污泥中重金屬的穩(wěn)定及去除技術(shù)研究

黃晨悅，郭 盾，薛崇灝，薛紅琴

(南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

污泥中重金屬的穩(wěn)定及去除技術(shù)研究

黃晨悅，郭 盾，薛崇灝，薛紅琴

(南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

本文從污泥中重金屬的穩(wěn)定與去除兩個(gè)方面，綜述污泥堆肥、化學(xué)鈍化、化學(xué)浸出、生物淋濾、電動修復(fù)、動植物修復(fù)等國內(nèi)外修復(fù)污泥的主流技術(shù)，并比較其利弊，以供參考。

污泥；穩(wěn)定化；重金屬；去除；土地利用

隨著城市工業(yè)的發(fā)展，每天產(chǎn)生的工業(yè)廢水和生活污水量日益增多，污泥產(chǎn)量也相應(yīng)增長。從《2016年國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》可知，截至2016年年末，我國城市污水處理廠日處理能力達(dá)到14823萬m3，城市污水處理率達(dá)到92.4%，相應(yīng)的，全國濕污泥產(chǎn)量接近4000萬[1]。而截至2015年底，全國污泥有效處理率不到30%[2]。目前國內(nèi)處理污泥的主流方式主要有填埋、焚燒發(fā)電、土地及建材利用幾種。從全球范圍來看，歐美等國以土地利用為主，日本以焚燒為主。隨著人們環(huán)保意識的日漸提高，發(fā)達(dá)國家鼓勵(lì)將土地利用作為污泥的主要處置方向。由于污泥中含有大量的有機(jī)質(zhì)及氮磷鉀等元素，因此土地利用有望成為我國主流的污泥處置方式。但是，污泥中通常含有病源微生物、寄生蟲卵和重金屬等有害物質(zhì)[3]，如果處理不當(dāng)，很容易對環(huán)境造成二次污染。其中，病原微生物和寄生蟲卵經(jīng)過傳統(tǒng)消化、堆肥技術(shù)就可有效去除，而重金屬卻無法根本除去。重金屬無法被生物降解，一旦將污泥投入土地利用，重金屬會在環(huán)境介質(zhì)中長期積累，對人體健康和生態(tài)環(huán)境造成不可復(fù)原的影響。因此，本文就污泥中重金屬的穩(wěn)定化及去除以達(dá)到污泥的無害化處理進(jìn)行討論。

1 污泥中重金屬的存在形態(tài)

污泥中重金屬的含量是制約其利用的重要原因之一，但由于重金屬的存在形態(tài)各異，因此僅憑重金屬總量來衡量其環(huán)境效益顯然不合理。污泥中重金屬的賦存形式在很大程度上決定了其環(huán)境影響和生物效益。污泥中的重金屬有5種主要形態(tài)，即可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)[4]，這幾種形態(tài)特征各異?？山粨Q態(tài)對環(huán)境變化敏感，易受環(huán)境影響而發(fā)生遷移；碳酸鹽結(jié)合態(tài)對pH變化敏感，當(dāng)環(huán)境中pH值由高向低發(fā)生變化時(shí)，原本在高pH值下形成的碳酸鹽沉淀會逐漸變化成游離態(tài)的重金屬而進(jìn)入環(huán)境[5]；鐵錳氧化物在離子鍵的作用下穩(wěn)定性增加，不易釋放[6]；有機(jī)結(jié)合態(tài)只有在環(huán)境因素恰好適合其氧化的條件下，才會有部分有機(jī)質(zhì)發(fā)生變化從而導(dǎo)致游離態(tài)重金屬離子被釋放到環(huán)境中，所以對環(huán)境有一定的潛在影響；殘?jiān)鼞B(tài)性質(zhì)穩(wěn)定，不易釋放游離態(tài)的重金屬離子，能夠在土壤中長期保存?？偟膩碚f，后3種形態(tài)不利于生物的吸收利用。

2 污泥處理的主要方向

由于污泥中重金屬存在形態(tài)的不同，污泥處理便不止局限于重金屬的去除，我們同樣可以將重金屬由較為不穩(wěn)定的可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)轉(zhuǎn)化為較為穩(wěn)定的鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)，這個(gè)過程稱之為重金屬的穩(wěn)定化。目前國內(nèi)外的穩(wěn)定化方法主要有污泥堆肥、化學(xué)鈍化等；去除技術(shù)主要有化學(xué)浸出、生物淋濾、電動修復(fù)、動植物修復(fù)等[7]。

3 污泥中重金屬穩(wěn)定化技術(shù)

3.1 污泥堆肥

將污泥進(jìn)行堆肥化處理是當(dāng)前利用污泥較有效的途徑之一。污泥堆肥的處理過程，可以殺滅病原體，分解有機(jī)污染物，使重金屬賦存形態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)化，從而實(shí)現(xiàn)污泥的資源利用。

從穩(wěn)定的角度來說，國內(nèi)目前的主流方法有厭氧消化、好氧環(huán)境下堆肥及消化等[8]。好氧堆肥是將污泥在高溫環(huán)境下與微生物相互作用，可以無害化病原體，腐蝕有機(jī)物,并且降低重金屬的生物有效性。但總的來說，堆肥過程是無法改變重金屬的絕對含量的，因此重金屬有可能在將來的某種過程中重新轉(zhuǎn)化成生物有效性較高的形態(tài)，但在穩(wěn)定的賦存形態(tài)下發(fā)生轉(zhuǎn)化的可能性較小，因此只能說有潛在的安全隱患，但仍有其利用價(jià)值。

葛驍?shù)萚9]研究表明，在堆肥過程中，物料的含水率下降了34.85%，物料pH值始終在7～9之間變化，有機(jī)質(zhì)降解達(dá)22.24%，賦存形態(tài)為RES和OXI的重金屬占到總量的85%以上。馮春等[10]研究表明，堆肥處理可降低污泥中重金屬可交換態(tài)含量，增加鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)重金屬含量。呂彥等[11]的研究也同樣發(fā)現(xiàn)，堆肥后，污泥中Zn不穩(wěn)定態(tài)含量從37%降到16%，活性和毒性明顯降低，同時(shí)，Ni、Cd、Pb、Cr的不穩(wěn)定態(tài)比例也有所下降，穩(wěn)定態(tài)比例提升。王厚成等[8]在污泥堆肥對重金屬穩(wěn)定化的研究中發(fā)現(xiàn)，堆肥第10d時(shí)，Zn的可交換態(tài)含量有所下降；當(dāng)堆肥到26d時(shí)，Cd、Ni均以鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)為主，Pb、Cu形態(tài)變化不明顯。

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，污泥堆肥過程可以有效地抑制重金屬離子的活性，使其向穩(wěn)定態(tài)轉(zhuǎn)變。

3.2 化學(xué)鈍化

把污泥中重金屬由不穩(wěn)定的狀態(tài)轉(zhuǎn)化為較為穩(wěn)定的狀態(tài)的過程稱之為鈍化作用，即使污泥由可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)等向鐵錳結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)轉(zhuǎn)化。鈍化劑種類繁多，主要有有機(jī)、無機(jī)和復(fù)合材料三類。有機(jī)鈍化劑主要是指草炭、農(nóng)家肥、動植物殘?bào)w、秸稈等。無機(jī)鈍化劑主要是粉煤灰、石灰石、沸石等，復(fù)合材料主要是指多種鈍化劑混合使用[12]，以達(dá)到更好地穩(wěn)定重金屬的目的。

3.2.1 常用鈍化劑

粉煤灰作為一種固體廢棄物，如果用于污泥堆肥，不僅解決了其本身的污染問題，而且可以實(shí)現(xiàn)污泥的資源利用。粉煤灰屬于堿性鈍化劑，可以促進(jìn)重金屬離子與鐵錳氧化物結(jié)合，所以在添加粉煤灰以后，有機(jī)物的腐殖化過程將受到影響，而粉煤灰本身幾乎不含任何有機(jī)質(zhì)，所以加入粉煤灰可以明顯降低活性污泥中的有機(jī)質(zhì)含量，從而降低有機(jī)結(jié)合態(tài)含量，同時(shí)鐵錳結(jié)合態(tài)及殘?jiān)鼞B(tài)含量升高，也就是說，污泥的生物有效性得以抑制。姚嵐等[13]的研究顯示，在加入粉煤灰堆肥之后，Zn、Cu、Cr、Pb這4種重金屬的可交換態(tài)和有機(jī)結(jié)合態(tài)比例有所下降，鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)比例有所上升。李國學(xué)等[12]在鈍化劑對污泥中重金屬形態(tài)影響的研究中發(fā)現(xiàn)，在污泥中添加25%的粉煤灰時(shí)，Cu、Zn的鐵錳結(jié)合態(tài)比例顯著提高，分別占10.02%、42.76%，殘?jiān)鼞B(tài)含量也明顯提高。但是，生駿等[14]的研究卻發(fā)現(xiàn)，粉煤灰對Zn、Pb有一定的鈍化作用，對Cu則有活化作用，加入粉煤灰后，Zn、Pb的可交換態(tài)含量降幅分別為62.47%、92.61%，Cu含量基本不變。

除了粉煤灰，石灰也是實(shí)際處理中常用的鈍化劑。石灰對重金屬的鈍化作用與粉煤灰類似，都是利用其高pH值的特性。在程毅等人[15]的試驗(yàn)中可以看出，在投加石灰后，可還原態(tài)鉛由73.1%下降到0.6%，相應(yīng)地，污泥中的殘?jiān)鼞B(tài)鉛由21.7%增大到93.8%。Cr、Ni、Cu、Zn的不穩(wěn)定態(tài)分別降低了46.5%、37.7%、26.6%、61.5%。投加生石灰后，污泥中的重金屬主要以殘?jiān)鼞B(tài)存在。李玉等[16]的研究發(fā)現(xiàn)，向污泥中添加石灰有利于降低Cu、Zn、Cr不穩(wěn)定態(tài)含量，使重金屬賦存形態(tài)由不穩(wěn)定態(tài)向穩(wěn)定態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)變。由此可以看出，石灰可以有效鈍化污泥中的重金屬。此外，石灰被認(rèn)為可以有效抑制鎘污染，由于鈣離子與鎘離子的拮抗作用，石灰可以降低污泥中鎘離子的有效態(tài)含量，抑制鎘離子的有效性。

3.2.2 新型含磷鈍化劑

在土壤重金屬修復(fù)的研究中，含磷鈍化劑是一種被認(rèn)為具有良好應(yīng)用前景的新型鈍化劑。磷穩(wěn)定劑種類繁多，有水溶性好的三元過磷酸鈣、磷酸氫二銨、磷酸等，也有水溶性差的羥基磷灰石、磷礦石等[17]。在污染土壤中加入一定量的磷酸鹽可以顯著降低重金屬的有效態(tài)含量[18]。

磷酸鹽穩(wěn)定重金屬的作用機(jī)理主要有3種：1）磷酸鹽誘導(dǎo)重金屬吸附；2）磷酸鹽與重金屬生成沉淀或礦物；3）磷酸鹽表面直接吸附重金屬。

Cao等[19]認(rèn)為，磷酸鹽能降低Pb的不穩(wěn)定態(tài)濃度，增加殘?jiān)鼞B(tài)等穩(wěn)定態(tài)濃度，使其殘?jiān)鼞B(tài)濃度增加11%～55%。他們在另一試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，Pb殘?jiān)鼞B(tài)增加53%，但Cu和Zn的殘?jiān)鼞B(tài)僅增加13%和15%。王碧玲等[20]的研究表明，加入磷酸二氫鈣后，Pb、Cu、Zn、Cd的有效態(tài)濃度分別降低了99%、97%、96%、98%。目前在污泥領(lǐng)域，此類鈍化劑的研究還不是很多，研究者們可以借鑒其在土壤研究方面的成果，進(jìn)一步加強(qiáng)含磷鈍化劑在污泥重金屬去除方面的應(yīng)用研究。

3.2.3 納米鈍化劑（納米黑炭）

黑炭是由大量碳原子聚集形成的，其表面積大，含有豐富的極性基團(tuán)，在溶液介質(zhì)中不易分散。表面接枝反應(yīng)常被用于改變黑炭分散性，經(jīng)過氧化表面后，黑炭吸附含氧基團(tuán)的能力增強(qiáng)，易與水分子形成分子間氫鍵，增強(qiáng)其在水中的分散性。

黑炭具有巨大的比表面積、較高的活性點(diǎn)和良好的光電性能，在今后的重金屬處理領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景[21]。王漢衛(wèi)等[22]的研究結(jié)果表明，添加不同濃度的改性納米炭黑之后，土壤中有效態(tài)銅含量下降了47.3%～80.9%，有效態(tài)鋅的含量下降了3%～43.46%，說明改性納米炭黑可以降低土壤中有效態(tài)銅和鋅的含量。

氧化改性可以使黑炭表面富集更多的含氧極性基團(tuán)，從而增強(qiáng)其吸附極性重金屬離子的能力。成杰民等發(fā)現(xiàn)，Pb2+、Cu2+和Cd2+在HNO3氧化的納米碳管上的吸附符合蘭格繆爾模型，當(dāng)Pb2+、Cu2+和Cd2+的濃度為 10mg·L-1時(shí)，其在納米碳管上的最大吸附量分別為97.08mg·g-1、24.49mg·g-1、10.86mg·g-1。

3.2.4 復(fù)合鈍化劑

由于活性污泥中經(jīng)常含有幾種不同的重金屬，因此單一鈍化劑很有可能無法滿足穩(wěn)定污泥的要求，因此需要用到復(fù)合鈍化劑。Wang等[23]將Ca(H2PO4)和CaCO3聯(lián)合應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)不但提高了Pb和Cd的鈍化效果，而且可以避免它們單獨(dú)使用時(shí)對pH造成的影響。Cao等[24]指出，不同磷酸鹽配合施用不僅能解決單獨(dú)使用時(shí)對土壤pH值影響過大的問題，而且還可以解決土壤中可溶性磷含量過高的問題，也就是說，避免了磷素富營養(yǎng)化，并且鈍化效果也更理想。此外，也有研究者將粉煤灰進(jìn)行改性，以提高其鈍化效果。謝禮國等[25]向粉煤灰中加入石灰石，在微波的強(qiáng)穿透性下對粉煤灰進(jìn)行改性，并將改性后的粉煤灰應(yīng)用于污泥鈍化處理實(shí)驗(yàn)中，結(jié)果表明，改性后的粉煤灰對污泥中Cu、Zn、Mn都有很好的鈍化作用，使其含量顯著低于中國農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)。

污泥堆肥是污泥重金屬處理中較為傳統(tǒng)的方法。眾多研究表明，經(jīng)過堆肥處理后的污泥，其重金屬的穩(wěn)定性有所提高，毒性明顯被抑制，但傳統(tǒng)堆肥方法也存在著不可忽視的問題，它耗費(fèi)的時(shí)間較長，處理效率較低，所以為了提高堆肥效率，研究者們采用加入鈍化劑的方法。目前，粉煤灰、石灰等常見鈍化機(jī)應(yīng)用較為廣泛，粉煤灰作為燃煤廠的主要固體廢物，用作鈍化劑不僅可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)廢渣的資源化，還可以提高污泥鈍化效率，是一種高效合理的鈍化劑。但是，粉煤灰和石灰石等鈍化金屬有針對性，有時(shí)不能滿足穩(wěn)定污泥的要求，所以，研究者們應(yīng)該加強(qiáng)對復(fù)合鈍化劑的研究。另外，一些新型含磷鈍化劑和納米鈍化劑在土壤的研究中取得了一些理論成果，但在污泥方面研究甚少，這也是一個(gè)很好的研究方向。

4 污泥中重金屬去除技術(shù)

傳統(tǒng)的化學(xué)方法去除污泥中的重金屬雖效果較為明顯，但處理費(fèi)用較高，在經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的地區(qū)尚可以采用，在經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)的地區(qū)難以應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)和生活中。為了更大范圍地處理污泥中的重金屬，并且使用更少的經(jīng)濟(jì)消耗，必須要在原有方法的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，采用更經(jīng)濟(jì)、更環(huán)保、更高效的重金屬處理方法。因此，國內(nèi)外的廣大專家和學(xué)者，不斷地進(jìn)行著實(shí)驗(yàn)，在理論和實(shí)際的雙重證實(shí)下，不斷地進(jìn)行著摸索，終于在原有的化學(xué)方法之上，又有了眾多處理方法。就目前來說，應(yīng)用最廣泛的是生物淋濾、電動修復(fù)、化學(xué)浸出以及動植物提取這幾種處理方法或技術(shù)。

4.1 化學(xué)浸出法

化學(xué)浸出法主要是以酸、螯合劑或一些無機(jī)化合物為化學(xué)浸出劑，從污泥中浸出重金屬以達(dá)到去除重金屬的目的。目前，這種方法已有大量的理論研究成果，其體系也較為成熟。

朱萍等[26]研究發(fā)現(xiàn)，污泥中重金屬的形態(tài)分布與浸出率之間有著緊密的聯(lián)系。研究結(jié)果表明，污泥中Zn、Cr、Ni的浸出量與其可交換態(tài)的含量有顯著的正相關(guān)，Zn、Cr的可還原態(tài)與浸出量間也呈正相關(guān)。除此之外，浸出率還和pH、浸出時(shí)間、酸類型、溫度等密切相關(guān)。方雷等[27]研究了檸檬酸浸提Zn的能力。研究表明，在檸檬酸濃度為0.2mol·L-1、時(shí)間為15h、溫度為20℃、pH為3的條件下，Zn的浸提率最高，達(dá)到75.5%；對正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，溫度對Zn的浸提率影響最顯著。Wozniak等[28]的研究表明，浸提時(shí)間越長，pH越低，重金屬浸出率越高。當(dāng)pH為2、浸出時(shí)間為12h時(shí)， Zn、Cd、Ni、Cu、Cr的浸出率分別為100%、92.5%、88%、73%、24%。Wu等[29]研究了乙酸、硫酸、鹽酸、檸檬酸、硝酸等5種不同酸對Cu、Ni的浸出效果，結(jié)果表明，硫酸對Cu、Ni的去除率最高，分別可達(dá)92%和93%；檸檬酸對Cu的去除效果最差，僅為57%；乙酸對Ni的去除率最低，為70%。而Veeken等[30]的研究表明，檸檬酸對Cu、Zn的浸出效果比硝酸、草酸更好，Cu、Zn浸出率分別為70%、90%。

4.2 生物淋濾法

相比化學(xué)浸出，生物淋濾技術(shù)有著耗酸少、運(yùn)行成本低的特點(diǎn)，同時(shí)可有效去除重金屬。華玉妹等的研究表明[31]，采用生物淋濾法，污泥中的Cu、Pt、Zn的去除率可達(dá)84.1%、34.8%、80.0%。

生物淋濾法的主要機(jī)理是在有氧條件下，通過化能自養(yǎng)型的嗜酸菌（主要是氧化亞鐵硫桿菌和氧化硫硫桿菌）的氧化還原反應(yīng)，把難溶性重金屬氧化為溶解態(tài)重金屬離子，使之進(jìn)入溶液，然后進(jìn)行固液分離以達(dá)到去除重金屬的目的。江蘇無錫太湖新城污水處理廠建立的國內(nèi)第一座污泥生物淋濾處理工廠已于2010年投入使用，其重金屬溶出率達(dá)90%以上[32]。為了更好地讓生物淋濾法與實(shí)際工程相結(jié)合，更多研究者把重心放在了其影響因素的研究上。

微生物活性是影響生物淋濾效果的重要因素，當(dāng)淋濾條件達(dá)到微生物最佳生長條件時(shí)，淋濾效果將達(dá)到最好，而微生物活性又和pH、營養(yǎng)物類型、微生物種類、曝氣量、溶解氧量、抑制因子密切相關(guān)。

曹占平等[33]的研究表明，pH在2.5時(shí)，Cu、Zn、Cd、Cr、Ni有較大程度的去除，而Pb只有40%的去除率；Cu、Zn、Ni較易去除，在pH為3.0時(shí)，便有較高的去除率。

閆瑾[34]以單質(zhì)硫?yàn)槟茉次镔|(zhì)，研究了不同底物濃度、不同接種量下重金屬的去除率，結(jié)果表明5g·L-1的硫粉濃度和5%接種量的情況下淋濾效果最佳。許友澤等[35]在接種量對重金屬淋濾效果的研究中發(fā)現(xiàn)，接種量越高重金屬去除效率越好，但綜合考慮去除效果和實(shí)際應(yīng)用，他們認(rèn)為最佳細(xì)菌接種量為15.0%，此時(shí)Cd、Mn、Cu、Zn的去除率分別達(dá)到82.6%、83.2%、58.7%、80.5%。鄔思丹等[36]則是把研究重點(diǎn)放在了增強(qiáng)硫的親水性和分散性上，結(jié)果表明當(dāng)投入的表面活性劑Tween-80濃度為6g·L-1時(shí)，Cu、Zn的溶出率最佳，在第8d達(dá)到91.9%和90.4%。而張盼月等[37]通過優(yōu)化硫粉含固比與投加量，提高了硫的氧化率和重金屬溶出率，達(dá)到了更好的淋濾效果。

H.Seidel等[38]研究了溶解氧對生物淋濾重金屬浸出率的影響，研究表明低溶解氧時(shí)，抑制了重金屬的溶出，而在氧氣充足時(shí)，體系可獲得最大重金屬溶出率。

生物淋濾法中抑制重金屬溶出的主要是重金屬陽離子、陰離子、小分子有機(jī)酸。Roy Mahapartra等[39]研究表明，EDTA可以緩解金屬陽離子的毒害。周順桂等[40]發(fā)現(xiàn)，砷酸鹽達(dá)到40g·kg-1就開始抑制細(xì)菌生長，亞砷酸鹽只需5g·kg-1，就能減慢氧化亞鐵硫桿菌對亞鐵的氧化。對此，他們提出了篩選對重金屬等抑制因子耐受性更強(qiáng)的菌株或者在濾出液回流前進(jìn)行預(yù)處理等解決方案。

生物淋濾法雖然有著成本低、耗酸少、實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但若要投入實(shí)際生產(chǎn)，還有幾個(gè)問題需要解決。首先，大量的高濃度的重金屬淋出液必須合理處置，否則將造成二次污染。其次，淋濾后的污泥酸度較高且含水率較高，不能直接進(jìn)行土地填埋，必須進(jìn)行再處理。這就勢必造成成本的提升，所以生物淋濾法是否還具有成本低這個(gè)優(yōu)點(diǎn)還有待進(jìn)一步研究。

4.3 電動修復(fù)法

電動處理技術(shù)的基本原理是利用人為外加的電場導(dǎo)致動電效應(yīng)，驅(qū)動污泥中的重金屬污染物沿相應(yīng)的電場方向作定向遷移。它可以破壞污泥中所有的重金屬鍵，使可遷移的重金屬元素從陽極向陰極遷移，并在陰極室里產(chǎn)生金屬富集現(xiàn)象。富集的污染物，可在電極區(qū)得到集中處理或分離。除了發(fā)生電遷移，同時(shí)還伴隨著電滲流和電泳現(xiàn)象[41]。電動處理技術(shù)在土壤重金屬的去除上已得到廣泛應(yīng)用，近年來，電動修復(fù)法在城市污泥處理上的應(yīng)用也引起了廣大研究者的關(guān)注。

袁華山等[42]研究了不同形態(tài)的Cd、Zn在電動力作用下的去除率，研究結(jié)果表明，污泥經(jīng)電動力作用5d后，Cd、Zn的總?cè)コ史謩e達(dá)到64.50%、65.02%，處理完成后，污泥中Cd、Zn的濃度分別為3.02mg·kg-1、495.52mg·kg-1，均達(dá)到《農(nóng)用污泥中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》酸性土壤適用界限標(biāo)準(zhǔn)。但高潔[43]在研究電動處理對污泥中重金屬去除效果的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在1V·cm-1電場作用下運(yùn)行144h，污泥中Zn、Ni、Cd和Cr的去除效率最高，分別達(dá)到32.5%、47.6%、33.5%和14.9%，而Cu的去除效率在運(yùn)行96h時(shí)最高，為36.2%。其去除效率并不理想，如果要讓電動修復(fù)法投入實(shí)際生產(chǎn)中，還需要進(jìn)一步提高其金屬去除率。

影響電動修復(fù)法去除效率的主要因素有3個(gè)[44]：介質(zhì)類型與性質(zhì)、pH、電壓與電流。其中高水分、高飽和度和低反應(yīng)活性的介質(zhì)有利于去除重金屬[45]；電流密度一般控制在10～100mA·cm-2，電壓梯度控制在0.5～5V·cm-1。由于這兩個(gè)因素沒有太大的可變空間，所以更多的學(xué)者把目光放在了控制陰極液的pH上。

Wang等[46]在研究不同pH條件下電動技術(shù)對污泥中重金屬的去除效率中發(fā)現(xiàn)，處理前對污泥進(jìn)行酸化可明顯提高重金屬去除效率。當(dāng)污泥床體負(fù)極pH為2時(shí)，重金屬去除效果最佳，Zn、Cu、Ni、Cr去除率分別可達(dá)95%、96%、90%、68%。陳芳等[47]的研究表明，控制陰極液pH可顯著提高Cr去除率，當(dāng)添加檸檬酸為螯合劑時(shí)，Cr的去除效率最高可達(dá)90.49%。周碧青等[48]的研究也同樣證明了這一點(diǎn)，添加檸檬酸后Cr的去除率達(dá)到67.52%，比添加EDTA、乳酸分別高6.31%和6.79%。

電動修復(fù)法雖然在理論上可行，但僅靠這種單一技術(shù)，很難達(dá)到理想的處理效果，并且容易出現(xiàn)酸性帶遷移、陰極區(qū)重金屬沉淀以及極化等問題，若要投入實(shí)際生產(chǎn)，還需開展許多基礎(chǔ)研究。

4.4 生物淋濾-電動修復(fù)聯(lián)合技術(shù)

由于生物淋濾法具有耗酸少、運(yùn)行成本低、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)[49]，所以早已成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)[50]。但是其金屬溶出液的處置一直是一個(gè)亟待解決的問題。所以有學(xué)者提出了將生物淋濾與電動修復(fù)聯(lián)合，生物淋濾可以將重金屬活化，使重金屬成為離子態(tài)，然后再外加電場，重金屬發(fā)生遷移，從陽極到達(dá)陰極被還原，從而達(dá)到去除重金屬的目的。俞一統(tǒng)等[51]比較了兩種生物淋濾-電動修復(fù)技術(shù)，一種是先進(jìn)行生物淋濾4d后用電動修復(fù)對污泥進(jìn)行處理；另一種是生物淋濾與電動修復(fù)同步處理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，第一種方法處理后污泥中Cu和Zn含量分別為60.5mg·kg-1和170mg·kg-1，第二種方法處理后Cu、Zn含量分別為122.8mg·kg-1、110mg·kg-1，均符合我國污泥土地農(nóng)田利用標(biāo)準(zhǔn)，且能完全去除淋濾液中重金屬，但先生物淋濾再電動修復(fù)可以減少能耗。

生物淋濾-電動修復(fù)聯(lián)合技術(shù)使生物淋濾法和電動修復(fù)法優(yōu)勢互補(bǔ)，還能消除一定的劣勢，但國內(nèi)對其研究不是很多，還有很大的研究進(jìn)步空間。

4.5 動植物修復(fù)法

動植物修復(fù)法是近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而興起的一種較為高效的去除污泥和土壤、污水中的污染物質(zhì)如重金屬等的處理方法。動物修復(fù)技術(shù)是利用土壤動物對重金屬的富集作用[52]，達(dá)到去除重金屬的目的，目前研究以蚯蚓為多[53]。植物修復(fù)是利用對應(yīng)于某種特定的污染物具有富集作用的植物，將所在環(huán)境中的污染物進(jìn)行富集和轉(zhuǎn)移到植物體內(nèi)，對其進(jìn)行回收修復(fù)，達(dá)到去除污染和保護(hù)環(huán)境的目的。一般來說，植物修復(fù)法主要包括植物提取、植物穩(wěn)定和植物揮發(fā)3種方法，其中，植物提取法應(yīng)用更為廣泛。

冉建平[54]在花卉對污泥中重金屬的去除研究中發(fā)現(xiàn)，吊蘭對重金屬的去除率較好，在不同配比的污泥中可達(dá)到30%～50%，蝴蝶蘭由于根系不發(fā)達(dá)，對金屬的耐性不強(qiáng)，不宜用于污泥中重金屬的去除。但是由于植物的富集量相對較低，不宜投入實(shí)際應(yīng)用，所以更多的研究者將研究重點(diǎn)放在了植物與動物修復(fù)的聯(lián)合使用上。白向玉[55]在剩余污泥中重金屬污染的蚯蚓活化—花卉植物修復(fù)機(jī)理研究中發(fā)現(xiàn)，吊蘭對重金屬Cu、Zn、Cd、Pb具有一定的積累能力,是適合聯(lián)合修復(fù)污泥中重金屬的花卉植物。吊蘭在全泥處理(3∶0、2∶0)中對Cu、Zn、Cd、Pb的總積累量最大,分別為5.70mg/plant、14.53mg/ plant、0.340mg/plant和0.580mg/plant。而赤子愛勝蚓能夠改變污泥理化性質(zhì)，促進(jìn)吊蘭生長，增強(qiáng)吊蘭吸收污泥中重金屬的能力。接種赤子愛勝蚓后，均不同程度提高了吊蘭莖葉部和根部的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)，其中當(dāng)Cu配比濃度為50mg·kg-1和100mg·kg-1、Pb配比濃度為100mg·kg-1時(shí)，根部的富集系數(shù)大于1。

目前國內(nèi)外的研究均表明，動植物修復(fù)法不僅能有效去除土壤中重金屬，還能降低周圍污水或大氣中的污染物水平，具有很高的研究價(jià)值和實(shí)用價(jià)值。但是，在污泥領(lǐng)域，科技、理論、實(shí)驗(yàn)材料、技術(shù)研究以及實(shí)際工藝等方面的限制，使其仍未發(fā)展成為一個(gè)較為系統(tǒng)的處理方法。廣大研究者可以結(jié)合動植物修復(fù)法在污染土壤中的研究成果，開展在污泥中的理論研究。技術(shù)，不但可以去除重金屬，還可以改善周圍環(huán)境，而且這種回歸自然的方法促進(jìn)了自然循環(huán)的良性進(jìn)行，是一種極具研究潛力的方法，之后的研究可以重點(diǎn)關(guān)注這種新技術(shù)。

5 總結(jié)與展望

由于我國城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理處置能力不足，手段落后，大量污泥沒有得到規(guī)范化的處理處置，直接給水體和土壤帶來污染，對生態(tài)環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重威脅。此外，污泥直接排放也造成資源的極大浪費(fèi)。近年來全國各地多起違法傾倒污泥事件被曝出，雖然“重水輕泥”的觀念有所轉(zhuǎn)變，但是如何合理有效地處置污泥仍然是一個(gè)亟需解決的重要問題。

我們不應(yīng)該局限于現(xiàn)有技術(shù)，應(yīng)該不斷創(chuàng)新，在傳統(tǒng)焚燒、土地利用方式上改良技術(shù)也是一種創(chuàng)新。比如在全球水峰會上獲得了年度污水處理項(xiàng)目大獎的香港T-PARK污泥處理廠，利用流化床焚燒技術(shù)，將熱能轉(zhuǎn)化為電力，其電力不但可以供給整個(gè)污泥廠的使用，同時(shí)還可以供給公共電網(wǎng)，經(jīng)過高溫焚燒后，污泥的剩余殘?jiān)挥性瓉淼?0%。但這種焚燒技術(shù)初期投資較大，如果沒有相關(guān)政策的扶持，還是很難被廣泛使用。而土地利用由于其資源化利用效率較高，符合未來低碳發(fā)展方向和可持續(xù)發(fā)展的理念，長期來看將會是我國主流的污泥處理方式，穩(wěn)定或去除污泥中的重金屬便是土地利用的前提。

目前國內(nèi)被采用得更多的是污泥堆肥技術(shù)。堆肥技術(shù)可以殺滅病原體，分解有機(jī)污染物，使重金屬賦存形態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)化，從而實(shí)現(xiàn)污泥的資源利用。但是堆肥技術(shù)并沒有改變重金屬的絕對含量，因此在環(huán)境條件改變的情況下還是存在著一些安全隱患，而其他的一些穩(wěn)定化技術(shù)也存在著同樣的問題。所以，重金屬的去除技術(shù)應(yīng)被重視起來。只有真正把重金屬從污泥中提取出來，才能沒有后顧之憂。

在重金屬的去除技術(shù)中，可以重點(diǎn)考慮多種方法的聯(lián)合應(yīng)用。例如生物淋濾法-電動修復(fù)法的聯(lián)合應(yīng)用不僅可以解決淋濾液的處置問題，還可以解決電動過程中重金屬的活化問題，達(dá)到取長補(bǔ)短的目的。另外，植物提取法作為近年來發(fā)展起來的新

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Study on Stabilization and Removal of Heavy Metals from Sewage Sludge

HUANG Chenyue, GUO Dun, XUE Chonghao, XUE Hongqin
(College of Civil Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China)

From two aspects of sludge removal and stabilization, few main methods were illustrated included sludge compost, chemical passivation, bio chemical leaching, leaching, electrokinetic remediation, phytoremediation dynamic mainstream technology and more. Its advantages and disadvantages were compared for reference.

sludge; stabilization; heavy metal; removal; land use

X 703.1

A

1671-9905(2017)08-0046-08

2017-05-19