城市污泥中重金属的去除及稳定化技术研究进展.

城市污泥中重金属的去除及稳定化技术研究进展

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张惠芳

孙

玲

蔡申健

孙钦花

（徐州工程学院环境工程学院，江苏徐州221008）

摘要：降低城市污泥中重金属含量及其生物有效性是污泥土地利用中的关键问题。介绍了城市污泥中重金属的含量和化学形态分布，重点阐述了重金属的稳定化及去除方法，包括堆肥处理、化学溶液清洗法、生物淋滤法和电动修复等。关键词：城市污泥；重金属；化学形态；稳定化；去除

DOI ：10.13205/j．hjgc．201412019

ＲESEAＲCH PＲOGＲESS ON IMMOBILIZATION AND ＲEMOVAL OF HEAVY

METALS FＲOM MUNICIPAL SLUDGE

Zhang Huifang

Sun Ling

Cai Shenjian

Sun Qinhua

（College of Environmental Engineering ，Xuzhou Institute of Technology ，Xuzhou 221008，China ）

Abstract ：Ｒeducing the total amount and bioavailability of heavy metals from municipal sludge is the key question to its land application．Distribution and forms of heavy metals in municipal sludge and several major control measures of heavy metals from municipal sludge are introduced ，including sewage sludge compost ，chemical solution leaching ，bioleaching and electrokinetic extraction ，etc．

Keywords ：municipal sludge ；heavy metal ；chemical form ；immobilization ；removal

*江苏省高校自然科学研究项目（13KJD610002）；徐州市科技计划项目（XZZD1214）；住房与城乡建设部科技项目（2012-K7-12）。收稿日期：2014－03－04

城市污泥是污水处理过程中产生的副产物，含有丰富的有机质和植物营养元素，对多种植物均有增产效果，但是污泥中的病原菌和虫卵、难降解有机毒物，尤其是重金属是限制其农用的主要障碍。长期大量施用会造成土壤重金属积累，不但影响植物生长，而且重金属通过植物吸收进一步危害人畜健康［1］

。重

金属对环境的危害不仅与其总量有关，还与其化学形

态密切相关

［2］

。如何降低污泥中重金属含量及其生

物有效性是污泥土地利用中的关键问题。处理重金属的方法主要有两类：1）通过堆肥及添加钝化剂等稳定化方法改变重金属形态分布，降低重金属有效性；2）采用生物淋滤、电动修复等方式去除污泥中的重金属，减少污泥中重金属的总量。1

城市污泥重金属含量及形态

因污水来源不同，污泥的化学组分差别很大，但一般都含有一定量的Cd 、

Cu 、Pb 、Zn 、Cr 、Ni 、Hg 等重金属。如表1所示，不同国家及地区的污水处理厂污泥重金属含量有很大差别，但总体上，锌的含量相对最高。据报道，在污水经处理过程中，污水中50% 80%的重金属由于物理化学和生物作用将固定在污泥中

［11］

，污水污泥重金属总含量以干重计占0.5%

2.0%，某些情况下可能上升到4%

［12］

。2006年对我国140个城镇污水处理厂污泥中重金属含量调查显示

［5］

，污泥中含量最高的是Zn ，其次是

Cu 和Cr ；毒性较大的Hg 、Cd 含量较低，而各重金属平均值都没有超过我国《农用污泥污染物控制标准》中的对应限值。然而，研究证明，重金属的生物有效性不仅与其总量有关，更与其存在形态密切相关。目前使用较多的重金属形态分析法是Tessier 等提出的，将重金属形态分为可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合

态、硫化物及有机结合态和残渣态［2］

。以可交换态、

碳酸盐结合态和铁锰氧化物结合态存在的重金属具有较高生物有效性，其中可交换态重金属是最易迁移的一种形态。而以有机结合态和残渣态形式存在的重金属一般不会被生物吸收利用。

表1不同污泥中重金属含量

Table1Heavy metals content in municipal sludge from different countries mg/kg

国家Cu Ni Zn Cr Cd Pb参考文献

加拿大180 230037 179354 64066 2021 2.3 1026 465［3-4］

中国21948.7105893.1 2.0172.3［5］

德国27523.383450 1.567.7［6］

印度280 543192 293870 1510102 811041 5491 129［7］

意大利370191500 2.172［8］

西班牙204 33723.2 36.5871 162654.4 3809 2.37 18.3167 223［9］

英国56258.5778159.5 3.5221.5［8］

美国61671128517825170［10］

Alvarez［9］和Fuentis［13］等指出，厌氧污泥中大部分的Cu、Cr和Al都以稳定的有机结合态存在，生物有效性低。Wang等［14］研究得出，在大部分厌氧消化污泥样品中，超过90%的铜和40%的Cr分别以有机结合态存在，而镍和锌主要以可交换态和铁锰氧化物结合态存在。Sccancer等［15］报道指出城市污泥中不稳定态Zn占其总量的48.5%，生物有效性高，而Cu、Pb的不稳定态仅占总量的0.3% 1.6%。赵秀兰［16］、刘敬勇［17］分别对重庆及广州不同来源污水污泥分析，也得到一致结论，重金属Zn的总量和不稳定态的比例都是最高的；然而，李瑞等［18］在对贵州省典型城市污水污泥中的重金属形态分析中得出不同结论：Zn的含量虽是最高的，但其可交换态和铁锰氧化态的比例不足10%，相对安全；污泥中As和Hg均以残渣态的形式存在，可能是高含量的腐植酸和有机质与其结合形成惰性化合物，降低了其迁移能力。

2污泥重金属处理方法

2.1污泥的重金属稳定化方法

污泥中重金属的稳定化是将污泥中易溶、易迁移的重金属形态转变成难溶的或难迁移，并稳定存在于污泥中的形态。

2.1.1堆肥作用

堆肥过程中大量微生物生长繁殖，发生一系列的物理、化学、生物变化，高温阶段产生的代谢热量能有效地杀灭病原体，降低有机污染物及重金属等有害物质的含量。堆肥过程主要通过有机物矿化作用、微生物吸附、腐殖质的络合等作用实现重金属的稳定化［19］。Soumia等［20］研究表明，堆肥能显著降低污泥中锌、铜、镍和铅的总浓度，4种重金属的有效态含量都分别与堆肥过程中有机质和pH值的变化密切相关，而只有锌的生物有效性与其总量呈正相关。Zheng Guo-Di［21］等发现通过强制通风好氧堆肥处理可以可以降低污泥中的Cu、Cr、Ni、Pb等重金属的生物有效性，随着堆肥时间的延长，其效果更加明显，其中主要以碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态与有机物结合态存在的Ni和大部分以有机结合态存在的Cr 都转化为残渣态，使镍和铬的潜在迁移性大大降低。

向污泥中添加适当的调理剂如秸秆、粉煤灰、磷矿粉、沸石和草炭等，能调节城市污泥的含水率、C/N，增加空隙度改善其结构，同时吸附堆体中的重金属，有效降低城市污泥中重金属活性。Qiao［22］发现污泥堆肥中加入赤泥不仅降低了重金属的浸出率和植物的可吸收性，同时也降低了重金属的酸消化提取率，显著提高了重金属的稳定性。孙文彬［23］等研究表明，高温好氧堆肥并添加玉米秸秆有利于Cd的碳酸盐结合态向残渣态转化；添加油菜和水稻秸秆能促进Cr向有机结合态和残渣态转化；添加玉米秸秆能有效降低Pb的碳酸盐结合态含量，而水稻秸秆的添加更有利于Pb向残渣态转化。Wong等［24］将污泥与木屑以鲜重2ʒ1混合，然后分别按0%、0.63%、1%和1.63%（以干重计）加入生石灰进行堆肥，发现加入石灰显著降低了铜、锰、铅和锌4种重金属的可交换态含量和酸提取率，并指出石灰的用量不能超过1%，否则堆肥产品使用后会降低种子发芽率。

2.1.2药剂稳定法

通过加入化学药剂如碱性物质、硫化物或磷酸盐等与污泥中的重金属发生反应生成沉淀，从而使重金属固定在污泥中。加入碱性药剂一方面能调节污泥的pH值，使重金属离子生成难溶的氢氧化物，另一方面，碱性物质能与污泥中的羟基、羧基等官能团发生反应生成碳酸根并进一步与重金属结合生成碳酸盐沉淀，同时也能够增加污泥表面的可变电荷，减弱其对重金属的专性吸附能力［25］。孙颖［26］等用石灰、硅酸盐、硫化物三种药剂对重金属含量较高的工业污泥进行稳定化实验，发现任何一种药剂都不能实现对Zn、Ni、Cu的共同稳定化，当加入10% 20%的石灰

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Solid Waste Treatment and Disposal