固化污泥中重金属的溶出特性

中国科学EE辑:技术科学2009年第39卷第6期::1167~1173www.scichina.comtech.scichina.com1167《中国科学》杂志社SCIENCEINCHINAPRESS固化污泥中重金属的溶出特性张虎元①,王宝②,董兴玲②,冯蕾②,范志明②①兰州大学西部灾害与环境力学教育部重点实验室,兰州730000;②兰州大学资源环境学院,兰州730000*E-mail:zhanghuyuan@lzu.edu.cn收稿日期:2008-09-16;接受日期:2008-12-30国家自然科学基金(批准号:50678075)资助项目摘要固化污泥在天然条件下经受风化作用,其内部碱性物质会不断流失,已被固定的重金属可能会再次溶出.通过酸性中和容量试验和渗透溶滤试验,研究了生活污泥固化体中重金属的溶出特性.酸性中和容量试验结果表明,当浸提液的pH<6时,污泥固化体的酸性化崩解和重金属存在形态的改变会导致重金属大量溶出.渗透溶滤试验结果显示,在渗透初期,部分重金属可以溶解并被渗透液带出固化体,而在渗透的中后期未见重金属溶出.基于以上试验的结果,建立了预测污泥固化体中重金属稳定化时间的数学模型,模拟计算结果说明,与水泥的掺加量相比,降低渗透系数可以更加有效地控制固化体中重金属的稳定性.关键词污泥重金属溶滤模型稳定化时间固化稳定化技术作为污泥处理的主要方法,已得到了广泛应用[1,2].污泥经过水泥固化稳定化处理后,其所含的污染物可以被有效包裹和封闭[3,4].同时,水泥固化剂所营造的碱性环境可以改变污泥中重金属的存在形态,降低重金属的化学活动性[5~7].污泥经过固化处理后可以直接进入填埋场,有效避免了污泥的直接填埋而引起的填埋场力学稳定性问题.但由于污泥固化体本身是一种多孔材料、具有一定的渗透性,在填埋场渗滤液的物理冲刷和化学溶滤作用下,其内部碱性物质不断流失,已被固定的重金属可能会再次溶出[8,9].另外,垃圾填埋场渗滤液中含有大量的微生物,当渗滤液穿过固化体时,其中的微生物可以代谢消耗污泥固化体中存在的有机物,破坏固化体的稳定性,加剧固化体中重金属的再溶出[10,11].因此,必须采用有效的方法对固化体中重金属的溶滤行为进行评价.毒性浸提试验(TCLP)被广泛用于评价固化体中重金属的浸出行为,但在操作过程中由于浸提液相对静止,固化体中溶出的碱性物质使浸提液的最终pH始终维持在较高水平,重金属很难溶出,评价结果很难反映固化体中重金属的真实溶出情况[12,13].酸性中和容量试验(acidneutralizationcapacitytest,ANC)和渗透溶滤试验(flow-throughleachingtest)相结合,可能是评价污泥固化体中重金属溶滤行为的有效方法.在酸性中和容量试验中,通过连续改变浸提液的pH,可以确定重金属的溶出与浸提液pH之间的定量关系[14,15].渗透溶滤试验过程中,渗透液不断流动,固化体内的碱性物质被渗透液带出固化体,较好地模拟了固化体在环境中的溶滤行为[16,17].已有的渗透溶滤试验一般采用pH较低的酸性溶液作为渗透液,这样虽然可以加快试验速度,但试验条件明显偏离天然状态.本文通过酸性中和容量试验确定污泥固化体中重金属的再溶出与浸提液pH之间的定量关系,并计算污泥固化体的有效酸缓冲容量;利用柔性壁渗透仪,进行渗透溶滤试验,以pH=5的盐酸溶液作为渗张虎元等:固化污泥中重金属的溶出特性1168透液,模拟污泥固化体中重金属再溶出特性.在试验数据的基础上建立预测污泥固化体中重金属稳定化时间的数学模型,评价有效酸缓冲容量和渗透系数在控制重金属溶出过程中的地位.1材料与方法1.1材料试验所用污泥为兰州大学污水处理厂所产生的消化污泥,采样后立即测量其基本物理和化学性质,见表1.污泥中可生物降解有机质含量(BDM)参照Zhao[18]的方法测定.试验采用32.5级普通硅酸盐水泥作为固化剂,水泥的化学组成见表2.在室内固化操作过程中,加入适量粒径为0.1~0.25mm的石英砂作为骨料,改善和易性,以制备均匀的试样.为对比不同固化水平条件下重金属的溶出情况,采用3种固化方案即水泥:污泥:石英砂(质量比)分别为1:2:3,1:3:3和1:5:3,依次标记为1,2和3号试样.表1污泥的基本物理和化学性质污泥的基本物理和化学性质基本性质数值含水率w/%50.80密度ρ/g·cm−31.20液限wL/%87.11塑限wP/%53.76pH7.31挥发性固体VS/%27.84可生物降解有机质含量BDM/%12.02Zn/mg·kg−1625.00Cd/mg·kg−123.20表2水泥的化学组成水泥的化学组成化学组成百分含量/%CaO48.51SiO215.04Al2O34.72Fe2O32.32MgO1.09Na2O0