4A沸石對污泥堆肥前后重金屬（Cu、Zn、Pb）形態變化的影響

李靜靜+金蘭淑++董美娟++林國林++劉婷++史云飛++宋曉鳳

摘要：采用高溫好氧強制通風堆肥工藝，研究污水污泥與稻殼、4A沸石按不同比例混合堆肥前后重金屬Cu、Zn、Pb總量的變化，以及可交換態、碳酸鹽結合態、鐵錳氧化物結合態、有機結合態和殘渣態含量的變化，同時探討了4A沸石在污泥堆肥過程中所起的鈍化作用。結果表明，添加4A沸石能降低污泥中可交換態重金屬的含量，但不能降低重金屬總量；堆肥過程中，4A沸石對重金屬有良好的鈍化效果，在污泥、稻殼混合堆肥中，應控制4A沸石用量在10%左右。

關鍵詞：污泥堆肥；4A沸石；重金屬形態；鈍化效果

中圖分類號： S141.4文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2017）06-0297-02

隨著城市化進程不斷推進，污泥產生量增速加快。污泥含有豐富的有機質、微量元素等，發酵后是優質的有機肥源[1]。同時，污泥吸附了水體中的絕大部分重金屬污染物，直接污泥田對環境產生不可逆轉的毒害，重金屬污染成為限制污泥農用的主要因素之一[2-3]，因此，如何降低重金屬含量、提高污泥處置能力成為研究者廣泛關注的問題。

堆肥是當今城市污泥資源化利用最有效的途徑之一，通過堆肥處理，可以殺滅污泥中的病原菌，降解有機污染物，改變重金屬存在形態，實現污泥的無害化與資源化。堆肥常利用物料稻殼、鋸末、沸石等作為調理劑。國內外對于污泥堆肥的研究已有大量報道，關于鈍化劑的選擇多為粉煤灰、草炭、磷礦粉、沸石等[4-9]。沸石的主要礦物組成是鋁硅酸鹽，硅酸鹽礦物中Si4+被Al3+所取代，K+、Na+、Ca2+、Mg2+等陽離子補償過剩電荷，與重金屬離子進行交換。同時，硅酸鹽礦物顆粒表面還可以形成水合氧化物覆蓋層，表面呈負電性，有利于絡合吸附重金屬離子；另外，沸石具有較大的空腔表面，對重金屬離子具有一定的吸附能力。4A沸石是最重要的沸石之一，它已經在各種條件下從很多不同的起始原料合成，具有優異的吸附性能。然而，目前關于4A沸石鈍化重金屬的研究鮮有報道，因此，本試驗將污泥、稻殼、4A沸石按不同比例混合堆肥，重點分析堆肥前后重金屬Cu、Zn、Pb總量及形態變化。

1材料與方法

1.1材料

生污泥取自沈陽市滿堂河污水處理廠，含水率為86%，C/N比為7.5；稻殼購自沈陽農業大學附近農村，含水率為11%，C/N比為67；4A沸石購自沈陽某公司。

1.2試驗設計

堆肥試驗采用自制的好氧強制通風堆肥反應器系統進行，試驗共設4個處理，每個處理均按含水率60%～75%、C/N比（25～5） ∶1 搭配各種原料的比例，堆肥時間均為14 d，試驗設計方案見表1。

1.3樣品采集

采樣選擇在堆肥試驗開始和發酵結束14 d進行，每次采樣300 g，采用多點分層隨機取樣，將采集的樣品混勻后自然風干，研磨破碎，過60目尼龍篩，放入干凈的密封袋保存備用。

1.4測定與分析

試樣中重金屬形態分析采用Tessier于1979年提出的化學試劑分步提取分離法[10-12]。提取液中的重金屬含量采用電感耦合等離子質譜儀（簡稱ICP）測定，樣品設置3個平行樣，取平均值作為結果。所有數據采用Excel 2007和SPSS 17.0軟件進行統計分析。

2結果與分析

堆肥至14 d時，堆肥污泥呈黑褐色，帶有泥土氣息，含水率低于40%，種子發芽指數為90%以上，在堆肥開始的4～7 d 連續4 d堆肥溫度在55 ℃以上，說明堆肥過程已基本結束。

2.1堆肥前后重金屬總量的變化

堆肥前原污泥中Cu、Zn、Pb的含量相對較高，分別為839、263.4、54.7 mg/kg。從圖1可以看出，經過堆肥處理后，各種重金屬含量均比堆肥開始時有所增加，由于堆肥過程中有機物降解、水分散失及其他揮發性物質揮發損失而造成堆體體積減小，導致重金屬含量升高，表現為相對濃縮效應[13]。堆肥后混合物重金屬含量比原污泥低，由于堆肥開始時加入大量的稻殼和4A沸石等填充劑，稀釋了物料中重金屬的濃度。

2.2堆肥前后重金屬形態的變化

污泥中重金屬以不同的化學形態存在，主要有以下5種形式，即可交換態、碳酸鹽結合態、鐵錳氧化物結合態、有機結合態、殘渣態。其中，可交換態對人類和環境危害較大，有機結合態和殘渣態一般稱為非有效態，這部分重金屬在自然條件下不易釋放出來。而且，重金屬在土壤中存在的形態是決定其對環境及周圍生態系統造成影響的關鍵因素[4]。

2.2.1Cu形態分布從圖2可以看出，堆肥前Cu以交換態為主，含量為36%～51%，其次是有機結合態；高溫堆肥后，CK、Z10、Z15處理中的可交換態Cu含量均有所減少，分別減少8.4%、16.3%、19.6%；Z5處理的可交換態Cu含量增加了11.0%；Z10處理中的碳酸鹽結合態含量降低，其他處理的碳酸鹽結合態含量均呈升高趨勢。4個處理中有機結合態Cu大量增加，可能是由于在堆肥過程中，其他形態Cu與有機物形成CuS和其他穩定化合物的緣故。堆肥結束后，不同處理中重金屬Cu主要以有機結合態和殘渣態存在，表明堆肥處理降低了污泥中Cu的生物有效性。

2.2.2Zn形態分布從圖3可以看出，堆肥后添加4A沸石各處理可交換態Zn的含量降低，降幅分別為36.6%、26.6%、39.1%、37.5%，但其含量仍較高。Zn是作物生長重要的微量元素，且非嚴格控制指標，我國土壤缺Zn比較普遍，堆肥后污泥可以作為Zn的緩釋肥料。添加4A沸石的4個處理均使重金屬Zn由不穩定態向穩定態轉化，達到了一定的鈍化效果。

2.2.3Pb形態分布從圖4可以看出，Pb堆肥前后均以穩

定態為主，高溫堆肥可以降低可交換態含量，由不穩定態向穩定態轉化。4個處理的可交換態含量分別減少了13.3%、182%、44.4%、66.6%；堆肥后Pb的穩定態含量非常高，平均值高于80%。

為了比較不同堆肥處理對重金屬的鈍化效果，將各個處理堆肥后的可交換態重金屬的百分含量（Ci）減去堆肥前可交換態重金屬的百分含量（C0），即可交換態重金屬在堆肥前后的變化量（ΔC），當ΔC為正時，表明重金屬被活化；當ΔC為負時，表明重金屬被鈍化（表2）。

從表2可以看出，Z15處理對Cu、Pb的鈍化效果最好，可交換態分別減少了13.83%、2.17%，對Zn來講，鈍化效果最明顯的是Z10處理，綜上所述，對于重金屬Cu、Zn、Pb鈍化效果最好的是Z15處理，然而考慮到4A沸石的用量及經濟效益，處理Z10是最優的選擇。因此，在污泥、稻殼和4A沸石的堆肥過程中，鈍化劑的添加量應選擇10%。

3結論

通過對污泥堆肥中4A沸石對重金屬形態變化的研究，得出以下結論：（1）不同污泥、稻殼、4A沸石混合進行高溫好氧強制通風堆肥處理后，因有機物降解、堆體體積變小等，引起重金屬在堆料中濃縮，使重金屬總量升高，表現為“相對濃縮效應”。（2）對Cu、Pb來講，鈍化效果最好處理是4A沸石

添加量為15%；對Zn來講，鈍化效果最明顯的是4A沸石加入量為10%的處理。考慮經濟效益，在污泥、稻殼和4A沸石的堆肥過程中，鈍化劑4A沸石的添加量以10%為宜。

參考文獻：

[1]劉桓嘉，劉永麗，張宏忠，等. 城市污泥堆肥土地利用及環境風險綜述[J]. 江蘇農業科學，2014，42（2）：324-326.

[2]孫西寧，李艷霞，張增強，等. 城市污泥好氧堆肥過程中重金屬的形態變化[J]. 環境科學學報，2009，29（9）：1836-1841.

[3]葛驍，卞新智，王艷，等. 城市生活污泥堆肥過程中重金屬鈍化規律及影響因素的研究[J]. 農業環境科學學報，2014，33（3）：502-507.

[4]曹仲宏，徐澤，趙樂軍，等. 添加劑對脫水污泥中重金屬形態的影響[J]. 中國給水排水，2007，23（23）：82-86.

[5]高定，鄭國砥，陳同斌，等. 堆肥處理對排水污泥中重金屬的鈍化作用[J]. 中國給水排水，2007，23（4）：7-10.

[6]李國學，孟凡喬，姜華，等. 添加鈍化劑對污泥堆肥處理中重金屬（Cu、Zn、Mn）形態影響[J]. 中國農業大學學報，2000，5（1）：105-111.

[7]蔣強勇，劉強，榮湘民，等. 不同鈍化劑對豬糞堆肥處理重金屬形態轉化的影響[J]. 湖南農業大學學報（自然科學版），2008，34（6）：708-712.

[8]Stylianou M A，Inglezakis V J，Moustakas K. Improvement of the quality of sewage sludge compost by adding natural clinoptilolite[J]. Desalination，2008，224（1/2/3）：240-249.

[9]姚嵐，王成瑞. 不同鈍化劑對污泥堆肥過程中重金屬形態的影響研究[J]. 環境衛生工程，2008，2（16）：8-10.

[10]何增明，劉強，謝桂先，等. 好氧高溫豬糞堆肥中重金屬砷、銅、鋅的形態變化及鈍化劑的影響[J]. 應用生態學報，2010，21（10）：2659-2665.

[11]李明. 高溫堆肥與蚯蚓堆肥對城市污泥重金屬形態的影響[J]. 環境工程學報，2008，2（10）：1407-1412.

[12]劉浩榮，宋海星，榮湘民，等. 好氧高溫豬糞堆肥重金屬（Cr、Cd、Pb）鈍化劑及其添加比例研究[J]. 江西農業大學學報，2008，30（6）：967-972.

[13]牟新利，郭佳，劉少達，等. 三峽庫區農林土壤重金屬形態分布與污染評價[J]. 江蘇農業科學，2013，41（9）：314-317.解純芬. 人工濕地不同植被凈化水質效果與生理特性[J]. 江蘇農業科學，2017，45（6）：299-304.

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2017.06.077