Pb/Cd污染固化底泥的pH特性研究★

王玉柱　邵　俐　羅進財

(上海理工大學環境與建筑學院，上海　200093)

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Pb/Cd污染固化底泥的pH特性研究★

王玉柱邵俐羅進財

(上海理工大學環境與建筑學院，上海200093)

摘要:以水泥、礦渣、生石灰、沸石為固化劑，對重金屬污染底泥進行固化處理，通過室內試驗，分析了鉛、鎘離子濃度及齡期對固化土pH值的影響，并得到了固化土pH值的變化規律，有助于解決河道底泥的重金屬污染問題。

關鍵詞:河道底泥，鉛離子，鎘離子，固化土，重金屬污染

0　引言

隨著我國城市化進程的加快和產業結構調整政策的實施，確保環境安全已是當前國家環保工作的重點。其中，人類對重金屬的冶煉、加工及商業制造活動日益增多，造成不少重金屬進入城市水體系統，引起河道底泥重金屬污染問題。“砷毒”“血鉛”“鎘米”等事件頻發，讓重金屬污染成為最受關注的公共事件之一。黨中央、國務院高度重視環境保護工作，將《國家環境保護“十二五”規劃》作為推進生態文明建設的重要措施，其中對汞、鉻、鎘、鉛等重金屬進行重點防控。

目前固化/穩定處理技術被廣泛應用在重金屬污染河道底泥的修復工程中［1］。國內外學者對固化重金屬污染土的pH值已經做了一些研究。許多研究表明，pH值是一個控制沉積物重金屬轉移的關鍵參數，尤其是兩性金屬(如鋅、鉛等)在超出最佳pH范圍時更容易生成不溶物質［2-5］。通常，底泥中pH值越低，H+和溶解態的金屬配體(如OH-，CO23-，SO24-，Cl-和磷酸鹽)之間的競爭越激烈，隨后將會減少重金屬的吸附性能和生物利用率，導致重金屬遷移能力增強［6-10］。

本文采用水泥、礦渣、生石灰和沸石為固化劑對重金屬Pb/Cd污染底泥進行固化處理，研究了不同比例的鉛、鎘重金屬濃度及齡期對底泥固化土pH值的影響。

1　材料和試驗方法

1．1試驗材料

試驗用土選取上海黃浦江重要支流的河道底泥，試驗土的基本物理力學指標見表1。

表1　試驗土的基本物理力學指標

試驗所用的鉛、鎘污染源采用硝酸鉛、硝酸鎘;選用原因在于硝酸根對水泥水化反應干擾較小且溶解度較高。

1．2試驗方法

將烘干的土樣粉碎并過1 mm篩，摻入試驗設計的水泥、礦渣等固化劑，并用機械方式攪拌均勻，然后添加配制的重金屬溶液充分攪拌5 min以上。制樣時將土裝入柱形模具;成型1 d后，將試樣脫模并用塑料袋密封放置在標準養護箱內，養護溫度20℃± 3℃，相對濕度95%。

試樣養護至設計齡期，將試驗土樣配制成含有重金屬離子的溶液并在振蕩器中進行振蕩，使其達到吸附解吸平衡，再將平衡液轉入離心管并置入離心機，使混合液分離并取其上清液利用數字式離子計測定水溶液的pH值。每組取3個試樣進行平行試驗，取其平均值作為該樣參數的確定值。

試驗設計的水泥、礦渣等固化劑的配比(與干土的質量百分比)及試驗所用試樣各組重金屬含量如表2，表3所示。

表2　試樣固化劑含量　%

表3　試驗試樣各組重金屬含量及齡期

水泥為普通硅酸鹽C42．5水泥，摻量為干土質量的24%，下文中用C24表示。試驗設計1 kg干土中Pb2+的質量為300 mg，600 mg，1 000 mg，2 000 mg，5 000 mg，即0．03%，0．06%，0．1%，0．2%，0．5%的干土質量。1 kg干土中Cd2+的質量為100，300，600，1 000，1 500，即0．01%，0．03%，0．06%，0．1%，0．15%。下文中用Pb0．03，Pb0．06，Pb0．1，Pb0．2，Pb0．5表示不同固化含鉛污染土，不含鉛離子的固化污染土用Pb0表示。含不同鎘離子濃度的固化污染土，其簡寫方式與Pb2+離子類似。

2　試驗結果與分析

1)鉛、鎘離子濃度對固化土pH值的影響。

重金屬的溶解度會嚴重影響其固化效果，而此溶解度主要取決于土體孔隙水的pH值。當pH值過高(如pH＞12～13)或過低(如pH＜6)時，重金屬污染固化土的處理效果會減弱［9］。圖1為單獨摻加不同含量的Pb2+/Cd2+重金屬離子對污染固化土pH值的影響。由圖1可見，pH值基本分布在11～12之間，有利于固化土的固化效果。

從圖1a)中可以看出，在齡期為7 d，28 d，60 d，90 d時，低濃度的Pb2+離子(0．03%，0．06%，0．1%)，隨著濃度的增加，pH值減小，當Pb2+離子濃度大于0．1%時，pH值隨著離子濃度的增加而降低，但較之前變緩;圖1b)中，在各個齡期固化土的pH值隨著Cd2+離子濃度的增加而降低，且濃度越高，影響越明顯。這是由于固化劑中的水泥發生水化反應分解出Ca(OH)2并形成其他水化物;石灰與土發生一系列的化學和物理反應，主要是離子交換、Ca(OH)2結晶反應、碳酸化反應和火山灰反應，在水的參與下解離成Ca2+和OH-，具有堿性，應用于污染固化土的穩定化/固化處理可提高pH值。當添加重金屬Pb2+，Cd2+離子，阻礙了污染土和固化劑之間的水化反應，水泥、石灰解離成的Ca2+和OH-減少，導致pH值的下降。

圖1　鉛、鎘離子濃度對pH值的影響

不同種類的重金屬對污染底泥固化土的pH值影響不同。由圖1可以看出，重金屬Pb2+離子對固化土的pH值的影響作用大于Cd2+離子。這是由于重金屬鉛的氫氧化物溶度積小于鎘，重金屬離子與OH-成羥基水合金屬離子而吸附于固化土膠體表面，使得水溶液中的OH-減少，同時羥基進一步和氫氧根離子形成難溶的氫氧化合物而沉淀，使得水溶液的H+濃度增加，pH值降低。

2)齡期對底泥固化土pH值的影響。

重金屬污染固化土的pH值與齡期的關系如圖2所示。短期內(7 d，28 d)固化土的pH值隨著齡期的增長而增大;超過28 d齡期，固化土的pH值略有下降，但仍大于不含鉛、鎘離子的固化土pH值。

圖2　齡期對pH值的影響

固化土中不同的Pb2+，Cd2+離子濃度及復合含量會導致pH值的增長率不同，當Pb2+，Cd2+離子為低濃度時，pH值的增長率較大。

在相同齡期(28 d，60 d)時，Pb2+，Cd2+離子濃度越高，固化土的pH值越小，當Pb2+，Cd2+離子濃度分別為0．15%，0．5%時，固化土的pH值較未污染固化土降低了0．2。

3　結語

本文針對重金屬污染土的處理，通過室內實驗研究了鉛、鎘污染底泥固化的pH值特性，得到以下幾點結論:

1)pH值基本分布在11～12之間，這樣有利于固化土的固化效果。

2)在齡期為7 d，28 d，60 d，90 d時，低濃度的Pb2+離子(0．03%，0．06%，0．1%)，隨著濃度的增加，pH值減小，當Pb2+離子濃度大于0．1%時，pH值隨著離子濃度的增加而降低，但較之前變緩;在各個齡期，固化土的pH值隨著Cd2+離子濃度的增加而降低，且濃度越高，影響越明顯。

3)短期內(7 d，28 d)固化土的pH值隨著齡期的增長而增大;超過28 d齡期，固化土的pH值略有下降，但仍大于不含鉛、鎘離子的固化土pH值。

參考文獻:

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［4］喬冬梅，龐鴻賓，齊學斌，等．pH值對重金屬Pb2+吸附特性的影響［J］．灌溉排水學報，2010(6):23-28．

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［7］陳永貴，葉為民，張可能．溫度和pH對填埋場防滲帷幕吸附重金屬離子的影響［J］．上海環境科學，2008(4):89-90．

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［9］劉輝利，鄒凱旋，朱義年．pH對重金屬污泥穩定化/固化處理工藝的影響研究［A］．中國環境科學學會2006年學術年會優秀論文集(下卷)［C］．中國環境科學學會，2006:4．

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［11］李波，王君，楊學權，等．不同pH值浸取液對重金屬長期浸出行為的影響［J］．中國水泥，2010(5):60-64．

Pb/Cd pollution characteristics of the pH value of the solidified sediment research★

Wang YuzhuShao LiLuo Jincai
(University of Shanghai of Science and Technology，School of Environment and Architecture，Shanghai 200093，China)

Abstract:Taking cement，slag，quicklime and zeolite as the solidified agent，the paper has the solidified treatment of the heavy metal pollution sediment，analyzes the influence of density of lead and cadmium ion and the age on the pH value of the solidified soil，and concludes the changes in the pH value of the solidified soil，so as to solve the heavy metal pollution in river channel sediment．

Key words:river channel sediment，lead ion，cadmium ion，solidified soil，heavy metal pollution

作者簡介:王玉柱(1990-)，男，在讀碩士;邵俐(1969-)，女，博士，副教授;羅進財(1994-)，男，在讀本科生

收稿日期:2015-10-21★:上海科委重點支撐項目(項目編號:13230502300)

文章編號:1009-6825(2016)01-0195-02

中圖分類號:X132

文獻標識碼:A