全 文 ：城市污泥和土壤中苯并( a)芘的初步研究*
蔡全英 莫测辉* * 吴启堂 李桂荣 (华南农业大学资源环境学院, 广州 510642)
王伯光 田 凯 李 拓 (广州市环境保护科学研究所,广州 510620)
摘要 应用 GC/MS 技术对我国 11 个城市污泥和 4 种土壤中的苯并( a)芘进行研究,探讨苯并( a)芘在城市污
泥和土壤中的含量和分布特征. 结果表明, 城市污泥中苯并( a)芘的含量在 0. 007~ 6. 578mg!kg- 1之间, 平均为
1. 272mg!kg- 1, 绝大部分低于 1. 0mg!kg- 1 ,但在珠海和北京污泥中超过我国农用污泥的控制标准. 褐土、水稻
土和石灰性土中苯并( a)芘的含量分别为 2. 138、0. 782 和 0. 664mg!kg- 1, 在赤红壤中未检出.城市污泥中苯并
( a)芘含量与污水来源、污水处理方式和污泥类型等因素有关,土壤中苯并( a)芘含量与母质、大气污染、污水灌
溉、污泥农用等因素有关.
关键词 苯并( a)芘 城市污泥 土壤 有机污染物
文章编号 1001- 9332( 2001) 05- 0769- 04 中图分类号 X131 3 文献标识码 A
A preliminary study on benzo( a) pyrene in selected municipal sludges and soils. CAI Quanying, MO Cehui, WU Qi
tang and L I Guirong ( College of Resour ces and Envir onment , South China Agr icultural Univ er sity , Guangz hou
510642) , WANG Boguang , T IAN Kai, and L I Tuo ( Guangzhou Institute of Environmental Science, Guangz hou
510620) . Chin . J . A pp l . Ecol . , 2001, 12( 5) : 769~ 772.
Benzo( a) pyrene in municipal sludges and four types of soils from eleven selected cities in China were determined by
GCMS. The r esults showed that t he contents of benzo( a) pyrene in sludges ranged from 0. 007 to 6. 578mg!kg- 1 and
averaged 1. 272mg!kg- 1. Most of t hem w ere low er than 1. 0mg!kg- 1 , and only two of them were higher than 3. 0mg
!kg- 1 , w hich was a limit value of benzo( a) pyrene in sludge applied to agricultural land in China. On the ot her hand,
the contents of benzo( a) pyr ene in cinnamon soil, paddy soil, calcareous soil, and latosolic red so il were 2. 138mg!kg- 1 ,
0 782mg!kg- 1 , 0. 664mg!kg- 1, and under detection limit respect ively. The content of benzo ( a ) pyr ene in different
municipal sludge was mainly r elated to sources of wastew ater, wastewatertreating methods, sludge types, while in
soils, it was mainly to parent, air po llut ion, wastewater irr igation, and sewage sludge application.
Key words Benzo( a) pyrene, Municipal sludge, Soil, Org anic pollutants.
* 国家自然科学基金 ( 39870435 )、广东省自然科学基金项目
( 970011)、广东省环保局科技研究开发项目(粤环 199716)、广州市科委
重点攻关项目和广州市环保局科技项目.
* * 通讯联系人.
2001- 02- 09收稿, 2001- 05- 16接受.
1 引 言
城市污泥(简称污泥)是城市污水处理厂在污水净
化处理过程中产生的沉积物,是亟待解决的城市固体
废物. 目前, 污泥的处置方式主要有填埋、焚烧和农业
利用等.其中,农用资源化是城市污泥最为可行的处置
方法,有利于城市和农业的可持续发展[ 16] . 英、美、法
等许多国家城市污泥的农用率在 60%左右, 有的高达
80%以上. 但我国城市污泥的农用率还很低 (不足
10% ) ,主要是因为其中污染物含量普遍较高,也与其
中污染物的研究程度较低而导致认识上的偏见有关.
长期以来,关于农用城市污泥和土壤中的重金属污染
问题,国内外都已进行了较多研究,并制定了有关的控
制标准,但对于有机污染物的研究却甚为薄弱. 苯并
( a)芘是一种强致癌性的多环芳烃化合物( PAHs) , 属
于美国国家环保局( U . S. EPA)的∀优控污染物#.在我
国农用城市污泥的污染物控制标准中, 苯并( a)芘是唯
一的有机污染物(有机氯农药除外) .它在水体、城市污
泥、土壤和植物中广泛存在[ 9, 10, 14, 16, 19~ 21] , 与其它
PAHs含量也有一定相关性[ 21] .为此, 本文对我国内地
和香港共 11个城市污泥和 4种土壤中的苯并( a)芘进
行了分析.
2 材料与方法
21 样品采集
城市污泥样品分别采自广州、北京和香港等地的有关污水
处理厂,其具体来源见表 1. 4 种理化性质不同的土壤及其来源
分别为: 1)华南坡地赤红壤, 采自华南农业大学校园内未耕作
坡地; 2)珠江三角洲冲积平原水稻土, 采自华南农业大学农场
水稻田; 3)石灰性土, 采自桂林市郊坡地; 4)褐土, 采自北京市
郊农田.样品采集后置于室内风干,粉碎过 2mm 铜筛后于 4 ∃
保存备测.
应 用 生 态 学 报 2001 年 10 月 第 12 卷 第 5 期
CH INESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY , Oct. 2001, 12( 5)%769~ 772
表 1 不同城市污泥的来源
Table 1 Sources of varied municipal sludges
污泥名称
Sludge
names
生活污水%工业污水
Industr ial sewage%
domestic sewage
污水处理方法
Sewagetreat ing
method
取样时间
Sampling
time
广州污泥 Guang zhou 6%4 A2/ O 1999/ 04/ 05
佛山污泥 Foshan 9%1 A2/ O 1998/ 11/ 11
深圳污泥 Shenzhen 6%4 氧化沟 1998/ 12/ 21
珠海污泥 Zhuhai 6%4 氧化沟 1998/ 11/ 27
西安污泥 Xi& an - A2/ O 1998/ 11/ 04
兰州污泥 Lanzhou - A2/ O 1998/ 11/ 03
北京污泥 Beijing 1%1 1999/ 06
无锡污泥 Wuxi - 活性污泥法 1999/ 05
元朗污泥 Yuanlang - 活性污泥法 1999/ 4/ 16
沙田污泥 Shatian - 活性污泥法 1999/ 4/ 16
大埔污泥 Dapu - 活性污泥法 1999/ 4/ 16
:未统计 No stat istics; A2/ O: 厌氧缺氧/好氧处理 Anaerobicanox ic/ aerobic treat
ment.
22 样品分析
221 样品提取 实验所用的正己烷和二氯甲烷等有机溶剂
均为分析纯,并经过全玻璃系统重新蒸馏.
分别称取城市污泥和土壤样品各 20g, 用 100ml丙酮%二氯
甲烷( 1%1, V/ V)进行脱硫索氏抽提, 将抽提液浓缩至近干, 过
三氧化铝(分析纯)硅胶( 100~ 180 目)无水硫酸钠柱净化分
离,依次用正己烷和二氯甲烷洗脱(每次约 8ml) , 收集洗脱液
(共 50ml左右) , 浓缩、转移、稀释、高纯氮气吹干, 用二氯甲烷
定容.同时做空白实验和加标回收实验.
222 标准样品 芘d10和苯胺d5 标准溶液: 分别作内标化合
物和加标空白用.苯并( a)芘标准溶液: 浓度为 500g!ml1. 配制
标准液时,吸取苯并( a)芘标准溶液 2. 0、4. 45 和 9. 9l, 并加入
内标芘d10溶液, 用二氯甲烷定容至 100l, 即得浓度为 10. 0、
22. 25 和 44. 45g!ml- 1的标准溶液, 其中内标浓度均为45. 45
g!ml- 1. 以上标准物质均购自美国 ULTRA Scientific, Inc. ,
North K ingstown; RI .
223 分析条件 GCMS 分析方法参考 U. S. EPA 97001 方
法.色谱柱: HP1 25m ∋ 0. 22mm ∋ 0. 11m; 载气为高纯氦气;
初始压力 35kPa, 载气流速 0. 615ml!min- 1, 最终压力 245kPa;
采用不分流进样, 进样体积为 1l. 升温程序: 初始温度 45∃ (
200 ∃ ( 6. 0 ∃ !min- 1 ) ( 300 ∃ ( 8. 0 ∃ !min- 1 ) , 进样口温度:
250 ∃ ,检测器温度: 280∃ ; 溶剂延迟时间: 3. 00min; 运行时间:
39. 33min. 质谱仪所用离子源为电子轰击源( EI) ; 电子倍增器
的电压: 1800eV, 扫描质量范围: 50~ 550amu. 数据采集与处理
系统为 GCMSD( 5792A HP)化学工作站. 根据质谱特征离子及
相对保留时间进行样品定性, 并与仪器所附质谱库 ( P ripol. L,
Nbs75k. L)的标样质谱图进行比较, 其吻合度达 80% , 使用内
标法定量. 气相色谱仪为 H P 5890 ) ; 质谱检测器为 HP
5792A .
在空白中未检出目标化合物,可见整个实验流程对目标化
合物没有人为因素影响. 加标 ( 芘d10 ) 回收率在 65. 42% ~
87. 74%之间.
3 结果与讨论
31 城市污泥中苯并( a)芘的含量
由表2可知, 不同城市污泥中苯并( a)芘的含量相
差很大,在 0. 007~ 6. 578mg!kg- 1之间,平均为1272mg
!kg- 1.其中内地 8个城市污泥的苯并( a)芘平均含量为
1. 685mg!kg- 1,香港 3个城市污泥的苯并( a)芘平均含
量为 0. 175mg!kg- 1, 前者高于后者近 10倍. 深圳、无
锡、兰州、西安和香港大埔等共约有一半城市污泥的苯
并( a)芘含量低于 0. 1mg!kg- 1,广州和香港元朗污泥的
苯并( a)芘含量在 0. 50mg!kg- 1左右, 佛山污泥的苯并
(a)芘含量在 1. 0mg!kg- 1左右;只有珠海和北京污泥的
的苯并( a)芘含量大于 5. 0mg!kg- 1,均超过了我国农用
城市污泥的控制标准( 3. 0mg!kg- 1) .
表 2 我国部分城市污泥中苯并( a)芘的含量
Table 2 Content of benzo( a) pyrene in selected municipal sludges of China (mg!kg- 1 D. W. )
广州
Guangzhou
佛山
Foshan
珠海
Zhuhai
深圳
Shenzhen
无锡
Wuxi
西安
Xi& an 兰州Lanzhou 北京Beijing 大埔Dapu 沙田Shat ian 元朗Yuanlang
苯并( a)芘
benzo( a) pyrene
0. 646 1. 020 6. 579 0. 050 0. 024 0. 063 0. 049 5. 047 0. 007 0. 033 0. 476
国内外对城市污泥中的苯并( a)芘进行了一些研
究(表 3) .与国外的城市污泥相比, 总体上看, 我国城
市污泥中苯并( a)芘的含量比加拿大、德国和美国城市
污泥的低,比瑞士城市污泥的高, 与英国、法国的城市
污泥大体上处于同一水平.本研究所检测的我国城市
污泥中苯并( a)芘的含量也比我国东北地区城市污泥
的低.
由于污水达标排放要求和污染源控制的日益严
格,进入污水处理厂的污水中苯并( a)芘的含量不断降
低,因而城市污泥中苯并( a)芘的含量也呈逐年下降的
趋势,如美国、加拿大 80年代末城市污泥中的苯并( a)
芘含量与 80年代初相比就降低了数倍[ 12, 17, 23, 24] .
32 不同性质土壤中苯并( a)芘的含量
上述4种理化性质不同的土壤中苯并( a)芘的含
表 3 一些国家城市污泥中的苯并( a)芘含量
Table 3 Content of benzo( a) pyrene in municipal sludges from varied countries ( mg!kg- 1 D. W. )
瑞士[ 10]
Sw it zerland
美国[ 17]
USA
加拿大[23]
Canada
德国[ 11]
Germany
英国[ 26]
Britain
法国[ 2]
France
中国东北[ 14]
Northeastern China
苯并( a)芘 范围 Range Nd~ 1. 35 0. 67~ 25. 0 4. 0~ 7. 6 0. 10~ 15. 0 0. 16~ 2. 0 0. 12~ 9. 2 Nd~ 23. 5
B( a) P 均值 mean 0. 38 11. 0 5. 6 3. 0 0. 71 0. 88 5. 10
Nd:示未检出 No detected.
770 应 用 生 态 学 报 12卷
量见表 4. 其中褐土的苯并 ( a ) 芘含量最高, 达
2138mg!kg- 1,水稻土和石灰性土的苯并( a)芘含量
相近,分别为 0. 782 和 0. 664mg!kg- 1, 而赤红壤的苯
并( a)芘含量低于检测限.
表 4 不同性质的土壤中苯并( a)芘含量
Table 4 Content of benzo( a) pyrene in soil s collected from different parts
of China(mg!kg- 1 D. W. )
水稻土
Paddy
soil
赤红壤
Latosolic
red soil
石灰性土
Calcareous
soil
褐土
Cinnamon
soil
苯并( a)芘
B( a) P
0. 782 Nd 0. 664 2. 138
加拿大提出了土壤苯并( a)芘污染的 3 等分级, A
级控制值为< 0. 1mg!kg- 1, 表明土壤尚未受到污染; B
级控制值为 1. 0mg!kg- 1,表明土壤已受到污染,但污
染程度需进一步调查; C级控制值为 10. 0mg!kg- 1,表
明土壤已受到严重污染, 需立即进行治理[ 7] . 据此, 上
述褐土、水稻土和石灰性土都已受到苯并( a)芘不同程
度的污染.
国外对土壤中苯并( a)芘的背景值进行了调查(表
5) .土壤中苯并( a)芘含量为 0. 01~ 2. 0mg!kg- 1[ 8, 20] .
而被大气、煤焦油、沥青等污染的土壤中苯并( a)芘高
达 200~ 800mg!kg- 1, 甚至达 3581mg!kg- 1[ 9, 20] . 自
农村 (城镇(城市和交通主干线由远处 (近处的水平
剖面中,土壤苯并( a)芘含量呈增加趋势[ 1, 4, 20] . 森林
土壤中苯并( a)芘含量也较高[ 1, 3, 20] .与城市污泥中苯
并( a)芘含量随时间的变化情况相反,由于农用化学品
的大量使用和工业∀三废#的污染, 土壤中苯并( a)芘含
量呈逐年升高的趋势[ 8, 13, 25, 27] .
表 5 国外一些国家土壤中的苯并( a)芘含量
Table 5 Content of benzo( a) pyrene in soi ls from varied countries (g!kg- 1 D. W. )
加拿大[ 22]
Canada
美国[ 3]
U SA
德国[ 6]
Germany
俄罗斯[ 18]
Russia
挪威[ 1]
Norw ay
英国[ 8]
Britain
爱沙尼亚[ 20]
Estonia
苯并( a)芘 范围 Range - 40~ 1300 1. 5~ 4. 0 0. 067~ 66. 8 5~ 83 0. 2~ 1200 6. 8~ 1224
B( a) P 均值 Mean 86. 6 435 2. 25 - 32 130 -
33 影响城市污泥中苯并( a)芘含量的因素
苯并( a)芘是低水溶性的化合物,在污水处理过程
中易富集于污泥固体颗粒中, 富集量达 80% ~ 90%,
富集因子(即污泥中污染物浓度与进水中污染物浓度
的比值)高达 48[ 21] .因此, 苯并( a)芘在城市污泥中的
含量,首先取决于它在污水中的含量,即与污水的来源
密切相关.一般情况下,以处理生活污水为主而产生的
城市污泥其苯并( a)芘含量较低, 而以处理工业污水为
主产生的城市污泥中苯并( a)芘含量较高, 比前者高
2. 5~ 3. 0倍[ 5] . 佛山镇安污水处理厂以生活污水为主
( 90%以上) ,北京高碑店污水处理厂生活污水与工业
污水之比为 1%1, 北京污泥的苯并( a)芘含量就约为佛
山污泥的 5倍. 但也不尽然,珠海香洲污水处理厂也是
以生活污水为主,其苯并( a)芘含量却较高. 这可能与
某些工业污水中苯并( a)芘含量特别高有关.如木材产
品加工厂的污水中苯并( a)芘含量较高,而钢铁和铸造
业的污水中苯并( a)芘较低[ 21] .城市污泥中苯并( a)芘
含量也与污泥类型有关, 初沉池与二沉池的污泥, 以及
消化和未消化的污泥中苯并( a) 芘含量都会明显不
同[ 15] .
34 影响土壤苯并( a)芘含量的因素
环境中的苯并( a)芘主要是来自于有机物的不完
全燃烧和自然界的生物合成,前者主要由人类活动产
生.垃圾焚烧、工矿企业、交通等排放的废气含有苯并
(a)芘,可以长距离迁移, 经大气沉降 (干沉降和湿沉
降)后可显著提高土壤苯并( a)芘含量[ 18, 20, 22] . 含有苯
并( a)芘的生物固体废物如生活垃圾和城市污泥等的
农业利用以及污水灌溉等也会导致对土壤中苯并( a)
芘含量的提高[ 13, 14, 19, 25] .此外, 森林、草原的天然燃烧
以及农田秸秆的人为焚烧也是土壤苯并( a)芘的主要
来源[ 7] . 本文所分析的赤红壤由于取于市郊的校园
内,远离污染源,因而其中的苯并( a)芘低于检测限.褐
土的苯并( a)芘含量较高, 可能与该区的污水灌溉有
关.
4 结 语
所分析的我国 11个城市污泥中苯并( a)芘含量在
0. 007~ 6. 578mg!kg- 1之间, 平均含量为 1. 272mg!
kg
- 1
,大部分低于 1. 0mg!kg- 1, 仅珠海和北京污泥的
苯并( a)芘含量超过我国农用城市污泥的控制标准. 4
种不同性质的土壤中以褐土的苯并( a)芘含量最高,水
稻土和石灰性土的苯并( a)芘含量相接近,而赤红壤的
苯并( a)芘含量低于检测限.
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作者简介 蔡全英,女, 1974 年生, 博士研究生. 主要从事污染
生态学和固体废物资源化研究, 发表论文多篇. Email: cai
quanying@263. net
772 应 用 生 态 学 报 12卷