第３期 张慧勇：污泥中化学成分的测定及固化研究 ・６５・ ｝分析与测试｝ 、．．． －◆． ．．．．Ｉ卜－．．．．．． ．，
污泥中化学成分的测定及固化研究
张慧勇 （洛阳理５１２学院材料科学与工程系，河南洛阳４７１０２３）
摘要：随着我国城镇化步伐的加快，城市人１３迅速膨胀，城镇规模不断扩大，伴随而来的污水污泥急剧增多。城市污泥中含有大量 有毒有害物质，容易对环境造成危害。该论文利用混酸消解污泥样品，并通过火焰原子吸收法测定城市污泥中的铜、铁、锰、镍、铬 的含量；然后分别采用管式炉法和萃取光度法测定了硫和磷的含量。在上述实验基础上，经分析研究，采用水泥固化法来固化污 泥，使用普通硅酸盐水泥对污泥样品中有害重金属进行了有效固化，以期能够对城市污泥的分析研究和处理提供参考和依据。 关键词：城市污泥；环境；固化 中图分类号：Ｘ７０３；０６５７ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００８—０２１Ｘ（２０１４）０３—００６５一Ｏ５
Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ Ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｌｕｄｇｅ ＺＨＡＮＧ Ｈｕｉ—ｙｏｎｇ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｌｕｏｙａｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌｕｏｙａｎｇ ４７１０２３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｕｒｂａｎｉｚａｔｉｏｎ ｉｎ Ｃｈｉｎａ ａｎｄ ｒａｐｉｄ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｉｔｙ，ｃｉｔｉｅｓ ｈａｖｅ ｅｘｐａｎｄｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｅｗａｇｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｄｒａｍａｔｉｃａｌｌｙ．Ｍｕｎｉｃｉｐａｌ ｓｅｗａｇｅ ｓｌｕｄｇｅ ｃｏｎｔａｉｎｓ ａ ｌａｒｇｅ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｈａｚａｒｄｏｕｓ ｓｕｂｓｔａｎｃｅｓ，ａｎｄ ｉｔ ｃａｕｓｅｓ ｈａｒｍ ｔＯ ｔｈｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｍｉｘｅｄ ａｃｉｄ ｄｉｇｅｓｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｆ ｓｌｕｄｇｅ ｓａｍｐｌｅ．Ｔｈｅ ｃｏｐｐｅｒ，ｉｒｏｎ，ｍａｎｇａｎｅｓｅ，ｎｉｃｋｅｌ ａｎｄ ｃｈｒｏｍｉｕｍ ｉｎ ｍｕｎｉｃｉｐａｌ ｓｌｕｄｇｅ ｗｅｒｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｂｙ ｆｌａｍｅ ａｔｏｍｉｃ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ．Ｓｕｌｐｈｕｒ ａｎｄ ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ ｃｏｎｔｅｎｔ ｗｅｒｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｂｙ ｔｕｂｅ ｆｕｒｎａｃｅ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｓｐｅｃｔｒｏｐｈｏｔｏｍｅｔｅｒ．Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ａｂｏｖｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｃｅｍｅｎｔ ｃｕｒｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔＯ ｓｏｌｉｄｉｆｙ ｔｈｅ ｓｌｕｄｇｅ． Ｕｓｉｎｇ ｏｒｄｉｎａｒｙ Ｐｏｒｔｌａｎｄ ｃｅｍｅｎｔ ｔｈｅ ｈａｒｍｆｕｌ ｈｅａｖｙ ｍｅｔａｌｓ ｉｎ ｓｌｕｄｇｅ ｓａｍｐｌｅｓ ｗｅｒｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｃｕｒｅｄ ａｎｄ ｗｅ ｅｘｐｅｃｔ ｔｏ ｐｒｏｖｉｄｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｃｉｔｙ ｓｌｕｄｇｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｉｔｙ ｓｌｕｄｇｅ；ｈｅａｖｙ ｍｅｔａｌ；ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ
污泥一直被视为是污染环境的废弃物，随着科技的发展 和人们环保意识的提高，我们认识到污泥中含有含在大量的 有机质及氮、硫、磷、钾等元素，而且污泥的毒性也不容忽视， 检测发现城市污泥中普遍含有重金属元素，它们的种类和含 量因城市的不同而不同 －２ Ｊ。因此，污泥中各种化学成分的 测定及其处理利用方法成为世界各国比较重视的课题。 城市污泥中的有害物质会通过降水随地表径流或渗漏， 对地表水和地下水造成污染，还会传播疾病 Ｊ。城市污泥中 的重金属更是人们研究分析城市污泥的重点 Ｊ。重金属污 染系指各种金属元素及其化合物对水体、土壤、大气等的污 染。针对以上污泥对环境造成的危害，污泥的科学、合理、规 范化处理已显得刻不容缓。而污泥中重金属是城市污水处 理厂始终无法消除的副产品。这些有毒有害物质，一旦出现 在我们的食物链中，就势必会给我们的生活环境和饮食健康 带来不可预测的危害。 目前国内外对污泥中化学成分的测定方法主要有火焰 收稿日期：２０１４—０ｌ一２７ 基金项目：洛阳理工学院博士启动基金（Ｎｏ：２０１１ＢＺ０２） 作者简介：张慧勇（１９７９一），女，讲师，河南驻马店人。 原子吸收光谱法、Ｘ射线荧光光谱法 Ｊ、电感耦合等离子体 原子发射光谱法、化学发光法、电感耦合等离子质谱法和电 化学分析法【６ Ｊ，其中前两种测定方法用于测定污泥中重金属 较为普遍。污泥中有机质和氮、磷、钾的测定则更多使用管 式炉法、分光光度法、化学容量滴定法等。关于污泥的处理， 随着科技的发展和人类的进步，最终将趋向于稳定化、无害 化和资源化的目标．而研究发现污泥固化可以较为满意地达 到这一目标。固化稳定化技术作为污泥处理的主要方法，已 得到了广泛应用 。固化是指将液态或结构松散的物质变 成固化整体，从而将污染物包裹在具有结构完整的固化整体 中，最大程度的减少污染物释放到环境中去，同时又提高废 物的土工力学性。将污泥通过固化技术处理成为可以再生 资源利用的土工材料或者作为填埋处置的预处理手段能够 解决污泥处理中的一系列难题，是一种极有市场前景和应用 前途的污泥处理和资源化手段 。污泥固化分为很多种，按 照不同固化剂划分，固化技术可分为水泥固化 、石灰固 ・６６・ 山东化工 ＳＨＡＮＤ０ＮＣ ＣＨＥＭＩＣＡＬ ＩＮＤＵＳＴＲＹ ２０１４年第４３卷
化、熔融固化、沥青固化、玻璃固化等 。处理大量污泥废 物时，适合采用前两种方法，其余各种方法一般有着比较高 的处理成本。 本研究通过对洛阳市洛龙新区洛宜公路与王城大道交 叉口北２００ｍ污水渠的污泥进行取样，使用混酸对污泥样品 进行消解，并采取火焰原子吸收法准确测定污泥中重金属的 含量，继而使用管式炉法和萃取光度法测定污泥中硫磷的含 量。本文着重研究了普通硅酸盐水泥与污泥在不同配比的 情况下的固化效率，对固化后的污泥样品进行抗压强度测定 和对样品断裂面进行金相显微镜观测，研究其固化效果。 １ 实验部分 １．１ 仪器和试剂 ＺＥＥｎｉ￣００原子吸收光谱仪（德国耶拿分析仪器股份公 司）；ＳＫ一２—１３节能快速升温管状卧式电炉（洛阳市分析仪 器厂）；７２１型分光光度计（上海奥西科学仪器有限公司）；成 型模具８０ｍｍ ｘ ２０ｍｍ×２０ｒａｍ，ＺＴ～９６胶砂试体成型（ＩＳＯ） 振实台（上虞东关建工仪器厂）；水泥恒温恒湿标准养护箱 （ＨＢＹ一４０Ｂ型，苏州吴县市东吴实验仪器有限公司）；标准 溶液购自国家有色金属及电子材料分析测试中心。 １．２ 污泥样品的消解 将在恒温水浴上蒸干后，放进烘箱中烘至恒重。由于污 泥主要是由有机物组成及微小的硅酸盐颗粒构成的。单纯 使用ＨＮＯ３和Ｈ２Ｓ０ 都不能使样品完全消解，ＨＮＯ３＋ＨＦ、 ＨＮＯ，＋ＨＣ１０体系消解时间长，消解也不是很完全，ＨＮＯ，＋ ＨＣ１０ 体系则在相对较短的时间内可使样品消解较完 全 。因此，本实验选用ＨＮＯ ＋ＨＣ１０ 体系消解样品。样 品消解步骤：准确称取干燥后的污泥样品１．０ｏｇ于烧杯中， 加入少许水湿润，然后加入ＨＮＯ ３０ｍＬ，于电炉上缓慢加热 分解，蒸至近干。取下烧杯稍冷后加入混酸［Ｖ（ＨＮＯ ）：Ｖ （ＨＣ１０ ）＝４：１］２０ｍＬ，放于电炉上使样品继续分解，蒸至近 干。稍冷后反复加人２０ｍＬ ＨＮＯ ，蒸至近干，直至样品蒸至 近灰白色。取下加人１０％的硝酸溶液过滤，移入１００ｍＬ容 量瓶中．并稀释至刻度。 １．３ 重金属含量的测定 将ｃｕ、Ｆｅ、ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｎ标准储备液分别稀释制成标准溶 液系列，摇匀，贴上标签，测吸光度并绘制标准曲线。 Ｃｕ：０ ０．１ ０．５ １．０ ５．０ ｉ０．０ ５０．０ｍｇ，／Ｌ； Ｆｅ：Ｏ ０．１ ０．５ １．０ ５．０ １０．０ ５０．０ｍｇ／Ｌ： Ｃｒ：Ｏ ０．１ ０．５ １．０ ５．０ １０．０ ５０．０ｍｇ／Ｌ； Ｎｉ：０ ０．１ ０．５ １．０ ５．０ １０．０ ５０．０ｍｇ／Ｌ： Ｍｎ：０ ０．１ ０．５ １．０ ５．０ １０．０ ５０．０ｍｇ／Ｌ。 将已消解的污泥样品溶液喷人火焰，测定吸光度，取三 次平均值，从标准工作曲线上分别查出其相应的浓度。 １．４污泥样品中硫和磷的测定 本实验将采用管式炉法测定污泥样品中硫的含量，将试 样在氧气流中燃烧，用过氧化氢和硫酸的混合溶液将所生成 的亚硫酸酐和硫酸酐吸收后进行测定。用乙酸丁酯萃取光 度法来测定污水污泥中的总磷含量，在硝酸介质中，磷与钼 酸铵生成磷钼杂多酸可被乙酸丁酯萃取，用氯化亚锡将磷钼 杂多酸还原并反萃取至水相，于波长６８０ｎｍ处测量其吸光 度。 １．５ 固化实验 称取一定量的污泥样品，按照下表质量称量与普通硅酸 盐水泥混合，在８０ｍｍ Ｘ ２０ｍｍ Ｘ ２０ｍｍ的模具里振实成型， 放养护箱养护２０ｈ，取出脱模。脱模后的试样继续放入养护 箱养护满一周，进行抗压测试及浸泡实验。养护箱条件，温 度２０℃左右，湿度３９５％。 表１ 试样的配比
表１中添加剂为甲硅烷氧醇低聚物，能够提高固化效 果，增大抗压强度 。甲硅烷氧醇低聚物的配制：水玻璃 （硅酸钠）：混酸［Ｖ（浓Ｈ ＳＯ ）：Ｖ（Ｈ３ＰＯ ）＝１９：１］为１１：１。 随同试样做纯水泥的空白试样。 １．６抗压强度的测定 将固化块置于测压仪上，逐渐增大压力，固化块出现裂 纹时的瞬间压力即为固化块被压裂的压力。 １．７金相显微镜观测 将压裂之后的样品取出，分别从中挑选适当块状做好标 记。将挑选出的样品用粗细砂纸磨平，放到金相显微镜（高 级倒置金相系统显微镜，日本ＯＬＹＭＰＵＳ公司）上观察金相 图。 １．８浸出液中金属含量的测定 将已浸泡７２ｈ压裂的固化块溶液通过原子吸收光谱仪， 测定吸光度。 ２结果与讨论 ２．１ 重金属含量的测定 换用不同的元素的空心阴极灯，将已消解的污泥样品溶 液喷入火焰，测定吸光度，取三次平均值，从标准工作曲线上 分别查出其相应的浓度，见表２。
表２ 污泥样品中重金属元素的浓度
金属的含量＝（试液的浓度（ｍｇ・Ｌ ）Ｘ试样溶液体积 （ｍＬ））／称样量（ｇ），因样品溶液中铁的浓度与其它金属浓