不同污泥濃度對河道底泥中重金屬生物淋洗的影響

陶星名，王宇峰

（1.杭州萬向職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310023；2.浙江卓錦環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，浙江 杭州 310004）

重金屬具有毒性和持久性，為河流沉積物中污染最嚴(yán)重的一類，沉積物中的重金屬直接或間接地對水體及底棲生物致毒致害，并能通過生物富集、生物鏈放大等途徑進(jìn)一步影響到其它水生態(tài)系統(tǒng)安全以及人類健康[1]。如人體攝入過量的鋅則會出現(xiàn)胃腸炎、貧血、高血壓、冠心病，攝入過量鉻會導(dǎo)致肝腎受損、鼻穿孔、肺癌等等，因而去除底泥中重金屬已成為污染底泥處理處置領(lǐng)域關(guān)注和探索的熱點問題[2]。

基于硫氧化細(xì)菌催化和生物產(chǎn)酸原理的生物瀝浸是近10年發(fā)展起來的一種行之有效的固體廢物脫毒新方法[3]。瀝浸體系的氧化還原電位通常大幅上升，pH值從初始的偏堿性降至2.0左右或者以下，ORP數(shù)值則反之升高。就處理成本而言，底泥固體濃度越高，越有利于瀝浸處理成本的降低，但瀝浸周期會相應(yīng)延長且重金屬最終去除率難以保證[4]，選擇適宜的固體濃度對底泥瀝浸處理十分必要。因此，本研究通過序批式搖床，比較不同固體濃度下（3%～13%）污泥底泥中Zn、Cu和Cr生物瀝浸去除效果。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

采用杭州市蔣村港、義橋、九堡、采荷等河段進(jìn)行河道沉積物中重金屬（Cu、Zn、Cd）含量的測定，具體監(jiān)測指標(biāo)如表1所示。實驗結(jié)果表明，各河道底泥中重金屬均超過上覆水體，Cu能達(dá)到《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB15618-1995）中的三級標(biāo)準(zhǔn)，而Cd和Zn有不同程度的超標(biāo)。

表1 杭州部分河道底泥重金屬污染監(jiān)測數(shù)據(jù)

1.2 實驗過程

不同污泥濃度對河道底泥中重金屬去除的生物瀝浸效果分析實驗工作流程主要包括以下幾步：污泥馴化～底泥處理～底泥與污泥不同濃度進(jìn)行配比，加入升華硫并混合，進(jìn)行搖床實驗～離心過濾待測～補充蒸餾水，再重復(fù)進(jìn)行。

（1）污泥馴化過程，取杭州市七格污水處理廠二沉池污泥，放入反應(yīng)器，加水，投加營養(yǎng)物質(zhì)，然后開始曝氣，監(jiān)測0h、2h、4h、6h……并測定其初始pH值，pH變化至2為止，記錄下具體數(shù)值。

（2）底泥處理過程，將混合河道泥土放入烘箱烘12小時，研缽研磨，過100目篩子后放入干燥皿，根據(jù)要求分別稱重底泥和量取污泥。

（3）除空白樣外，其他樣品中均加入3g/L升華硫的單質(zhì)硫進(jìn)行培養(yǎng)，溶液配至150mL。將準(zhǔn)備好的樣品放入搖床（溫度28攝氏度，轉(zhuǎn)速200r/min），12小時后，取出錐形瓶，靜止半小時。倒出5mL樣品到小燒杯中，測量pH和ORP。

（4）將待測液進(jìn)行離心。過濾后，將濾液存入冷藏箱內(nèi)待測。

（5）將離心管中剩余污泥和燒杯中的剩余樣品用蒸餾水沖洗2次～3次，倒入錐形瓶中，補水至150mL，進(jìn)行搖床。適時用pH計測試，若下降一個單位，則重復(fù)上述步驟。直至pH降到2以下，實驗停止。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，應(yīng)用圖表分析對各組實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和對比。

2 結(jié)果與分析

2.1 pH數(shù)據(jù)的變化

分別以3%、5%、8%、10%和13%的固體濃度進(jìn)行樣品實驗，不同污泥濃度情況下，底泥與污泥的配比為95%+5%，并增加空白（固體濃度5%，100%底泥）監(jiān)測其水樣中pH的變化趨勢。

發(fā)現(xiàn)隨著嗜硫菌的培養(yǎng)，溶液中的pH逐漸從8左右下降。除空白外，樣品前3天pH急劇下降，第4天慢慢開始趨向于平衡，逐步達(dá)到最低，含固量越低的樣品，pH下降的越快越多，最后趨于平穩(wěn)。

2.2 ORP數(shù)據(jù)的變化

同步進(jìn)行ORP數(shù)據(jù)的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)隨著時間嗜硫菌的培養(yǎng)，溶液中的ORP逐漸從0上升。除空白外，樣品前3天ORP急劇上升，第4天慢慢開始趨向于平衡，逐步達(dá)到最高，ORP可穩(wěn)定在350左右；含固量越低的樣品，ORP上升的越快越多，最后趨于平穩(wěn)。

2.3 重金屬去除量的結(jié)果分析

圖1 溶液中Cr的析出量

圖2 溶液中Cu的析出量

對固量3%、5%、8%、10%、13%和空白這六個樣品進(jìn)行離心過濾，取出5mL溶液進(jìn)行水中重金屬的測定，檢測土壤中重金屬析出量。

2.3.1 底泥樣品中Cr的析出量分析

由圖1溶液中Cr的析出量圖所示，含固量3%、5%、8%、10%和13%的樣品，從第5天開始溶液中Cr的析出量上升。第5天至第7天，含固量為3%和5%的樣品溶液中Cr的析出量上升速度較快。5天后，含固量為3%的樣品溶液中Cr的析出量上升平緩，穩(wěn)定在0.25mg/L左右；5天后，含固量為8%的樣品溶液中Cr的析出量仍持續(xù)，至第12天，保持在最高值0.35mg/L左右。含固量8%、10%和13%的樣品，在第5天至第10天溶液中Cr的析出量持續(xù)上升，之后振蕩上升，特別是含固量為13%的樣品，后期上升速度越快，逐步與含固量為5%的樣品液中Cr的析出量持平。所有樣品達(dá)到Cr的析出量最大值，之后保持穩(wěn)定至第18天，逐步緩慢下降。

由此可見：含固量越高的樣品短時間（7天以內(nèi)）Cr析出量變化不大，但7天以后，含固量越高的樣品Cr析出量上升越快，而且越長時間保持析出量高位的穩(wěn)定，逐步接近含固量為5%的樣品。因此建議對金屬Cr進(jìn)行析出實驗，采用含固量5%較為適宜。

2.3.2 底泥樣品中Cu的析出量分析

從圖2溶液中Cu的析出量圖所示，含固量3%、5%、8%、10%和13%的樣品，從第4天開始溶液中Cu的析出量上升，含固量較大，上升速度較快，至第9天，所有樣品達(dá)到Cu的析出量最大值，之后溶液中Cu析出量保持高位至第18天，逐步緩慢下降。在第8天至第18天中，含固量越高的樣品，Cu的析出量越大。

由此可見：含固量越高的樣品短時間（7天以內(nèi)）Cu析出量變化不大，但7天以后，含固量越高的樣品Cu析出量越高，而且越長時間保持析出量高位的穩(wěn)定。因此建議對金屬Cu進(jìn)行析出實驗，采用含固量為較高為宜。

2.3.3 底泥樣品中Zn的析出量分析

從圖3溶液中Zn的析出量圖所示，含固量3%、5%、8%、10%和13%的樣品，從第4天開始溶液中Zn的析出量上升，含固量較大，上升速度較快，至第9天，所有樣品達(dá)到Zn的析出量最大值，之后保持高位緩慢下降至第18天。在第8天至第18天中，含固量越高的樣品，Zn的析出量越大。

由此可見：含固量越高的樣品短時間（7天以內(nèi)）Zn析出量變化不大，但7天以后，含固量越高的樣品Zn析出量越高，而且越長時間保持析出量高位的緩慢下降。因此建議對金屬Zn進(jìn)行析出實驗，采用含固量為較高為宜。

3 實驗結(jié)論

（1）隨著含固量的減少，底泥pH下降和ORP上升速率加快。含固量增加時重金屬析出量一直升高。當(dāng)pH和ORP趨于平衡后，重金屬析出量也會穩(wěn)定析出，達(dá)到飽和后才會下降?？梢妏H和ORP的變化與重金屬析出量的變化有一定的關(guān)系。

圖3 溶液中Zn的析出量

（2）由實驗可知，不同的含固量情況下，樣品中Cr、Cu和Zn的重金屬溶出量各不相同。

（3）從Cr析出量可以看出：含固量5%的樣品中Cr的析出量效果最好，從Cu和Zn析出量可以看出：含固量越大，樣品中Cu和Zn析出量效果越好。同時可從圖中表明，Cr、Cu和Zn的析出量在第4-5天開始快速上升，在第9天～10天達(dá)到最高值，之后持續(xù)穩(wěn)定可保持到第18天，由此可見Cr、Cu和Zn的析出實驗可持續(xù)13天左右。