城市污水处过程中重金属分布特性及形态分析研究

城市污水处理过程中重金属分布特性及形态分析研究1、立项的背景和意义随着城市污水量的不断增加，污水处理过程中产生的污泥量也在不断增加“污泥中不仅含有丰富的营养元素，也含有难降解的金属有毒物质，如果处理不当则会造成更严重的二次污染，同时有毒重金属也是限制污泥农用或污泥制砖等综合利用的主要障碍，因此对城市污水处理过程中产生的污泥进行研究，掌握重金属元素在污水处理过程中的迁入途径及迁移转化规律对污泥的处置及综合利用具有重要的意义”。

本项目以微波消解技术及电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-AES）为基础，以市污水处理厂进水泵房、初沉池、曝气池、二沉池、脱水机房等各处理单元水样及污泥为研究对象,采用连续提取法进行金属形态（酸溶态、可还原态、可氧化态）的提取，以ICP-AES 法测定样品中的Cd、Cr、Cu、Mn、Mo、Ni、Pb、Zn等8种重金属元素的含量，研究重金属元素在污水处理过程中各个单元水相及污泥中的分布规律及形态分布，并采用相应的数学方法进行数据处理，找出重金属在污水处理过程中形态分布特性，以此为城市污水处理厂污水处理过程中所产污泥中重金属污染的防治和污泥的合理化处置及资源化利用提供基础数据。

1.1城市污泥中金属的来源及危害环境污染方面所说的重金属，主要是指汞、镉、铅、铬等生物毒性显著的重金属以及类金属砷，也指具有一定毒性的一般重金属如锌、铜、钴、镍、锡等。

重金属随废水排出时，即使浓度很小，也可能造成污染。

由重金属造成的环境污染称为重金属污染。

城市污水中金属主要来自住宅区的排水、地下水渗流、商业和工业排水等。

仪表电镀、机械加工、有色冶炼、矿山开采、重金属盐化等行业的重金属，通过各种渠道进入水体后，含量极微即可表现出极大的毒性，对生物及人类的危害非常大。

重金属在水中十分稳定，难以被微生物所降解，并且可通过食物链在生物体中逐步富集，其富集倍数可高达几万倍，当人类食用了这些含有大量有毒重金属的水生生物，如鱼、虾等，重金属就会在人体内积累起来，造成慢性中毒。

因此，目前世界各国都把重金属列为重要的水体污染指标【1】，作为监测控制的重要内容。

城市污泥是处理城市生活污水和工业废水过程中产生的固体废弃物，是城市污水处理厂的经常性产物。

随着现代社会人口剧增及工农业生产的快速发展。

人类生产生活中产生的大量金属污染物排入水体，其中绝大部分金属污染物由水相沉降进入沉积物，造成对沉积物的污染。

研究表明，污水中份以上的重金属通过细菌吸收!、表面吸附以及共沉淀等多种途径浓缩在产出的污泥中【2】，因此如不加以控制和适当的处置，污泥中的重金属则会造成环境的二次污染，甚至对人体健康造成严重危害。

1.2金属含量及其存在形态对污泥处置的影响城市污泥是处理城市生活污水和工业废水过程中产生的固体废弃物，目前污泥处置的主要方法有填埋、焚烧和土地利用等方式，其中土地利用最具发展前景。

城市污泥往往含有大量的Cd、Cr、Cu、Mn、Mo、Ni、Pb、Zn等金属元素，在土地利用过程中容易对土壤、地下水和动植物造成二次污染，并通过食物链富集，产生慢性或急性中毒，因此如何加以防治成为污泥土地利用必须解决的问题。

虽然污水经过污水处理厂处理后水中的重金属含量显著降低，但是活性污泥法处理含重金属的污水，不能使其中的重金属分解破坏，只能转移其存在的位置或改变其物理化学形态。

因此，确定污泥中重金属元素的总量和形态有助于探讨污泥土地资源化利用的适宜性。

随着科学研究的深入，人们逐渐认识到，重金属对环境危害的大小，更大程度上取决于其存在形态。

重金属的不同形态表现出不同的生物毒性和环境迁移行为。

然而目前对于污水处理厂污泥中重金属的研究仅限于对总量的研究和最终污泥中重金属形态的研究【3】【4】【5】，而对于污水处理过程中重金属形态的研究较少。

研究活性污泥中重金属的存在形态和分布及其迁移转化规律可以为调整工艺的优化运行、重金属的去除和活性污泥的处置利用提供科学的依据，因此研究城市污水处理厂污水处理过程中重金属的存在形态及其分布规律具有非常现实的意义。

1.3市污水处理厂目前工艺的只要特点有：⑴采用纵向水力旋流式沉砂，水流从池底喷出产生旋流，能有效地分离砂粒表面的腐殖物质，使之不能沉降，易降解的有机物在沉砂池中不被氧化，有利于污水的深度处理。

⑵采用推流式阶段射流曝气，污水在池中被强制形成环流，具有充氧效果好、曝气器不易被堵塞等优点。

⑶建有三座单池容积为10523m3的蛋形消化池,进行污泥中温厌氧消化，具有有效池容大、热损失低、水力搅拌充分、不易产生污泥沉淀死角、造型美观等优点。

2、国内外研究现状和发展趋势活性污泥本身是一种由有机残片、细菌菌体、无机颗粒、胶体等组成的极其复杂的非均质体，根据Macnicol和Beckett[28]的研究将污泥区分为颗粒态、生物絮凝态、胶体及水溶态4个组分。

周立祥【22】等研究发现，污泥大部分由生物絮凝态组成，占污泥总量的，其次为颗粒态组分，占23%，而水溶态和胶体组分所占比例较小。

国内外诸多研究表明【31】，活性污泥胞外多聚物（ECP）能大量吸附溶液中的金属离子，尤其是重金属离子，它们与ECP的络合更为稳定。

生物体吸收金属离子的过程主要有两个阶段第一个阶段是金属离子在细胞表面的被动吸附，微生物的细胞表面主要由多聚糖、蛋白质和脂类组成,这些组份中可与金属离子相结合的主要官能团有梭基、磷酞基、轻基、硫酸脂基、氨基和酞胺基等，他们有着吸附不同重金属离子的结合点位，不同价态的金属离子可以在不同的点位与ECP结合，如中性糖的轻基、阴离子多聚物的轻基都可能是金属的结合位。

此阶段的特点是速度快、时间短，缘于电荷间的相互作用，是一个物理化学过程而和生物活性无很大关联。

另一阶段是活体细胞的主动吸附，即细胞表面吸附的金属离子与细胞表面的某些酶相结合而转移至细胞内，它包括传输和沉积，这一阶段速度较慢,时间较长。

自20世纪70年代以来，集中生化处理渐成城市污水处理的主流，活性污泥对重金属的生物吸附能力已为许多研究所证实，国内外有关专家学者就活性污泥吸附重金属展开了大量的研究工作，从宏观的吸附效果到微观的吸附机制，从不同污水厂产生的污泥到污泥中不同的微生物种类探索，都取得了丰硕的成果[38]。

Bux和kasan（1996）[24]研究了美国个污水处理厂的剩余活性污泥对金属的去除效果，发现所有的污泥对重金属表现了不同程度的去除能力，有些污泥对某些重金属离子表现出选择性的吸附效果。

Modak和Natarajam（1995）[25]认为活性污泥对金属的吸附有两种机制,即表面吸附和胞内吸收，同时他们认为影响活性污泥去除金属离子的影响因子主要有操作因素泥龄、污泥体积指数、污泥浓度、混合液浓度、悬浮物浓度、进水等、物化因素、金属离子浓度、金属溶解度、价态及颗粒大小、生物因素生物的种类、细胞外多聚物等。

国内蒋爱成、吴启堂等（1996）[26][27]对污水厂活性污泥吸附污水中重金属进行了一些静态试验，发现对吸附率的影响很大。

在生物处理系统中，吸附、离子交换、有机结合和沉淀，被认为是主要的重金属去除手段[29]。

程晓如[30]等人研究了SBR工艺中重金属的去除，SBR工艺中将污水中的重金属离子通过预处理构筑物和反应池而去除。

活性污泥是絮状的微生物集合体，有着很大的面积，絮凝体表面带负电荷，可通过异种电荷互相吸引而对重金属产生很强的吸附能力，同时絮凝状基质（含死菌体）也可吸附重金属离子。

3、研究开发内容和技术关键本文以市污水处理厂厂各处理单元水样及污泥为研究对象，研究污水处理过程中Cd、Cr、Cu、Mn、Mo、Ni、Pb、Zn等8种重金属元素在不同处理单元中的存在形态及分布规律。

⑴对污水、污泥中金属元素纯化提取技术进行优化，采用微波消解作为样品前处理技术，克服了传统干法或湿法的高温使易挥发元素损失、费时等缺点，消解样品能力强、速度快、消耗化学试剂少、金属元素不易挥发损失、污染小、空白值低，从整体上提高样品分析的速度和质量。

同时对采用仪测定金属的方法进行条件优化，从而能准确地得出可靠的分析结果。

⑵借助于微波消解技术及电感耦合等离子体发射光谱仪，对污水及污泥中的Cd、Cr、Cu、Mn、Mo、Ni、Pb、Zn等8种金属元素的总量进行测定，并对测定数据进行分析，从而对金属在污水处理各个单元水相及污泥中的分布规律进行研究，掌握金属元素的在污水处理厂的迁入、转化途径。

⑶采用欧洲共同体标准物质局（European Community Bureau of Reference）支持的三态连续提取法简称法研究了污水处理厂初沉污泥、曝气池污泥、剩余污泥、脱水机房泥饼中的Cd、Cr、Cu、Mn、Mo、Ni、Pb、Zn等8种金属元素的形态酸溶态、可还原态、可氧化态分布规律，从而研究重金属对水质的影响及潜在的危害。

4、预期目标（主要技术经济指标、知识产权申请情况、应用前景）⑴城市污泥即便是符合农用污泥中污染物控制标准，其中的污染物也是远远大于土壤背景值,因此建议在污泥处置时注意加强污泥农用的环境风险研究，采用综合测试方法确定城市污泥的主要成分及污染物形态，充分考虑到环境因素对污泥中金属元素活性的影响，考虑产业结构、土地资源、城市化程度等因素，不同地区因地制宜选择合适的污泥处理处置技术路线，推广污泥的工业资源化技术，减少污泥的直接农用。

城市污泥可更多地用来污泥消化发电或制成工业产品，如建筑材料、陶瓷、地砖等城市公用品，从而将污泥资源化，减小其生物毒性，经济前景可观，至少每年产生500万的经济效益。

在污水处理过程中,技术人员想到的最多的是将水中的重金属离子降低，但是这部分金属离子最终是浓缩在污泥中，而不会和有机污染物一样被最终降解。

如果能分析和探索减少污泥中重金属含量和降低其活性的技术和方法,在污水处理过程中将重金属提取出来单独处理,这将会很好地控制污泥处置过程中所造成的二次污染，从根本上实现城市污泥的无害化和资源化。

⑵发表学术论文2篇。

应用前景：随着城市污水处理量的不断增加，污水处理过程中的副产品污泥的产生量也在快速增加，污泥中不仅含有丰富的营养元素，也含有难降解的重金属有毒物质，如果处理不当则会造成更严重的二次污染，因此对城市污水处理厂污水处理过程中产生的污泥进行监测尤为必要。

如何合理处置城市污水处理厂所产生的大量污泥，防止污泥对环境产生二次污染，同时综合利用城市污泥并创造经济价值己成为当前环境治理中一项重要而紧迫的任务，因此研究城市污水处理厂所产污泥的监测技术及重金属在污泥中的存在形态及迁移转化规律具有现实的意义。

5、研究方案、技术路线、组织方式与课题分解5.1研究方案：微波消解技术能够处理各种样品，包括生物、植物、食品、塑料、颜料、燃料、金属合金、矿物、环境样品、土壤等。