【正文】 六章 污泥中重金屬去除方法研究展望1 研究意義隨著工業(yè)迅速發(fā)展,城市和郊區(qū)人口急劇膨脹,我國(guó)的廢水排放量日益增多,污泥的產(chǎn)出量也迅速增加。據(jù)國(guó)家環(huán)保局資料,1999年到2011 年,我國(guó)城市污水處理廠的數(shù)量增加了347座,現(xiàn)有污水處理廠約427座,。污泥中除含有豐富的有機(jī)物質(zhì)和礦質(zhì)養(yǎng)分外,還含有一些難降解的有機(jī)物、病原菌、寄生蟲卵及重金屬等有毒有害物質(zhì),如處理不當(dāng)極易造成二次污染。隨著污泥數(shù)量的增加,污泥再利用以及其中重金屬等有害物質(zhì)的環(huán)境污染問(wèn)題已成為世人廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)。因此, 如何避免二次污染、妥善、經(jīng)濟(jì)地處置或利用污泥是一個(gè)值得研究的課題。20世紀(jì)90年代以來(lái),世界各國(guó)污泥處置的發(fā)展趨勢(shì)是棄用投海、地下填埋、焚燒、污泥材料化利用和農(nóng)業(yè)利用,前幾種方式由于場(chǎng)地限制、費(fèi)用昂貴和造成二次污染等原因而難以為繼或被禁止,而農(nóng)業(yè)利用則日趨廣泛,英國(guó)、美國(guó)、瑞士和荷蘭等國(guó)家城市污泥的農(nóng)業(yè)利用率達(dá)50%以上。污泥中含有豐富的有機(jī)質(zhì)和植物生長(zhǎng)所需的氮、磷和鉀等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),經(jīng)過(guò)無(wú)害化處理的污泥能夠改良土壤結(jié)構(gòu),提高土壤肥力,促進(jìn)作物的生長(zhǎng),而且城市污泥與肥料混施更能起到培肥效果。因此,農(nóng)業(yè)利用是城市污泥處置中的一種經(jīng)濟(jì)有效的出路。但是城市污泥含有大量的有毒有害物質(zhì)及各種病源微生物等尤其是一些毒性極強(qiáng)的重金屬元素,一旦進(jìn)人土壤,并在土壤中累積、遷移以及通過(guò)生物傳遞作用而對(duì)整個(gè)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生危害,威脅人們的身體健康。發(fā)生在日本的由汞污染引起的“水誤病”和由錫污染引起的“骨痛病”事件就是見(jiàn)證。雖然隨著我國(guó)對(duì)污水排放重金屬指標(biāo)的嚴(yán)格控制,污泥中重金屬含量呈下降趨勢(shì),但這并不意味著我國(guó)城市污泥直接農(nóng)用不會(huì)導(dǎo)致重金屬污染。大量研究表明長(zhǎng)期使用污泥可導(dǎo)致重金屬在土壤中富集,富集的重金屬可在土層中發(fā)生遷移,既有可能污染地下水資源,又可被植物吸收富集,進(jìn)而通過(guò)食物鏈危及人體健康。因此,如何對(duì)城市污泥,進(jìn)行預(yù)處理以有效降低其中的重金屬含量已成為污泥能否大量農(nóng)業(yè)利用的關(guān)鍵。2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀早期的有關(guān)國(guó)內(nèi)外城市污泥中重金屬處理研究方面, 主要集中在重金屬的穩(wěn)定化方面, 但這種方法并不能降低污泥中重金屬的總體含量。后來(lái)又有了污泥中重金屬的去除技術(shù), 主要包括, 這種方法能從總量上減少重金屬的含量。前者主要包括物理穩(wěn)定 后者主要包括：化學(xué)淋濾、生物方法、電化學(xué)方法。下面就上述幾種技術(shù)的原理、優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用狀況做一簡(jiǎn)述。 物理穩(wěn)定國(guó)內(nèi)外有關(guān)城市污泥中重金屬處理研究方面,早期的研究主要集中在重金屬的穩(wěn)定化方面。即添加一定的鈍化劑或化學(xué)制劑改變城市污泥中重金屬的存在形態(tài)。通常有以下幾種方法：水泥固化法、石灰固化法、熱塑固化法、玻璃化技術(shù)、自膠結(jié)固化技術(shù)等。Zorpas等在堆肥過(guò)程中用0%30%斜發(fā)沸石用作膨脹物質(zhì),研究堆肥前后重金屬形態(tài)與含量變化,發(fā)現(xiàn)隨著天然沸石（斜發(fā)沸石）用量的增加堆肥中重金屬濃度將下降。李潤(rùn)東等通過(guò)硫化床焚燒試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)添加NaCl導(dǎo)致大多數(shù)重金屬的固化率降低, 對(duì)Ni而言, 其影響并不顯著。孫穎等采用石灰作為藥劑對(duì)污泥樣品進(jìn)行穩(wěn)定化試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)高含量且主要以不穩(wěn)定狀態(tài)存在的重金屬效果較好。李國(guó)學(xué)、李端等研究表明添加鈍化劑均使重金屬元素的可利用態(tài)降低。陳宏等研究發(fā)現(xiàn)適宜的化學(xué)添加劑能夠降低或明顯降低土壤重金屬的植物可利用性,也能夠降低重金屬在植物體內(nèi)的富集。盡管這些措施使得重金屬的有效態(tài)和植物可利用態(tài)減少,但這只是化學(xué)形態(tài)上的變化, 總量上沒(méi)有變動(dòng)。 化學(xué)淋濾由于污泥重金屬的穩(wěn)定化并不能從根本上解決重金屬的危害問(wèn)題,因此有學(xué)者提出了用化學(xué)方法去除污泥中的重金屬。原理是通過(guò)向污泥中添加化學(xué)藥劑,提高污泥氧化還原電位Eh和降低其Ph值,從而使污泥中重金屬由不可溶態(tài)的化合物向可溶態(tài)的離子態(tài)轉(zhuǎn)化。氯化作用、離子交換作用、酸化作用、鰲合劑和表面活性劑的絡(luò)合作用,均可使難溶態(tài)的重金屬化合物形成可溶解的重金屬離子或絡(luò)合物。最常用的化學(xué)試劑是硫酸、鹽酸、硝酸和有機(jī)絡(luò)合劑,不同的重金屬要選擇不同的化學(xué)試劑。大量的研究發(fā)現(xiàn)采用不同的化學(xué)試劑在適宜的Ph值、污泥固體濃度、重金屬種類等條件下, 重金屬的去除取得了很好的效果,處理后污泥重金屬含量基本符合農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)。盡管在一定條件下利用化學(xué)方法剔除污泥中的重金屬效果良好,而且淋濾過(guò)程所花的時(shí)間也較短,然而此方法在酸化污泥階段需消耗大量的酸,中和淋出液中的酸又要消耗大量的石灰,成本較高且殘留的藥劑會(huì)降低污泥的肥料價(jià)值。 生物方法與化學(xué)淋濾法相比,近些年發(fā)展起來(lái)的微生物方法,在費(fèi)用和保存肥料價(jià)值方面都略優(yōu)于化學(xué)法。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)采用微生物方法降低城市污泥中重金屬含量做了大量的試驗(yàn)研究。原理是通過(guò)細(xì)菌對(duì)污泥中鐵和硫的氧化作用,使污泥中氧的還原電位升高Ph值降低,從而使重金屬發(fā)生溶解,然后采用直接或間接淋濾法將溶解的重金屬淋濾出來(lái),從而降低重金屬含量。用于污泥生物浸濾的微生物是氧化亞鐵硫桿菌和氧化硫硫桿菌,它們屬于化學(xué)自養(yǎng)菌, 能在還原態(tài)的硫化物獲得能量。Blais等對(duì)這兩種細(xì)菌進(jìn)行分離、培養(yǎng)、觀察后得知這兩種硫細(xì)菌為VA7和VA4。這樣就可以對(duì)污泥進(jìn)行預(yù)酸化,而只要向污泥中投加單質(zhì)硫使VAVA4大量繁殖,使污泥中重金屬在酸性環(huán)境下浸出。有人研究使用分離出來(lái)的本土鐵氧化細(xì)菌來(lái)去除厭氧消化污泥中的重金屬,取得了較好的效果。周順桂和周立祥等人對(duì)運(yùn)用生物淋濾去除污泥重金屬技術(shù)做了大量的研究,通過(guò)對(duì)污泥進(jìn)行預(yù)處理,酸化并投加物料,在污泥中繁殖了大量的氧化亞鐵硫桿菌和氧化硫硫桿菌,在其作用下,污泥中的難溶性金屬硫化物被氧化成金屬硫酸鹽而溶出,通過(guò)固液分離即達(dá)到去除重金屬的目的。周立祥、周順貴、華玉妹等又研究了不同培養(yǎng)基、不同能源物質(zhì)、不同接種方法下污泥中重金屬的去除效果, 結(jié)果顯示均取得了較高的去除率。微生物淋濾法去除污泥中重金屬的效果雖好,但細(xì)菌的生存限制、硫酸鹽污染、處理后污泥的酸度等都限制了該方法的推廣應(yīng)用。 電化學(xué)鑒于以上污泥中重金屬去除方法存在的問(wèn)題,一些學(xué)者又發(fā)明了電化學(xué)方法。電化學(xué)方法主要是利用外加電場(chǎng)作用于被處理對(duì)象,使其內(nèi)部的一些物質(zhì)如礦物顆粒、重金屬離子及其化合物、有機(jī)物等在通電的條件下發(fā)生一系列的復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng), 通過(guò)電激發(fā)、電化學(xué)溶解、電遷移作用等使一些重金屬在陰極聚積,積累的組分在“元素接收器”的溶液中,以容器底部沉淀或聚積在金屬桿上的形式析出,并加以回收。其中動(dòng)電力學(xué)技術(shù)備受關(guān)注,該技術(shù)的基本方法是在固體/液相系統(tǒng)中插人電極,通以直流電,固體中的污染物在電場(chǎng)作用下,發(fā)生氧化還原反應(yīng),并遷移、富集于電極區(qū),從而達(dá)到去除其中污染物的目的,具有試劑用量少、安裝方便、操作簡(jiǎn)單、能耗低和修復(fù)徹底等優(yōu)點(diǎn)。動(dòng)電修復(fù)彌補(bǔ)了生物修復(fù)、植物修復(fù)、和化學(xué)修復(fù)等的不足。Casagrande就開始應(yīng)用動(dòng)電力學(xué)技術(shù)對(duì)粘土進(jìn)行脫水；80年代該技術(shù)開始應(yīng)用于土壤重金屬污染修復(fù)的研究,并在90年代得到迅速發(fā)展,美國(guó)、荷蘭和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家利用動(dòng)電力學(xué)技術(shù)去除土壤中重金屬污染物已在實(shí)驗(yàn)室研究和中試規(guī)模應(yīng)用中取得成功。我國(guó)清華大學(xué)的劉錚和中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所的周東美在動(dòng)電修復(fù)土壤重金屬污染物方面開展了工作, 并取得了一些成果。但是至今在國(guó)內(nèi)外基于動(dòng)電力學(xué)技術(shù)的基本原理及其控制措施開展污泥中的重金屬污染物的去除研究卻報(bào)道極少。動(dòng)電力學(xué)技術(shù)是一種新興的高效原位綠色修復(fù)技術(shù),它克服了其他處理技術(shù)的一些缺點(diǎn),如穩(wěn)定化技術(shù)的治標(biāo)不治本,化學(xué)處理方法的耗酸量大、處理成本大、降低污泥的肥料價(jià)值, 生物去除技術(shù)的細(xì)菌的生存限制、硫酸鹽污染等。動(dòng)電力學(xué)技術(shù)不僅能有效去除污泥中的重金屬,而且不破壞污泥的肥料成分,又沒(méi)有向污泥中加人不友好的物質(zhì),因此,動(dòng)電修復(fù)作為一種新興的重金屬去除技術(shù)有很好的發(fā)展趨勢(shì)。3 存在問(wèn)題綜觀國(guó)內(nèi)外污泥中重金屬去除技術(shù)的研究現(xiàn)狀,存在以下幾方面的問(wèn)題或不足。穩(wěn)定化技術(shù)治標(biāo)不治本,只是使重金屬的有效態(tài)和植物可利用態(tài)減少,總量上沒(méi)有變動(dòng),潛在風(fēng)險(xiǎn)仍較大?；瘜W(xué)方法在酸化污泥階段需消耗大量的酸,中和淋出液中的酸又要消耗大量的石灰,成本較高且殘留的藥劑會(huì)降低污泥的肥料價(jià)值。微生物方法耗酸量大,且去除大部分重金屬后的污泥往往酸度較高,須進(jìn)行中和后才可以農(nóng)用,所采用的細(xì)菌適應(yīng)性比較差,從氧化亞鐵硫桿菌/氧化硫硫桿菌產(chǎn)出的硫酸鹽也會(huì)污染土壤?；瘜W(xué)方法和微生物方法的高濃度重金屬淋出液的處理較困難,成本高。國(guó)內(nèi)外基于動(dòng)電力學(xué)技術(shù)的基本原理及其控制措施開展污泥中的重金屬污染物去除研究至今尚少見(jiàn)報(bào)道。第七章 總結(jié)緊張的課程設(shè)計(jì)結(jié)束了，通過(guò)這短短一周的設(shè)計(jì)計(jì)算，使我對(duì)A2/O有了更全面的認(rèn)識(shí)，學(xué)會(huì)了如何設(shè)計(jì)A2/O的主要反應(yīng)池、如何計(jì)算重氧量等，使我受益匪淺。由于時(shí)間倉(cāng)促，設(shè)計(jì)中肯定有不足與錯(cuò)誤，希望老師批評(píng)指正。第八章 參考書目【1】《環(huán)保設(shè)備——原理、設(shè)計(jì)、應(yīng)用》 鄭銘主編 化學(xué)工業(yè)出版社【2】《誰(shuí)污染控制工程》第三版 高廷耀、顧國(guó)維、周琪主編 高教出版社【3】《水工藝處理技術(shù)與設(shè)計(jì)》 韓劍宏主編 化學(xué)工業(yè)出版社【4】《水處理構(gòu)筑物設(shè)計(jì)與計(jì)算》 尹士軍、李亞峰等主編 化學(xué)工業(yè)出版社【4】《環(huán)境工程設(shè)計(jì)》 童華主編 化學(xué)工業(yè)出版