貴州某市城市污泥中磷含量和形態(tài)分布*

趙 君，吳 坤，王 毓，任俊鵬，馬小云，周進康

(貴州師范學院化學與材料學院，貴州 貴陽 550018)

城市污泥是污水處理過程中產(chǎn)生的富含有機質(zhì)、氮、磷等成分的半固體物質(zhì)，隨著我國城市污水處理深度的加深和處理量的增加，城市污泥年產(chǎn)量逐年遞增預計在2020年底污泥產(chǎn)量將突破6000萬噸[1]。與污水處理形成較大反差的是污泥處置的重視程度相對不足、存在“重水輕泥”的現(xiàn)象，為此國家《“十三五”全國城鎮(zhèn)污水處理及再生利用設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》提出進行污泥改造實現(xiàn)無害化、資源化處理[2]。

污泥中可被生物利用的氮、磷等營養(yǎng)元素含量豐富，使得污泥的處理方式從衛(wèi)生填埋轉(zhuǎn)向農(nóng)用或者土壤修復成為可能，這不僅可減少化肥等化學肥料使用，還能真正有效、資源化的實現(xiàn)水體和污泥處理[3-5]。在污泥農(nóng)用或土壤修復時污泥中的磷不可避免會進入水體增加水體富營養(yǎng)化風險，水體富營養(yǎng)化風險與總磷及磷在環(huán)境中的形態(tài)都密切相關(guān)[6]，所以污泥中磷的形態(tài)和含量分析研究不僅是水處理中磷去除的前提，也是污泥可利用可行性及農(nóng)用安全性的考量指標從而為污泥合理處置提供科學的參考。目前國內(nèi)眾多地區(qū)已開展對污泥中磷形態(tài)的研究，貴州地區(qū)污泥的研究主要以重金屬等含量分析為主還未見有關(guān)磷形態(tài)研究的相關(guān)報道[7-9]。本文選取貴州某市城市污泥為對象，利用在沉積物、污泥中得到廣泛認可的STM法對該市污泥磷形態(tài)和生物可利用性進行研究，為污泥科學處置和資源化利用提供一定的參考和借鑒。

1 實 驗

1.1 實驗材料

污泥樣品來自該市污水處理廠脫水污泥共計16個。在脫水污泥出口處運用梅花形布點法收集污泥，污泥混勻后裝入瓶中置于保溫箱中帶回實驗室；樣品經(jīng)自然風干、除雜后運用四分法取樣，磨碎過100目篩，密封置于干燥陰涼處保存待測。

主要儀器：SSM-5000A總有機碳測定儀，島津有限公司；UV-2450紫外分光光度計，島津有限公司；CPA-225D電子天平，賽多利斯科學儀器有限公司；TG16-WS離心機，湖南湘儀儀器有限公司；SX-4-10馬弗爐，天津泰斯特有限公司。

主要試劑：磷標準液(1000 mg/L)，壇墨質(zhì)檢科技有限公司；氫氧化鈉(分析純)，重慶川東化工；鹽酸(分析純)，國藥集團有限公司。

1.2 實驗方法

污泥中磷形態(tài)采用歐洲標準測量組織的SMT方法進行測定，提取步驟如圖1所示[10]。該方法將磷形態(tài)分為五種形態(tài)，其中總磷(TP)由無機磷(IP)和有機磷(OP)兩類組成，無機磷(IP)又包括磷灰石態(tài)(AP)和非磷灰石態(tài)(NAIP)兩種形態(tài)。各形態(tài)磷均是在提取、經(jīng)離心后取上清液，利用抗壞血酸法測定所含正磷酸鹽為該形態(tài)下的磷含量；利用總有機碳測定儀對污泥中的總有機碳進行測定。

圖1 磷形態(tài)分級提取的SMT流程

1.3 質(zhì)量控制

玻璃儀器在實驗前用30%稀鹽酸浸泡12 h后用去離子水沖洗三次，同時設(shè)置樣品空白，確保實驗過程無干擾物污染；每個樣品均設(shè)置3個平行樣品進行平行處理，保證實驗數(shù)據(jù)準確性。

2 結(jié)果與討論

2.1 污泥中磷形態(tài)分布

該市污泥中總有機碳和不同形態(tài)磷的含量如表1所示。由表1可知：不同污水處理廠污泥總有機碳、總磷和磷形態(tài)含量均存在一定差異，但總體屬于低有機質(zhì)、低磷型污泥，其中總有機碳含量在80.78～344.10 mg/g，總磷含量在2.54～10.72 mg/g。因為城市污泥中的磷主要是在城市污水處理過程中被活性污泥吸附而產(chǎn)生的，城市污水中的磷主要與人體排泄物和洗滌劑消費等有關(guān)，因此城市污泥會呈現(xiàn)出明顯的地域性特征[11]。貴州作為經(jīng)濟欠發(fā)達的西部地區(qū)地廣人稀、磷消費量偏低，所以污水中有機質(zhì)、磷等含量低于發(fā)達的東部地區(qū)，污泥中有機質(zhì)、磷含量也相對較低。

污泥中不同形態(tài)磷在TP中所占比例從高到低順序依次為IP>NAIP>AP>OP，其中污泥中IP含量范圍在1.66～9.98 mg/g，占污泥中TP的比例高達65.4%以上，是污泥中磷的主要形態(tài)；NAIP在污泥中含量范圍在0.88～7.11 mg/g，大部分樣品中NAIP含量占IP含量的50.6%以上而AP含量在0.74～3.57 mg/g，在IP中所占比例較低。主要因為在污水處理過程中活性污泥上有機膜將水中的磷吸附在污泥表面，之后在微生物作用下磷酸根與污泥中鈣、鐵結(jié)合形成溶解度更小的磷酸鈣、磷酸鐵，以NAIP、AP的形式穩(wěn)定的存在于污泥中成為污泥中磷的主要組成成分[12]；污泥中OP含量范圍在2.54～10.72 mg/g，在污泥TP中比例最低，不到TP含量的30%，說明該市水體中磷的輸入差異性不大，農(nóng)業(yè)性面源污染輸入較小[13]。

表1 污泥中總有機碳和不同形態(tài)磷含量

2.2 污泥中磷形態(tài)關(guān)系

利用SPSS18.0分析該市污泥中磷形態(tài)含量及總有機碳間的相關(guān)性，結(jié)果如表2所示。由表2可知：在P<0.01水平上污泥中TP與各形態(tài)磷含量均存在顯著的相關(guān)性，其中TP與IP的相關(guān)性最高，其次是TP與NAIP、TP與OP間的相關(guān)性。因為IP在污泥的磷形態(tài)組成中占有絕對優(yōu)勢，而污泥中無定形的鐵、鋁物質(zhì)對NAIP的吸附是污水處理中磷的主要去除方式。在P<0.01水平上IP與NAIP、AP均為極顯著正相關(guān)，因為NAIP、AP是IP的主要組成部分，其含量對IP在污泥中的分布起決定性作用。

總有機碳與磷形態(tài)均呈正顯著相關(guān)，特別是OP的正相關(guān)水平最高，因為有機質(zhì)是OP重要的載體，在污水處理中OP是隨有機質(zhì)的增加而增加[14]。在沉積物等相關(guān)研究中有機質(zhì)與OP關(guān)系密切：污水處理中有機質(zhì)包裹在鐵、鋁、碳酸類礦物質(zhì)表面形成礦化的有機膠體膜，同時有機質(zhì)中的腐殖質(zhì)可與鐵、鋁等形成有機-無機復合體成為磷的吸附點，加強了對磷的吸附作用[15-17]。

生物有效磷是可被植物直接吸收利用的溶解態(tài)正磷酸鹽及在植物生長過程中能被植物分泌物轉(zhuǎn)化易吸收IP的OP，所以可以用NAIP和OP加和來估算污泥、沉積物的生物有效磷的含量[18]。該市污泥樣品中生物有效磷含量范圍在1.75～9.44 mg/g，除13號樣品外所有污泥中生物有效磷含量占總磷TP的64.1%以上，說明該市污泥中的磷大部分可以被生物利用，污泥可作為肥料用于農(nóng)用從而減少化學肥料的使用；污泥中TP與生物有效磷在0.01水平上呈極顯著相關(guān)，說明總磷含量高低可以間接反映生物有效磷的含量，在不具備測定磷形態(tài)的條件下可以通過總磷來粗略估計污泥的潛在生物可利用磷。

表2 污泥中磷形態(tài)和總有機碳間的相關(guān)性矩陣

3 結(jié) 論

通過對貴州某市16座處理廠污泥中磷形態(tài)含量分析，該市污泥中總磷含量為2.54～10.72 mg/g，有機碳含量為80.78～344.10 mg/g，不同處理廠污泥磷形態(tài)含量差異性不大，均屬于低磷、低有機質(zhì)污泥，呈現(xiàn)出明顯的地域特征。IP是污泥中磷的主要賦存形態(tài)在TP中所占比例高達65.4%以上，NAIP在IP中占有優(yōu)勢其含量占到IP含量的50.6%以上。該市污泥的生物可利用性較高，生物有效磷含量占TP的64.1%以上；污泥中TP與生物有效磷及磷的其他形態(tài)在0.01水平上呈極顯著相關(guān)，可以通過總磷對污泥中磷的生物利用性進行預測。