污泥基生物炭中重金屬的形態(tài)分布及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)研究

范世鎖，湯婕，程燕，王毅，王振，唐俊，李學(xué)德

1. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，安徽 合肥 230036；2. 農(nóng)業(yè)部合肥農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站，安徽 合肥 230036；3. 合肥市環(huán)境監(jiān)測中心站，安徽 合肥 230031

污泥基生物炭中重金屬的形態(tài)分布及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)研究

范世鎖1,2*，湯婕1，程燕3，王毅1，王振1，唐俊1，李學(xué)德1,2

1. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，安徽 合肥 230036；2. 農(nóng)業(yè)部合肥農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站，安徽 合肥 230036；3. 合肥市環(huán)境監(jiān)測中心站，安徽 合肥 230031

重金屬是城市污泥資源化利用的限制因子。炭化是污泥處理處置的重要途徑。本研究中采用Tessier序列提取方法研究城市污水處理廠污泥及不同溫度制備（300～700 ℃）的污泥基生物炭中重金屬的形態(tài)分布，并運(yùn)用Hakanson方法評價(jià)污泥及污泥基生物炭的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)果表明：污泥和污泥生物炭中重金屬含量最高的均為Zn和Cu。污泥及污泥基生物炭中重金屬含量總體的次序規(guī)律是：Zn>Cu>Ni>As>Pb>Cd。隨著熱解溫度增加，重金屬更多的轉(zhuǎn)化到殘?jiān)鼞B(tài)中。600～700 ℃制備的污泥基生物炭中的重金屬主要分布?xì)堅(jiān)鼞B(tài)中，除Ni之外。熱解溫度為700 ℃時(shí)，污泥基生物炭中Cu、Zn、Pb、Cd、Ni和As的殘?jiān)鼞B(tài)分別占到95%、53%、71%、59%、57%和58%。根據(jù)單個(gè)重金屬的潛在生態(tài)指數(shù)（Er）可知，污泥及污泥基生物炭中的主要風(fēng)險(xiǎn)因子是As﹑Cd和Zn。當(dāng)熱解溫度為700 ℃時(shí)，污泥基生物炭的潛在風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（RI）從原污泥的489.32降低至73.27?？梢?，污泥基生物炭中重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)顯著降低。因此，從重金屬環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的角度考慮，污泥基生物炭制備的合適溫度在600～700 ℃。

污泥基生物炭；重金屬；形態(tài)；潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)

重金屬是限制城市污水處理廠污泥處理處置和資源化利用的關(guān)鍵因素。含重金屬的污泥有著較高的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。重金屬進(jìn)入到環(huán)境中會直接危害生態(tài)系統(tǒng)或是通過食物鏈富集放大并威脅人類的健康。

污泥中重金屬控制的途徑主要有兩種，一是去除污泥中的重金屬，如生物瀝濾或化學(xué)提取（Pathak et al.，2009）；二是將污泥中的重金屬進(jìn)行固定。由于操作簡便和成本較低，重金屬固定是更為常見的方法。污泥重金屬固定的方法通常是添加化學(xué)試劑法。熱解是污泥重金屬固定的有效手段，與此同時(shí)，污泥熱解還能得到固態(tài)殘?jiān)a(chǎn)物，即污泥基生物炭。由于污泥基生物炭具有表面積較大﹑孔隙結(jié)構(gòu)豐富﹑堿性、含有灰分和有機(jī)官能團(tuán)等特點(diǎn)，其在環(huán)境中的應(yīng)用越來越廣泛，可作為土壤修復(fù)劑和改良劑﹑重金屬吸附劑﹑催化劑﹑農(nóng)用等（Khan et al.，2013；Zhang et al.，2013；Yuan et al.，2013；袁金華等，2011；于志紅等，2014；張又弛等，2015）。然而，污泥基生物炭在進(jìn)行資源化利用的同時(shí)，應(yīng)該考慮其環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，尤其是重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。目前，關(guān)于污泥基生物炭中重金屬的潛在風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)研究報(bào)道還較少。

目前針對污泥熱解后重金屬遷移轉(zhuǎn)化行為的研究報(bào)道較多，主要結(jié)論是隨著熱解溫度的增加，大部分重金屬在生物炭中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增加，且重金屬的浸出性和生物有效性降低。Agrafioti et al.（2013）研究發(fā)現(xiàn)污泥熱解抑制了重金屬的釋放。Yuan et al.（2015）研究發(fā)現(xiàn)污泥的熱解能降低重金屬的浸出性和生物有效性。Park et al.（2011）等研究表明生物炭能有效降低重金屬的生物有效性和毒性。

重金屬化學(xué)形態(tài)決定了其浸出性﹑遷移性﹑生物有效性和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。化學(xué)序列提取是表征重金屬形態(tài)常見的手段，其中Tessier化學(xué)提取被廣泛應(yīng)用于表征沉積物﹑土壤﹑固體廢棄物中重金屬的化學(xué)形態(tài)（Zhang et al.，2011；方盛榮等，2009）。

污泥研究中 Tessier序列提取也有著廣泛的使用（Dong et al.，2013）。目前，將Tessier化學(xué)序列提取用于研究表征城市生活污水處理廠污泥基生物炭中重金屬的遷移性和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的研究報(bào)道甚少。Devi et al.（2014）采用BCR（the Community Bureau of Reference）化學(xué)提取方法表征造紙廠污水處理污泥生物炭中重金屬的形態(tài)，發(fā)現(xiàn)熱解能降低重金屬的浸出性和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

為此，本文以城市生活污水處理廠污泥作為研究對象，在不同溫度下熱解制備成污泥基生物炭，運(yùn)用 Tessier化學(xué)提取方法，表征 Cu﹑Zn﹑Pb﹑Cd﹑Ni﹑As的變化，重金屬選擇依據(jù)是在污泥或污泥基中重金屬濃度含量高或潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較大的重金屬元素。研究的主要目的是：（1）表征污泥及污泥基生物炭中重金屬的形態(tài)分布；（2）評價(jià)污泥生物炭中重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，以期為污泥的處理處置及污泥基生物炭的資源化利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 采樣與污泥生物炭制備

污泥取自合肥某城市生活污水處理廠，該廠的污水處理工藝是改良式氧化溝工藝，每天處理污水180000 m3。污泥經(jīng)過板框壓濾脫水處理。取回的污泥首先風(fēng)干，風(fēng)干后的污泥進(jìn)行熱解處理，將一定量的污泥放置坩堝中，密封后放入馬弗爐（天津，泰斯特，SRJX-8）內(nèi)，升到指定溫度后保持2 h，降溫冷卻到室溫后，取出稱重，計(jì)算污泥基生物炭的得率。最后將污泥基生物炭磨碎，過80目篩保存?zhèn)溆?。污泥熱解的溫度分別設(shè)置 300﹑400﹑500﹑600和700 ℃（制備生物炭通常溫度是在 700 ℃以下，對應(yīng)編號為SB300、SB400、SB500、SB600、SB700）。300、400、500、600和700 ℃下污泥基生物炭的得率分別為 85.82%﹑64.20%、56.77%、53.21%和49.54%。

1.2 Tessier化學(xué)序列提取

Tessier分級（Tessier et al.，1979）提取的方法如下：

主要步驟如下：稱取1 g樣品放入50 mL離心管中；

（1）可交換態(tài)（F1）：加入 8 mL濃度為 1.0 mol·L-1的MgCl2（pH=7.0），室溫下震蕩1 h；

（2）碳酸鹽結(jié)合態(tài)（F2）：向上一級殘?jiān)尤? mL濃度為1 mol·L-1NaOAc（用HOAc調(diào)pH 5.0），室溫下震蕩5 h；

（3）還原態(tài)（F3）：向上一級殘?jiān)尤?20mL濃度為0.04 mol·L-1鹽酸羥胺（HONH3Cl）溶液（以25% (V/V) HOAc溶液溶解，pH 2.0），(96±3) ℃水浴提取6 h，定容至20 mL；

（4）鐵錳氧化態(tài)（F4）：向上一級殘?jiān)尤? mL的0.02 mol·L-1HNO3和5 mL的30% H2O2（HNO3將pH調(diào)至2，30% H2O2為質(zhì)量百分?jǐn)?shù)），(85±2) ℃振蕩2 h，之后再3 mL的30% H2O2，(85±2) ℃振蕩3 h，間歇攪拌。冷卻后，加入5 mL的3.2 mol·L-1CH3COONH4（溶于20% (V/V) HNO3）后振蕩30 min，定容至20 mL。

（5）殘?jiān)鼞B(tài)（F5）：殘?jiān)鼞B(tài)的重金屬通過總量減去前四態(tài)的量（Kidd et al.，2007）。

每次提取之后通過5000 rpm離心10 min，上清液過0.45 μm的濾膜，加入2% HNO3后保存待測。重金屬測試的儀器是 ICP-OES（PerkinElmer，2100DV，USA）用于分析測試Cu、Zn、Pb、Cd、Ni、As。每組實(shí)驗(yàn)有3個(gè)重復(fù)。

1.3 重金屬消解

污泥及污泥基生物炭消解的方法采用四酸消解法（HCl-HNO3-HF-HClO4），消解總耗時(shí)6～8 h，消解至近干無色，用2%的HNO3定容至25 mL，保存待測。ICP-OES（Perkin Elmer，2100DV，USA）用于分析測試 Cu、Zn、Pb、Cd、Ni、As。測定的重金屬濃度乘以定容體積，再除以污泥或污泥基生物炭的質(zhì)量，即可得到污泥或污泥基生物炭重金屬的含量（mg·kg-1）。實(shí)驗(yàn)中所用到的試劑均為優(yōu)級純。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度對污泥生物炭重金屬分配的影響

圖1顯示的是不同熱解溫度下（300～700 ℃）污泥及污泥生物炭中6種重金屬含量分配情況。從圖1中可以看出，不同熱解溫度下，污泥和污泥生物炭中重金屬含量最高的是Cu和Zn。圖1（a）表明隨熱解溫度增加，Cu和Zn的濃度范圍差異較大。而圖1（b）則顯示Ni、Cd、As、Pb的濃度范圍差異較小。具體來說，隨著熱解溫度增加，污泥生物炭中Zn、Pb、Cd的含量不斷增加，Ni和As則是先增加后趨于穩(wěn)定，而Cu在不同溫度下重金屬變化沒有特定的規(guī)律。污泥及污泥基生物炭中重金屬含量總體的次序規(guī)律是：Zn>Cu>Ni>As>Pb>Cd。

表1顯示的是相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中重金屬的含量。將表中的數(shù)據(jù)與圖1中污泥或污泥基生物炭中的重金屬含量進(jìn)行對比可知，Zn、Cd、Ni和As的濃度超過了國內(nèi)、歐盟或美國的部分標(biāo)準(zhǔn)，因此在資源化利用時(shí)存在著一定的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

溫度是影響重金屬遷移轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵因素。隨著熱解溫度增加，污泥固態(tài)殘?jiān)写蟛糠种亟饘俚臐舛忍岣?。Zielińska et al.（2015）研究指出隨著熱解溫度的升高，所有重金屬在生物炭的質(zhì)量分?jǐn)?shù)會增

加，除了Cd。Zn、Ni、Pb、Cr和Cu主要都保留在生物炭中。Van et al.（2014）指出污泥熱解后Cu、Ni、Zn、Cr主要保留在生物炭中，而As、Cd、Hg、Se則部分遷移到氣相中。Hossain et al.（2011）研究發(fā)現(xiàn)污泥基生物炭重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著熱解溫度而改變，但主要富集在生物炭中。Méndez et al.（2014）研究發(fā)現(xiàn)在400～600 ℃間，隨著溫度增加，污泥生物炭中Cu、Ni、Zn、Cd和Pb質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增加。表2顯示的是不同溫度下污泥基生物炭中重金屬的相對富集系數(shù)，計(jì)算公式如下：

圖1 不同溫度下污泥基生物炭中的重金屬含量Fig. 1 Content of the heavy metal in biochar pyrolyzed at different temperatures

表1 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中部分重金屬含量的規(guī)定Table 1 The content of some heavy metals in relative standards mg·kg-1

表2 污泥基生物炭中重金屬相對富集因子Table 2 Relative enrichment factor of heavy metal in sludge-derived biochar

這里 HMbiochar：生物炭中重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)，mg·g-1；HMsludge：原污泥中重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)，mg·g-1；mbiochar：生物炭的質(zhì)量，g；msludge：原污泥的質(zhì)量，g。如果EF<1，意味著重金屬有揮發(fā)遷移趨勢；如果EF>1，意味著重金屬呈現(xiàn)富集趨勢。EF≈1表明重金屬會保留在生物炭中。mbiochar/msludge是污泥基生物炭的得率。

本研究中，300 ℃時(shí)，Cu、Pb、Ni呈現(xiàn)揮發(fā)遷移的趨勢，而Zn、Cd、As則呈現(xiàn)富集的趨勢。從 400～700 ℃，重金屬都呈現(xiàn)揮發(fā)遷移的趨勢（EF<1），除了Zn之外（EF≈1）。

隨著熱解溫度增加（400～700 ℃），Pb呈現(xiàn)富集趨勢。Cu、Ni、As則呈現(xiàn)揮發(fā)加劇的趨勢。而Zn、Cd則呈現(xiàn)略微富集的趨勢，更多的保留在生物炭中。

重金屬揮發(fā)遷移的行為與污泥中有機(jī)物不斷分解有關(guān)，有機(jī)結(jié)合態(tài)中的重金屬會釋放到氣相中或固定在生物炭中。同時(shí)重金屬的遷移揮發(fā)還與熱解溫度﹑污泥中重金屬的賦存狀態(tài)﹑熱解氣氛等因素有關(guān)。Kister et al.（1987）研究發(fā)現(xiàn)重金屬主要富集在殘?jiān)校捎谄渚哂袎A性特征。

2.2 溫度對污泥及污泥生物炭重金屬形態(tài)的影響

在污泥和污泥基生物炭中重金屬的形態(tài)分布見圖2。

原狀污泥中重金屬主要是分布在有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)中?？傮w規(guī)律是：污泥熱解可以將重金屬形態(tài)更多的轉(zhuǎn)移到殘?jiān)鼞B(tài)中，除了Ni之外。

Cu在原狀污泥中主要以有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)形式存在，比例分別為28%和65%。隨著溫度增加，

殘?jiān)鼞B(tài)Cu會進(jìn)一步增加，尤其是在700 ℃時(shí)，殘?jiān)鼞B(tài)比例占到95%。

圖2 污泥及污泥基生物炭中重金屬的形態(tài)分布Fig. 2 Distribution of heavy metal in sludge and sludge-derived biochar

Zn在原狀污泥中主要以鐵錳氧化態(tài)的形式存在，比例為67%。隨著溫度增加，Zn在殘?jiān)鼞B(tài)中的分布顯著增加，從原狀污泥的7%增加到53%（700 ℃時(shí)）。

Pb在原狀污泥中主要主要以鐵錳氧化態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)的形式存在。隨著溫度增加，Pb在殘?jiān)鼞B(tài)中的分布也逐漸增加，從原狀污泥的 50%增加到 71%（700 ℃中）。

Cd在原狀污泥中主要以鐵錳氧化態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)的形式存在。隨著溫度增加，Cd在可交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)中分布降低，而在殘?jiān)鼞B(tài)中的分布從50%增加到59%（700 ℃中）。

Ni在原狀污泥中主要以鐵錳氧化態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)的形式存在。然而，隨著熱解溫度增加，Ni在殘?jiān)鼞B(tài)中分布顯著降低，從58%降低到19%，在鐵錳氧化態(tài)中的分布從23%增加到57%。

As在原狀污泥中主要以鐵錳氧化態(tài)和有機(jī)結(jié)合態(tài)的形式存在。隨著溫度增加，As在鐵錳氧化態(tài)中的分布急劇下降，而在殘?jiān)鼞B(tài)中的分布顯著增加，從2%增加到58%（700 ℃）。

溫度也是影響重金屬形態(tài)的重要因素，主要是因?yàn)闊峤鉁囟仍黾訒褂袡C(jī)物不斷分解，同時(shí)還能創(chuàng)造還原性的環(huán)境，從而影響重金屬在熱解環(huán)境下的物化反應(yīng)。本研究中隨著溫度增加，大部分重金屬更多的向殘?jiān)鼞B(tài)轉(zhuǎn)化，除了 Ni之外。隨著溫度增加，Ni在殘?jiān)鼞B(tài)中的分布降低，意味著Ni的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)性增加，主要?dú)w因于重金屬Ni形態(tài)的改變，從穩(wěn)定的化合物形式轉(zhuǎn)化到非穩(wěn)定態(tài)（Yuan et al.，2011）。Lu et al.（2015）也發(fā)現(xiàn)隨著污泥熱解溫度的增加，Ni的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)增加，更多的分布在氧化態(tài)中（BCR method）。重金屬在殘?jiān)鼞B(tài)中分布增加意味著環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的降低。污泥熱解可以顯著的降低重金屬的生物有效性。He et al.（2010）研究污泥熱解后重金屬Zn、Cd、Cu、Pb在殘?jiān)械男螒B(tài)分布，結(jié)果表明：隨著熱解溫度增加，Cd形態(tài)變化很??；Cu主要從還原態(tài)轉(zhuǎn)化到殘?jiān)鼞B(tài)中；Pb從氧化態(tài)轉(zhuǎn)化到可溶態(tài)和還原態(tài)中；Cu從氧化態(tài)轉(zhuǎn)化到殘?jiān)鼞B(tài)中。

2.3 重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

重金屬風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指數(shù)（Potential ecological risk index，RI）用于評價(jià)污泥及污泥生物炭中重金屬潛在風(fēng)險(xiǎn)污染，采用Hakanson推薦的方法（Hakanson，1980），該方法是是目前重金屬風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)中應(yīng)用非常廣泛的方法之一，計(jì)算公式如下：

表3 潛在風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的指數(shù)分級Table 3 Index for ecological risk assessment

這里，Cf為污染因子，Ci和 Cn為可遷移部分和穩(wěn)定部分重金屬的分布；

Er是單個(gè)重金屬的潛在生態(tài)指數(shù)；

Tr是單個(gè)重金屬的毒性因子；

RI是潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；

Tr的賦值分別為：Cu=5、Zn=1、Pb=5、Cd=30、Ni=6、As=10；

污染因子 Cf的計(jì)算為前四態(tài)重金屬之和（F1+F2+F3+F4）與第五態(tài)（F5）重金屬的比值（Jamali et al.，2007）。

Cf﹑Er和RI的潛在風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的指數(shù)見表3。

污泥及污泥基生物炭Cf﹑Er，RI決定了重金屬的風(fēng)險(xiǎn)水平，計(jì)算結(jié)果見表4。由表可見，原污泥中Zn和As的Cf為12.96和43.47，表明Zn和As是主要的風(fēng)險(xiǎn)因子。隨著溫度增加，Zn、Cu和As的Cf不斷降低，風(fēng)險(xiǎn)降低。Pb的Cf先增加后降低，風(fēng)險(xiǎn)也是不斷降低。Ni的Cf不斷增加，風(fēng)險(xiǎn)不斷升高。

表4 污泥及污泥基生物炭中重金屬的潛在風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)Table 4 Ecological risk assessment of the heavy metal in sludge and biochar

污泥及污泥基生物炭中Er較高的是As和Cd，可見As和Cd主要風(fēng)險(xiǎn)因子，其中原狀污泥的As的Er為434.67，有著顯著的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。隨著熱解溫度增加，Zn、Cu和As的Er不斷降低，意味著其潛在風(fēng)險(xiǎn)降低。Pb的Cf呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，意味著潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)不斷降低。Ni的Cf卻不斷增加，表明其風(fēng)險(xiǎn)不斷升高。

根據(jù) RI可以判斷，原污泥的重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較高，達(dá)到了489.32，300 ℃熱解之后污泥中重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)降低至93.45。RI值最低的是出現(xiàn)在600 ℃，為61.02，相比于原污泥，風(fēng)險(xiǎn)顯著降低了，此時(shí)的潛生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)為中等水平。污泥制備成污泥基生物炭確實(shí)能有效降低重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。從重金屬風(fēng)險(xiǎn)角度來看，污泥基生物炭制備合適的溫度是600～700 ℃。Devi et al.（2014）研究發(fā)現(xiàn)從重金屬風(fēng)險(xiǎn)考慮，造紙廠污泥熱解合適的溫度是700 ℃。Yuan et al.（2011）研究中發(fā)現(xiàn)污泥液化殘?jiān)兄亟饘俚臐撛谏鷳B(tài)風(fēng)險(xiǎn)會降低。從重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)角度來考慮，污泥生物炭熱解推薦的溫度是在600～700 ℃。趙晶晶等（2012）研究污泥和花生殼制備活性炭時(shí)，活性炭制備的推薦溫度是600 ℃。

3 結(jié)論

污泥和污泥基生物炭中含量最高的重金屬是Cu和Zn。隨著熱解溫度增加，重金屬更多被轉(zhuǎn)化至殘?jiān)鼞B(tài)中。600～700 ℃得到的污泥基生物炭重金屬主要分布在殘?jiān)鼞B(tài)中，除Ni之外。相比于原污泥，污泥生物炭中重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)顯著降低。污泥及污泥基生物炭中重金屬的主要風(fēng)險(xiǎn)因子是As、Cd和Zn。從重金屬環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的角度考慮，污泥生物炭制備的合適溫度在600～700 ℃。

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Investigation of the Speciation of Heavy Metals in Sludge-derived Biochar and Its Potential Ecological Risk

FAN Shisuo1,2, TANG Jie1, CHENG Yan3, WANG Yi1, WANG Zhen1, TANG Jun1, LI Xuede1,2
1. School of Resources and Environment, Anhui Agricultural University, Hefei 230036, China; 2. Hefei Scientific Observing and Experimental Station of Agro-Environment, Ministry of Agriculture, China, Hefei 230036, China; 3. Hefei Municipal Environmental Monitoring Central Station, Hefei 230031, China

Heavy metals are one of the limited factors to the resource utilization of municipal sludge, which can be greatly decreased and solidified by carbonation. In this study, Tessier sequential extraction was used to characterize the speciation of heavy metal in sludge and sludge-derived biochar from different pyrolyzed temperatures (300～700 ℃). Meanwhile, potential ecological risk of sludge-derived biochar was assessed using Hakanson method. The conclusion showed that the highest content of heavy metal in sludge and biochar were Zn and Cu. The order of heavy metal in sludge and sludge-derived biochar was Zn>Cu>Ni>As>Pb>Cd. With the increment of temperature, the speciation of heavy metal was mainly distributed in the residual fraction. When the temperature was 700 ℃, the residue fraction of Cu, Zn, Pb, Cd, Ni and As was 95%, 53%, 71%, 59%, 57% and 58% at 700 ℃, respectively. Heavy metals in sludge-derived biochar were distributed in residual fraction, except Ni. The results of potential ecological risk indicated that the main risk factors were As, Cd and Zn. Compared with raw sludge, the potential ecological risk of sludge-derived biochar obviously decreased. When the pyrolyzed temperature was 700 ℃, the potential ecological risk index decreased from 489.32 (raw sludge) to 73.27. Therefore, from the perspective of heavy metal environmental risk, the recommended temperature range for preparation of sludge-derived biochar was 600～700 ℃.

sludge-derived biochar; heavy metal; speciation; potential ecological risk

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.10.022

X705

A

1674-5906（2015）10-1739-06

范世鎖，湯婕，程燕，王毅，王振，唐俊，李學(xué)德. 污泥基生物炭中重金屬的形態(tài)分布及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)研究[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2015, 24(10): 1739-1744.

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國家水專項(xiàng)（2015ZX07103007）；安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)青年基金項(xiàng)目（2014zr004）；安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)人才引進(jìn)項(xiàng)目（yj2015-23）

范世鎖（1985），男，講師，博士，主要方向?yàn)楣腆w廢物處理與資源化。E-mail: fanshisuo@ahau.edu.cn *通信作者。

2015-07-30