污泥农用中重金属元素的环境影响及其对策

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摘 要：随着全世界人口的增长，工业化和城市化的不断加速，城市污泥也在急剧增加。城市污泥的处理是一项费用高且环境风险高的艰巨任务，目前广为接受和推荐的方法是对污泥的农田利用。但污泥中重金属元素含量及其相关污泥农用标准的制定，也开始使问题变得更加严峻。本文针对污泥农用中因重金属元素可能引起的环境及健康问题展开探讨，并采用内梅罗评价方法对重金属的生态风险进行评估，提出可以用化学方法、微生物方法、植物修复法、电动力法等方法进行缓解来控制毒性污染物含量，以便于城市污泥更加科学合理的使用。

关键词：污泥农用；重金属元素；环境及健康；缓解措施

城市污泥是指在污水处理中产生的固体产物。据有关资料统计，目前美国所积累的干污泥总量已达1000万t，欧洲各国总计达660万t，日本为240万t左右[1]。随着中国城市化的不断发展，到2010年为止，全国产生废水的总量已经达到125万m3/天。污泥作为污水处理厂的主要产物，急需有效且安全的处理方式。目前污水的处理方式包括污泥焚烧、填埋法和农田利用法。由于担心污泥中的一些毒性病原体可能会引起人类的健康问题，西方的许多国家已经出台了相应法规来限制污泥的农田利用。污泥填埋的高费用已经促使污泥的处理朝向污泥焚烧来提供热量用于发电。污泥的农田利用也被视为一种能回收利用污泥中植物营养的有效方式，特别是污泥中的N、P元素对作物的生长促进十分明显。

城市污泥中的污染物可以被大致划分为3种主要的种类：①无机元素（例如金属和微量元素）；②有机元素（例如PCBs、PCDD、PPCPs、PAHs、表面活性剂）；③毒性病原体（例如细菌、病毒、寄生虫）。本文主要对重金属元素环境影响进行分析，在此基础上研究污泥农用过程中重金属元素的控制措施。

1 污泥农用中重金属的影响

由于城市废水主要来自生活废水、工商业废水和市区地表河流的排放，因而含有大量的重金属元素，特别是在一些发达城市和工业化城市中，城市污泥的潜在有毒重金属含量特别高，在污泥农用过程中可能会进行累积，进入生物链；或是由于没有经过安全的处理途径，会对人体和环境健康造成重大影响。重金属由于具有难迁移、易富集、危害大等特点，一直是限制污泥农业利用的最主要因素[2]。目前关于污泥中重金属的研究集中在Pb、Zn、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni，但不同国家及不同城市的污泥重金属含量范围变化都很大。

一般来说，像在埃及这样的以农业灌溉为主的国家里，城市污泥中重金属含量相对较低。1980年前，污泥中重金属含量几乎仅占干重的0.5%～2%，最多时也只有干重的6%。美国和欧洲的城市污泥中重金属含量的急剧下降，不仅与他们本国严格的法律限制有关，也和他们国家与污水处理厂达成的协议，控制工业废水重金属含量紧密相连。

重金属在污泥中的运移、生物有效性以及生态毒性与污泥所施用土壤的pH值、阳离子的交换量（CEC）、有机质含量、土壤结构及土壤质地有关[3]。随着土壤pH值的增加，土壤对重金属的吸附能力也逐渐增强。土壤中有机质的存在形态也会影响重金属的生物有效性。由于有机质可以分为可溶和不可溶2种，不可溶的有机质会阻碍土壤中作物对有机质的吸收，通过使重金属离子牢牢吸附在有机质表面来降低重金属的生物有效性。然而，可溶性有机质组分可以通过形成重金属和有机质互溶组分来提高重金属在土壤的活性。同时， Tessier等采用分级提取的办法，将重金属分为交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机结合态和残余态5个组分[4]。Pérez-Cid [5]等发现可交换态的重金属最易被作物吸收，有含量低、生物有效性大的特点；碳酸盐岩态易在酸性条件下分解释放，对作物的生物有效性也很明显；铁锰氧化物结合态在氧化还原电位降低时易释放出来；硫化物及有机结合态主要包括重金属硫化物沉淀及与各种有机质结合的重金属，是相对稳定的形态；残渣态是存在于矿物晶格中的重金属，是生物难以利用的形态[6]。在土壤质地方面，有实验发现，Zn在酸性土壤中的生物有效性更大，相比之下，Cu在碱性土壤中的生物有效性更明显。

2 重金属风险评估

由于污泥的长期使用会导致重金属元素在土壤中的聚集，从而使土壤受到污染，进而可能使地下水环境受到污染。针对重金属对地下水的污染以及评估土壤自身重金属污染程度可以采用Nemerow指数法。其特点是既考虑了污染物的平均浓度，又兼顾了浓度最大的污染物对地下水污染的影响[7]。

Nemerow指数法计算公式为：

式中：Pi为重金属污染物的分项污染指数；ci为重金属污染物的实测浓度（mg/L）；coi为重金属污染物的评价标准（mg/L）；（Pi）max为各项污染指数中污染指数Pi的最大值；Pi为各项污染指数的平均值。

Nemerow指数法反映地下水受重金属污染的程度，综合污染指数越大，说明地下水污染程度越严重。Nemerow指数具体指标分级界限视研究区地下水中重金属浓度的类型、浓度等确定。

3 污泥农用中对重金属元素的控制措施

3.1 化学方法去除

用化学方法去除污泥中重金属就是通过先溶解后淋滤的方法来达到提高污泥氧化还原电位，降低pH值的作用，从而使重金属由不可溶态转变为可溶态[7]。将有机酸和无机酸加入污泥中，降低污泥的pH值，使重金属溶入污泥。由于Cu、Pb、Hg及As基本上存在于生物絮凝体和颗粒态组分中，因此去除率较低。在不同pH值、污泥固体浓度、酸化时间等条件下重金属的去除效果进行对比之后得到，pH 值达到1.5～2时，去除效率最好[8]，除了Cr元素的去除率低于60%以外，其它元素的去除率均高于60%，甚至达100%[9]。在硫酸热处理条件下，有Cd、Zn＞Ni＞Cr、Cu的处理效果的顺序，在硝酸淋滤处理Cu、As、Ni的处理效果都较好[10]。对于不同有机酸和无机酸的处理效果，Marchioretto 等[10] 比较了硝酸、盐酸、草酸和柠檬酸对污泥重金属的去除效果，得出pH值=3～4时适合用柠檬酸去除，此时草酸的处理效果最差；当pH值＜3时，适合用硝酸和盐酸，可以达到较好的处理效果。