穩(wěn)定劑對(duì)重金屬鉛污染污泥的穩(wěn)定效果研究

【摘 " "要】：選用碳酸鈣、羥基磷灰石和海泡石3種穩(wěn)定劑對(duì)污泥中重金屬鉛進(jìn)行穩(wěn)定化處理，分析其穩(wěn)定機(jī)理和效果。結(jié)果表明：污泥重金屬鉛的浸出穩(wěn)定率海泡石gt;碳酸鈣gt;羥基磷灰石，穩(wěn)定后鉛的殘?jiān)鼞B(tài)所占比例碳酸鈣gt;羥基磷灰石gt;海泡石；綜合來(lái)看各類(lèi)穩(wěn)定劑對(duì)重金屬鉛的穩(wěn)定作用海泡石gt;碳酸鈣gt;羥基磷灰石。

【關(guān)鍵詞】：污泥；鉛；海泡石；碳酸鈣；羥基磷灰石；穩(wěn)定劑

【中圖分類(lèi)號(hào)】：X703 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】：A 【文章編號(hào)】：1008-3197（2024）05-47-03

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2024.05.013

Effect of Stabilizers on the Stabilization of Heavy Metal

Lead-Contaminated Sludge

PENG Jinli1，ZHANG Hui1

（Tianjin Capital Environmental Protection Group Co. Ltd.，Tianjin 300381， China）

【Abstract】： In this paper， three different types of stabilizers， calcium carbonate， hydroxyapatite， and sepiolite， were used to stabilize heavy metal Pb in sludge， and analyze its stabilization mechanism and effect. The results show that the leaching stability rate of heavy metal Pb in sludge under the stabilization of the three stabilizers is Sepiolite gt; CaCO3 gt; HAP， and the proportion of residual state of Pb after the stabilization of the three stabilizers is CaCO3 gt; HAP gt; Sepiolite. In summary， the stabilizing effect of the three stabilizers on heavy metal Pb in descending order is Sepiolite gt; CaCO3 gt; HAP.

【Key words】： sludge；lead； sepiolite；calcium carbonate；hydroxyapatite；stabilizer

城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)污泥資源農(nóng)業(yè)利用符合我國(guó)農(nóng)業(yè)大國(guó)國(guó)情，但重金屬污染是制約污泥農(nóng)用的重要因素[1]。鉛污染是工業(yè)廢水的污染源之一，通過(guò)吸附、沉淀、絡(luò)合等方式逐漸累積在城鎮(zhèn)污水廠(chǎng)污泥中，導(dǎo)致城鎮(zhèn)污水廠(chǎng)污泥重金屬鉛污染嚴(yán)重。污泥是否能夠土地資源利用主要由污泥中重金屬鉛的活性決定。

本文采用室內(nèi)模擬試驗(yàn)的方法，分別研究了碳酸鈣、羥基磷灰石和海泡石3種穩(wěn)定劑對(duì)供試污泥中重金屬鉛污染的穩(wěn)定機(jī)理及穩(wěn)定效果，為污泥重金屬污染修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

污泥試驗(yàn)樣品采自天津某污水處理廠(chǎng)，樣品經(jīng)過(guò)自然風(fēng)干、搗碎、剔除雜物過(guò)3 mm尼龍篩后裝于自封袋中備用，pH值為7.7左右，有機(jī)分為45.6%。穩(wěn)定劑石灰石和羥基磷灰石為試劑級(jí)，海泡石為工業(yè)級(jí)。

1.2 小試試驗(yàn)方案

取500 g污泥樣品于花盆中，碳酸鈣、羥基磷灰石海泡石按污泥干重的一定比例投加。同時(shí)設(shè)置空白對(duì)照組 （CK） ，每種穩(wěn)定劑以懸濁液的形式與污泥充分?jǐn)嚢杌靹颍恳粯悠肪O(shè)置2組平行組，每天通過(guò)添加去離子水保持污泥樣品含水率50%左右不變，21 d后采用四分法取樣進(jìn)行浸出毒性及重金屬形態(tài)分析。

1.3 分析項(xiàng)目及方法

污泥重金屬鉛含量的測(cè)定采用CJ/T 221—2005《城市污水處理廠(chǎng)污泥檢驗(yàn)方法》中微波高壓消解后電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測(cè)定；污泥中重金屬浸出量通過(guò)HJ/T 299—2007《固體廢物浸出毒性浸出方法-硫酸硝酸法》提??；采用歐洲標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試分析委員會(huì)推薦的BCR三態(tài)連續(xù)提取法[2～4]研究污泥樣品中重金屬鉛的形態(tài)分布。

浸出穩(wěn)定率是穩(wěn)定劑穩(wěn)定作用前后用重金屬浸出濃度的高低衡量重金屬穩(wěn)定性的指標(biāo)。穩(wěn)定后重金屬的浸出濃度越低，穩(wěn)定率越高，穩(wěn)定效果越好。

[η=Ca-CbCa×100%] （1）

公式中：η為浸出穩(wěn)定率，%；Ca為未加穩(wěn)定劑的供試污泥中重金屬浸出濃度，mg/L；Cb為加入穩(wěn)定劑的供試污泥中重金屬浸出濃度，mg/L。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同穩(wěn)定劑對(duì)鉛浸出穩(wěn)定率的影響

按照污泥干重的5%投加3種穩(wěn)定劑到污泥樣品中。3種穩(wěn)定劑均具有較好的穩(wěn)定化作用，對(duì)鉛的浸出穩(wěn)定率海泡石gt;碳酸鈣gt;羥基磷灰石。海泡石對(duì)鉛的穩(wěn)定效果最好，將近100%；其次，是碳酸鈣，對(duì)重金屬鉛浸出穩(wěn)定率為90%；羥基磷灰石對(duì)重金屬鉛浸出穩(wěn)定率在80%左右。見(jiàn)圖1。

2.2 不同穩(wěn)定劑對(duì)污泥中鉛的形態(tài)影響

投加不同穩(wěn)定劑穩(wěn)定后，污泥樣品中重金屬鉛的殘?jiān)鼞B(tài)具有一定程度的增加，表明污泥樣品中鉛的形態(tài)通過(guò)穩(wěn)定化作用向更為穩(wěn)定形態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)化。在5%投加比例下，碳酸鈣穩(wěn)定處理后重金屬鉛的穩(wěn)定態(tài)為75%左右，羥基磷灰石穩(wěn)定處理后重金屬鉛的穩(wěn)定態(tài)為72%左右，而海泡石穩(wěn)定處理后重金屬鉛的穩(wěn)定態(tài)則在65%左右，3種穩(wěn)定劑穩(wěn)定后鉛的殘?jiān)鼞B(tài)占比碳酸鈣gt;羥基磷灰石gt;海泡石。3種穩(wěn)定劑均會(huì)使污泥中鉛的形態(tài)向穩(wěn)定形態(tài)轉(zhuǎn)化，進(jìn)而使之浸出穩(wěn)定率提高，但形態(tài)轉(zhuǎn)化與浸出穩(wěn)定率增長(zhǎng)的規(guī)律并不完全一致，這是因?yàn)槊糠N穩(wěn)定劑對(duì)重金屬鉛的作用機(jī)理不同。見(jiàn)圖2。

2.3 討論

3種穩(wěn)定劑生成穩(wěn)定形態(tài)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性各不相同。海泡石是一種硅酸鎂黏土，由二層硅氧四面體片之間夾一層金屬陽(yáng)離子八面體交替組成，有巨大比表面積，具有較強(qiáng)的表面吸附能力[5]，其投加到污泥后首先吸附污泥中鉛離子或絡(luò)合物，使其活性和擴(kuò)散性大大減弱；之后會(huì)將鉛離子吸持在層間的晶架結(jié)構(gòu)內(nèi)而成為固定離子[6]，并通過(guò)配合作用使重金屬鉛從活性高的不穩(wěn)定態(tài)向穩(wěn)定的殘?jiān)鼞B(tài)轉(zhuǎn)化，生成硅酸鹽，反應(yīng)方程式[7]

[SiOH+Pb2+=SiOPb++H+或SiO-+Pb2+=SiOPb+]

[SiOH+PbOH+=SiOPbOH+H+或SiO-+PbOH+=SiOPbOH]

[SiOH+Pb2+=SiOPb++H+或2SiO-+Pb2+=（SiO）2Pb]

碳酸鈣因呈堿性，投加后可增加污泥表面顆粒負(fù)電荷，提高污泥pH值，增強(qiáng)其對(duì)重金屬離子的吸附能力和結(jié)合能力，降低重金屬的解吸[8～10]；同時(shí)，污泥中OH-和CO32- 增多與鉛生成碳酸鹽或氫氧化物沉淀，使污泥中不穩(wěn)定態(tài)重金屬向更穩(wěn)定、更復(fù)雜的形態(tài)轉(zhuǎn)化，進(jìn)而降低重金屬鉛活性[11]。

羥基磷灰石對(duì)污泥中重金屬對(duì)鉛的穩(wěn)定主要有穩(wěn)定劑的溶解和形成礦化物質(zhì)兩個(gè)過(guò)程，反應(yīng)式如下[6]

Ca10（PO4）6X2+12H+=10Ca2++6H2PO4－+2X－

10Pb2++6H2PO4－+2X－= Pb10（PO4）3X2 +12H +

式中：X為Cl、OH等。

可生成穩(wěn)定的鉛-磷酸鹽礦物，如：羥基磷鉛礦Ksp[Pb5（PO4）3Cl]≈ 10-84[12]和氯磷鉛礦Ksp[Pb5（PO4）3OH]≈10-78[13]等，鉛的大部分形態(tài)向殘?jiān)鼞B(tài)轉(zhuǎn)化。

不是重金屬鉛的穩(wěn)定態(tài)轉(zhuǎn)化程度越大，其浸出穩(wěn)定率就越大。海泡石作為黏土型穩(wěn)定劑，對(duì)重金屬鉛的穩(wěn)定原理包括吸附與配合作用；碳酸鈣作為堿性材料，對(duì)重金屬鉛的穩(wěn)定原理為沉淀作用；羥基磷灰石作為磷酸鹽穩(wěn)定劑，對(duì)重金屬鉛的穩(wěn)定原理為礦化作用。由于不同類(lèi)型穩(wěn)定劑的穩(wěn)定原理不同，雖然碳酸鈣與羥基磷灰石的穩(wěn)定作用能使重金屬鉛從其他態(tài)一定程度上向穩(wěn)定態(tài)轉(zhuǎn)化，但其生成穩(wěn)定形態(tài)結(jié)構(gòu)不如海泡石轉(zhuǎn)化的更為穩(wěn)定。

3 結(jié)論

本研究選用了碳酸鈣、羥基磷灰石和海泡石3種不同類(lèi)型穩(wěn)定劑對(duì)污泥中重金屬鉛的穩(wěn)定機(jī)理及其效果進(jìn)行分析。綜合來(lái)看，各類(lèi)穩(wěn)定劑對(duì)重金屬鉛的穩(wěn)定作用海泡石gt;碳酸鈣gt;羥基磷灰石。

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