城市污泥中重金属的处理及资源化利用

城市污泥中重金属的处理及资源化利用

摘要：城市污泥中的重金属是制约污泥资源化利用的关键因素，因此如何有效

的处理污泥中的重金属成为了亟待解决的难题之一。本文阐述了城市污泥中重金

属的特点和形态分布，并探讨了当前城市污泥中重金属的主要处理技术及污泥利

用现状，以期能为污泥重金属的处理和资源化利用提供一定的理论依据。

关键词：污泥；重金属；处理；利用

引言

随着世界人口快速增长和经济的迅速发展，环境污染问题日益严重。各城市

污水处理厂的大量兴建在一定程度上能够缓解生活与工业废水引发的污染问题，

而污泥是污水处理厂处理废水的必然产物，其有效处理已成为污水处理厂正常运

行的保证。由于污泥中含有丰富的氮、磷、钾等营养元素，其资源化农用是一种

最为经济可行和最有前景的处置方法。但城市污泥中含有大量重金属污染物，这

是制约污泥资源化农用的关键因素。因此对城市污泥进行重金属处理和资源化农

用的研究，就显得有十分重要的现实意义。

1 城市污泥中重金属含量和种类

由于我国地幅广阔，且城市污泥的来源和种类都不同，导致了城市污泥中重

金属含量和种类有显著的差异。据调查显示，主要的超标金属有As、Hg、Cu、Cr、Zn、Cd、Ni和Pb，且不同金属在不同区域超标量有一定差异。有学者对某市5

家污水处理厂中重金属进行了分析，结果表明，各污水处理厂污泥重金属浓度各异，其中部分污水处理厂污泥中As、Cd超出农用泥质A级标准，但测得各污水

处理厂污泥中各重金属浓度均低于GB/T23486-2009限值。有学者对某城镇污水处理厂污泥中重金属进行了分析，结果表明As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn的含量均满足CJ/T309-2009《城镇污水处理厂污泥处置农用泥质标准》的B级标准，可施

用于相应农作物。有学者研究了某市3个污水处理厂污泥中Cu、Zn、Ni、Cr和

Pb的含量，结果表明仅有1个污水处理厂污泥中Cu、Zn和Ni含量超过了农用泥

质A级标准的限值（CJ/T309-2009）。有学者选取了29个污泥样品对Hg、Cd、As、Pb、Cr、Cu、Ni、Zn进行了分析，结果表明不同的污泥样品具有较大的变化

范围。有学者汇总并分析了国内90个污水处理厂的污泥泥质数据，结果表明城

镇污水处理厂的污泥泥质总体上是适合土地利用的，重金属风险由大到小排序为：Hg、Ni、Cd、Zn、Cu、Cr、Pb、As、B。有学者对某污水处理厂污泥重金属进行

了分析，结果表明，污泥中Cd的含量较高，超出中国酸性土壤的农用标准，而

Pb含量未超出农用标准范围。有学者对某市污水处理厂污泥重金属进行了分析，

结果表明Zn、Cu、Cr、Pb、Mn5种重金属均为低潜在生态风险，所以污泥经过适当处理可以比较安全地用于园林绿化当中。有学者对某地区不同污水处理厂堆肥

污泥的营养元素含量变化和重金属含量状况进行了研究，结果表明，A、B型堆肥污泥的重金属含量因污泥来源和年份而异。有学者对我国近30年来城市污水处

理厂污泥中重金属分布特征和年代变化规律进行了分析，结果表明，近30年来

城市污水处理厂污泥中Cd、Pb、Cr、As、Hg、Cu、Ni、Zn平均值或中位值虽然

符合GB18918-2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》中污泥农用时重金属控制

标准限值，但数据离散且呈偏态分布，所以其中部分污泥的Cu、Zn、Cr、Hg、Ni

和Cd的含量依然超标，其中Ni、Hg和Cd超标倍数相对最高。

2 城市污泥中重金属的形态

重金属的生物毒性不仅与其总量有关，更大程度上由其形态分布所决定。关

于重金属的形态分级，还没有统一的定义方法，目前重金属形态分级采用最广泛

的方法是Tessier等提出的可交换态、铁-锰氧化物结合态、碳酸盐结合态、有机

物结合态和残渣态5种形态。不同形态的重金属迁移能力有所不同，具体表现为：可交换态＞碳酸盐结合态＞铁锰氧化态＞有机物结合态，残渣态比较稳定，几乎

不迁移。重金属的生物利用率与其迁移能力正相关，碳酸盐结合态和可交换态等

迁移能力强、生物利用率高的形态称为有效态。有机结合态和铁锰氧化态迁移能

力较弱，称为潜在有效态，但较容易转变为有效态。残渣态由于稳定性很强，生

物利用率极低，所以又称为不可利用态。有学者对污泥中Hg的形态进行了分析，结果表明虽然污泥中总Hg的浓度较高，但是其有效态含量不到总量的0.4%。有

学者对某市5个污水处理厂的污泥重金属形态进行了分析，结果表明不同污泥样

品中各重金属元素形态分布呈现出不同规律，Cr、Cu和Pb较稳定，生物利用率

较低；As的稳定性相对较差，生物利用率相对较高；Zn在污泥中稳定性最差，

生物利用率最高；而Cd在不同污泥样品中的形态分布差异较大。有学者研究了6个污水处理厂污泥重金属形态与发酵产甲烷活性的关系，结果表明，Se、Zn、Ni

和Fe在全部样品中均主要以有机物和硫化物形式存在，生物利用率很低；而Co

和K主要以可交换态和碳酸盐态形式存在，生物利用率较高；而总Cr和总Pb的

浓度很低，不会影响产甲烷活性。有学者利用SBR对城市污泥进行了生物沥滤，

结果表明在生物沥滤后，污泥中Zn和Cu均以残渣态存在。有学者对29个城市

的污水处理厂的污泥中Hg、Cr和As的形态进行了分析，结果表明污泥中的Hg97%以上以残渣态存在，Cr和As存在的形态差别较大，但有效态比例均不足重金属

全量的10%。

3 城市污泥重金属处理及污泥利用现状

3.1 城市污泥重金属的处理现状

污泥的有效处理技术一直是世界各国持续关注的焦点。当前常用的处理方式

包括填埋、焚烧、投海和农用等。我国当前研究的最主要处理方式是农用，由于

对农用污泥中的重金属浓度有严格的控制，所以城市污泥中重金属的去除技术十

分重要。目前对于污泥中重金属的常用处理技术主要有物理、生物、化学和联合

技术处理。

3.1.1 重金属的物理处理技术

物理处理技术主要是电动修复技术（electrokinetic remediation，EK）。该技

术是一项较新的重金属去除技术，其最大的特点在于高效廉价，安装简单，能够

进行原位修复。其原理是向污染污泥两端施加电场，利用电场产生的电场力使污

泥中重金属沿电场方向定向迁移，从而将重金属富集至固定区域后进行集中处理。有学者利用柠檬酸和聚天冬氨酸作为电解液修复被Cr污染的土壤，结果表明以柠檬酸作为电解液可以提高总Cr和Cr6+的去除率；而使用聚天冬氨酸只能提高

Cr6+的去除率，总Cr去除率低是因为其将可交换态Cr转变为碳结合态Cr。有学

者研究了电解时间、电解电压和污泥pH对重金属去除效率的影响。结果表明污

泥pH越低，污泥中重金属溶解和解析就越彻底，去除重金属的效果就越好；电

解时间越长，污泥中Pb、Cu和Zn的去除率越高，但从经济效益看，电解时间并

不是越长越好，需综合考虑重金属的去除效率和处理成本；电场压力越大，污泥

中重金属的迁移速度越快，其去除率就越高。电动修复技术的优势是处理时间短、对重金属去除率高，但是单次处理的污泥数量有限，与其他处理技术联合使用较多。