |
Ni |
As |
Hg |
|
|
歐盟標準(1) |
1200 |
40 |
1000 |
1750 |
4000 |
400 |
25 |
|
|
德國標準 |
800 |
15 |
1000 |
1000 |
3000 |
200 |
10 |
|
|
法國標準 |
900 |
10 |
900 |
800 |
2500 |
200 |
8 |
|
|
美國標準(2) |
840 |
85 |
3000 |
4300 |
7500 |
420 |
75 |
57 |
|
中國標準 |
||||||||
|
農用標準(3)Soil pH≥6.5 |
1000 |
20 |
1000 |
1500 |
3000 |
200 |
75 |
15 |
|
園林標準(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 |
|
北京市污水廠污泥重金屬平均含量 |
44.38 |
0.73 |
118.37 |
392.56 |
743.12 |
78.73 |
24.52 |
5.37 |
|
注：(1) 歐盟官方網站2002年數據，//europa.eu.int (2) USEPA，2002《美國城市污泥土地利用重金屬控制標準》（最高濃度控制標準） (3) GB/T 18918－2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》 (4) GB/T 23486－2009《城鎮污水處理廠污泥處置 園林綠化用泥質》 (5) GB/T 24600－2009《城鎮污水處理廠污泥處置 土地改良用泥質》 (7) GB/T 23485－2009《城鎮污水處理廠污泥處置 混合填埋用泥質》 |
||||||||
3 結論
由于污水處理廠的處理水源不同、處理工藝不同，生產的污泥中養分和重金屬含量各不相同，可資源化利用的價值也不相同。用做農用、園林綠化、土地改良等介質土的污水處理廠污泥，含有足夠的有益成分，N、P、有機質含量較高，對土壤能起到改良作用，促進植物生長。
以上分析也表明，北京市城市污泥的重金屬含量普遍低于歐美國家標準，也低于中國國家標準，而且還將呈現逐漸下降的趨勢[23]。因此，城市污泥在進行土地利用時重金屬環境風險并不像人們想像的那樣嚴重，近年來的相關研究也證明[25,26]：合理進行城市污泥土地利用并不會造成土壤和農產品的重金屬污染問題。
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