隨著我國污水處理設施建設的快速發展，污泥產生量日益增加，2016年我國城鎮污泥產量已達到4 300萬t（以含水率80％計），污泥處理處置所面臨的問題越來越嚴峻。重金屬是制約污泥土地利用、建材利用的關鍵因素，污泥中重金屬含量與工業企業的廢水排放密切相關，在污水處理過程中70%～90%的重金屬元素通過吸附或沉淀轉移到了污泥中。污水處理廠服務范圍內的工業企業類型、清潔生產水平、廢水預處理工藝、排水體制等存在差異，污泥中重金屬成分和含量也會有所不同。本研究調研了我國重點流域典型的城鎮污水處理廠污泥重金屬含量特征，并分析了重金屬的潛在來源，以期為污泥的資源化利用提供參考。

1.1 調研范圍

本研究調研范圍覆蓋太湖、巢湖、海河、遼河、滇池和三峽庫區及上游等6大流域，包括上海、常州、嘉興、太倉、無錫、合肥、天津、唐山、赤峰、昆明、重慶等11個城市的106座城鎮污水處理廠（見表1），總設計污水處理能力為1 519萬m3/d，實際污水處理能力1 264萬m3/d，污泥年產生量為313萬t（含水率80%），污水處理能力和污泥產量均達到全國總量的10%。

本研究于2014年6月~2015年6月對調研范圍內污水處理廠所產生污泥進行了現場取樣，取樣點位于各廠污泥脫水機房出泥口，取樣次數為1～5次（若進水中工業廢水比例較高，則在不同時間多次取樣，檢測數據取平均值），樣品重量不小于1 kg，大部分污泥樣品送往CMA認證的第三方實驗室檢測，少部分委托高等院校重點實驗室檢測，檢測項目與檢測方法見表2。

2.1 含量特征

2.1.1 累積頻次分布

調研范圍內106座污水處理廠脫水污泥中重金屬含量分布特征曲線見圖1。

（1）鎘。污泥中總鎘含量分布特征曲線見圖1a，總鎘含量平均值為3.3 mg/kg，其中80%置信區間內污泥總鎘含量為0.1～5.2 mg/kg，平均值為1.9 mg/kg?？傛k含量高于3 mg/kg的污泥樣本比例為34%，高于5 mg/kg的污泥樣本比例為11%，高于15 mg/kg和20 mg/kg的污泥樣本比例均為2%。

（2）鉛。污泥中總鉛含量分布特征曲線見圖1b，總鉛含量平均值為69.8 mg/kg，其中80%置信區間內污泥總鉛含量為24～118 mg/kg，平均值為61.8 mg/kg。所有脫水污泥樣品總鉛含量均低于300 mg/kg，可滿足各項泥質標準的要求。

（3）鉻。污泥中總鉻含量分布特征曲線見圖1c，總鉻含量平均值為438.8 mg/kg，其中80%置信區間內污泥總鉻含量為40～569 mg/kg，平均值為209.0 mg/kg?？傘t含量高于500 mg/kg的污泥樣本比例為12%，高于600 mg/kg的污泥樣本比例為9%，高于1 000 mg/kg的污泥樣本比例為7%。此外，個別污泥樣品總鉻含量遠超過了1 000 mg/kg，最大值高達6 107 mg/kg，超標問題較為嚴重。

（4）鎳。污泥中總鎳含量分布特征曲線見圖1d，總鎳含量平均值為97.2 mg/kg，其中80%置信區間內污泥總鎳含量為22～152 mg/kg，平均值為83.9 mg/kg?？傛嚭扛哂?00 mg/kg的污泥樣本比例為16%，高于200 mg/kg的污泥樣本比例為9%，個別污泥總鎳含量遠超過了200 mg/kg，最大值高達1 080 mg/kg。

（5）鋅。污泥中總鋅含量分布特征曲線見圖1e，總鋅含量平均值為2 557.8 mg/kg，其中80%置信區間內污泥總鋅含量為358～3 848 mg/kg，平均值為1 182.6 mg/kg?？備\含量高于1 500 mg/kg的污泥樣本比例為25%，高于2 000 mg/kg的污泥樣本比例為24%，高于3 000 mg/kg的污泥樣本比例均為14%，高于4 000 mg/kg的污泥樣本比例均為9%，個別污泥樣品總鋅含量遠超過了4 000 mg/kg，最大值高達10 071 mg/kg，超標問題尤其嚴重。

（6）銅。污泥中總銅含量分布特征曲線見圖1f，總銅含量平均值為614.9 mg/kg，其中80%置信區間內污泥總銅含量為87～1 362 mg/kg，平均值為402.1 mg/kg?？傘~含量高于500 mg/kg的污泥樣本比例為29%，高于800 mg/kg的污泥樣本比例為20%，高于1 500 mg/kg的污泥樣本比例為10%。

（7）汞。污泥中總汞含量分布特征曲線見圖1g，總汞含量平均值為2.4 mg/kg，其中80%置信區間內污泥總汞含量為0.2～5.2 mg/kg，平均值為2 mg/kg?？偣扛哂? mg/kg的污泥樣本比例為26%，高于5 mg/kg的污泥樣本比例為14%，所有污泥樣品總汞含量均低于15 mg/kg。

（8）砷。污泥中總砷含量分布特征曲線見圖1h，總砷含量平均值為19.2 mg/kg，其中80%置信區間內污泥總砷含量為4.9～33 mg/kg，平均值為15.8 mg/kg?？偵楹扛哂?0 mg/kg的污泥樣本比例為14%，高于75 mg/kg的污泥樣本比例為2%。

2.1.2 統計分析

對調研范圍內106座污水處理廠各項重金屬指標的最大值、最小值、中值、平均值以及標準差進行了統計分析（見表3），中值遠小于平均值，表明不同來源污泥重金屬含量差異較大，平均值受少部分較大數據影響顯著。不同類型重金屬在污泥中的含量存在顯著差異，按照平均值大小排序依次為：總鋅＞總銅＞總鉻＞總鎳＞總鉛＞總砷＞總鎘＞總汞。

我國城市污泥和耕地土壤中各項重金屬指標含量比較分析結果見表4。耕地土壤中各項重金屬按照含量平均值大小排序依次為：鋅＞鉻＞鉛＞銅＞鎳＞砷＞鎘＞汞，其中鋅、砷、鎘、汞含量順序與污泥相一致。耕地土壤中鎘、汞、鎳含量平均值與土壤環境質量標準（二級）中規定的限值接近，其他指標平均值遠小于二級標準限值，尚存在較大的環境容量。城市污泥中各項重金屬的含量是耕地土壤的2～20倍，除鉛含量能滿足土壤環境質量標準（二級）要求外，其余重金屬均超出了標準限值，因此土地利用時應對污泥施用量和施用期限進行嚴格控制。

2.2 超標風險

各項重金屬超標頻率分析結果見表5。調研范圍內污水處理廠脫水污泥中總鉻、總鎳、總鋅、總銅超過各項標準的頻率整體較高，總鎘和總汞超過農用（A級）和土地改良/園林綠化（酸性土壤）標準限值的頻率較高，總砷超標頻率相對較低，調研尚未發現總鉛超標現象。

重金屬的生物毒性不僅與其總量有關，更大程度上由其形態分布所決定。重金屬形態可分為酸可提取態、可還原態、可氧化態和殘余態。酸可提取態重金屬最易釋放；可還原態一般吸附在鐵錳氧化物上，在還原條件下較易釋放；可氧化態主要與有機物和硫化物相結合，被氧化時有溶出風險；殘余態為非有效態，在自然條件下不易釋放。鄭翔翔等研究發現，Pb幾乎全部分布在殘余態；Cd主要分布在殘余態，但其酸可提取態占有一定的比例；Cu和Cr主要以可氧化態和殘余態形式存在；Ni和Zn的殘余態含量較低，酸可提取態比例都超過30%。我國污泥中總鉻、總鎳、總鋅、總銅超標頻率較高，其中Cu和Cr存在形式主要為可氧化態和殘余態，在正常環境下相對比較穩定，但當環境條件變化時需關注其釋放風險；Ni和Zn有較大的釋放潛力和生物有效性，在土地利用過程中需要持續跟蹤關注。此外，總鎘在部分污泥中也存在超標現象，需注意其酸性條件下的釋放。

2.3 變化趨勢

楊軍等于2006年從全國范圍內采集不同城市107個污泥樣品進行了重金屬含量檢測，表6對楊軍等所得數據與本研究數據進行了比較分析。除了鉻和銅外，其余各項重金屬本次調研的含量均低于2006年。雖然調研范圍存在差異，但仍然可以看出我國污水處理廠污泥重金屬含量呈現出顯著的降低趨勢，其原因可能包括：①清潔生產水平不斷提高，含重金屬的生產原料逐漸被取締或者替代，從源頭減少了重金屬排放；②重污染行業產業結構調整，隨著一些重污染企業如電鍍、有色金屬加工行業的轉型或搬遷，含重金屬工業廢水排放量逐漸減少；③工業廢水治理水平逐漸提高，隨著環境污染管理制度和法規的完善與實施，對含重金屬工業廢水的治理力度和技術水平也顯著提高，達標排放率不斷提高。

3.1 重金屬超標原因分析

本研究發現污泥中超標頻次或超標倍數較高的重金屬主要為鉻、鎳、鋅、銅、鎘、砷等，存在污泥重金屬超標現象的污水處理廠進水中均含有一定比例的工業廢水，所涉及的企業所屬行業主要包括：機械加工、電鍍、冶金、制革、印染、涂料生產、農藥生產等行業。污泥中的污染物來自于污水，因此本研究對上述行業廢水排放特點與所含重金屬種類分析，結果見表7。

基于不同行業廢水排放特點，對污泥中重金屬超標的原因進行了分析（見表8），機械加工、電鍍、印染、制革、電池加工等行業工業廢水中可能含有鉻、鎳、鋅、銅等重金屬，廢水排放之前通常在廠內采用化學沉淀法進行預處理，但不同行業、不同企業、不同類型廢水的重金屬去除效率差異較大，排入城市下水道的廢水中仍然可能含有重金屬，最終富集轉移至污泥中，是城市污水處理廠污泥重金屬超標的重要原因之一。

此外，本研究還發現由工業廢酸和廢棄金屬制備的劣質混凝劑在工業廢水混凝沉淀處理以及污泥脫水中應用較為普遍。例如，印染、制革等行業產生的廢水中懸浮物含量很高，為滿足行業標準《污水排入城鎮下水道水質標準》（CJ 343-2010）的要求，通常需要在廠內進行預處理，部分企業所用的三氯化鐵混凝劑為工業廢酸與廢棄合金鋼、鐵屑等制備而成，原料合金鋼中含有鉻、鎳、銅、鋁、錳等元素，或者鍍有鉻、鎳、鋅等元素，導致所產生的三氯化鐵溶液中重金屬含量較高，進而造成廢水或者污泥中重金屬含量超標。

3.2 重金屬來源分析

在污水處理過程中，污水中70%～90%的重金屬元素通過吸附或者沉淀轉移到了污泥中，城市污水處理廠污泥中重金屬含量與服務范圍內工業企業的廢水排放密切相關。本研究結合實際調研與文獻研究結果對含重金屬廢水的主要來源行業進行了分析，見表9。采礦、冶金和電鍍行業是含重金屬廢水的主要來源，礦石中除含有目標組分和脈石外，還含有大量其他伴生重金屬元素，采礦和冶煉過程中重金屬通過酸洗、煙氣洗滌等環節進入廢水中；電鍍廢水中重金屬種類與電鍍類型有關，可能含有鉻、鎘、鎳、銅、鋅等重金屬離子。此外，染料、催化劑、制革、蓄電池、農藥、機械加工等行業也會產生含重金屬廢水，重金屬類型因生產工藝、清潔生產水平、廢水處理技術等的不同而存在較大差異。

（1）污泥中不同重金屬按照含量平均值大小排序依次為：鋅＞銅＞鉻＞鎳＞鉛＞砷＞鎘＞汞，其中鉻、鎳、鋅、銅含量超過各項泥質標準限值的頻率較高，鎘和汞超過農用（A級）和土地改良/園林綠化（酸性土壤）標準限值的頻率較高，砷超標頻率相對較低，所有樣品中鉛含量均滿足標準要求。

（2）采礦、冶金和電鍍行業是含重金屬廢水的主要來源，染料、制革、催化劑、電池、農藥、機械加工等行業也會產生含重金屬廢水；此外，由工業廢酸和廢棄金屬制備的混凝劑在工業廢水預處理以及污泥脫水中應用較為普遍，是污泥中重金屬的重要來源之一。