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      4A沸石對污泥堆肥前后重金屬(Cu、Zn、Pb)形態(tài)變化的影響

      2017-05-11 09:12:40李靜靜金蘭淑董美娟林國林
      江蘇農業(yè)科學 2017年6期
      關鍵詞:鈍化劑結合態(tài)稻殼

      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(tài)、碳酸鹽結合態(tài)、鐵錳氧化物結合態(tài)、有機結合態(tài)和殘渣態(tài)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(tài)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(tài);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(fā)酵后是優(yōu)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(huán)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(tài),實現(xiàn)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(yōu)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(tài)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(yè)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(tǒng)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(fā)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?zhèn)溆谩?/p>

      1.4測定與分析

      試樣中重金屬形態(tài)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(shù)據(jù)采用Excel 2007和SPSS 17.0軟件進行統(tǒng)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(fā)芽指數(shù)為90%以上,在堆肥開始的4~7 d 連續(xù)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(fā)性物質揮發(fā)損失而造成堆體體積減小,導致重金屬含量升高,表現(xiàn)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(tài)的變化

      污泥中重金屬以不同的化學形態(tài)存在,主要有以下5種形式,即可交換態(tài)、碳酸鹽結合態(tài)、鐵錳氧化物結合態(tài)、有機結合態(tài)、殘渣態(tài)。其中,可交換態(tài)對人類和環(huán)境危害較大,有機結合態(tài)和殘渣態(tài)一般稱為非有效態(tài),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(tài)是決定其對環(huán)境及周圍生態(tài)系統(tǒng)造成影響的關鍵因素[4]。

      2.2.1Cu形態(tài)分布從圖2可以看出,堆肥前Cu以交換態(tài)為主,含量為36%~51%,其次是有機結合態(tài);高溫堆肥后,CK、Z10、Z15處理中的可交換態(tài)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(tài)Cu含量增加了11.0%;Z10處理中的碳酸鹽結合態(tài)含量降低,其他處理的碳酸鹽結合態(tài)含量均呈升高趨勢。4個處理中有機結合態(tài)Cu大量增加,可能是由于在堆肥過程中,其他形態(tài)Cu與有機物形成CuS和其他穩(wěn)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(tài)和殘渣態(tài)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(tài)分布從圖3可以看出,堆肥后添加4A沸石各處理可交換態(tài)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(wěn)定態(tài)向穩(wěn)定態(tài)轉化,達到了一定的鈍化效果。

      2.2.3Pb形態(tài)分布從圖4可以看出,Pb堆肥前后均以穩(wěn)

      定態(tài)為主,高溫堆肥可以降低可交換態(tài)含量,由不穩(wěn)定態(tài)向穩(wěn)定態(tài)轉化。4個處理的可交換態(tài)含量分別減少了13.3%、182%、44.4%、66.6%;堆肥后Pb的穩(wěn)定態(tài)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(tài)重金屬的百分含量(Ci)減去堆肥前可交換態(tài)重金屬的百分含量(C0),即可交換態(tài)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(tài)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(yōu)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(tài)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(xiàn)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:

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      doi:10.15889/j.issn.1002-1302.2017.06.077

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