废水污泥中重金属的浸出特性研究

廖世国,黄启飞,周在江,向 斌

废水污泥中重金属的浸出特性研究

廖世国1,黄启飞2,周在江1,向 斌3

(1.重庆市固体废物管理中心,重庆400020;2.中国环境科学研究院,北京100012; 3.重庆大学化学化工学院,重庆400030)

应用固体废物浸出毒性浸出方法—硫酸硝酸法(HJ/T299-2007)和固体废物浸出毒性浸出方法—醋酸缓冲溶液法(HJ/T300-2007)对废水处理污泥进行了浸出实验,并讨论了浸提剂、样品粒径对重金属浸出的影响。结果表明:样品中Zn、Pb和Ni的含量很高,Cr和Cu的含量较低;醋酸缓冲溶液浸提剂的提取效果优于HNO3/H2SO4浸提剂;重金属浸出毒性与样品粒径有密切关系,固体废物颗粒越小,浸出毒性越大。

固体废物;重金属;浸出

固体废物是指在生产、经营、生活和其他活动中产生的各种固态、半固态和高浓度液态废物[1]。由于性质不同,固体废物又可分为工业固体有害废物、放射性废物、生活垃圾和一般废旧物资。固体废物在填埋、堆放或综合利用过程中,由于受到雨水、地下水或地表水的淋漓或浸透,使其中的污染物质进入水体和土壤,因此重金属的浸出不容忽视[2]。浸出是固体废物中有害物质进入环境的主要途径,浸出实验是对浸出过程的实验室模拟,受到各种物理、化学和生物因素影响,主要有:样品本身的物理、化学性质,如样品的种类、粒径、形态、化学组分及pH等;与浸出体系相关的因素,如浸出过程混合液的pH,氧化还原电势,离子强度和共存组分的影响等;设计的实验过程,如浸提时间、液固比(L/S)、振荡方式等[3]。

1 实验部分

1.1 实验材料

污泥样品采自重庆市某汽车有限公司废水处理车间,样品采集后置于带塞磨口玻璃瓶内,并于4℃下保存。

1.2 仪器和试剂

翻转式搅拌器(美国),PHB-25B型数显酸度计(上海法兰朵科技公司),180-80型塞曼原子吸收分光光度计(日本日立公司)。

NaOH(分析纯),HNO3/H2SO4浸提剂:将质量比为2∶1的浓硫酸和浓硝酸混合液加入到试剂水中,使p H值为3.20±0.05;酸缓冲溶液浸提剂:加5.7 mL冰醋酸至试剂水中,加64.1 mL 1 mol/L的NaOH,稀释至1 L,使p H为4.93±0.05。

1.3 实验方法

1.3.1 重金属全量分析

全量浸提采用微波消解制样,重金属含量利用原子吸收分光光度计测定。

1.3.2 浸出实验

重金属浸出毒性分析实验参照《固体废物浸出毒性浸出方法-翻转法》(GB5086.1-1997),分别配制HNO3/H2SO4和醋酸缓冲溶液作为浸提剂,对样品进行浸出处理。具体方法简述如下:

称取污泥样品置于提取瓶内,加入浸提剂,盖紧瓶盖后固定在翻转式振荡器上,调节转速为30±2 r/min,在室温下翻转搅拌18 h后取下浸取容器,静置30 min,在预先安装好滤膜(0.45μm)的过滤装置上过滤,收集全部滤液即为浸出液,于4℃下保存待测。

2 结果与讨论

2.1 污泥重金属含量特征

对废水处理污泥中Zn、Cr、Pb、Ni和Cu等五种元素进行了全量分析,分析结果如表1所示。从表1中可以看出,样品中Zn,Pb和Ni含量含量较高,其中锌含量最高,达2317 mg/kg。表1同时给出了国内(1994-2001年)报道的城市污水污泥中重金属含量的均值。比较发现,废水处理污泥中Zn、Pb和Ni的含量都高于城市污水污泥中的含量,尤其是Ni,在废水处理污泥中的含量为1581 mg/kg,约为城市污泥污泥中的20倍。而Cr和Cu的含量则远低于城市废水污泥中的含量。因此应将此类固体废物妥善处理,以免对人类和自然环境造成危害。

表1 重金属含量 mg/kg

2.2 浸提剂对浸出毒性的影响

浸出过程的实质就是浸提剂对固体样品中物质的一个溶解过程,即可溶性组分溶解后,从固相进入液相的一个过程。醋酸是在城市生活垃圾渗滤液中发现的最为普遍的酸性物质,其缓冲作用和络合作用是导致废物中金属浸出的重要因素,因此,对于模拟共处置假设的环境选用醋酸缓冲溶液为浸提剂是合理的。另一方面,废物中污染物浸出的液相可能来自降雨、地表水和地下水,其中降雨是最普遍的液相来源,而且,重庆市是我国典型的酸雨区,降雨的酸度会增加废物中金属组分的浸出率,大气中的SO2和NOX是造成酸沉降的主要原因,因此也可以选用HNO3/H2SO4作为浸提剂,模拟酸沉降对废物及土壤中污染物浸出的影响。

本文分别采用上述两种浸提剂,利用翻转法对上述样品进行了浸出毒性实验,并测定了浸出液中Zn、Cr、Pb、Ni和Cu五种金属元素的含量,分析结果如下表2所示。从表2中可以看出,醋酸缓冲溶液浸出体系对Zn、Ni和Cu的浸出量大于 HNO3/ H2SO4浸出体系。重金属Cr和Pb浸出量很小,在两种浸出体系中均未检测到。废水污泥中重金属Zn的含量较高,浸出毒性大。

表2 不同浸提剂中重金属的浸出量 mg/L

2.3 粒径对浸出毒性的影响

目前,国内外尚未统一规定固体废物试样的粉碎程度。本实验将样品破碎后,分别过孔径为0.3, 0.5和2.0 mm的不锈钢筛,取过筛后的样品,加入HNO3/H2SO4浸提剂盖紧瓶盖后固定于翻转振荡器上,以(30±2)r/min振荡(18±2)h,过滤并收集浸出液。分析结果如表3所示。从表3中可看出,随着粒径的减小,Zn和Cu的浸出毒性增加,当粒径>0.3 mm时,Cr、Pb和Ni未被检测出。以上结果也表明重金属浸出毒性与样品颗粒大小有着明显关系。样品颗粒的表面积/体积比、平均大小和材料内部的孔隙结构决定着从固相到液相的溶解所处的表面积。颗粒的粒径小则表面积大,和浸提剂的接触就会增加,可浸出组分与浸提剂的接触也会增加,从而使浸出量有所增加。

表3 粒径对样品中重金属浸提的影响 mg/L

3 结论

3.1 样品中Zn,Pb和Ni含量较高,Cr和Cu的含量相对较低。废水处理污泥应合理处理后才能排入环境。

3.2 醋酸缓冲溶液浸提剂的提取效果优于 HNO3/ H2SO4浸提剂。

3.3 重金属浸出毒性与样品粒径有密切关系,固体废物颗粒越小,浸出毒性越大。

[1] 国家环境保护局.中国环境保护21世纪议程[M].北京:中国环境科学出版社,1995.

[2] Eija Schultz,Kati Vaajasaari,Anneli Joutti,et al.Toxicity of industrial wastes and waste,leaching test eluates containing organic compounds[J].Ecotoxicology and Environmental Safety,2002,52:248-255.

[3] Pia Lassen,Mette E Poulsen,Frank Stuer-Lauridsen,et al. Leaching of selected PAH’s and hetero-analogues from an organic matrix into synthetic ground water,influence of dissolved humic material[J].Chemosphere,1997,34(2):335-344.

[4] 陈同斌,黄启飞,高定,等.中国城市污泥的重金属含量及其变化趋势[J].环境科学学报,2003,23(5):561-569.

Study on Leaching Characteristics of Heavy Metals in Wastewater Sludge

LIAO Shi-guo1,HUANG Qi-fei2,ZHOU Zai-jiang1,XIANGBin3

The test of the leaching toxicity of wastewater sludge was carried out by employing the“Solid waste-extraction procedure for leaching toxicity-sulphuric acid&nitric acid(HJ/T299-2007)”and“Solid waste-extraction procedure for leaching toxicity-acetic acid buffer solution(HJ/T299-2007)”of China,respectively.And the effects of extractant and particle size were discussed.The results showed that the contents of Zn,Pb and Ni were relatively higher than those of Cr and Cu in wastewater sludge.The leaching of heavy metal in acetic acid buffering solution was better than that in HNO3/H2SO4solution.The leaching toxicity of heavy metal is related to the particle size. The smaller the particle size is,the greater the leaching toxicity is.

wastewater sludge;heavy metals;leaching

(1.Chongqing Solid Waste Management Center,Chongqing 400015,China; 2.Chinese Research Academy of Environment Sciences,Beijing 100012,China; 3.College of Chemistry and Chemical Engineering,Chongqing University,Chongqing 400030,China)

X703.1

A

1674-2842(2010)01-0024-02

2009-05-11

廖世国(1966-),男,高级工程师,硕士,从事环境保护研究。