穩定劑對重金屬鉛污染污泥的穩定效果研究

【摘 " "要】：選用碳酸鈣、羥基磷灰石和海泡石3種穩定劑對污泥中重金屬鉛進行穩定化處理，分析其穩定機理和效果。結果表明：污泥重金屬鉛的浸出穩定率海泡石gt;碳酸鈣gt;羥基磷灰石，穩定后鉛的殘渣態所占比例碳酸鈣gt;羥基磷灰石gt;海泡石；綜合來看各類穩定劑對重金屬鉛的穩定作用海泡石gt;碳酸鈣gt;羥基磷灰石。

【關鍵詞】：污泥；鉛；海泡石；碳酸鈣；羥基磷灰石；穩定劑

【中圖分類號】：X703 【文獻標志碼】：A 【文章編號】：1008-3197（2024）05-47-03

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2024.05.013

Effect of Stabilizers on the Stabilization of Heavy Metal

Lead-Contaminated Sludge

PENG Jinli1，ZHANG Hui1

（Tianjin Capital Environmental Protection Group Co. Ltd.，Tianjin 300381， China）

【Abstract】： In this paper， three different types of stabilizers， calcium carbonate， hydroxyapatite， and sepiolite， were used to stabilize heavy metal Pb in sludge， and analyze its stabilization mechanism and effect. The results show that the leaching stability rate of heavy metal Pb in sludge under the stabilization of the three stabilizers is Sepiolite gt; CaCO3 gt; HAP， and the proportion of residual state of Pb after the stabilization of the three stabilizers is CaCO3 gt; HAP gt; Sepiolite. In summary， the stabilizing effect of the three stabilizers on heavy metal Pb in descending order is Sepiolite gt; CaCO3 gt; HAP.

【Key words】： sludge；lead； sepiolite；calcium carbonate；hydroxyapatite；stabilizer

城鎮污水處理廠污泥資源農業利用符合我國農業大國國情，但重金屬污染是制約污泥農用的重要因素[1]。鉛污染是工業廢水的污染源之一，通過吸附、沉淀、絡合等方式逐漸累積在城鎮污水廠污泥中，導致城鎮污水廠污泥重金屬鉛污染嚴重。污泥是否能夠土地資源利用主要由污泥中重金屬鉛的活性決定。

本文采用室內模擬試驗的方法，分別研究了碳酸鈣、羥基磷灰石和海泡石3種穩定劑對供試污泥中重金屬鉛污染的穩定機理及穩定效果，為污泥重金屬污染修復提供科學依據。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

污泥試驗樣品采自天津某污水處理廠，樣品經過自然風干、搗碎、剔除雜物過3 mm尼龍篩后裝于自封袋中備用，pH值為7.7左右，有機分為45.6%。穩定劑石灰石和羥基磷灰石為試劑級，海泡石為工業級。

1.2 小試試驗方案

取500 g污泥樣品于花盆中，碳酸鈣、羥基磷灰石海泡石按污泥干重的一定比例投加。同時設置空白對照組 （CK） ，每種穩定劑以懸濁液的形式與污泥充分攪拌混勻，每一樣品均設置2組平行組，每天通過添加去離子水保持污泥樣品含水率50%左右不變，21 d后采用四分法取樣進行浸出毒性及重金屬形態分析。

1.3 分析項目及方法

污泥重金屬鉛含量的測定采用CJ/T 221—2005《城市污水處理廠污泥檢驗方法》中微波高壓消解后電感耦合等離子體發射光譜法測定；污泥中重金屬浸出量通過HJ/T 299—2007《固體廢物浸出毒性浸出方法-硫酸硝酸法》提取；采用歐洲標準測試分析委員會推薦的BCR三態連續提取法[2～4]研究污泥樣品中重金屬鉛的形態分布。

浸出穩定率是穩定劑穩定作用前后用重金屬浸出濃度的高低衡量重金屬穩定性的指標。穩定后重金屬的浸出濃度越低，穩定率越高，穩定效果越好。

[η=Ca-CbCa×100%] （1）

公式中：η為浸出穩定率，%；Ca為未加穩定劑的供試污泥中重金屬浸出濃度，mg/L；Cb為加入穩定劑的供試污泥中重金屬浸出濃度，mg/L。

2 結果與討論

2.1 不同穩定劑對鉛浸出穩定率的影響

按照污泥干重的5%投加3種穩定劑到污泥樣品中。3種穩定劑均具有較好的穩定化作用，對鉛的浸出穩定率海泡石gt;碳酸鈣gt;羥基磷灰石。海泡石對鉛的穩定效果最好，將近100%；其次，是碳酸鈣，對重金屬鉛浸出穩定率為90%；羥基磷灰石對重金屬鉛浸出穩定率在80%左右。見圖1。

2.2 不同穩定劑對污泥中鉛的形態影響

投加不同穩定劑穩定后，污泥樣品中重金屬鉛的殘渣態具有一定程度的增加，表明污泥樣品中鉛的形態通過穩定化作用向更為穩定形態進行轉化。在5%投加比例下，碳酸鈣穩定處理后重金屬鉛的穩定態為75%左右，羥基磷灰石穩定處理后重金屬鉛的穩定態為72%左右，而海泡石穩定處理后重金屬鉛的穩定態則在65%左右，3種穩定劑穩定后鉛的殘渣態占比碳酸鈣gt;羥基磷灰石gt;海泡石。3種穩定劑均會使污泥中鉛的形態向穩定形態轉化，進而使之浸出穩定率提高，但形態轉化與浸出穩定率增長的規律并不完全一致，這是因為每種穩定劑對重金屬鉛的作用機理不同。見圖2。

2.3 討論

3種穩定劑生成穩定形態結構的穩定性各不相同。海泡石是一種硅酸鎂黏土，由二層硅氧四面體片之間夾一層金屬陽離子八面體交替組成，有巨大比表面積，具有較強的表面吸附能力[5]，其投加到污泥后首先吸附污泥中鉛離子或絡合物，使其活性和擴散性大大減弱；之后會將鉛離子吸持在層間的晶架結構內而成為固定離子[6]，并通過配合作用使重金屬鉛從活性高的不穩定態向穩定的殘渣態轉化，生成硅酸鹽，反應方程式[7]

[SiOH+Pb2+=SiOPb++H+或SiO-+Pb2+=SiOPb+]

[SiOH+PbOH+=SiOPbOH+H+或SiO-+PbOH+=SiOPbOH]

[SiOH+Pb2+=SiOPb++H+或2SiO-+Pb2+=（SiO）2Pb]

碳酸鈣因呈堿性，投加后可增加污泥表面顆粒負電荷，提高污泥pH值，增強其對重金屬離子的吸附能力和結合能力，降低重金屬的解吸[8～10]；同時，污泥中OH-和CO32- 增多與鉛生成碳酸鹽或氫氧化物沉淀，使污泥中不穩定態重金屬向更穩定、更復雜的形態轉化，進而降低重金屬鉛活性[11]。

羥基磷灰石對污泥中重金屬對鉛的穩定主要有穩定劑的溶解和形成礦化物質兩個過程，反應式如下[6]

Ca10（PO4）6X2+12H+=10Ca2++6H2PO4－+2X－

10Pb2++6H2PO4－+2X－= Pb10（PO4）3X2 +12H +

式中：X為Cl、OH等。

可生成穩定的鉛-磷酸鹽礦物，如：羥基磷鉛礦Ksp[Pb5（PO4）3Cl]≈ 10-84[12]和氯磷鉛礦Ksp[Pb5（PO4）3OH]≈10-78[13]等，鉛的大部分形態向殘渣態轉化。

不是重金屬鉛的穩定態轉化程度越大，其浸出穩定率就越大。海泡石作為黏土型穩定劑，對重金屬鉛的穩定原理包括吸附與配合作用；碳酸鈣作為堿性材料，對重金屬鉛的穩定原理為沉淀作用；羥基磷灰石作為磷酸鹽穩定劑，對重金屬鉛的穩定原理為礦化作用。由于不同類型穩定劑的穩定原理不同，雖然碳酸鈣與羥基磷灰石的穩定作用能使重金屬鉛從其他態一定程度上向穩定態轉化，但其生成穩定形態結構不如海泡石轉化的更為穩定。

3 結論

本研究選用了碳酸鈣、羥基磷灰石和海泡石3種不同類型穩定劑對污泥中重金屬鉛的穩定機理及其效果進行分析。綜合來看，各類穩定劑對重金屬鉛的穩定作用海泡石gt;碳酸鈣gt;羥基磷灰石。

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