污泥成分复杂,含水率极高且不易脱水,含有较多难降解的有机污染物、有害重金属及病原微生物等,严重威胁着人类的生存、健康和发展。污泥资源化利用是污泥处理的必然出路,污水处理过程中超过一半的重金属会转移到污泥中,污泥中的重金属严重阻碍了污泥的资源化利用。含有较高重金属的污泥进行农用时,不仅增加作物体内的重金属含量,还引起土壤重金属污染,当存在降水时,污泥和土壤中一部分重金属进入地表径流和地下渗流并随水流迁移,进而对地下水造成二次污染。常见的污泥重金属去除方法有吸附法、化学淋滤法、生物淋滤法等。
污泥重金属的去除
吸附法
吸附法是利用具有特殊结构或化学成分的物质来分离去除重金属的方法。Kosobucki等探索了经济有效且易获得的地质材料天然沸石对污泥重金属进行研究,表明添加2%的斜发沸石,经5h震荡后,粒径为0.7-1.0mm的沸石吸附重金属的效果最好。沸石矿物具有开矿的硅氧格架,在晶体内部形成很多孔径均匀的孔道和内表面很大的空穴,因而对重金属离子有很强的吸附性。此外,一些微生物具有的独特细胞壁结构和成分使其也具有吸附能力。一般认为,微生物吸附主要是生物体细胞壁表面的一些具有金属结合、配位能力的基团如羟基、羟基等通过与吸附的重金属离子形成离子键或共价健来达到去除重金属离子的目的。Brinza等[21]发现藻类可以吸附一种或多种重金属离子;Klimmek等[22]研究了30种藻类对Pb、Cd、Ni和Zn的吸附作用,其中蓝藻对4种金属的吸附量最高。Romera等[23]对37种藻类生物吸附重金属的情况进行了比较,认为红藻、绿藻和褐藻3大藻中,褐藻的吸附容量较高。这些藻类具有较强的吸附能力可能是由于细胞壁外有一层黏性物质,这类物质因含有糖醛酸而具有很大的结合金属离子的能力。由此可知利用藻类对污泥重金属进行吸附可以同时实现多种金属的吸附且吸附量大,藻类吸附剂还具有成本低、选择性好等优点,因而具有较为广阔的发展前景。
化学淋滤法
化学淋滤法处理污泥中的重金属通常是采用硫酸、盐酸或硝酸等将污泥的酸度降低,通过溶解作用,使难溶态的金属化合物形成可溶解的金属离子;或者用EDTA、柠檬酸等络合剂通过离子交换作用、酸化作用,鳌合剂和表面活性剂的络合作用,将其中的重金属分离出来,达到减少污泥重金属总量的目的。Stylianou等研究了酸处理对雅典市政污水污泥重金属去除的影响,结果表明当反应温度为80℃,浓度为20%的硫酸与污泥作用30min后对污泥重金属的去除效果最明显,其中Ni、Cu、Cr和Zn的去除率高达70%以上,对Pb的去除效果不是很明显。无机酸处理虽然对大部分金属去除效果较好但其环境危害性大,为此黄翠红等[25]对有机酸柠檬酸去除化工厂污泥中的镉、铅进行研究,发现当pH值在3左右,柠檬酸浓度0.2mol/L,摇床转速200r/min,反应时间1d时,污泥中镉、铅的最大去除率分别为91.5%和96.5%,且用此法去除其它污泥中的重金属镍、铜也取得了很好的效果。与无机酸有所不同,有机酸柠檬酸能高效的去除重金属是由柠檬酸的酸性和阴离子的络合特性共同发挥作用的结果;同时柠檬酸易于生物降解,对环境污染较小。一些学者还认为:仅用酸来降低污泥的pH值不利于重金属硫化物向可溶态离子形式转化,当污泥的氧化还原电位Eh值升高时,金属硫化物才能被氧化成硫酸盐溶解出来。为此,Yoshizaki等[27]采用8%的磷酸和H2O2的室温下处理污饼,水力停留时间1h的处理效果即可与1mol/L的盐酸相当,在H2O2存在的情况Cu很容易从污泥中去除,大部分磷酸可以循环利用。由于加入H2O2提高了污泥的氧化还原电位,因而重金属的沥滤效果得到了进一步的提高。
生物淋滤法
生物淋滤技术是利用自然界的微生物通过直接作用或其他代谢产物的间接作用,产生氧化、还原、络合或溶解作用,将固相中的某些不溶性成分如重金属分离浸提出来的一种技术,其中应用最广泛的是氧化亚铁硫杆菌与氧化硫硫杆菌。