金山湖底泥重金属稳定化处理效果及机制研究.pdf

1、金山湖底泥重金属稳定化处理效果及机制研究周雪飞1,张亚雷1*,章明1,朱洪光2,李建华1,赵建夫2(1?同济大学环境学院长江水环境教育部重点实验室,上海?200092;2?同济大学污染控制与资源化国家重点实验室,上海?200092)摘要:采用氧化钙和过氧化钙及二者混合物对底泥中的重金属进行稳定化试验,研究了稳定化后底泥中重金属迁移情况,并对底泥重金属稳定化技术的机制进行初步探讨.酸雨淋溶试验结果表明,底泥经 CaO、CaO+CaO2、CaO2稳定化后,pH=2?9 时,Zn 迁移到第 3层,其首层迁移量分别为 96、97和 93 mg?kg,而空白试验中 Zn 迁移至第 6 层,首层迁移量为

2、128 mg?kg;pH=5?0时,Zn 迁移到第 3 层,其首层迁移量分别为 87、90 和 89 mg?kg,而空白试验中 Zn 迁移至第 5 层,首层迁移量为 112 mg?kg.这说明稳定化底泥中 Zn 的迁移速度和首层迁移量均有降低,3 种稳定化药剂能够降低其在土壤中的迁移能力;淋溶液 pH 值对 Zn的迁移能力有影响,pH 较高能够减缓 Zn 在土壤中的迁移速度,降低其首层迁移量;Ni和 Cd 的酸雨淋溶试验也可得出同样结论.重金属稳定化机制试验结果表明,经上述 3种药剂稳定化处理后,底泥 pH 值由 6?76 分别上升到 8?33、8?15和 8?21,TOC 含量分别降低5%、

3、10?9%和13?1%;Zn、Ni和 Cd 的稳定态含量分别增加 10?6%、1?7%和4?5%,这是导致重金属迁移能力下降的主要原因;由此可见,3 种药剂对同一金属的稳定化作用无明显差异;从不稳定态向稳定态转化的比例来看,稳定化药剂对不稳定态金属的稳定能力次序为:Zn Cd Ni.关键词:底泥;重金属;稳定化;土柱试验中图分类号:X131?2?文献标识码:A?文章编号:0250?3301(2008)06?1705?08收稿日期:2007?06?27;修订日期:2007?09?17基金项目:国家高技术研究发展计划(863)项目(2003AA06011000?4?02);国家科技支撑计划项目(2

4、006BAJ08B00)作者简介:周雪飞(1971),女,博士,副教授,主要研究方向水处理理论与技术等,E?mail:*通讯联系人,E?mail:zhangyalei Effect and Mechanism of Heavy Metal Stabilization Treatment of Sediment inJinshan LakeZHOU Xue?fei1,ZHANG Ya?lei1,ZHANG Ming1,ZHU Hong?guang2,LI Jian?hua1,ZHAO Jian?fu2(1?Key Laboratory of Yangtze Water Environment o

5、f Ministry of Education,Tongji University,Shanghai 200092,China;2?State KeyLaboratory of Pollution Control and Resource Reuse,TongjiUniversity,Shanghai 200092,China)Abstract:The heavy metal stabilization treatment(by mixture of CaO,CaO2,CaO and CaO2)of sediment in Jinshan Lake were investigatedthrou

6、gh soil column experiment,including the transport and transformation of heavy metal insediment after stabilization,andthe mechanism ofheavy metal stabilization treatment technology.Inthe simulatedacid rain experiment under a pH of 2?9,Zn inthe sediment stabilized by CaO,CaO+CaO2,CaO2,respectively,tr

7、ansferred to the third layer with the first layer?s migrating quantities of 96,97 and 93 mg?kg,while inanother experiment under a pH of 5?0,Zn transferred to the third layer with the first layer?s migrating quantities of 87,90 and 89 mg?kg,respectively.In the blank experiments under pH 2?9 and 5?0,Z

8、n transferred to the sixth andfifth layer withthe first layer migrating quantitiesof 128 and 112 mg?kg,respectively.The above resultswere concluded to be:?both migrating velocity and first layer?smigrating quantity ofZn decreased in stabilized sediment;the three tested ways could reduce it migrating

9、 capability in soil;!pH of leached solution couldaffect the migrating capability of Zn and high Phwould lead to the decrease of Zn in soil.For Ni and Cd,the similar conclusion could also begained.The results of metal transporting mechanism experiments with CaO,CaO+CaO2,CaO2showed that:?pH of the sed

10、iment increasedfrom 6?76 to 8?33,8?15 and 8?21;TOC content decreasedwith a range of 5%,10?9%and 13?1%;!fixedness part contents of Zn,Niand Cd increased 10?6%,1?7%and 4?5%,respectively,which is the important reason leading to the decrease of metal transportingcapability.The transformation proportion

11、of heavy metal from labilization to stabilization showed that the stabilization capability of heavy metalfollowed the sequence:Zn Cd Ni.Key words:sediment;heavy metal;stabilization;soil column experiment?水体底泥污染是一个世界范围内的环境问题 1,各种污染物在底泥中不断累积富集,导致底泥受到严重污染,底泥中的重金属、难降解有机物(POPs)等污染物的浓度往往要比上覆水体中相应污染物的浓度高几个

12、数量级2.因此,底泥的安全处置问题受到世界各国的普遍关注3 5.20 世纪 90 年代后,欧、美等国家陆续开展疏浚前污染底泥的生态风险评价工作 6,根据污染底泥的毒性和危害采取环保疏浚及相应的处置措施以避免对环境造成二次污第 29 卷第 6期2008 年6 月环?境?科?学ENVIRONMENTAL SCIENCEVol.29,No.6Jun.,2008染 7.目前,国际上对清除后的污染底泥的处置技术主要有堆存封闭法、污染泥集装化、生物修复和资源化 8,9等,并鼓励在可能的条件下使污泥处置与综合利用相结合.疏浚底泥的资源化和综合利用是该方向研究的热点,如将底泥用作土壤调节剂、制砖 10,11和

13、用作土壤和生产水泥的原材料12等.其中受污染底泥的土地利用具有市场需求量大、技术要求低、环境安全等优势,将成为受污染底泥消纳的出路.由于底泥中重金属进入土壤后很难去除,还可以通过植物吸收或通过渗滤作用渗入地下水中,进而危害人类的健康,因此必须采用适当方法降低污泥中重金属的含量 13.底泥的重金属稳定化技术大多借用污泥处置或者土壤修复方面的经验和技术,如水泥固化技术 14、石灰固化技术 15、药剂稳定化技术16 19等.药剂稳定化是利用化学药剂使有毒有害物质转变为低溶解性、低迁移性及低毒性物质的过程.现有研究表明,氧化钙对含铬稳定化效果较好,稳定后铬的浸出浓度远小于国家允许浸出标准20;石灰稳定

14、化工艺可有效降低污泥中铅、镉、铬、铜、锌等的浸出浓度 21,而过氧化钙由于其碱性和氧化性对废水中铅、镉、铜等重金属离子去除率高达 99?9%22.与固化方法相比,药剂稳定化技术可以在实现废物无害化的同时,做到废物少增容或不增容.因此,开发高效的化学稳定化药剂技术,已成为底泥重金属稳定化的重点方向.本试验以镇江金山湖底泥为研究对象,采用氧化钙和过氧化钙及二者混合物对底泥中的重金属进行稳定化试验,通过稳定化后重金属迁移情况来评价技术的效果,并对底泥重金属稳定化技术的机制进行初步研究,以期为镇江金山湖底泥资源化利用提供技术支持和理论依据.1?材料与方法1?1?实验材料试验底泥取自金山湖生态修复示范区

15、,利用抓斗采泥器采集表层10 cm.背景土壤采自上海杨浦区某建筑工地表层土壤.土壤和底泥取少量在实验室内自然风干,碾磨,过 100 目筛,分析其各理化指标(表 1).1?2?实验装置用土柱装置模拟土壤中重金属的迁移,如图 1所示.柱体为圆形有机玻璃柱,高 55 cm,内径 6?5cm,外径 7?5 cm,柱体下端同聚乙烯法兰片粘接在一起.托底为 15 cm 15 cm 正方形聚乙烯塑料板,厚度 5 mm,板四角各有支撑,在板上中心部分 6?5cm 直径范围内沿不同半径长度的圆周上打直径 2mm 的孔洞,实验中产生的渗滤液可通过小孔流出.用螺丝将法兰片与托底连接在一起,在二者之间放置橡胶垫圈,以

16、增加装置的紧密性.表1?底泥及背景土基本性质Table 1?Basic properties of sediment and contrast soil理化性质表层土壤底泥pH8?236?74TOC?%0?492?54TN?mg#g-11?263?92TP?mg#g-11?052?56Zn?mg#kg-159?2274?2Ni?mg#kg-113?938?5Cd?mg#kg-10?924?8图1?土柱装置Fig.1?Experimental installation picture of soil column1?3?试验方法1?3?1?土柱试验根据镇江市年降水量和酸雨组成特点,模拟1 a酸雨降水,设计淋溶量为3500 mL,pH 值为 5?0,考虑到地表径流pH 为 2?9,酸雨主要离子为 SO2-4NO-3=31(摩尔浓度比值),模拟酸雨通过分析纯硫酸和硝酸的混合溶液调节去离子水的 pH 值配置而成.用去离子水将有机玻璃柱冲洗干净,在底部垫上 1 层滤纸,然后在其上平铺 1 层细沙.将风干过 2mm 筛的建筑工地土壤,装入土柱中,用去离子水浸泡,压实土柱,不断重复此过程直到土柱高度