三明市城市生活污水处理厂污泥中的重金属含量及其形态分布研究

来源:用户上传      作者: 郑承松

　　【摘要】 以福建省三明市生活污水处理厂的污泥为研究对象，研究了污泥中重金属的种类及含量，以及重金属的形态分布情况。重金属全量微波消解结果表明，三明市生活污水处理厂的污泥含有Zn、Cu、Pb、Cr、Ni、Co、Cd等7种重金属，含量由高到低的顺序为Zn＞Cu＞Pb＞Cr＞Ni＞Co＞Cd，其含量分别为2513.91 mg/kg、438.62 mg/kg、152.3 mg/kg、81.28 mg/kg、35.08 mg/kg、14.43 mg/kg、1.58 mg/kg，其中Zn超过污泥农用(酸性土壤)时的标准限制(2000mg/kg)。BCR形态分析结果表明，污泥中重金属Zn、Cr和Ni主要以残渣态为主，Cu、Pb、Co和Cd主要以还原态为主。Zn和Cd的不稳定态含量较高，具有潜在的污染影响，在污泥利用时应给予关注。
　　【关键词】 污泥 重金属 形态 BCR
　　
　　1 前言
　　
　　污泥、土壤及沉积物的重金属污染问题是全球关注的环境问题[1,2]，污泥重金属元素含量与颗粒粒径组成、有机质含量以及氧化还原条件等有关，元素总量单一指标很难反映重金属的化学特征。近年来，随着重金属污染研究的深入，有关重金属的化学形态分布是国内外研究的热点。重金属元素化学形态连续提取方法逐渐得到广泛应用。土壤及沉积物中重金属的形态分布研究中，Tessier[3]五步连续提取法应用最广[4,5]，近年来也有将欧洲参考交流局(The Community Bureau of Reference)提出的BCR[6]提取法用于沉积物中重金属的形态分布的研究[7]。研究表明，BCR提取法稳定性及重现性好，提取精度较高，不同研究结果具有可比性[6]。国内对污泥中重金属形态研究中应用BCR提取法的较少。
　　本文以三明市生活污水处理厂的污泥为研究对象，用微波消解和修正的BCR提取法，在实验室分析了污泥所含重金属的种类及含量，以及重金属的形态分布情况，以期对三明市生活污水处理厂的污泥的处理处置和资源化利用提供技术参考。
　　
　　2 材料与方法
　　
　　2.1 实验材料
　　供试污泥样品取自三明市生活污水处理厂，污泥经自然风干、研磨、过100目筛备用。实验所用试剂均为分析纯，国药集团化学试剂公司产品。
　　2.2 实验方法
　　污泥中重金属含量采用微波消解仪消解，取0.25g污泥样品加入聚四氟乙烯消解罐中，加少量水润湿，加2mL氢氟酸、6mL 盐酸和3mL硝酸，放入微波消解仪消解。消解温控程序置为室温→180℃ 6min→200℃ 7min→210℃ 8min→220℃ 6min，冷却后用电热板200℃下赶酸，酸快赶尽时加1mL 高氯酸继续加热，至小体积时加2mL 1+2的盐酸，继续加热至小体积，趁热加去离子水至残渣完全溶解，冷却稀释待测。消解完毕后消解液澄清微黄色，说明污泥消解进行的很完全。
　　污泥中重金属的形态分析参照修正的BCR提取法进行，具体分析方法如下：
　　第1步(水溶态)：称取烘干后的样品0.5000g置于50mL聚丙烯离心管中，加入12.5mL蒸馏水(pH=7.0)，室温下(25℃)振荡2h，然后以4000rpm离心20min，取上清液过滤移入50mL容量瓶中；往残渣中加入10mL蒸馏水，振荡15min，以4000rpm离心20min，取上清液过滤移入上述容量瓶中，定容，4℃冰箱内储存备测。
　　第2步(弱酸提取态)：往第1步的残渣中加入20mL 0.1mol/L的醋酸，用手振荡试管使残渣全部分散，室温下(25℃)振荡16h，再按前述方法离心、移液、洗涤、定容。
　　第3步(可还原态)：往第2步的残渣中加入20mL当天配制的0.5mol/L的盐酸羟胺(HNO3酸化，pH＝2)，室温下(25℃)振荡16h，再按前述方法离心、移液、洗涤、定容。
　　第4步(可氧化态)：往第3步的残渣中缓慢加入5mL 30％的双氧水(HNO3酸化，pH＝2)，室温下间隔振荡1h，然后于85℃水浴加热1h，待溶液蒸至近干，凉置；5mL 30％的双氧水(HNO3酸化，pH＝2)，于85℃水浴加热1h；然后加入25mL 1.0mol/L的醋酸铵(HNO3酸化，pH＝2)，室温下(25℃)振荡16h，再按前述方法离心、移液、洗涤、定容。
　　第5步(残渣态)：取第4步的残渣于聚四氟乙烯消解罐中，按照前述重金属全量消解方法微波消解，消解液4℃下保存备测。
　　用于测定重金属的污泥消解液和形态提取液全部过0.45 μm滤膜，装入玻璃瓶中，并加入几滴稀硝酸，4℃下保存备测。
　　2.3 分析测定与数据处理
　　供试污泥TOC用固相总有机碳分析仪(日本SHIMADZU SSM-5000A型)测定，污泥重金属全量用微波消解仪(意大利MileStone s.r.l. ETHOS E型)消解，污泥消解液和提取液的重金属浓度均用电感耦合等离子体原子发射光谱仪(美国PerkinElmer ICP Optima 2100 DV型)测定。污泥(固液比1:2.5，1.0mol/L KCl，振荡30min)和萃取液的pH值采用酸度计(德国Sartorius Professional Meter PP-15型)测定。
　　所有实验样品均重复三次，数据取三次的平均值。
　　
　　3 结果与讨论
　　
　　3.1 污泥中重金属的种类及含量
　　污泥重金属全量采用微波消解仪消解，消解结果见表1。由表1可见，三明市城市生活污水处理厂污泥含有含有Zn、Pb、Cd、Cr、Ni、Cu、Co等7种重金属，含量由高到低的顺序为Zn＞Cu＞Pb＞Cr＞Ni＞Co＞Cd，其含量分别为2513.91 mg/kg、438.62 mg/kg、152.3 mg/kg、81.28 mg/kg、35.08 mg/kg、14.43 mg/kg和1.58 mg/kg。其中Zn超过污泥农用(酸性土壤)时的标准限制(2000mg/kg)，Zn、Cu和Cd的含量超过土壤环境质量标准的三级限值。污泥的pH值为5.29，含水率为6.48%(风干基)，总有机碳(TOC)含量为25.46％。
　　
　　3.2 污泥中重金属的存在形态
　　 污泥中重金属的存在形态对重金属的溶出性质和污泥的资源化利用有重要影响。污泥中重金属的存在形态采用修正的BCR提取法分析，形态分析结果见图1。由图1可见，污泥中不同重金属的存在形态不同。Zn以残渣态和弱酸结合态为主，分别占48％和27％，氧化态和还原态分别占16％和9％，水溶态不到1％。Pb以还原态和残渣态为主，分别占59％和33％，氧化态占8％，几乎不含水溶态和弱酸结合态。Cd以还原态和氧化态为主，分别占49％和28％，残渣态和弱酸结合态各占10％左右，几乎不含水溶态。Ni主要以残渣态为主，占63％，还原态、弱酸结合态和氧化态分别占18％、12％和7％，水溶态不足1％。Cr主要以残渣态和还原态存在，分别占70％和30％，几乎不含其余三种形态。Cu以还原态和残渣态为主，分别占64％和27％，氧化态、弱酸结合态分别占6％和3％，水溶态不足1％。Co主要以还原态和残渣态存在，分别占45％和37％，弱酸结合态和氧化态分别占9％和8％，水溶态大于1％。
　　
　　所以，三明市城市生活污水处理厂污泥的重金属Zn、Cr和Ni主要以残渣态为主，Cu、Pb、Co和Cd主要以还原态为主。Zn和Cd的不稳定态含量较高，具有潜在的污染影响，在污泥利用时应给予关注。

　　
　　4. 结论
　　
　　4.1 三明市生活污水处理厂的污泥含有Zn、Cu、Pb、Cr、Ni、Co、Cd等7种重金属，含量由高到低的顺序为Zn＞Cu＞Pb＞Cr＞Ni＞Co＞Cd，其含量分别为2513.91 mg/kg、438.62 mg/kg、152.3 mg/kg、81.28 mg/kg、35.08 mg/kg、14.43 mg/kg和1.58 mg/kg。其中Zn超过污泥农用(酸性土壤)时的标准限值(2000mg/kg)。
　　4.2 BCR提取法形态分析结果表明，污泥中重金属Zn、Cr和Ni主要以残渣态为主，Cu、Pb、Co和Cd主要以还原态为主。Zn和Cd的不稳定态含量较高，具有潜在的污染影响，在污泥利用时应给予关注。
　　
　　参考文献
　　[1] Susan T, Karin B, Roland M et al. Extraction of Heavy Metals from Soils Using Biodegradable Chelating Agents [J]. Environ. Sci. Technol., 2004, 38(3):937～944.
　　[2] 张丽华,朱志良.土壤清洗技术研究进展[J],清洗世界,2006,22(10):24-31.
　　[3] Tessier A, Campbell P G C, Bisson M. Sequential extraction procedure for the speciation of particulate trace metals[J]. Analytical chemistry, 1979, 51(7): 884-851.
　　[4] 李宇庆,陈 玲,仇雁翎等.上海化学工业区土壤重金属元素形态分析[J].生态环境,2004, 13(2): 154-155.
　　[5] 周立祥,沈其荣,陈同斌等.重金属及养分元素在城市污泥主要组分中的分配及其化学形态[J].环境科学学报,2000,20(3):269-274.
　　[6] Quevauviller P H, Rauret G, Lopez-Sanchez J F, et al. Certification of trace metal extractable contents in a sediment refence material (CRM601) following a three-step sequential extraction procedure[J]. Sci. Total Environ. , 1997,205:223-234.
　　[7] 刘恩峰,沈吉,朱育新.重金属元素BCR提取法及在太湖沉积物研究中的应用[J].环境科学研究,2005,2 (18):57-60.

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