随着社会经济和城市化的发展，人们环保意识的不断提高，我国污水处理行业迅速发展，而建设城市污水处理厂可有效减少废水向环境中的排放.截至到2013年6月底，全国设市城市、县累计建成城镇污水处理厂3479座，污水处理能力达到1.46亿 m³ · d^-1(中华人民共和国住房和城乡建设部，2013).然而，我国污水处理厂的建设通常只注重出水水质是否达标，缺乏对污水处理厂的副产物污泥的处理和处置，这将造成部分污泥随意倾倒、任意堆放和过度土地利用，给环境带来二次污染；同时，城市污泥长期暴露于环境中，还会威胁到人体健康(Mantovi et al., 2005；Dai et al., 2006；Perez-murcialet al., 2006).

目前，国内外城市污泥的处理处置方法主要有填埋、焚烧和土地利用.大多数发达国家的污泥处置以污泥农用和陆地填埋为主；我国城市污泥处置中填埋占63.1%，外运占14.4%，污泥农用占13.5%，露天堆放占1.8%，焚烧占1.8%(胡佳佳等，2009；李季等，2003).污泥填埋不仅需要投入较高的运输成本、管理费，而且需要占用大量的土地；而污泥焚烧、干化成本较高；露天堆放和外运运输成本高，且容易造成环境污染.因此，选择适宜的污泥处置方式，需要综合考虑当地的经济技术水平、环境条件、污泥性质、污泥产生量及相关产业发展情况.污泥土地利用可以提高土壤有机质含量，改善土壤物理性状并提供植物需要的养分，但城市污泥中重金属含量是限制其土地利用的重要因素之一.因此，本文根据国内外文献的报道，系统地分析和总结2006—2013年来我国城市污泥重金属含量区域分布特征及变化趋势，以期为城市污泥的合理处置利用提供科学依据.

本研究系统地收集和整理了我国57个城市88座城市污水处理厂脱水污泥中重金属Cu、Pb、Zn、Cd、Hg、As、Cr和Ni的含量，数据来源于国内外公开发表的文献和硕、博士论文(2006—2013年)，包括CNKI 数据库和Science direct数据库等，共46篇参考文献.数据筛选原则为：①重金属测定过程有严格的质量保证和质量控制(QA/QC)程序，如平行样、空白样和标准物质等，回收率符合测定标准；②对收集的数据进行整理，不同研究中同一污水处理厂污泥重金属含量采用算术均值表示；③如果数据服从正态分布，则采用算术均值代表其平均含量；如果数据服从对数正态分布，则采用几何平均值.本研究中区域按照常中国七大地理分区划分为东北、西北、华北、华东、华中、华南和西南.

表1(Table 1)

表1 公开发表的文献分类表 Table 1 Classification table of literatures published

表1 公开发表的文献分类表 Table 1 Classification table of literatures published 文献类型 刊名或出处 数量/篇 期刊 环境科学学报 5   农业环境科学学报 5   中国给水排水 4   环境科学 2   中山大学学报 1   中国环境科学 1   生态学杂志 1   中国海洋大学学报 1   环境化学 1   Environment Monitor and Assessment 1   Journal of Hazardous Materials 3   Chemophere 2   Pedosphere 1 小计   28 硕士学位论文 中国农业科学院 1   华中科技大学 1   南京农业大学 1   北京林业大学 1   河北农业大学 1   新疆大学 1   河南大学 1   湖南大学 1   河海大学 1   山东大学 1   安徽理工大学 1   山西大学 1   西南农业大学 1   浙江大学 1 小计   14 博士论文 浙江大学 2   华东师范大学 1   西北农林科技大学 1 小计   4 总计   46

数据的正态分布检验采用Origin 8.0中Kolmogorov-Smirnov法(K-S法)，数据统计分析采用SPSS11.5完成，绘图使用Sigma plot 10.5完成.

近年来，中国城市污泥重金属含量统计结果见表 2.从表 2中可看出，城市污泥重金属Cu、Pb、Zn、Cd、Hg、As、Cr和Ni含量经对数转化后呈正态分布(p_k-s>0.05)，几何均值能更好地代表中国城市污泥重金属含量.城市污泥重金属Cu、Pb、Zn、Cd、Hg、As、Cr和Ni含量几何均值分别为182.5、65.3、729.6、2.1、1.4、11.5、97.5和44.9 mg · kg^-1.重金属Cu、Pb、Zn、Cd、Hg、As、Cr和Ni含量的变化范围分别为55.7~2867.4、9.3~370.0、42.1~3568.3、0.4~39.9、0.1~15.8、0.9~61.8、10.6~639.0和13.1~495.3 mg · kg^-1，由此可见，城市污泥重金属的变化范围较大，数据离散程度较大，变异系数较大，其中，Cu、Hg、Cd和Ni的变异系数较大，达到100%以上；Pb、Zn、As和Cr的变异系数在50%~100%之间.

表2(Table 2)

表2 中国城市污泥重金属含量特征(2006—2013年) Table 2 Concentrations of heavy metals in sewage sludge of China(2006—2013)

表2 中国城市污泥重金属含量特征(2006—2013年) Table 2 Concentrations of heavy metals in sewage sludge of China(2006—2013) 重金属 N 含量范围/ (mg · kg-1) 污泥重金属含量/(mg · kg-1) 变异系数 国家标准(pH≥6.5)/ (mg · kg-1) 超标率 国家标准(pH<6.5)/ (mg · kg-1) 超标率 算术 几何 M SD pk-s GM GSD pk-s 注：M为算数平均值，SD为算数标准差，GM为几何平均值，GSD为几何标准差. Cu 84 55.7~2867.4 283.5 417.8 0.00 182.5 2.2 0.05 147.4% 1500 2.3% 800 7.1% Pb 78 9.3~370.0 78.0 54.8 0.00 65.3 1.8 0.59 70.2% 1000 0 300 1.3% Zn 84 42.1~3568.3 925.7 739.5 0.00 729.6 2.0 0.77 79.9% 3000 5.9% 2000 10.3% Cd 73 0.4~39.9 5.8 7.1 0.00 2.1 1.8 0.43 122.9% 20 5.5% 5 27.4% Hg 35 0.1~15.8 2.8 3.8 0.00 1.4 2.4 0.35 105.6% 15 2.9% 5 20.0% As 42 0.9~61.8 15.7 11.7 0.04 11.5 2.5 0.26 74.7% 75 0 75 0 Cr 64 10.6~639.0 136.9 126.9 0.01 97.5 2.3 0.39 92.7% 1000 0 600 1.6% Ni 58 13.1~495.3 63.6 79.2 0.00 44.9 2.1 0.56 124.5% 200 3.5% 100 12.1%

与我国《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918—2002)(国家环境保护局，2002)规定的污泥农用污染物控制标准限值相比(表 2)，城市污泥几何均值均未超过污泥农用时中碱性土壤(pH≥6.5)的控制标准限值及酸性土壤(pH<6.5)的控制标准限值.与中碱性土壤(pH≥6.5)的控制限值相比，城市污泥中除Pb、As和Cr没有超标外，其他重金属Cu、Zn、Cd、Hg和Ni均有超标现象，超标率分别为2.3%、5.9%、5.5%、2.9%和3.5%，超标率最高的重金属为Cd，其次是Zn、Ni和Hg，超标率最小的为Cu.与酸性土壤(pH<6.5)的控制限值相比，城市污泥As未超标，Cd的超标率最高，为27.4%，其次是Hg、Ni、Zn、Cu和Cr，超标率分别为20.0%、12.1%、10.3%、7.1%和1.6%，Pb的超标率最小，为1.3%.因此，在碱性土地利用中应该优先关注Cd、Ni和Hg，在酸性土地利用中除关注Cd、Ni和Hg外，还应该注意Cr的问题.Cu和Zn作为人体有益元素，在新修订的《食品中污染物限量》(GB2762—2012)(卫生部，2012)中已取消了Cu和Zn的限值；再者，我国城市污泥Cu和Zn含量较国外含量低(陈同斌等，2003)，因此，污泥土地利用过程中Cu和Zn的风险相对较低.

城市污泥的组成与污水的来源、处理工艺、居民的生活水平和饮食结构有关.同时，不同区域城市污泥重金属含量存在一定差异(表 3).从表 3可以看出，不同区域城市污泥Cu含量大小依次为：华南>华东>华中>华北>西北>西南>东北；Pb含量大小依次为：华中>华东>西北>华南>西南>华北>东北；Zn含量大小依次为：华东>华南>华北>西南>东北>西南>华中；Cd含量大小依次为：华南>西南>华中>华东>西北>华北>东北；Hg含量大小依次为：华北>东北>华中>西南>华南>华东；As含量大小依次为：华南>东北>华北>华东>华中>西南；Cr含量大小依次为：华东>华中>西南>东北>华南>华北；Ni含量大小依次为：华中>华南>华东>华北>西南>东北>西北.从整体来看，Hg含量从北到南呈递减趋势，主要原因与北方地区燃煤取暖有关；华东地区城市污泥Zn和Cr含量最高；华中地区城市污泥中Pb和Ni含量最高；Cd含量最高的地区出现在华南地区，其次是西南和华中地区；华南地区As含量最高，其他区域则呈现由北向南降低的趋势；东北地区Cu、Pb和Cd含量最低.由此可看出，城市污泥重金属Cu、Pb、Zn、Cd、Cr和Ni在南方地区较北方地区含量高，这可能与这些地区工业密集程度高、有色金属矿区分布集中及人类活动开发程度高等有关；而As和Hg含量则在北方地区含量较高，这可能与北方地区燃煤取暖有关.

表3(Table 3)

表3 不同地区城市污泥重金属含量 Table 3 Concentrations of heavy metals in sewage sludge in different regions of China

表3 不同地区城市污泥重金属含量 Table 3 Concentrations of heavy metals in sewage sludge in different regions of China 区域 元素 N 算术均值/(mg · kg-1) 标准差/(mg · kg-1) 几何均值/(mg · kg-1) 几何标准差/(mg · kg-1) 超标率 pH≥6.5 pH<6.5 华东地区 Cu 23 472.3 690.0 267.5 2.6 13.0% 13.0%   Pb 23 90.6 74.6 73.4 1.9 0 4.3%   Zn 23 1529.8 1027.6 1190.6 2.2 17.4% 30.4%   Cd 23 5.9 9.2 3.1 2.9 8.7% 21.7%   Hg 4 1.3 0.5 1.2 1.6 0 0   As 10 18.6 16.6 12.8 2.9 0 0   Cr 18 199.3 163.4 138.0 2.6 0 5.6%   Ni 17 93.3 131.1 53.1 2.7 11.8% 23.5% 华南地区 Cu 9 376.9 341.7 271.5 2.6 0 22.2%   Pb 9 79.9 39.8 67.5 1.9 0 0   Zn 9 780.5 289.5 737.6 1.4 0 0   Cd 6 8.2 8.8 5.1 2.9 0 0   Hg 3 1.6 0.2 1.6 1.1 0 0   As 4 25.8 6.1 25.3 1.3 0 0   Cr 8 121.3 109.1 84.0 2.6 0 0   Ni 6 61.6 19.1 58.2 1.5 0 0 华中地区 Cu 5 332.7 311.9 221.9 2.8 0 0   Pb 6 81.0 17.9 79.4 1.3 0 0   Zn 5 405.2 43.7 403.3 1.1 0 100.0%   Cd 8 7.1 6.1 3.3 5.1 0 62.5%   Hg 3 1.9 0.1 1.9 1.1 0 0   As 3 10. 2.5 9.9 1.3 0 0   Cr 4 134.5 37.6 130.9 1.3 0 0   Ni 3 159.7 26.1 158.2 1.2 0 66.7% 华北地区 Cu 11 202.6 129.5 179.0 1.6 0 0   Pb 11 60.5 20.8 57.3 1.4 0 0   Zn 11 721.2 287.1 655.8 1.6 0 0   Cd 7 2.4 0.9 2.2 1.6 0 0   Hg 7 10.5 2.7 10.3 1.3 9.1% 100.0%   As 7 14.9 3.0 14.6 1.2 0 0   Cr 11 68.1 53.4 55.4 1.9 0 0   Ni 11 53.9 42.4 44.1 1.9 0 9.1% 西北地区 Cu 4 193.6 159.6 158.2 1.9 0 0   Pb 4 101.9 109.2 72.1 2.4 0 0   Zn 4 551.7 373.7 475.6 1.8 0 0   Cd 4 3.7 4.0 2.5 2.8 0 25.0%   Hg 0 0 0   As 0 0 0   Cr 1 186.5 0 0   Ni 5 37.7 43.1 26.1 2.4 0 0 西南地区 Cu 21 136.5 63.5 124.8 1.5 0 0   Pb 21 74.6 43.1 64.6 1.7 0 0   Zn 21 796.8 600.8 639.1 2.2 4.8% 4.8%   Cd 21 6.6 6.7 4.5 2.3 14.3% 28.6%   Hg 15 1.9 0.8 1.7 1.7 0 0   As 15 12.4 12.5 7.4 2.9 0 0   Cr 11 139.4 149.7 102.1 2.1 0 0   Ni 11 45.2 17.4 42.1 1.5 0 0 东北地区 Cu 11 184.2 280.4 120.2 2.1 0 9.1%   Pb 4 39.3 23.0 31.9 2.3 0 0   Zn 11 604.8 240.1 569.1 1.4 0 0   Cd 4 2.3 1.8 1.6 2.8 0 0   Hg 3 2.6 1.1 2.4 1.6 0 0   As 3 16.7 3.5 16.4 1.2 0 0   Cr 11 108.4 91.8 87.6 1.9 0 0   Ni 7 31.5 5.3 31.1 1.2 0 0

与我国《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918—2002)(国家环境保护局，2002)规定的中碱性土壤污泥农用污染物控制标准限值(pH≥6.5)相比，华南、华中、西北和东北地区城市污泥各种重金属均未超标，华北地区城市污泥Hg超标率为9.1%，西南地区Zn和Cd分别超标4.8%和14.3%，华东地区Cu、Zn、Cd和Ni的超标率分别为13.0%、17.4%、8.7%和11.8%.与酸性土壤污泥农用污染物控制标准限值(pH<6.5)相比，华东地区除Hg和As未超标外，其他重金属均有超标，Cu、Pb、Zn、Cd、Cr和Ni分别超标13.0%、4.3%、30.4%、21.7%、5.6%和23.5%，华南地区Cu的超标率为22.2%，华中地区Cd和Ni分别超标62.5%和66.7%，华北地区Hg和Ni的超标率分别为100.0%和9.1%，西北地区Cd的超标率为25.0%，西南地区Zn和Cd分别超标4.8%和28.6%.

城市污泥重金属含量主要受污水来源、污水组成、污水处理工艺及污泥处理技术等多种因素的影响，也与城市地理位置、城市性质和工业布局等有关.据报道，污水处理过程中有70%~90%的重金属通过吸附或沉淀转移到污泥中(李季等，2003).利用主成分分析可以辨析城市污泥中重金属的富集和来源.主成分分析是在一组变量中找出方差和协方差矩阵的特征量，将多个变量通过降维转化为少数几个综合变量的统计分析方法(Aelion et al., 2008).通过主成分分析选取3个主成分(表 4)，这3个主成分对各变量方差的贡献率分别是28.9%，22.3%和13.8%，其所含信息占总体信息的64.8%，足以解释原始信息.

表4(Table 4)

表4 主成分分析结果 Table 4 Results of principle component analysis

表4 主成分分析结果 Table 4 Results of principle component analysis 因子 提取出的公因子方差贡献 提取出的公因子经旋转后的方差贡献 特征根 贡献率 累积贡献率 特征根 贡献率 累积贡献率 1 2.6 32.7% 32.7% 2.3 28.9% 28.9% 2 1.5 18.5% 51.2% 1.8 22.1% 51.0% 3 1.1 13.7% 68.8% 1.1 13.8% 64.8%

从表 5可看出：第一主成分主要是由Cu、Pb、Zn和Hg组成的信息量，这些元素在第一主成分上有较高的载荷，说明第一主成分反映的是Cu、Pb、Zn和Hg的富集信息；第二主成分主要反映了Cd、Cr和Ni的富集信息；第三主成分主要反映了As的富集信息.

表5(Table 5)

表5 提取主成分负荷量 Table 5 Loading of the first three principal components

表5 提取主成分负荷量 Table 5 Loading of the first three principal components 重金属 原始矩阵载荷 转化后矩阵载荷 因子1 因子2 因子3 因子1 因子2 因子3 Cu 0.8 -0.2 -0.2 0.8 0.3 -0.2 Pb 0.3 -0.7 0.1 0.7 -0.4 0.1 Zn 0.7 -0.4 0.1 0.8 0.03 0.1 Cd 0.6 0.4 -0.4 0.3 0.7 -0.3 Hg 0.7 -0.1 0.01 0.6 0.3 0.05 As 0.1 0.2 0.9 0.1 0.1 0.9 Cr 0.6 0.4 0.2 0.3 0.6 0.2 Ni 0.3 0.7 0.1 -0.1 0.7 0.1

第一成分Pb和Zn主要来源于自来水管道，主要原因是我国的给水管道使用的是镀锌管道和PVC管路(含铅盐稳定剂)；另外，Pb、Cu和Zn还可能来源于汽车清洗废水，也与汽车尾气排放或汽车零部件释放污染物形成的城市径流有关；城市污水处理厂Hg则更多地来源于牙科材料废水(Sorme et al., 2002)，另外，污水中的Hg可能还来源于电子、氯碱和塑料等行业.第二主成分Cd、Cr和Ni主要源于工业废水，城市污水处理厂有部分会接纳工业废水，从而导致城市污泥中重金属含量较高，如Cd、Cr和Ni通常在电池、电子、印染和电镀等工业部门广泛应用；另外，有报道发现，Ni可能与饮用水和污水厂使用的化学试剂有关(Sorme et al., 2002).第三主成分As主要来自一些特殊的行业，如As源于含砷木材防腐剂(铬化砷酸铜)及含As洗涤剂.据统计，2012年我国生产约2.5×10⁴ t三氧化二砷，其中，大部分用来生产木材防腐剂(USEPA，2012).普通家用清洁剂As含量为3.6 ×10^-2 mg · kg^-1，洁厕剂等清洁剂中As含量高达1.8 mg · kg^-1(柴明青等，2012).

将本研究收集的重金属统计值与杨军等(2009)分析的数据进行比较，从表 6中可知：本研究中重金属Cu、Pb、Zn、Cd、Hg、As、Cr和Ni含量均呈下降趋势，As和Zn的下降幅度较大，降幅分别为41.8%和40.9%，其次是Hg、Cu、Ni、Pb和Cd，降幅分别为29.8%、29.0%、23.6%、16.5%和9.0%，Cr的降幅最低，下降幅度为5.3%.2000年起我国禁止使用镀锌管，且供水管路PVC中禁止使用含铅稳定剂，这可能使得污泥中Pb和Zn含量降低.另外，在2000年，我国全面禁止使用含铅汽油，这使得汽车尾气排放的Pb含量降低，从而降低了雨水冲刷进入污水处理厂的Pb含量.

表6(Table 6)

表6 城市污泥重金属含量变化趋势 Table 6 Comparison of heavy metal concentrations in sewage sludge between 2006 and 2013

表6 城市污泥重金属含量变化趋势 Table 6 Comparison of heavy metal concentrations in sewage sludge between 2006 and 2013 重金属 2006年(杨军，2009) 本研究 变化趋势 N 范围/(mg · kg-1) 平均值/(mg · kg-1) 超标率(pH≥6.5) N 范围/(mg · kg-1) 平均值/(mg · kg-1) 超标率(pH≥6.5) 算数 几何 算数 几何 Cu 98 51.0~9592 499 257 6.5% 55.7~2867.4 84 283.5 182.5 2.3% 29.0%() Pb 98 3.6~1022 112 78.2 1.0% 9.3~370.0 78 78.0 65.3 0 16.5%() Zn 98 217~30098 2089 1235 11.2% 42.1~3568.3 84 925.7 729.6 5.9% 40.9%() Cd 98 0.04~999 18.2 2.3 6.5% 0.4~39.9 73 5.8 2.1 5.5% 9.0%() Hg 98 0.04~17.5 3.18 1.9 1.0% 0.1~15.8 35 2.8 1.4 2.9% 29.8%() As 98 0.78~269 25.2 19.7 1.0% 0.9~61.8 42 15.7 11.5 0 41.8%() Cr 98 20.0~6365 259 103 3.8% 10.6~639.0 64 136.9 97.5 0 5.3%() Ni 98 16.4~6206 167 58.8 6.5% 13.1~495.3 58 63.6 44.9 3.5% 23.6%()

从不同时段的超标率来看，本研究中Hg的超标率高于2006年，其他重金属的超标率均低于2006年，说明虽然整体上城市污泥Hg含量呈下降趋势，但个别污水处理厂污泥仍然存在超标现象，需要在污泥处理处置过程中优先关注.因此，长期来看，城市污泥重金属含量呈下降趋势，但从超标率来看，城市污泥处理处置中仍应该优先关注Cd、Hg和Ni的污染，这与张丽丽等(2013)的研究结果一致.

1)2006—2013年我国城市污泥重金属Cu、Pb、Zn、Cd、Hg、As、Cr和Ni的几何均值分别为182.5、65.3、729.6、2.1、1.4、11.5、97.5和44.9 mg · kg^-1，其含量大小依次为Zn>Cu>Cr>Pb>Ni>As>Cd>Hg.

2)城市污泥重金属Cu、Pb、Zn、Cd、Cr和Ni在南方地区较北方地区含量高，这可能与这些地区工业密集程度高、有色金属矿区分布集中及人类活动开发程度高等有关；而As和Hg则在北方地区含量较高，这可能与北方地区燃煤取暖有关.

3)与2006年城市污泥重金属含量相比，本研究城市污泥重金属Cu、Pb、Zn、Cd、Hg、As、Cr和Ni含量均呈下降趋势，降幅分别为29.0%、16.5%、40.9%、9.0%、29.8%、41.8%、5.3%和23.6%，降幅最大的是As，其次是Zn、Hg、Cu、Ni、Pb和Cd，Cr的降幅最小.但从超标率来看，2013年Hg的超标率大于2006年，我国城市污泥处理处置中仍应该优先关注Cd、Hg和Ni的污染.