3种植物水浸提液对工业园区污水处理厂污泥中重金属的淋洗效果周晨颖

第12卷第11期2018年11月环境工程学报ChineseJournalofEnvironmentalEngineeringVol.12,No.11Nov.2018固体废物处理与资源化DOI10.12030/j.cjee.201807014中图分类号X705文献标识码A周晨颖,徐小逊,杨燕,等.3种植物水浸提液对工业园区污水处理厂污泥中重金属的淋洗效果[J].环境工程学报,2018,12(11):3221-3233.ZHOUChenying,XUXiaoxun,YANGYan,etal.Leachingofheavymetalsfromsewagetreatmentplantsludgeinindustrialparkbythreewashingagentsextractedfromplantmaterials[J].ChineseJournalofEnvironmentalEngineering,2018,12(11):3221-3233.周晨颖1，徐小逊1,2,*，杨燕1，赵伟1，陶丽11.四川农业大学环境学院，成都6111302.四川省土壤环境保护重点实验室，成都611130第一作者：周晨颖（1997—），女，本科生，研究方向：污泥无害化处理及资源化利用。E-mail：[e-mail]*通信作者，E-mail：[e-mail]摘要为探讨植物材料淋洗去除工业园区污水污泥中重金属的可行性，选用马桑（Coriarianepalensis）、枳椇子（Hoveniaacerba）和乌药（Linderaaggregata）的水浸提液作为淋洗剂，采用振荡淋洗实验研究了不同淋洗剂浓度和pH、淋洗时间和温度对其去除供试污泥中重金属的影响，并确定淋洗的最佳参数。结果表明，当3种淋洗剂浓度从20g
L-1上升到80g
L-1或淋洗温度从15℃增至55℃时，重金属去除率均呈先升高后稳定的趋势。同时，淋洗效果还受淋洗剂pH和淋洗时间的影响。基于淋洗效果、技术应用和经济成本，枳椇子、乌药和马桑水浸提液淋洗的最佳参数分别为pH7、80g
L-1、25℃、180min，pH4、100g
L-1、25℃、180min和pH4、80g
L-1、25℃、180min，此时各淋洗剂重金属去除率总体表现为CdCuPbNi。其中枳椇子和乌药对Cd去除率较高，分别为73.12%和82.60%，但Ni去除率仅为23.34%和19.42%；与前2种植物材料相比，马桑对Pb（36.40%）和Ni（27.88%）的去除率高，但对Cd（30.11%）和Cu（30.38%）的去除率相对较低。淋洗后污泥中Cu和Pb含量均可达农用污泥A级标准（CJ/T309-2009），乌药淋洗后Cd及马桑淋洗后Ni含量可达到A级标准，其他淋洗剂情况下Cd和Ni含量可达到B级标准。此外，植物水浸提液淋洗污泥还能有效保留甚至增加其养分，降低可交换态、碳酸盐结合态和铁锰结合态重金属含量。研究表明，马桑、枳椇子和乌药在淋洗去除污泥中重金属和实现污泥土地应用上有一定潜力。关键词植物水浸提液；工业园区污水污泥；重金属；淋洗随着我国污水处理能力的不断提升，污泥产量也呈现逐年增长的趋势[1-2]。污泥中含有丰富的氮（N）和磷（P）等营养元素及有机质[3-4]，具有较高的农用价值[5]。然而其中还含有一定比例的重金属等污染物，若直接农用，可能引起农业生态系统的环境风险[6-7]和土壤、大气及水的重金属污染问题[8]，并通过食物链威胁人类健康。因此，要实现污泥的科学农用，关键在于有效降低或去除重金属等污染物[9]。目前，常见的重金属去除技术包括电化学法、热处理法和离子交换法等[9-10]，其对重金属去除效果较好，但相对昂贵费时[11]。化学淋洗技术由于操作简单、提取迅速和去除率高等优点应用广泛[9]，其关键是选择经济高效的环境友好型淋洗剂。传统淋洗剂包括无机淋洗剂、螯合剂和表面活性剂[12]，部分存在一定环境风险且可能造成污泥养分损失，不利于污泥农用[13]。因此，降解快、毒性小且价格低的淋洗剂的开发和应用日益受到重视[14]。收稿日期:2018-07-03；录用日期:2018-08-28基金项目:四川农业大学2017年国家级创新训练计划项目（201710626017）3222环境工程学报第12卷一些植物材料中不仅含有羧基和羟基等能与重金属离子螯合的活性组分[15]，还具有对养分及环境影响较小的优点[16-17]。余春瑰等[16]用八角金盘水浸提液振荡淋洗土壤中的镉（Cd），去除率可达78%，且淋洗后钾素有所增加。GUSIATIN等[17]研究表明，植物皂角苷对壤质砂土的Cd和锌（Zn）最大去除率为89%，且环境风险低。工业园区污水污泥与土壤性质相似，利用成本低廉的植物材料去除工业园区污水污泥中的重金属的研究报道还不多见。已有报道[18]表明马桑（Coriarianepalensis,CN）对土壤中的铅（Pb）和Cd去除效率较高，枳椇子（Hoveniaacerba,HA）能有效去除土壤中的Cd[16]。因此，本研究拟选取乌药（Linderaaggregata,LA）、枳椇子和马桑为原料制备植物淋洗剂，探讨其对工业园区污水污泥中重金属去除的可行性，拟通过不同淋洗剂浓度和pH、淋洗时间和温度对工业园区污水污泥中重金属去除率的影响分析，确定淋洗的最佳条件，以期为经济高效且对生态环境友好的工业园区污水污泥重金属淋洗修复技术的开发提供依据。1材料与方法1.1供试污泥供试污泥为工业园区污水污泥，采自四川德阳某工业园区污水处理厂。该工业园区污水主要来自园区内机械加工、冶金、建材、印刷等企业在生产过程中产生的污水和废液，具有成分复杂、重金属含量远高于生活污水等特征。湿污泥样采集后剔除碎石、杂草等异物，自然风干后充分研磨并过100目筛，混匀备用。有机质采用重铬酸钾容量法-外加热法测定，碱解氮采用扩散法测定，速效磷采用NaHCO3浸提铝锑抗比色法测定，速效钾采用醋酸铵浸提-火焰光度法测定，重金属全量分析以HF-HClO4-HNO3-HCl法消煮，火焰原子吸收分光光度法（ThermoSolaarM6,ThermoFisherScientificLtd.,USA）测定Cd、Pb、铜（Cu）和镍（Ni）浓度[19]。污泥中养分和重金属含量如表1所示，参考《城镇污水处理厂污泥处置-农用泥质》（CJ/T309-2009）[20]中A级限值，其Cd和Ni含量分别超过A级限值107.33%和39.95%。表1供试污泥部分重金属及养分含量Table1Concentrationsofheavymetalsandnutrientsoftestsludge标准及实测值有机质/（g
kg-1）碱解氮/（g
kg-1）速效磷/（g
kg-1）速效钾/（g
kg-1）Cd/（mg
kg-1）Cu/（mg
kg-1）Pb/（mg
kg-1）Ni/（mg
kg-1）A级标准限值————3500300100B级标准限值————1515001000200实测值（淋洗前）24.502.354.131.036.22104.3053.49139.951.2淋洗剂制备实验所用乌药（根）和枳椇子（果）购于仁达医药连锁有限公司，马桑（叶）采集于野外。先用自来水粗洗原料，再以去离子水反复洗涤，自然风干后置于烘箱中（45℃）烘至恒重，放入DFY-500型研磨机中粉碎，过2mm筛，备用。植物粉末中按照预设浓度（20、35、50、65、80、100g
L-1）加入去离子水后，于恒温振荡器（25℃，150r
min-1）中振荡24h后，用3层细纱布过滤，滤液作为植物水浸提液冷藏，待用于振荡淋洗实验。3种植物浸提原液的基本性状[21-23]见表2。1.3振荡淋洗实验分别称取2.00g污泥于一系列50mL聚乙烯瓶中，再向其中加入以1%HNO3和1%NaOH调至设定酸碱度的植物淋洗剂40mL，于恒温振荡器中振荡相应时间（设定温度，150r
min-1），悬浮液立即第11期周晨颖等:3种植物水浸提液对工业园区污水处理厂污泥中重金属的淋洗效果3223表2植物浸提原液的基本性状Table2Basiccharactersoforiginalwaterextractsofplantmaterials浸提原液pH组分基团马桑5.6三帖酸、羟基马桑毒素、马桑亭、马桑宁、马桑倍半萜内酯等羟基、羰基、甲氧基、乙酰基等枳椇子5.3枳椇酸、亚麻酸、葡萄糖及苹果酸钾等羟基、羧基、羰基、甲氧基等乌药4.8乌药双查耳酮、肉桂酸、球松素、蓟黄素和-谷甾醇等羟基、羧基、羰基、亚甲氧基等过滤后稀释一定倍数并保留稀释前的溶液，待测其中的重金属含量。每个条件下的实验设置3次重复。各因素振荡淋洗实验：淋洗剂浓度设置为20、35、50、65、80、100g
L-1。研究pH的影响时选择3~7的pH作实验分析[24]，即用1%HNO3和NaOH调节溶液pH至3.0±0.1、4.0±0.1、5.0±0.1、6.0±0.1和7.0±0.1。此外，设定振荡时间分别为5、30、60、120、180、240min，淋洗温度分别为15、25、35、45、55℃。研究相关文献，为简化实验操作同时保证一定淋洗效率[16]，单一因素改变时，固定其他因素不变且其设置值分别为50g
L-1，pH4、25℃和180min。1.4重金属形态分析最优条件下淋洗后的污泥和原污泥自然风干后，采用Tessier五步提取法[25]提取淋洗前后污泥中可交换态（EXC）、碳酸盐结合态（CAR）、铁锰氧化物结合态（OXI）、有机态（ORG）和残余态（RES）Cd、Ni、Pb和Cu，采用火焰原子吸收分光光度法测定不同形态的重金属含量以进行形态分析。1.5重金属去除率计算淋洗前后对4种重金属的去除率[26]按式（1）计算：=CLCs100%（1）式中：为重金属淋洗去除率，%；CL为淋洗液里重金属总量，mg
kg-1；Cs为污泥中重金属总量，mg
kg-1。1.6数据处理利用数据分析软件SPSS19.0（SPSSInstituteInc.,USA）对数据进行基础分析，主要包括影响因素的关系建模、描述性统计、单因素方差分析（ANOVA）和以Duncan法进行处理间多重比较。实验结果曲线图采用OriginPro9.0绘制。2结果与讨论2.1淋洗条件对Cd、Ni、Pb和Cu去除率的影响2.1.1淋洗剂浓度淋洗剂浓度对淋洗效果影响显著[18,27]。随着水浸提液浓度的提升，枳椇子对Cd、Cu、Ni和Pb的去除率分别呈线性（Cd、Ni和Pb）和指数（Cu）上升变化，乌药对其去除率分别呈对数（Cu）和指数（Cd、Ni和Pb）曲线提高，马桑其去除率分别呈对数（Cd、Cu和Ni）和指数（Pb）上升变化（表3）。当枳椇子和马桑水浸提液浓度从20g
L-1增至80g
L-1时，各重金属去除率提升显著，当浓度80g
L-1时趋于稳定（图1）。当乌药浓度从20g
L-1增至100g
L-1时，Ni和Pb去除率不断提升，Cd和Cu去除率分别在65g
L-1和80g
L-1时趋于稳定，因此，100g
L-1为其对4种重金属淋洗的适宜浓度。重金属最大去除率总体表现为CdCuPbNi，其中，乌药和枳椇子对Cd去除率较高，分别可达82.60%和78.33%，但对Ni的去除效果不理想，仅为23.79%和25.77%；相反，马桑对Pb（36.40%）和Ni（27.21%）的去除率较高，但对Cd和Cu的去除效果明显低于前者。3224环境工程学报第12卷表3浓度与去除率的关系建模Table3Fittingmodelsbetweenconcentrationsandremovalefficiencies重金属种类淋洗剂方程R2显著性CdHAy=0.956x-9.4760.9650.003LAy=26.469e0.013x0.9500.001CNy=19.065lgx-55.0180.9350.002CuHAy=16.713lgx-7.