細胞凍融破碎對城市污泥中重金屬浸出濃度的影響

付融冰,王 旌,羅淑華,張長波,羅啟仕 (.上海市環境科學研究院,上海 0033；.四川省大竹縣環境監測站,四川 大竹 63500)

城市污泥中含有大量有害重金屬,因而限制了污泥的資源化利用.重金屬浸出濃度是污泥毒性鑒別的主要手段.城市污泥中也含有大量的微生物和生物絮體,它們在生長代謝過程中通過主動吸收和細胞表面吸附等作用能聚集具有特殊功能的金屬元素[1-5].從細胞結構看,主要有細胞外積累/沉淀、細胞表面吸附/沉淀和細胞內積累等過程[6-8].周立祥等[9]研究表明,生物絮凝體組分是污泥中有效重金屬的主要提供者,占污泥中重金屬總量的66%～84%.因此,污泥中的有機體對重金屬的富集及其分布具有重要影響,隨著有機細胞后續的死亡和分解,污泥中重金屬的形態分布將會發生變化,浸出濃度也會隨之變化.目前,關于這方面的研究較少.

本實驗通過反復凍融的方法對污泥有機細胞進行破碎,考察污泥在細胞破碎前后污泥中,重金屬的浸出濃度和形態分布.采用掃描電鏡和紅外光譜觀察并分析污泥中細胞形貌和EPS成分的變化,探討細胞破碎對污泥重金屬浸出濃度的影響.為城市污泥或其他有機體成分含量高的固體廢物的浸出毒性鑒別,提供深層次的認識,也為城市污泥資源化利用提供新的思路.

1 材料與方法

1.1 實驗污泥

實驗用污泥取自上海市某污水處理廠,為工業廢水和生活污水混合經二級生化處理后產生的脫水污泥.污泥呈黑色,含水率為82%,pH值為7.0.污泥中的鋅、銅、鎳和鉻的含量(以干固體計)較高,分 別 為4223.0mg/kg,1383.1mg/kg,2119.7mg/kg,4639.3mg/kg,鎘和鉛的含量較低,分別為24.2mg/kg,67.5mg/kg.

1.2 實驗方法

1.2.1 污泥細胞破碎方法 污泥細胞破碎采用反復凍融法[10].取800g污泥置于2L的塑料燒杯中,在-25℃下冷凍 6 h后,轉入水浴鍋中以50℃融解,如此反復4次.將經反復凍融處理后的污泥在通風處風干后研磨,過2mm 篩.以原始風干污泥作為對照,進行重金屬浸提實驗.實驗設3個平行樣,所得結果為3組平行樣的平均值.

1.2.2 重金屬浸出濃度測定 采用美國環境保護署頒布的TCLP方法[11],測定污泥中重金屬的浸出濃度.用pH2.88的醋酸溶液對污泥樣品進行浸提,固液比(質量體積比)為1:20,在30r/min轉速下浸提18～20h.

1.2.3 重金屬總量及形態分布分析 取過100目篩的風干污泥1 g,采用HNO3-HClO4-HF體系消解法[12]對污泥樣品進行消解,測定污泥中重金屬的總量.取過100目的風干污泥1g,采用七步分析方法(表1)測定重金屬的形態分布[13].用原子吸收儀(novAA400型,德國,耶拿公司)測定處理后的溶液中重金屬濃度.

1.3 污泥細胞形貌觀察及結構分析

采用掃描電子顯微鏡(GSM 6380 LV,日本,Jeol)對污泥細胞形貌進行觀察,采用紅外光譜分析儀(D/max 2550VB/PC,日本,Rigaku)對污泥中細胞EPS各有機基團進行測定.

表1 污泥重金屬形態分布及提取方法Table 1 The fractionation of heavy metals and the extraction methods

2 結果與討論

2.1 細胞破碎處理前后污泥重金屬浸出濃度的變化

原始污泥的重金屬浸出濃度及污泥經細胞破碎處理后重金屬的浸出濃度如表2所示.

表2 反復凍融前后重金屬的浸出濃度變化(mg/L)Table2 Leaching concentration of heavy metals before and after freezing and thawing (mg/L)

由表2可知,原始污泥中的鋅和鎳的浸出濃度的絕對值較高,分別為28.9mg/L和46.7mg/L.其他重金屬的浸出濃度均很小,鉻、鎘和銅的浸出濃度分別為0.04,1.1,0.4mg/L,污泥中鉛的浸出濃度未檢出.

污泥在經過反復凍融處理后,各重金屬的浸出濃度均發生了變化.鋅的浸出濃度增大至 31.7 mg/L,比原始污泥增大了 9.7%,鎳的浸出濃度增大至49.1mg/L,比原始污泥增大了5.1%.而鉻、鎘和銅的浸出濃度也分別增大至 0.05 mg/L、1.2mg/L和0.6mg/L,比原始污泥中的浸出濃度分別提高了25%、9%和50%.

由此可見,污泥在經過細胞破碎處理后,其重金屬的浸出濃度均增大.這些都可能與污泥在反復凍融處理后,污泥中微生物細胞不同程度的破碎有關.

2.2 細胞破碎前后污泥中重金屬的形態分布變化

原始污泥中,鋅和鎳的不穩定態(包括離子交換態、碳酸鹽結合態和無定型氧化錳結合態)比例相對較高,分別為13.5%和32.7%,這也是原始污泥中鋅和鎳浸出濃度較高的主要原因.其他重金屬的不穩定態均未檢出或很小.由此可見,污泥中重金屬的浸出濃度主要取決于重金屬在污泥中的形態分布.

如圖 1,經過反復凍融處理后,鋅和鎳的不穩定形態(包括離子交換態、碳酸鹽結合態和無定型氧化錳結合態)由原來的13.5%和32.7%分別增加到20.4%和37.9%.其中,鋅和鎳的離子交換態分別增加了 0.81%和0.54%,碳酸鹽結合態增加了 3.1%和3.6%,無定型氧化錳結合態增加了3.0%和1.1%.污泥經過細胞破碎處理后,各重金屬有機態均有所減少,其中鋅、鎳、鉻和銅的有機態分別減少了 4.2%、8.2%、1.2%和5.1%.由此可見,污泥在經過細胞破碎處理后,由于污泥微生物的消亡和有機化合物的減少,以這一部分形態即有機態存在的重金屬發生了改變,并進而轉化成了其他的結合態,這也是各重金屬浸出濃度增加的主要原因.由圖亦可知,鉻與銅在污泥中主要以有機態存在,分別占63.0%和56.8%,因此,盡管這 2種重金屬的有機態減少的比例不高,但對其浸出濃度的影響仍然很大,這從浸出濃度實驗的結果分析中可以看出.

圖1 細胞破碎前后污泥重金屬的形態分布Fig.1 Fractionation of heavy metals before and after cell fragmentation

2.3 污泥細胞的掃描電鏡分析

反復凍融法是由于細胞在冷凍及融解的過程中,細胞體內外形成較大而尖銳的冰晶,對細胞的結構產生物理性損傷,使細胞的完整性受到破壞,從而使胞內物質釋放出來[14].采用掃描電子顯微鏡對原始污泥及經細胞破碎處理的污泥進行觀察.如圖2和圖3所示,污泥中的微生物細胞由于反復凍融處理發生了形態上的變化,塌陷的細胞數量更多,塌陷程度也更加嚴重,這說明了污泥中部分微生物細胞的消亡.

圖2 原始污泥的掃描電鏡圖Fig.2 SEM pictures of the untreated sludge

圖3 凍融污泥的掃描電鏡圖Fig.3 SEM pictures of the sludge after freezing and thawing

2.4 污泥的紅外光譜分析

胞外聚合物是在一定環境條件下,由微生物分泌于體外的一些高分子聚合物,這些高分子物質包括多糖、蛋白質和核酸等[15-17].在紅外光譜圖中,特征明顯的強頻段表示蛋白質和多聚糖基團;強度較弱頻段表示其他基團,如羧基、糖醛酸、腐植酸;指紋區可能表明核酸中的磷酸鹽的存在[18-19].表3為紅外光譜觀察到的污泥中主要化合物及基團.

表3 紅外光譜觀察到的污泥中主要化合物及基團Table 3 Main function groups observed in IR spectra

由圖4可見,在經過反復凍融處理過后,污泥中的有機化合物和基團發生了變化.其中,位于1570～1530cm-1波 段 的蛋 白 質,位 于 1400～1395cm-1的羧酸,位于 1150～1030cm-1的多聚糖均減少.污泥中可能含有其它有機污染物質,但通過反復凍融的物理方法很難將其分解.因此這些減少了的有機基團很可能是污泥中胞外聚合物所含有的.說明污泥中在經過反復凍融處理后性質發生了改變,組成胞外聚合物的有機基團含量減少.這與經過細胞破碎處理的污泥中有機態的重金屬含量減少是一致的,說明隨著污泥中有機細胞的衰亡和分解,重金屬的分布形態和浸出濃度確實會發生變化.

圖4 細胞破碎前后污泥的紅外光譜分析結果Fig.4 IR analysis results of sludge before and after freezing and thawing

3 結論

3.1 污泥在經過細胞破碎處理后,各重金屬的浸出濃度均增加,以不穩定形態(包括離子交換態、碳酸鹽結合態和無定型氧化錳結合態)存在的比例增大.說明隨著污泥中有機細胞的衰亡和分解,污泥中重金屬的分布形態和浸出濃度會發生改變.

3.2 污泥細胞破碎后污泥中以有機態存在的重金屬比例減少,掃描電鏡和紅外光譜分析證明,污泥在經過反復凍融處理后,細胞破碎的數量和破碎程度增加,細胞胞外聚合物的有機基團減少.原來以有機態存在的重金屬轉化成了其他形式的結合態,總體上不穩定態重金屬含量增加.

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