孟國(guó)欣，查同剛*，張曉霞，劉崢，蘇光瑞

北京市污水處理廠污泥重金屬污染特征和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

孟國(guó)欣1，查同剛1*，張曉霞1，劉崢1，蘇光瑞2

1. 北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院//北京市水土保持工程技術(shù)研究中心，北京 100083；2. 北京圣海林生態(tài)環(huán)境科技股份有限公司，北京 100083

通過(guò)連續(xù)采集法獲得北京市4家污水處理廠脫水污泥樣品（標(biāo)記為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ），經(jīng)微波消解后采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法（ICP-AES）檢測(cè)了Zn、Cu、Pb、Cr、Cd、Ni、As、Hg的含量，利用BCR連續(xù)提取分析法分析污泥中重金屬賦存形態(tài)，并采用不同污染指數(shù)評(píng)價(jià)了污泥中重金屬污染程度和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，為研究北京市污泥污染特征研究提供基礎(chǔ)資料。結(jié)果表明，（1）北京市 4家污水處理廠重金屬含量差異顯著（P＜0.05），Cu、Ni、As平均含量分別超過(guò)全國(guó)城市污泥均值的7.2%、71.9%、7.4%。（2）重金屬形態(tài)分析表明，Zn、Cd以可提取態(tài)為主，分別為56.8%～63.7%和81.3%～85.7%；Cu、Pb以可還原態(tài)為主，分別為54.6%～70.2%和63.9%～79.1%；Cr、Ni、As主要以殘?jiān)鼞B(tài)形式存在，分別為 53.4%～71.8%、33.4%～51.3%和 49.3%～67.4%。（3）各重金屬單因子污染指數(shù)大小為 Zn＞Cu＞Ni＞Cd＞Pb＞As＞Cr，各污水處理廠污泥的內(nèi)梅羅綜合指數(shù)依次為Ⅳ＞Ⅱ＞Ⅰ＞Ⅲ，分別達(dá)到中、中、輕、重污染水平。（4）重金屬單因子潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)表現(xiàn)為：Cu＞Cd＞Ni＞Zn＞Pb＞As＞Cr，各污水處理廠污泥的綜合因子潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)大小為Ⅳ＞Ⅱ＞Ⅲ＞Ⅰ，均處于低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平。

污泥重金屬；形態(tài)分布；單因子污染指數(shù)；內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)；潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

污泥主要由多種細(xì)菌菌體、有機(jī)殘片、無(wú)機(jī)顆粒和膠體組成（王紹文等，2007），是污水處理過(guò)程中的必然產(chǎn)物。隨著中國(guó)城鎮(zhèn)污水處理率的不斷提高，污泥產(chǎn)量急劇增加，污泥處置問(wèn)題日益突出（席欣欣等，2011；夏克非等，2010）。得不到及時(shí)處理的污泥不斷累積而占用大量土地，污泥含有各種重金屬和有機(jī)污染物等毒害物質(zhì)可造成二次污染，而且有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分元素的流失也引起資源浪費(fèi)（Lister et al.，2001）。污泥農(nóng)用作為一種污泥處置新方法具有重要前景，備受科學(xué)家的關(guān)注（張燦等，2013；姚金鈴等，2010；Cai et al.，2007）。污泥土地利用的主要限制因素是其重金屬含量較高（邊偉，2009），進(jìn)入土壤環(huán)境不容易被生物分解，一旦進(jìn)入食物鏈富集將會(huì)給人類健康造成威脅。重金屬毒性作用的輕重程度與重金屬的種類、含量和賦存形態(tài)有關(guān)（郭鵬然等，2014；宋琳琳等，2012；李如忠等，2013）。因此，污泥中重金屬含量和形態(tài)特征及其潛在風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)該引起高度重視（郭鵬然等，2014；Sundaray et al.，2011）。

污泥重金屬分析和評(píng)價(jià)有利于客觀、真實(shí)地了解污泥的污染特征和污染程度，為污泥的二次利用提供科學(xué)依據(jù)。選擇合理的評(píng)價(jià)方法對(duì)真實(shí)反映污泥污染程度至關(guān)重要（郭笑笑等，2011）。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)等指數(shù)法因其形式簡(jiǎn)單、易懂、易學(xué)、易操作等特點(diǎn)成為目前評(píng)價(jià)土壤重金屬污染的優(yōu)選方法（方曉波等，2015；郭笑笑等，2011）。內(nèi)梅羅綜合指數(shù)一方面考慮各種重金屬元素的平均污染水平，另一方面強(qiáng)調(diào)了污染最嚴(yán)重的因子，克服了各種污染水平平均分擔(dān)的缺陷，能較好地反映污泥重金屬污染水平。涂劍成等（2012）研究東北地區(qū)城市污水廠污泥污染情況，污泥中單項(xiàng)污染物潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果表明，Cr和Ni的內(nèi)梅羅單項(xiàng)污染指數(shù)所對(duì)應(yīng)的污染程度與地累積指數(shù)相當(dāng)，而Cu、Zn、Mn對(duì)應(yīng)的污染程度高于地累積指數(shù)。潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)引入了重金屬毒性系數(shù)，將重金屬的生態(tài)效應(yīng)、環(huán)境效應(yīng)與毒理學(xué)聯(lián)系在一起，使評(píng)價(jià)體系更側(cè)重于毒理方面。張凌等（2016）采用地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法評(píng)價(jià)了開封市污泥重金屬污染程度，兩種評(píng)價(jià)方法所得結(jié)果略有不同。劉亞納等（2017）采用地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法評(píng)價(jià)了洛陽(yáng)市污泥重金屬污染程度，地累積指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果污染程度稍大于生態(tài)危害指數(shù)法污染程度。鄧炳波等（2015）采用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)了合肥市污水處理廠污泥污染水平，2種評(píng)價(jià)方法對(duì)供試污泥樣品的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果近似，但不同評(píng)價(jià)方法對(duì)單個(gè)重金屬的評(píng)價(jià)有所不同。

陳同斌等（2003）對(duì)中國(guó)城市污泥的研究結(jié)果顯示，中國(guó)城市污泥中的重金屬含量普遍低于英美等發(fā)達(dá)國(guó)家，其中，Zn是含量最高的重金屬元素，其次是Cu，再次是Cr，而毒性較大的元素Hg、Cd、As含量往往較低。郭廣慧等（2014）研究表明，與2006年城市污泥重金屬含量相比，2013年中國(guó)城市污泥重金屬 Cu、Pb、Zn、Cd、Hg、As、Cr和Ni含量均呈下降趨勢(shì)。為了掌握和評(píng)估北京市污水廠污泥重金屬含量、污染特征、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，本研究以北京市4家污水處理廠產(chǎn)生的脫水污泥為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)比污泥相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定北京市污泥中重金屬污染程度，采用 BCR連續(xù)提取法對(duì)重金屬4種形態(tài)進(jìn)行分析，以期為研究北京市污泥中重金屬污染現(xiàn)狀、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和探討污泥處理處置方法提供基礎(chǔ)資料。

1 材料與方法

1.1 各污水處理廠簡(jiǎn)介

采集北京市4家污水處理廠脫水污泥樣品（標(biāo)記為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ）。Ⅰ號(hào)污水處理廠占地面積4.80 hm2，工程總規(guī)模 1.20×105m3?d-1，處理工藝采用延時(shí)曝氣的奧貝爾氧化溝工藝，具有生物除磷脫氮功能。Ⅱ號(hào)污水處理廠中心總占地面積8.00 hm2，一期處理規(guī)模5.4×104m3?d-1，污水處理方法為二級(jí)生物處理，采用氧化溝活性污泥法工藝。Ⅲ號(hào)污水處理廠承擔(dān)著 13.8 km2地區(qū)的污水收集與治理任務(wù)，服務(wù)人口11.8萬(wàn)，一期工程處理規(guī)模為4.0×104m3?d-1，整個(gè)工程占地11.97 hm2。污泥經(jīng)機(jī)械濃縮、離心脫水后外運(yùn)。Ⅳ號(hào)污水處理廠占地11.50 hm2，污水處理規(guī)模4.0×104m3?d-1，承擔(dān)著城區(qū)及周邊五鎮(zhèn)50.0 km2地區(qū)的污水二級(jí)處理及再生任務(wù)，處理工藝為氧化溝二級(jí)處理和高速過(guò)濾再生水工藝，污泥經(jīng)機(jī)械濃縮、離心脫水后外運(yùn)。

1.2 污泥樣品的采集與預(yù)處理

2016年9—10月，連續(xù)7 d在北京市4家污水處理廠污泥脫水車間采集脫水污泥樣品。每個(gè)污水處理廠布設(shè)3個(gè)采樣點(diǎn)，共采集84個(gè)污泥樣品。每次用聚乙烯自封袋取樣 500 g，采集的新鮮樣品經(jīng)自然風(fēng)干，用四分法多次篩選后取100 g污泥樣品，研磨過(guò)100目篩（尼龍篩）后保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 樣品處理與測(cè)試

1.3.1 含量分析

稱0.2000 g預(yù)處理后的樣品于微波消解罐中，采用 HNO3-HCl-HF-HClO4消煮，利用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀 ICP-AES測(cè)定重金屬元素含量（戴亮等，2012）。ICP-AES最佳工作參數(shù)：射頻功率1300 W；進(jìn)樣量1.5 mL?min-1；載氣流量1.2 mL?min-1；輔助氣流量 0.2 mL?min-1，讀數(shù)延遲60 s（蘇萌等，2014）。測(cè)定波長(zhǎng)（nm）分別為：Zn 213.86、Cu 324.75、Pb 220.35、Cr 267.72、Cd 226.50、Ni 231.60、As 189.04。1.3.2 重金屬形態(tài)分析方法

重金屬元素化學(xué)形態(tài)分析采用歐共體修正的BCR順序提取法（Ure et al.，1993）。酸可提取態(tài)：稱取0.5000 g樣品到50 mL離心管中，加入20 mL 0.11 mol?L-1醋酸（HOAc），室溫振蕩 16 h，在 3000 r?min-1的轉(zhuǎn)速下離心20 min，取上清液待測(cè)，殘?jiān)舸?；可還原態(tài)：向上一步的殘?jiān)屑?.5 mol?L-1的NH2OH·HCL溶液（鹽酸羥胺）20 mL，室溫振蕩16 h，在3000 r?min-1的轉(zhuǎn)速下離心20 min，取上清液待測(cè)，殘?jiān)舸妫豢裳趸瘧B(tài)：向上一步的殘?jiān)屑?0%的H2O25mL，室溫反應(yīng)1 h，偶爾振蕩，(85±2) ℃下水浴硝化1 h，蒸發(fā)至體積少于2 mL，補(bǔ)加5mL H2O2，重復(fù)上述操作，體積減少到大約1 mL；冷卻后加1.0 mol?L-1NH4OAc溶液25 mL，室溫下振蕩16 h，在3000 r?min-1轉(zhuǎn)速下離心20 min，取上清液待測(cè)，殘?jiān)舸?；殘?jiān)鼞B(tài)：方法同全量檢測(cè)方法。

1.4 評(píng)價(jià)方法

1.4.1 污泥重金屬污染評(píng)價(jià)

單因子污染指數(shù)法：?jiǎn)我蜃游廴局笖?shù)法是國(guó)內(nèi)外普遍采用的方法之一，可對(duì)土壤中某一污染物的污染程度進(jìn)行評(píng)價(jià)（陳懷滿，2005），其計(jì)算公式為：

式中，Pi為土壤中污染物i的環(huán)境質(zhì)量指數(shù)；Ci為污染物 i的實(shí)測(cè)含量（mg?kg-1）；Si為污染物 i的環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（mg?kg-1）。

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法：內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法可全面反映土壤中各污染物的平均污染水平，也突出了污染最嚴(yán)重的污染物給環(huán)境造成的危害（何緒文等，2016），其計(jì)算公式為：

式中，P為監(jiān)測(cè)點(diǎn)的綜合污染指數(shù)；Pimax為 i監(jiān)測(cè)點(diǎn)污染物單污染指數(shù)中的最大值；Piave為i監(jiān)測(cè)點(diǎn)所有污染物單污染指數(shù)平均值。依據(jù)單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法可將土壤重金屬污染劃分為5個(gè)等級(jí)，具體如表1所示。

表1 土壤重金屬污染分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Classification criteria for soil heavy metal pollution

《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB15618—1995）提供的土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)如表2所示，本研究選用國(guó)家土壤質(zhì)量Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

表2 土壤環(huán)境質(zhì)量執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)值Table 2 The standard values of soil environment quality mg?kg-1

1.4.2 污泥重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)計(jì)算

重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)采用瑞典科學(xué)家Hakanson（1980）提出的評(píng)價(jià)方法，該方法是目前沉積物重金屬污染質(zhì)量評(píng)價(jià)應(yīng)用最廣泛的方法之一（于云江等，2010）。計(jì)算公式如下：參比值；為第i種重金屬單因子潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指

表3 不同重金屬的毒性效應(yīng)系數(shù)Table 3 Reference nd toxic coefficientof different heavy metals

表3 不同重金屬的毒性效應(yīng)系數(shù)Table 3 Reference nd toxic coefficientof different heavy metals

Index Zn Cu Pb Cr Cd Ni As C/(mg?kg-1) 80 30 25 60 0.5 40 15 i n T 1 5 5 2 30 5 10 i r

表4 不同生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平的劃分Table 4 Classification standard of Ei and RI r

2 結(jié)果與討論

2.1 四家污水處理廠污泥重金屬含量

本研究檢測(cè)了污泥中 Zn、Cu、Pb、Cr、Cd、Ni、As、Hg 8種重金屬元素的含量，其中，Hg含量低于檢測(cè)值，其余7種重金屬含量差異較大（表5）。Zn、Cu、Pb、Cr、Cd、Ni、As 的含量分別介于 405.71～1563.38、101.57～421.31、14.73～34.30、21.32～137.34、0.21～0.28、13.14～206.5、8.72～14.82 mg?kg-1之間，各重金屬含量算數(shù)平均值分別為721.36、195.70、25.77、57.44、0.24、77.16、12.35 mg?kg-1，Cu、Ni、As平均含量分別超過(guò)全國(guó)城市污泥幾何均值的7.2%、71.9%、7.4%。Zn占重金屬總量比例最大，Cd占重金屬總量比例最小。雖然本研究中 Hg含量低于檢測(cè)值，但白莉萍等（2014）研究表明北京地區(qū)不同城鎮(zhèn)污水處理廠堆肥污泥在今后的農(nóng)用以及園林綠化處置中存在潛在的 Hg環(huán)境污染狀況，所以Hg污染不容忽視。

方差分析表明，不同污水處理廠污泥重金屬含量差異顯著（P＜0.05）。其中，Zn、Cu含量表現(xiàn)為Ⅳ號(hào)污水處理廠顯著大于其他污水處理廠（P＜0.05），Ⅰ號(hào)和Ⅲ號(hào)污水處理廠差異不顯著。Pb含量表現(xiàn)為Ⅱ號(hào)污水處理廠顯著大于其他污水處理廠（P＜0.05），Ⅲ號(hào)和Ⅳ號(hào)污水處理廠差異不顯著。Cr、Ni各污水處理廠兩兩之間均差異顯著（P＜0.05）。Cd含量表現(xiàn)為Ⅱ號(hào)污水處理廠顯著大于其他污水處理廠（P＜0.05），其他各污水處理廠差異不顯著。As含量表現(xiàn)為Ⅰ號(hào)污水處理廠顯著小于其他污水處理廠（P＜0.05），其他各污水處理廠差異不顯著。不同污水處理廠污泥重金屬污染程度不一，主要是由于各污水處理廠的污水來(lái)源、處理工藝和處理能力存在差異（陸鳳娟，2013；劉志杰等；2012）?？傮w上，北京 4家污水處理廠污泥中重金屬含量不超標(biāo)。就單個(gè)污水處理廠而言，只有Ⅱ號(hào)污水廠的Ni含量（206.54 mg?kg-1）超過(guò)中國(guó)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（200 mg?kg-1）的3.27%。

表5 污泥重金屬含量Table 5 Content of heavy metal in sludge mg?kg-1

2.2 重金屬形態(tài)分析

4家污水處理廠7種重金屬元素的殘?jiān)鼞B(tài)、可還原態(tài)、可氧化態(tài)和酸提取態(tài)在總量中所占比例見(jiàn)圖1。4種重金屬形態(tài)中，后3種形態(tài)是可提取態(tài)，具有生物有效性（Velimirovic et al.，2011），容易被作物吸收，有一定的潛在危害性。殘?jiān)鼞B(tài)則非常穩(wěn)定，一般條件下難以遷移轉(zhuǎn)化，毒性也是最小的（Shikazono et al.，2012；Jain et al.，2010）。

比較不同污水處理廠重金屬分布特征，其分布規(guī)律基本一致。各污水處理廠中，Zn、Cd可提取態(tài)含量介于56.8%～63.7%、81.3%～85.7%之間，Zn、Cd潛在生態(tài)危害較大，應(yīng)加強(qiáng)防控。Cu、Pb可還原態(tài)占總量的比例較其他元素略高，分別為54.6%～70.2%、63.9%～79.1%，表明這兩種重金屬較為活潑，移動(dòng)性較強(qiáng)。Cr、Ni、As主要以殘?jiān)鼞B(tài)形式存在，分別為 53.4%～71.8%、33.4%～51.3%、49.3%～67.4%。

將污泥中重金屬可還原態(tài)、可氧化態(tài)和酸提取態(tài)之和作為重金屬實(shí)測(cè)含量，分別計(jì)算單因子污染指數(shù)、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。

圖1 污泥重金屬形態(tài)Fig. 1 Distribution of heavy metal in sludge n=84

2.3 重金屬污染評(píng)價(jià)分析

7種重金屬單因子污染指數(shù)平均值大小為Zn＞Cu＞Ni＞Cd＞Pb＞As＞Cr，其中 Zn、Cu、Ni 3 種重金屬元素污染相對(duì)嚴(yán)重，單因子污染指數(shù)平均值分別為4.48、4.34、1.15，污染程度分別為重、重、輕污染。Cd單因子污染指數(shù)平均值為0.98，污染程度均為警戒限。Pb、Cr、As單因子污染指數(shù)平均值均小于0.7，污染程度均為安全。為了充分保證安全性，本研究基于污泥獨(dú)立農(nóng)用進(jìn)行分析，在實(shí)際使用過(guò)程中，污泥一般作為土壤改良劑施用。因此，實(shí)際應(yīng)用可能造成的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)小于本研究分析值。

不同污水處理廠污泥重金屬單因子污染指數(shù)存在差異。Ⅰ、Ⅲ號(hào)污水處理廠 Pb、Cr、Ni、As均小于0.7，屬于安全等級(jí)，Cd屬于警戒限等級(jí)，Cu、Zn屬于中污染；Ⅱ號(hào)污水處理廠Cr、As均小于0.7，屬于安全等級(jí)，Pb屬于警戒限等級(jí)，Cd屬于輕污染，Zn屬于中污染，Cu、Ni屬于重污染；Ⅳ號(hào)污水處理廠As屬于安全等級(jí)，Pb、Cr、Cd屬于警戒限等級(jí)，Ni屬于輕污染，Zn和Cu屬于重污染?？傮w而言，Cu和Zn是整個(gè)北京市污水處理廠污泥中最主要的環(huán)境污染因子。

4家污水處理廠對(duì)應(yīng)的內(nèi)梅羅綜合指數(shù) P（表6）表現(xiàn)為Ⅳ＞Ⅱ＞Ⅰ＞Ⅲ，各污水處理廠污泥分別達(dá)到中、中、輕、重污染。

2.4 污泥中重金屬潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

不同污水處理廠污泥重金屬單因子潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度存在差異，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ號(hào)污水處理廠各重金屬都處于低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，Ⅳ號(hào)污水處理廠Cu處于中生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，其余各重金屬都處于低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。7種重金屬元素單因子潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)變化范圍依次為：Cu 13.14～52.03，Ni 0.80～15.05，Zn 2.88～12.37， As 2.48～4.64， Pb 2.45～5.73， Cd 11.04～13.83，Cr 0.23～2.13。

4家污水處理廠污泥的綜合因子潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（RI）表現(xiàn)為Ⅳ（91.03）＞Ⅱ（63.71）＞Ⅲ（40.33）＞Ⅰ（33.54）（表7），各污水處理廠復(fù)合危害指數(shù)均處于低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平。

表7 重金屬潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)Table 7 Potential ecological risk index of heavy metal in soil

2.5 不同污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果差異性分析

不同評(píng)價(jià)方式側(cè)重點(diǎn)不同，評(píng)價(jià)結(jié)果可能有所差異。文竹等（2016）對(duì)貴州省污水廠污泥進(jìn)行評(píng)價(jià)得出：從P來(lái)看，貴州省銅仁、貴陽(yáng)、興義、遵義、凱里、六盤水和畢節(jié)7座城市污泥均達(dá)到重度污染，RI分析得出各污水處理廠分別處于中等、重、中等、嚴(yán)重、中等、中等、中等污染水平。本研究結(jié)果與之一致，P分析各污水處理廠污泥分別達(dá)到中、中、輕、重污染，綜合因子潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI分析得出各污水處理廠均處于低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平?？梢钥闯鰞煞N評(píng)價(jià)方式所得評(píng)價(jià)結(jié)果不同，并且表現(xiàn)為P評(píng)價(jià)結(jié)果污染程度較高，RI評(píng)價(jià)結(jié)果污染程度較低。P評(píng)價(jià)法中高濃度重金屬含量對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響較大，但實(shí)際研究中發(fā)現(xiàn)低濃度重金屬的種類卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于高濃度的重金屬種類，這樣可能使得高濃度重金屬的影響過(guò)大而忽略或降低低濃度重金屬的影響（郭笑笑等，2011；師榮光等，2006），從而導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果污染程度較高。RI評(píng)價(jià)法引入了重金屬毒性響應(yīng)系數(shù)，一方面毒性響應(yīng)系數(shù)差異較大體現(xiàn)了其對(duì)人體健康的影響不同，有利于為人類健康生活提供科學(xué)依據(jù)（郭平等，2005），另一方面將環(huán)境生態(tài)效應(yīng)與毒理學(xué)結(jié)合，并通過(guò)加權(quán)求和的計(jì)算方式，評(píng)價(jià)結(jié)果更能全面反映各個(gè)重金屬元素的污染程度。

表6 重金屬污染評(píng)價(jià)指數(shù)Table 6 Pollution appraisal indexes of heavy metal in soil

3 結(jié)論

北京市 4家污水處理廠重金屬含量差異顯著（P＜0.05），7種重金屬含量算數(shù)平均值分別為721.36、195.70、25.77、57.44、0.24、77.16、12.35 mg?kg-1，Cu、Ni、As平均含量分別超過(guò)全國(guó)城市污泥均值的7.23%、71.85%、7.39%。

重金屬形態(tài)分析表明，Zn、Cd以可提取態(tài)為主，分別占56.8%～63.7%和81.3%～85.7%；Cu、Pb以可還原態(tài)為主，分別為 54.6%～70.2%和63.9%～79.1%，表明這兩種重金屬較為活潑，移動(dòng)性較強(qiáng)；Cr、Ni、As主要以殘?jiān)鼞B(tài)形式存在，分別為53.4%～71.8%、33.4%～51.3%和49.3%～67.4%。

各重金屬單因子污染指數(shù)大小為 Zn＞Cu＞Ni＞Cd＞Pb＞As＞Cr，各污水處理廠污泥內(nèi)梅羅綜合指數(shù)依次為Ⅳ＞Ⅱ＞Ⅰ＞Ⅲ，分別達(dá)到中、中、輕、重污染水平。

重金屬單因子潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)表現(xiàn)為：Cu＞Cd＞Ni＞Zn＞Pb＞As＞Cr，各污水處理廠污泥的綜合因子潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)大小為Ⅳ＞Ⅱ＞Ⅲ＞Ⅰ，均處于低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平。

CAI Q Y, MO C H, WU Q T, et al. 2007. Concentration and speciation of heavy metals in six different sewage sludge-composts [J]. Journal of Hazardous Materials, 147(3): 1063-72.

HAKANSON L. 1980. An ecological risk index for aquatic pollution control.a sedimentological approach [J]. Water Research, 14(8):975-1001.

JAIN C K, RAO V V S G, PRAKASH B A, et al. 2010. Metal fractionation study on bed sediments of Hussainsagar Lake, Hyderabad, India [J].Environmental Monitoring & Assessment, 166(1-4): 57-67.

LISTER S K, LINE M A. 2001. Potential utilisation of sewage sludge and paper mill waste for biosorption of metals from polluted waterways [J].Bioresource Technology, 79(1): 35.

SHIKAZONO N, TATEWAKI K, MOHIUDDIN K M, et al. 2012. Sources,spatial variation, and speciation of heavy metals in sediments of the Tamagawa RⅣer in central Japan [J]. Environmental Geochemistry and Health, 341(Suppl 1): 13-26.

SUNDARAY S K, NAYAK B B, LIN S, et al. 2011.Geochemical speciation and risk assessment of heavy metals in the rⅣer estuarine sediments——a case study: Mahanadi basin, India [J]. Journal of hazardous materials, 186(2): 1837-1846.

URE A M, QUEVAUVILLER P, MUNTAU H, et al. 1993. Speciation of heavy metals in soils and sediments: An account of the improvement and harmonization of extraction techniques undertaken under the auspices of the BCR of the Commission of the European Communities[J]. International Journal of Environmental Analytical Chemistry,51(1-4): 135-151.

VELIMIROVIC M B, PRICA M D, DALMACIJA B D, et al. 2011.Characterisation, Availability, and Risk Assessment of the Metals in Sediment after Aging [J]. Water Air & Soil Pollution, 214(1-4):219-229.

白莉萍, 齊洪濤, 伏亞萍, 等. 2014. 北京地區(qū)不同城鎮(zhèn)污水處理廠堆肥污泥的營(yíng)養(yǎng)含量和重金屬污染[J]. 環(huán)境科學(xué), 35(12): 4648-4654.

邊偉. 2009. 污泥施田后土壤和大豆植株中重金屬分布特征[D]. 哈爾濱:東北農(nóng)業(yè)大學(xué).

陳懷滿. 2005. 環(huán)境土壤學(xué)[M]. 北京: 科學(xué)出版社: 522-523.

陳同斌, 黃啟飛, 高定, 等. 2003. 中國(guó)城市污泥的重金屬含量及其變化趨勢(shì)[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 23(5): 561-569.

戴亮, 任珺, 陶玲, 等. 2012. 污泥施用對(duì)土壤及小麥生理特性的影響[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 31(2): 362-368.

鄧炳波, 田超, 司友斌. 2015. 合肥市污水處理廠污泥重金屬分布特征及其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J]. 環(huán)境污染與防治, 37(8): 46-51.

方曉波, 史堅(jiān), 廖欣峰, 等. 2015. 臨安市雷竹林土壤重金屬污染特征及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 26(6): 1883-1891.

郭廣慧, 陳同斌, 楊軍, 等. 2014. 中國(guó)城市污泥重金屬區(qū)域分布特征及變化趨勢(shì)[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 34(10): 2455-2461.

郭鵬然, 雷永乾, 蔡大川, 等. 2014. 廣州城市污泥中重金屬形態(tài)特征及其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J]. 環(huán)境科學(xué), 35(2): 684-691.

郭平, 謝忠雷, 李軍, 等. 2005. 長(zhǎng)春市土壤重金屬污染特征及其潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J]. 地理科學(xué), 25(1): 108-112.

郭笑笑, 劉叢強(qiáng), 朱兆洲, 等. 2011. 土壤重金屬污染評(píng)價(jià)方法[J]. 生態(tài)學(xué)雜志, 30(5): 889-896.

何緒文, 房增強(qiáng), 王宇翔, 等. 2016. 北京某污水處理廠污泥重金屬污染特征潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)及健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 36(3):1092-1098.

李如忠, 姜艷敏, 潘成榮, 等. 2013. 典型有色金屬礦山城市小河流沉積物重金屬形態(tài)分布及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[J]. 環(huán)境科學(xué), 34(3): 1067-1075.

劉亞納, 郭旭明, 周鳴, 等. 2017. 洛陽(yáng)城市污水處理廠污泥中重金屬形態(tài)及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào), 11(2): 1217-1222.

劉志杰, 李培英, 張曉龍, 等. 2012. 黃河三角洲濱海濕地表層沉積物重金屬區(qū)域分布及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 33(4):1182-1188.

陸鳳娟. 2013. 污水處理廠污泥重金屬特征及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[J]. 環(huán)境科學(xué)與管理, 38(4): 139-142.

師榮光, 高懷友, 趙玉杰, 等. 2006. 基于GIS的混合加權(quán)模式在天津城郊土壤重金屬污染評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 25(S1):17-20.

宋琳琳, 鐵梅, 張朝紅, 等. 2012. 施用污泥對(duì)土壤重金屬形態(tài)分布和生物有效性的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 23(10): 2701-2707.

蘇萌, 曹紅霞, 程小雪, 等. 2014. 不同消解方法分析污泥中重金屬含量的比較[J]. 化學(xué)研究, 25(5): 492-496.

涂劍成, 趙慶良, 楊倩倩. 2012. 東北地區(qū)城市污水處理廠污泥中重金屬的形態(tài)分布及其潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 32(3):689-695.

王紹文, 秦華. 2007. 城市污泥資源利用與污水土地處理技術(shù)[M]. 北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社: 231-235.

文竹, 李江, 王興, 等. 2016. 貴州省污水處理廠污泥中重金屬形態(tài)分布及其潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J]. 中國(guó)農(nóng)村水利水電, (12): 67-73.

席欣欣, 徐鴻魁, 王鵬, 等. 2011. 城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理處置技術(shù)綜述[C]//2011全國(guó)給水排水技術(shù)信息網(wǎng)年會(huì)暨技術(shù)交流會(huì)論文集.

夏克非, 尹連仲, 羅捷. 2010. 水合固化一步法處理城鎮(zhèn)生活污泥試驗(yàn)研究[J]. 環(huán)境影響評(píng)價(jià), 32(2): 35-39.

姚金鈴, 王海燕, 于云江, 等. 2010. 城市污水處理廠污泥重金屬污染狀況及特征[J]. .環(huán)境科學(xué)研究, 23(6): 696-702.

于云江, 胡林凱, 楊彥, 等. 2010. 典型流域農(nóng)田土壤重金屬污染特征及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J]. 環(huán)境科學(xué)研究, 23(12): 1523-1527.

張燦, 陳虹, 余憶玄, 等. 2013. 我國(guó)沿海地區(qū)城鎮(zhèn)污水處理廠污泥重金屬污染狀況及其處置分析[J]. 環(huán)境科學(xué), 34(4): 1345-1350.

張凌, 曹紅霞, 蘇萌, 等. 2016. 開封市污水處理廠污泥中重金屬形態(tài)分布及其潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J]. 河南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然版), 46(2):207-212.

Abstract: Sludge samples were continuously collected from four sewage treatment plants (I, Ⅱ, Ⅲ and Ⅳ) in Beijing. The concentration of heavy metals (Zn, Cu, Pb, Cr, Cd, Ni, As, Hg) were analyzed using ICP-AES after microwave digestion pretreatment, and the different forms of the heavy metals, were determined by BCR a sequential extraction method. Different pollution indexes were used to evaluate the pollution characteristics and potential ecological risk of heavy metals in the sludge in order to provide the basic data for the study of sludge pollution characteristics in Beijing. The results showed that: (1) Average heavy metal contents were significantly different (P＜0.05) among the four sewage treatment plants, the average contents of Cu, Ni and As exceeded 7.2,%, 71.9% and 7.4% of the mean values in national urban sludges. (2) Zn and Cd were mostly concentrated in extractable form, with the range of action contents of 56.8%～63.7%and 81.3%～85.7% respectively, Cu and Pb were mostly concentrated in a reduced form and ranged in 54.6%～70.2% and 63.9%～79.1% respectively, Cr, Ni and As were mainly concentrated in residual form, accounting for 53.4%～71.8%, 33.4%～51.3% and 49.3%～67.4% respectively. (3) The single factor pollution index for heavy metals was in the order of Zn＞Cu＞Ni＞Cd＞Pb＞As＞Cr, and the Nemerow integrated pollution index for the 4 sludge samples presented as Ⅳ＞Ⅱ＞I＞Ⅲ, and reached moderate, moderate, slight and severe pollution level. (4) The single-factor potential ecological risk index of heavy metals was in the order of Cu＞Cd＞Ni＞Zn＞Pb＞As＞Cr, and the integrated-factor potential ecological risk index of the sludge presented as Ⅳ＞Ⅱ＞Ⅲ＞I, and all indices reached slight ecological risk level.

Key words: sludge heavy metals; fractional distribution; single factor pollution index; Nemerow integrated pollution index; potential ecological risk index

Heavy Metal Pollution Characteristics and Ecological Risk Assessment of the Sludge from Wastewater Treatment Plants in Beijing

MENG Guoxin1, ZHA Tonggang1*, ZHANG Xiaoxia1, LIU Zheng1, SU Guangrui2

1. School of Soil and Water Conversation, Beijing Forestry University//Beijing Engineering Research Center of Soil and Water Conservation,Beijing 100083, China;2. Beijing Sainteco Technology Corp., ltd, Beijing 100083, China

10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.09.016

X132; X820.4

A

1674-5906（2017）09-1570-07

孟國(guó)欣, 查同剛, 張曉霞, 劉崢, 蘇光瑞. 2017. 北京市污水處理廠污泥重金屬污染特征和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 26(9): 1570-1576.

MENG Guoxin, ZHA Tonggang, ZHANG Xiaoxia, LIU Zheng, SU Guangrui. 2017. Heavy metal pollution characteristics and ecological risk assessment of the sludge from wastewater treatment plants in Beijing [J]. Ecology and Environmental Sciences, 26(9):1570-1576.

北京城市污水處理廠污泥與園林綠化剩余物協(xié)同利用關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與示范項(xiàng)目（Z151100002115006）

孟國(guó)欣（1991年生），女，碩士研究生，主要從事土壤重金屬研究。E-mail: 13020099142@163.com*通信作者。E-mail: zhtg73@bjfu.edu.cn

2017-07-09