4A沸石對污泥堆肥前后重金屬（Cu、Zn、Pb）形態(tài)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(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機結(jié)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(jié)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(guān)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(chǎn)生量增速加快。污泥含有豐富的有機質(zhì)、微量元素等，發(fā)酵后是優(yōu)質(zhì)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(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的毒害，重金屬污染成為限制污泥農(nóng)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(guān)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(diào)理劑。國內(nèi)外對于污泥堆肥的研究已有大量報道，關(guān)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(luò)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(jīng)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(guān)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(nóng)業(yè)大學附近農(nóng)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(shè)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(shè)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(shè)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(jié)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(zhì)譜儀（簡稱ICP）測定，樣品設(shè)置3個平行樣，取平均值作為結(jié)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(jié)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(jié)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(jīng)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(zhì)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(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機結(jié)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(jié)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(guān)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(jié)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(jié)合態(tài)含量降低，其他處理的碳酸鹽結(jié)合態(tài)含量均呈升高趨勢。4個處理中有機結(jié)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(jié)束后，不同處理中重金屬Cu主要以有機結(jié)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jīng)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(jié)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(jié)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(jīng)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。

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doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2017.06.077