陕西省城镇污泥养分与重金属含量特征分析

随着城镇污水处理率的逐年提高，污水处理副产物——污泥的处理与处置日益成为新的环境问题。陕西省生态环境厅统计数据显示，2016年陕西省171家城镇污水处理厂共产生含水率约为80%的脱水污泥45万t，其中仅有7.5%的污泥进行了土地利用，16.9%用作建筑材料或焚烧处理，有75.6%的污泥脱水后被直接填埋或被任意堆放。城镇污泥中含有大量的有机质，丰富的氮、磷以及少量的钾[1]，是良好的肥料和土壤改良剂。污泥农用能够改良土壤结构，增加土壤肥力，促进作物生长[2,3]。然而，污水处理过程中浓缩于污泥中的重金属是限制污泥农用的最关键因素[4]。污泥中的重金属含量往往高于农田背景值数倍甚至数十倍，一旦进入土壤，可长时间稳定停留在土壤中，对农田生态环境造成潜在危害。

根据《陕西省城乡建设统计年鉴(2016)》中列出的数据，截止到2016年，陕西省城市(市辖区)和县城(含县级市)排污管道中雨污合流管道长度占比分别为22.2%和43.4%。鉴于陕西省部分城镇街区仍存在雨污分流不彻底的问题，针对陕西省城镇污泥泥质不清晰、污泥处理处置技术路线不明确的现状，本研究于2016—2017年分为丰(7，8，9月)、平(4，5，6，10，11月)、枯(12，1，2，3月)3个水期，分别对陕西省不同地区32家城镇污水处理厂的出厂污泥进行取样分析，旨在掌握陕西省不同水期城镇污泥中的养分及重金属含量状况，为城镇污泥的无害化、资源化处理处置提供参考。

1 试验部分

1.1 试验材料

本文选取的32家污水厂均为当地规模较大或处理工艺较为先进的处理厂。地域分布为陕北地区5家，关中地区18家，陕南地区9家；处理工艺类型为氧化沟工艺8家，A2/O工艺12家，SBR工艺4家以及CASS/CAST工艺8家；日处理能力为3000～200000 m3/d。采集的污泥样品经冷冻干燥后去除杂物，研磨，过100目筛后贮存待测。

1.2 试验方法

有机质及总氮、总磷、总钾含量采用CJ/T 221—2005《城市污水处理厂污泥检验方法》测定，以上分析过程均按GB/T 32465—2015《化学分析方法验证确认和内部质量控制要求》进行质量控制；污泥重金属含量采用HDXRF重金属分析仪进行测定，采用国家标准物质GBW-07407进行测定过程的质量控制，测定过程中对Cr、Ni、Cu、Zn、As、Pb的回收率分别为92.2%、95.3%、108.2%、105.6%、97.9%、103.6%。

1.3 数据处理

数据统计分析采用IBM SPSS Statistics 25软件。其中，均值比较采用T检验法，正态性检验采用K-S法，方差齐性检验采用Hartley法。若正态性检验及方差齐性检验结果不满足单因素方差分析(ANOVA)的使用条件，则采用J-T非参数检验的方法进行显著性分析。

2 结果与讨论

2.1 陕西省城镇污泥养分含量特征分析

2.1.1 陕西省城镇污泥养分含量总体分布特征

陕西省城镇污泥养分含量总体分布特征见表1。可知：总氮、总磷、总钾和有机物含量均服从正态分布(PK-S>0.05)，其偏度分别为0.03、1.03、0.36和-0.27。陕西省城镇污泥中氮、磷养分及有机质含量较高，总钾含量不高，总体而言具有较高的农用价值。不同城镇污水处理厂污泥中养分含量存在差异，这与污水处理厂处理工艺、城镇居民的生活水平和饮食结构有关[5]。郭广慧[6]研究发现，城镇污泥中有机质和总氮含量同城镇人均GDP呈显著正相关，而总磷和总钾含量同城镇人均GDP无显著的相关性。此外，不同污水处理工艺的污水处理程度及污泥停留时间不同，污泥中各组分含量也会有所差异。有研究表明，随着污水处理程度的提高，尤其是经深度处理后，污泥中氮、磷含量明显增加；污泥停留时间越长，有机物分解越趋于完全，挥发分含量随之减少，污泥趋于稳定[7]。

2.1.2 不同水期城镇污泥养分含量分布特征

不同水期城镇污泥中养分含量的分布情况见表2。可知：总氮、总钾、有机物含量均表现出枯水期>平水期>丰水期的分布特征，而总磷含量则呈现出平水期>枯水期>丰水期的特征。综合来看，枯水期的污泥养分含量最高。鉴于各水平下样本值正态性和方差齐性不满足单因素方差分析的使用条件，因此本研究采用非参数检验的方法对污泥中各养分含量是否受到水期的显著性影响进行检验。检验结果表明，污泥中总氮和有机物含量受到水期的极显著影响(PJ-T<0.001)，首要原因为不同水期污水厂进水水质存在差异。调查发现，一些采样厂汇水区域内并未完全实现雨污分流，使得丰水期雨水携带大量城镇面源污染物进入污水干管。张志彬等[8]研究表明，我国城镇路面雨水径流中COD、TN平均含量分别为284.76，7.41 mg/L，而陕西省32家污水处理厂进水COD、TN平均含量分别为371.00，49.57 mg/L，占比分别达到76.8%和14.9%。由此可见，城镇地表雨水径流对污水厂进水水质具有较大影响，从而使污泥中总氮、有机质含量在不同水期呈现出显著性差异。其次，污泥养分含量的水期性变化受到污泥微生物代谢活性的影响。大多数污水处理厂都是露天建设，季节和气温的变化对污水处理工艺的运行效果具有较大影响[9]。丰水期通常处于气温较高的夏季，微生物代谢活性高，对氮素及有机物的氧化分解作用强；而枯水期往往出现在温度较低的冬季，微生物代谢活性低，对氮素及有机物的降解效果差，大量养分被菌胶团吸附在其表面并最终沉降到污泥中。

注：*PK-S<0.05，各水平下的样本值不符合正态分布；**PH<0.05，各水平下的样本总体方差不等，即方差不齐；***PJ-T>0.05，影响不显著；PJ-T<0.01，影响极显著。

此外，水期对污泥中总磷和总钾含量不存在显著性影响(PJ-T>0.05)。污泥中总磷含量在不同水期差异性较小，可能是污水中磷的去除主要借助聚磷菌厌氧释磷及好氧超量吸磷的特性，并通过排放富磷污泥的方式实现的[10]，因此污泥中总磷含量受水期变化的影响较小。此外，污水中钾的浓度较低，且一般污水生化处理工艺对钾的去除效果不佳，污水厂进出水中钾含量相差不大，因此污泥中总钾含量几乎不受污水厂进水水质的影响。

2.2 陕西省城镇污泥重金属含量特征分析

2.2.1 陕西省城镇污泥重金属含量总体特征

陕西省城镇污泥主要重金属含量见表3。可知：Cu、Zn、Pb、Ni、Cr的含量在经过对数变换后呈正态分布(PK-S>0.05)，因此，其几何均值能更好地代表陕西省城镇污泥重金属的平均含量。污泥中主要重金属的含量呈现Zn>Cu>Cr>Pb>Ni>As的分布顺序特征，这与Turgay[11]对土耳其埃拉泽市污水厂剩余污泥的研究结果一致。此外，大多数元素的变异系数均超过60%，表明不同污水处理厂的污泥重金属含量存在较大差异，其主要与污水厂汇水区域内的工业企业类型、排水体制以及污水厂工业废水进水比例、污水处理工艺与运行条件等诸多因素有关[12]。城镇污泥中重金属污染物的来源除工业废水和生活污水2个重要的来源之外，城镇地表径流也会携带大量面源污染物进入污水处理厂，这也是城镇污泥重金属的重要来源之一[13]。Zn是城镇污泥中含量最高的重金属元素。陈同斌等[14]将城镇污泥中Zn的来源归结为镀锌水管镀层的腐蚀脱落，然而在国内自2000年业已全面禁止使用镀锌管作为供水管材的背景下，此种表述似乎过于简单。研究表明，除镀锌水管镀层的腐蚀脱落这一来源之外，城市道路轮胎磨损颗粒等城市面源污染物以及日常生活中食物-排泄物途径也是Zn的重要排放源[15,16]。

2.2.2 不同水期城镇污泥重金属含量特征

不同水期城镇污泥中重金属含量的分布情况见表4。对污泥重金属含量是否受到水期的显著性影响进行检验，结果显示：污泥中6种重金属元素在不同水期的含量并不存在显著性差异(PANOVA>0.05)。即使不同水期污泥重金属含量有所差异，但引起这种差异的主要原因可能是城镇污水处理厂在不同水期进水水质的变化，且这种变化主要由生活污水和工业废水的排放导致。此外，市政排水管道沉积物中重金属冲刷溶出也会引起不同水期污泥中重金属含量的差异。不同水期排水管道内水位以及管道内沉积物所处淹水状态不同，使得管道沉积物的pH及氧化还原电位发生变化，进而对重金属形态及其溶出迁移性能产生重要影响[17,18]。

注：*PK-S<0.05，各水平下的样本值不符合正态分布；PK-S>0.05，各水平下的样本值符合正态分布。**PH>0.05，各水平下的样本总体具有相同的方差，即方差齐。***PANOVA>0.05，影响不显著。

2.2.3 陕西省城镇污泥土地利用风险分析

表5为陕西省城镇污泥重金属含量同全国均值及相关土地利用标准的比较。与全国污泥重金属的平均含量相比，陕西省城镇污泥中Cu、Zn、Pb、Ni、Cr的平均含量均显著低于全国平均水平(P<0.01)，As含量与全国均值无显著性差异(P>0.05)。

与GB 4284—2018《农用污泥污染物控制标准》中的A级标准限值相比，除Cr没有超标外，Cu、Zn、Pb、Ni、As均存在不同程度的超标现象；与B级标准限值相比，仅有As存在15.6%超标率。与GB/T 23486—2009《城镇污水处理厂污泥处理园林绿化用泥质》和GB/T 24600—2009《城镇污水处理厂污泥处理土地改良用泥质》中规定的酸性土壤(pH<6.5)控制限值相比，Cu和Cr不存在超标，Zn、Pb、Ni、As分别有不同程度的超标现象；与中碱性土壤(pH>6.5)控制限值相比，仅有As存在超标现象。陕西省城镇污泥中As含量存在一定的超标率，这可能与北方地区普遍采用燃煤发电及取暖有关[19]。

综上，陕西省城镇污泥重金属含量总体处于相对较低的水平，较适合施用于林地、牧草地和不种植食用农作物的耕地以及用于中碱性土质的土地改良，但同时需特别注意，As含量必须控制在标准限值以内。此外，不同城镇污水处理厂应根据自身泥质特点及当地土壤生态环境状况，因地制宜地选择污泥的土地利用方式。

3 结论

1)陕西省城镇污泥中氮、磷及有机物含量较为丰富，但总钾含量不高。污泥总养分含量大体呈现枯水期>平水期>丰水期的分布特征，其中，总氮与有机物含量受水期的显著性影响(PJ-T<0.001)，而不同水期总磷和总钾含量并不存在显著性差异(PJ-T>0.05)。

2)陕西省城镇污泥中重金属含量呈对数正态分布，6种重金属元素含量顺序为Zn>Cu>Cr>Pb>Ni>As。不同水期污泥重金属含量不存在显著性差异(PANOVA>0.05)，表明污泥重金属含量受城市面源污染物的影响较小。

3)总体而言，陕西省城镇污泥具有较高的农用价值，且重金属含量处于相对较低的水平，适合施用于林地、牧草地和不种植食用农作物的耕地以及用于中碱性土质的土地改良，同时需特别注意As含量必须在标准限值以内。

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陕西省城镇污泥养分与重金属含量特征分析

0 引言

1 试验部分

1.1 试验材料

1.2 试验方法

1.3 数据处理

2 结果与讨论

2.1 陕西省城镇污泥养分含量特征分析

2.2 陕西省城镇污泥重金属含量特征分析

3 结论

ANALYSIS ON CONTENT CHARACTERISTICS OF NUTRIENTS AND HEAVY METALS IN URBAN SLUDGE OF SHAANXI PROVINCE

陕西省城镇污泥养分与重金属含量特征分析

0 引 言

1 试验部分

1.1 试验材料

1.2 试验方法

1.3 数据处理

2 结果与讨论

2.1 陕西省城镇污泥养分含量特征分析

2.2 陕西省城镇污泥重金属含量特征分析

3 结 论

ANALYSIS ON CONTENT CHARACTERISTICS OF NUTRIENTS AND HEAVY METALS IN URBAN SLUDGE OF SHAANXI PROVINCE

0 引言

3 结论