幾種淋洗劑對生活垃圾肥重金屬的去除效果

幾種淋洗劑對生活垃圾肥重金屬的去除效果

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和人口比例的不斷提高，城市生活垃圾的數(shù)量日益增多。目前,我國每年城市生活垃圾的產(chǎn)生量可達1億t,生活垃圾已成為我國突顯的生態(tài)環(huán)境問題。堆肥法是實現(xiàn)生活垃圾資源化、減量化的重要途徑之一。堆肥過程是利用微生物的活動,將垃圾中的易腐有機物分解,轉(zhuǎn)變成富含有機質(zhì)和氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素和微量元素的有機質(zhì)肥料。因此,垃圾堆肥不僅含有大量植物生長所需的有機質(zhì)和礦質(zhì)元素,也可以用來肥田和改良土壤。但垃圾堆肥中也含有一定量不同形態(tài)的重金屬,施入土壤后,將引起土壤重金屬含量增加,直接或潛在危害植物生長。土壤中積累過多的重金屬,一旦進入食物鏈或地下水,會引起新的環(huán)境問題。因此,采取各種方法減少垃圾堆肥重金屬含量的研究具有重要的現(xiàn)實意義。在諸多土壤重金屬污染的修復(fù)方法中,淋洗法是一種有效去除重金屬的方法,采用淋洗法修復(fù)重金屬污染土壤的研究,國內(nèi)外已有文獻報道。土壤淋洗法是利用淋洗液把土壤固相中的重金屬轉(zhuǎn)移到土壤液相中去,再把富含重金屬的廢水進一步回收處理的土壤修復(fù)方法。目前研究的淋洗劑包括有機或無機酸、表面活性劑、螯合劑EDTA等。在諸多淋洗劑中用強酸、螯合劑和表面活性劑進行土壤淋洗是比較流行和有效的方法。Beveridge等研究了化學(xué)合成的陰離子、陽離子和非離子表面活性劑對粘土中重金屬吸附的影響,發(fā)現(xiàn)陽離子表面活性劑能降低Cu2+、Pb2+、Cd2+和Zn2+在粘土中的吸附?？状貉嗟难芯堪l(fā)現(xiàn),EDTA在化學(xué)淋洗實驗中對土壤中各種重金屬都表現(xiàn)出了良好的淋洗能力,是一種高效的土壤重金屬淋洗劑。Mulligan等的研究表明,表面活性劑可以將重金屬與有機質(zhì)的絡(luò)合體從土柱中淋洗去除,但由于EDTA難降解,殘留土壤中可能引起地下水污染。采用對環(huán)境相對安全的LAS表面活性劑、螯合劑DL-蘋果酸和檸檬酸作為淋洗劑,以其單獨或復(fù)合淋洗法去除生活垃圾堆肥重金屬的研究未見報道。本研究的目的在于為生活垃圾堆肥重金屬的修復(fù)及堆肥的安全利用提供理論依據(jù)。1實驗部分1.1烘干至恒重的條件生活垃圾堆肥,來自天津市小淀垃圾堆肥處理廠。實驗前對垃圾堆肥進行預(yù)處理,去除其中的塑料薄膜、磚瓦、石塊和玻璃等大塊雜物,然后在80℃條件下烘干至恒重,過2mm篩子。供試垃圾堆肥基本理化性質(zhì)為:有機質(zhì)含量22%,全氮0.57%,pH為7.62;主要礦質(zhì)營養(yǎng)有全磷0.34%,全鉀1.21%,Ca含量30.62g/kg,Fe19.95g/kg,Mg5.78g/kg;持水量為0.755mL/g,容重為0.85g/mL;重金屬Mn、Ni、Cu、Zn和Cd的含量分別為531、33.4、239、496和1.97μg/g。1.2實驗方法1.2.1未加hno3的水液gc/ms來對照將濃HNO3用水稀釋,分別配制成pH為3.0、4.0、5.0、6.0的溶液,定容到250mL容量瓶中。以未加HNO3的自來水(pH=7.0)為對照。稱取100g垃圾堆肥,倒入已鋪好濾紙的漏斗里,分別取不同pH的淋洗液200mL,緩慢滴入漏斗中的垃圾堆肥上,收集淋溶下來的濾液。待淋溶完全后,依上述方法,再淋溶2遍,實驗為3次重復(fù)。1.2.2洗劑溶液的確定分別配制LAS、DL-蘋果酸、檸檬酸3種淋洗劑的溶液,濃度分別為10、20和30mmol/L。按上述淋洗方式,分別用不同濃度的3種淋洗劑對垃圾堆肥進行淋洗,收集濾液。1.2.3堆肥的堆肥工藝將螯合劑DL-蘋果酸和檸檬酸濃度定為20mmol/L,改變LAS的濃度,分別為10、20和30mmol/L,用螯合劑和不同濃度的LAS復(fù)合淋洗堆肥,收集濾液。所有濾液中Mn、Ni、Cu、Zn、Cd5種重金屬含量用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀(ICP-AES)進行測定。2結(jié)果與討論2.1淋出率及ph值對cd的影響淋洗劑酸度對堆肥重金屬淋出量的影響見圖1。當(dāng)pH=5.0時,重金屬Mn的淋出量最多,高出對照(pH=7.0)2.8倍,其淋出率為0.012%;對于Ni而言,pH=4.0時淋溶效果較好,淋出量高出對照35%,其淋出率為0.44%;pH=6.0對于Cu和Zn的淋出效果較好,淋出量分別為對照的1.2和1.4倍,其淋出率分別為0.10%和0.092%。淋洗劑酸度變化對Cd淋出量沒有影響?？偟膩碚f,淋洗劑酸度變化對堆肥中重金屬的淋洗效果影響不大。2.2不同濃度檸檬酸對mn、ni、zn、cd、mn的淋出由圖2可知,以不同濃度淋洗劑LAS單獨作用于堆肥時,Cu的淋出量隨著LAS濃度的增加而增加,LAS濃度為30mmol/L時,Cu淋出量為對照的3.3倍,其淋出率為0.26%。LAS明顯增加了重金屬Zn的淋出,但各濃度間差異不大。Cd的淋出量在LAS濃度為30mmol/L時為最多,此濃度下堆肥中Cd的淋出率為1.25%,可能因為LAS與Cd能形成穩(wěn)定的絡(luò)合物,增加了它的淋出。當(dāng)淋洗劑為DL-蘋果酸時,Mn和Zn的溶出量隨著蘋果酸濃度的增加而增加。當(dāng)蘋果酸濃度為30mmol/L時,Mn和Zn的淋出量分別為對照的87.2和17.2倍,其淋出率分別為0.28%和1.11%。蘋果酸濃度為20mmol/L時對Cu的淋出效果最好,淋出量是對照的9.3倍,其淋出率為0.74%。而對于Ni和Cd而言,蘋果酸沒有增加它們的淋出,說明DL-蘋果酸作為一種螯合劑,能提供配體,與重金屬反應(yīng)形成螯合物,但因重金屬而異;Mn、Cu、Zn與DL-蘋果酸有較好的的螯合效果。和LAS、DL-蘋果酸相比,檸檬酸明顯增加了Mn、Ni、Zn、Cd的淋出量,以Mn和Zn的淋出最為顯著,并隨檸檬酸濃度的增加而增加。當(dāng)檸檬酸濃度為30mmol/L時,Mn和Zn的淋出量分別是對照的221.5和34.8倍,其淋出率分別為0.71%和2.25%。檸檬酸也明顯增加了Ni、Cd的淋出,濃度為20mmol/L的檸檬酸對Ni、Cd的淋洗效果較好,淋出量分別為對照的4.7和2.0倍,其淋出率分別為1.51%和1.29%。說明檸檬酸與堆肥中重金屬的螯合效果要明顯優(yōu)于DL-蘋果酸和LAS。以表面活性劑、螯合劑作為淋洗劑,從淋洗效果來看,螯合劑的使用活化了土壤中的重金屬,增加了重金屬在土壤中的移動性,提高了重金屬淋洗修復(fù)的效率。有研究證實,檸檬酸鹽能有效去除土壤中重金屬離子,而且其生物可降解性強,不淋溶土壤中的大量營養(yǎng)元素,并能改善土壤結(jié)構(gòu)。也有研究表明,檸檬酸能去除土壤和垃圾中幾乎所有的有毒金屬和放射性元素,并能有效回收。使用檸檬酸的另一個好處在于它對土壤環(huán)境中的天然細菌傷害很小,既不易破壞土壤,回收水的處理也比較容易。我們的研究結(jié)果與前人的研究相似,檸檬酸對堆肥重金屬的淋出效果相對較好。2.3復(fù)合淋洗劑對重金屬的淋出率在淋洗劑復(fù)合應(yīng)用方面有一些研究報道,Qiu等的研究表明,Na2EDTA和草酸鹽復(fù)合淋洗對土壤中As、Cd、Cu、Pb和Zn5種重金屬的去除非常有效,尤其是As和Pb,當(dāng)采用Na2EDTA單獨淋洗時只能去除很少量的As,而采用草酸鹽單獨淋洗時只能去除很少量的Pb。Mulligan等用5種表面活性劑修復(fù)鉻污染土壤,發(fā)現(xiàn)靜態(tài)吸附中,單獨使用陰離子型Dowfax800對Cr(VI)的浸提率比對照水的浸提率高2~2.5倍;當(dāng)與螯合劑二苯卡巴肼復(fù)合使用時,其浸提率比水浸提高9.3~12倍,比單獨使用Dowfax800高3.5~5.7倍。動態(tài)淋洗過程中,Dowfax800與螯合劑二苯卡巴肼復(fù)合使用,Cr(VI)比去離子水高2.13倍。本研究發(fā)現(xiàn),采用蘋果酸和LAS復(fù)合淋洗堆肥,5種重金屬都比蘋果酸單獨淋洗時有較多的淋出(圖3)。當(dāng)LAS的濃度為30mmol/L時,Mn、Zn的淋出率則分別為0.19%和1.14%;其淋出量分別是20mmol/L蘋果酸單獨淋洗時的2.2和4.9倍,是30mmol/LLAS單獨淋洗時的64.6和12.3倍。蘋果酸和LAS復(fù)合淋洗,Cu的淋出量在LAS濃度為20mmol/L時達到最大,分別為同濃度蘋果酸和LAS單獨淋洗時的3.3和11.3倍,淋出率為2.47%;對于Ni和Cd而言,蘋果酸和LAS復(fù)合淋洗的效果最好,在單獨淋洗時,2種重金屬淋出量很少或未淋出,兩種淋洗劑復(fù)合淋洗時有了顯著的增加。檸檬酸與LAS復(fù)合淋洗堆肥得出相似的結(jié)果,而且除Cu外,淋出量要明顯高于蘋果酸與LAS復(fù)合淋洗。Mn、Ni、Cu、Zn和Cd5種金屬的最大淋出量分別是同濃度檸檬酸單獨淋洗時的2.0、1.0、8.3、1.9和1.1倍,其中Cu的淋出率可達1.85%;當(dāng)LAS的濃度為30mmol/L時,檸檬酸與LAS復(fù)合淋洗5種重金屬淋出量分別是蘋果酸與LAS復(fù)合淋洗的3.1、2.2、0.9、2.1和8倍,其中Cd的淋出率可達1.47%。由此可見,LAS與螯合劑復(fù)合使用淋洗堆肥重金屬的效果比單獨使用時明顯,而且,LAS與檸檬酸共同作用,淋洗效果優(yōu)于LAS與蘋果酸復(fù)合作用。加入有機酸淋洗修復(fù)土壤中的重金屬時,當(dāng)進行淋洗或進行有機酸活化處理后,會使污染土壤中的重金屬元素暴露出來或增加了土壤溶液中可溶態(tài)重金屬的含量,然后通過收集土壤溶液進行處理而達到修復(fù)和減輕土壤污染程度的目的。宋金鳳等指出,利用草酸和檸檬酸及其有機酸的鹽對暗棕壤鐵具有較好活化作用,而暗棕壤經(jīng)活化釋放的鐵是隨著低分子有機酸/鹽濃度的增加而增多,而且檸檬酸的活化作用效果大于草酸,這可能是由于檸檬酸對鐵的螯合能力要強于草酸,而且檸檬酸有較大的離解常數(shù)相關(guān)。3淋洗效果的比較淋洗劑的酸度對堆肥重金屬的淋出影響較小,而表面活性劑、有機酸螯合劑提高了重金屬的淋洗效果,蘋果酸和檸檬酸要優(yōu)于LAS,檸檬酸要優(yōu)于蘋果酸。LAS與螯合劑復(fù)合淋洗比單獨淋洗效果更明顯,尤其是LAS與檸檬酸復(fù)合淋洗的效