不同污泥浓度对河道底泥中重金属生物淋洗的影响

陶星名，王宇峰

（1.杭州万向职业技术学院，浙江 杭州 310023；2.浙江卓锦环保科技股份有限公司，浙江 杭州 310004）

重金属具有毒性和持久性，为河流沉积物中污染最严重的一类，沉积物中的重金属直接或间接地对水体及底栖生物致毒致害，并能通过生物富集、生物链放大等途径进一步影响到其它水生态系统安全以及人类健康[1]。如人体摄入过量的锌则会出现胃肠炎、贫血、高血压、冠心病，摄入过量铬会导致肝肾受损、鼻穿孔、肺癌等等，因而去除底泥中重金属已成为污染底泥处理处置领域关注和探索的热点问题[2]。

基于硫氧化细菌催化和生物产酸原理的生物沥浸是近10年发展起来的一种行之有效的固体废物脱毒新方法[3]。沥浸体系的氧化还原电位通常大幅上升，pH值从初始的偏碱性降至2.0左右或者以下，ORP数值则反之升高。就处理成本而言，底泥固体浓度越高，越有利于沥浸处理成本的降低，但沥浸周期会相应延长且重金属最终去除率难以保证[4]，选择适宜的固体浓度对底泥沥浸处理十分必要。因此，本研究通过序批式摇床，比较不同固体浓度下（3%～13%）污泥底泥中Zn、Cu和Cr生物沥浸去除效果。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

采用杭州市蒋村港、义桥、九堡、采荷等河段进行河道沉积物中重金属（Cu、Zn、Cd）含量的测定，具体监测指标如表1所示。实验结果表明，各河道底泥中重金属均超过上覆水体，Cu能达到《土壤环境质量标准》（GB15618-1995）中的三级标准，而Cd和Zn有不同程度的超标。

表1 杭州部分河道底泥重金属污染监测数据

1.2 实验过程

不同污泥浓度对河道底泥中重金属去除的生物沥浸效果分析实验工作流程主要包括以下几步：污泥驯化～底泥处理～底泥与污泥不同浓度进行配比，加入升华硫并混合，进行摇床实验～离心过滤待测～补充蒸馏水，再重复进行。

（1）污泥驯化过程，取杭州市七格污水处理厂二沉池污泥，放入反应器，加水，投加营养物质，然后开始曝气，监测0h、2h、4h、6h……并测定其初始pH值，pH变化至2为止，记录下具体数值。

（2）底泥处理过程，将混合河道泥土放入烘箱烘12小时，研钵研磨，过100目筛子后放入干燥皿，根据要求分别称重底泥和量取污泥。

（3）除空白样外，其他样品中均加入3g/L升华硫的单质硫进行培养，溶液配至150mL。将准备好的样品放入摇床（温度28摄氏度，转速200r/min），12小时后，取出锥形瓶，静止半小时。倒出5mL样品到小烧杯中，测量pH和ORP。

（4）将待测液进行离心。过滤后，将滤液存入冷藏箱内待测。

（5）将离心管中剩余污泥和烧杯中的剩余样品用蒸馏水冲洗2次～3次，倒入锥形瓶中，补水至150mL，进行摇床。适时用pH计测试，若下降一个单位，则重复上述步骤。直至pH降到2以下，实验停止。

1.3 数据分析

采用Excel软件进行数据分析，应用图表分析对各组实验数据进行处理和对比。

2 结果与分析

2.1 pH数据的变化

分别以3%、5%、8%、10%和13%的固体浓度进行样品实验，不同污泥浓度情况下，底泥与污泥的配比为95%+5%，并增加空白（固体浓度5%，100%底泥）监测其水样中pH的变化趋势。

发现随着嗜硫菌的培养，溶液中的pH逐渐从8左右下降。除空白外，样品前3天pH急剧下降，第4天慢慢开始趋向于平衡，逐步达到最低，含固量越低的样品，pH下降的越快越多，最后趋于平稳。

2.2 ORP数据的变化

同步进行ORP数据的监测，发现随着时间嗜硫菌的培养，溶液中的ORP逐渐从0上升。除空白外，样品前3天ORP急剧上升，第4天慢慢开始趋向于平衡，逐步达到最高，ORP可稳定在350左右；含固量越低的样品，ORP上升的越快越多，最后趋于平稳。

2.3 重金属去除量的结果分析

图1 溶液中Cr的析出量

图2 溶液中Cu的析出量

对固量3%、5%、8%、10%、13%和空白这六个样品进行离心过滤，取出5mL溶液进行水中重金属的测定，检测土壤中重金属析出量。

2.3.1 底泥样品中Cr的析出量分析

由图1溶液中Cr的析出量图所示，含固量3%、5%、8%、10%和13%的样品，从第5天开始溶液中Cr的析出量上升。第5天至第7天，含固量为3%和5%的样品溶液中Cr的析出量上升速度较快。5天后，含固量为3%的样品溶液中Cr的析出量上升平缓，稳定在0.25mg/L左右；5天后，含固量为8%的样品溶液中Cr的析出量仍持续，至第12天，保持在最高值0.35mg/L左右。含固量8%、10%和13%的样品，在第5天至第10天溶液中Cr的析出量持续上升，之后振荡上升，特别是含固量为13%的样品，后期上升速度越快，逐步与含固量为5%的样品液中Cr的析出量持平。所有样品达到Cr的析出量最大值，之后保持稳定至第18天，逐步缓慢下降。

由此可见：含固量越高的样品短时间（7天以内）Cr析出量变化不大，但7天以后，含固量越高的样品Cr析出量上升越快，而且越长时间保持析出量高位的稳定，逐步接近含固量为5%的样品。因此建议对金属Cr进行析出实验，采用含固量5%较为适宜。

2.3.2 底泥样品中Cu的析出量分析

从图2溶液中Cu的析出量图所示，含固量3%、5%、8%、10%和13%的样品，从第4天开始溶液中Cu的析出量上升，含固量较大，上升速度较快，至第9天，所有样品达到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，逐步缓慢下降。在第8天至第18天中，含固量越高的样品，Cu的析出量越大。

由此可见：含固量越高的样品短时间（7天以内）Cu析出量变化不大，但7天以后，含固量越高的样品Cu析出量越高，而且越长时间保持析出量高位的稳定。因此建议对金属Cu进行析出实验，采用含固量为较高为宜。

2.3.3 底泥样品中Zn的析出量分析

从图3溶液中Zn的析出量图所示，含固量3%、5%、8%、10%和13%的样品，从第4天开始溶液中Zn的析出量上升，含固量较大，上升速度较快，至第9天，所有样品达到Zn的析出量最大值，之后保持高位缓慢下降至第18天。在第8天至第18天中，含固量越高的样品，Zn的析出量越大。

由此可见：含固量越高的样品短时间（7天以内）Zn析出量变化不大，但7天以后，含固量越高的样品Zn析出量越高，而且越长时间保持析出量高位的缓慢下降。因此建议对金属Zn进行析出实验，采用含固量为较高为宜。

3 实验结论

（1）随着含固量的减少，底泥pH下降和ORP上升速率加快。含固量增加时重金属析出量一直升高。当pH和ORP趋于平衡后，重金属析出量也会稳定析出，达到饱和后才会下降。可见pH和ORP的变化与重金属析出量的变化有一定的关系。

图3 溶液中Zn的析出量

（2）由实验可知，不同的含固量情况下，样品中Cr、Cu和Zn的重金属溶出量各不相同。

（3）从Cr析出量可以看出：含固量5%的样品中Cr的析出量效果最好，从Cu和Zn析出量可以看出：含固量越大，样品中Cu和Zn析出量效果越好。同时可从图中表明，Cr、Cu和Zn的析出量在第4-5天开始快速上升，在第9天～10天达到最高值，之后持续稳定可保持到第18天，由此可见Cr、Cu和Zn的析出实验可持续13天左右。