ES稳定重金属污染底泥效果

2017-03-15 08:06:23 3

  底泥是江河、湖泊、水库和海湾等水体底部长期积存的沉积物[1],是自然水域的重要组成部分[2],但随着全球工业发展,各种污染物通过大气沉降、废水排放、雨水淋溶与冲刷最终进入水体[3],随后沉积到底泥中,使底泥受到严重污染。众多污染物中,重金属由于其毒性和持久性而成为影响底泥质量较严重的一类[4]。底泥中重金属的不断富集对水体中鱼类、底栖软体动物等造成危害[5],破坏河流水栖生态。当水体氧化还原条件、盐度、pH、天然或合成络合剂使用量等发生变化时,底泥中的重金属会脱离底泥而转化为溶解状态释放于水体中,对水体造成二次污染[6,7]。

  目前针对重金属污染底泥的主要治理修复方法分为原位修复法和异位修复法。原位修复技术是底泥不疏浚而直接采用固化或生物降解等手段来消除底泥的污染行为。异位处理技术则是将底泥疏浚后再处理,消除其对水体的危害[8]。具体的方法有:疏浚、掩蔽法、淋洗法、稳定化法、电动修复法、微生物修复、植物修复等[9]。

  其中稳定化法因其操作简单,见效快,异位原位均可使用,效果好等优势受到广泛使用[10],是重金属污染底泥安全处置的重要方法。常见的重金属稳定剂可分为无机型和有机型2种,无机型主要有石膏、硫化物、磷酸盐等,有机型药剂以螯合剂为主,例如EDTA、壳聚糖衍生物以及二硫代氨基甲酸盐(DTCR)、ES[11,12]等。

  稳定剂种类繁多,功能各异,对于不同重金属何种稳定剂效果更显著,其研究较少。本文针对多种重金属底泥分别研究,并筛选出最适宜的稳定剂。同时探讨稳定化的机理,为重金属污染底泥安全处置提供科学依据。

  1 材料与方法

  1.1 待测样品配置及采集

  1.1.1 模拟底泥的配置

  将汞、砷、铜、镉标准溶液分别与未经重金属污染的母质沉积物混合,剧烈搅拌均匀,分别置于可密封聚乙烯容器中,加入一定量去离子水,用称重法保持模拟底泥含水率为50%,密封、室温放置4周后除去密封膜,室内自然风干、研磨过100目筛[13,14]。随后采用TCLP进行浸出,Hg、As、Cu、Cd浸出浓度分别为4.7、29、14.6和46.04mg/L。

  1.1.2 样品的采集与分析

  实验用底泥取自天津某污水库,采用抓斗式采泥器分点采集表层0~20cm的样品,聚乙烯袋中混合均匀,密封贴标签后运回实验室低温(4℃)保存。将采集样品在室温下自然风干后,去除石块、贝壳及动植物残体等杂质,研磨过100目筛,分析其各理化指标:其中底泥含水率为70.9%,DOC为213.1mg/kg,pH 为7.4,全磷为1.75g/kg,氨氮含量23.6mg/kg,重金属Hg、As、Cd、Cu的含量分别为2.6、27.9、2.6和521.5mg/kg。采用EPA-TCLP1311标准进行底泥浸出,浸出后重金属Hg、As、Cd、Cu浓度分别为0.62、8.13、1.21和33.38mg/L。

  1.2 稳定化药剂

  结合各种稳定化剂的经济成本以及环境友好性,选取选取典型无机、有机稳定剂和重金属螯合剂里的新型药剂作实验研究,分别是氧化钙、硫化钠、硫酸亚铁、磷酸氢二钠、ES、壳聚糖,具体性质如表1所示。

  1.3 实验方法

  1.3.1 稳定剂筛选实验

  分别称取不同重金属模拟底泥各2g,按照与底泥质量比1%、3%、5%、7%、10%称取稳定剂后加入入2.4g蒸馏水溶解并调节pH为7,加入模拟底泥充分混合8h,室温下放置5d。经稳定后的底泥自然风干后研磨备用。每组实验设置3个平行,均以未处理沉积物作为对照。

  药剂对底泥中重金属稳定化率的计算方法为:

  稳定化率=[(C0 -C1)/C0]×100%

  式中:C0 为加药剂前底泥样品的重金属浸出量;C1为加药剂后底泥样品中重金属浸出量[15,16]。

  1.3.2 底泥稳定化优化实验

  首先称取2g底泥样品,随后改变相关因素进行实验:(1)保持pH为7,液固比为1.2∶1,改变稳定剂添加量,以质量比1%、3%、5%、7%、10%称取稳定剂;(2)保持稳定剂添加量为5%,pH为7,改变液固比为1∶1、1.2∶1、1.5∶1、1.7∶1、2∶1;(3)保持液固比为1.2:1,稳定剂添加量为5%,改变pH为5、6、7、8、9。稳定剂溶解后加入底泥,充分混合8h,室温下放置5d进行稳定化,稳定后的底泥自然风干,研磨备用,每组实验设置3个平行,均以未处理沉积物作为对照。

  药剂对底泥中重金属稳定化率的计算方法同1.3.1。

  1.3.3 底泥浸提实验

  采用美国EPA-TCLP1311标准对絮体进行毒性浸出[17]:称取100g的样品,缓慢地将20倍于固体质量的相应型号浸出液(将5.7mL冰醋酸用纯水稀释到1L即可,其pH值为2.88±0.05)。加入已呈有固相的浸取瓶中,将浸取瓶盖紧,并保证在(30±2)r/min下使用浸取装置旋转18h,在整个浸取期间,确保温度维持在(22±3)℃ 之间,浸取18h后,用玻璃纤维滤膜过滤,所得滤液即为TCLP浸出液。

  1.3.4 底泥重金属形态分析

  BCR连续提取:根据Rauret等提出的BCR连续提取法对絮体中重金属进行连续提取[18,19]。提取后分别测试各阶段的液相浓度,计算土壤中酸可提取态、可还原态、可氧化态及残渣态的重金属所占比例,其中稳定性:残渣态>可氧化态>可还原态>酸可提取态。具体参见污水技术资料更多相关技术文档。

  1.4 分析与检测方法

  沉积物样品重金属总量测定采用EPA3051法消化进行前处理[20],电感耦合等离子体质谱(ICP-MS,7500a,Agilent)法同步测定。

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