摘要 城市污泥中的重金属已经成为影响污泥最终处置的主要因素。本文阐述了利用稳定化、化学试剂提取、微生物淋滤、植物修复以及焚烧技术对污泥中重金属处理的研究现状，并对其中存在的问题和发展趋势进行了分析。
关键词 污泥；重金属；稳定化；淋滤；提取；焚烧；植物修复
一、前言
近几十年来，随着我们国家城市社会经济的高速发展，我国的城市排水基础设施的建设取得了很大的进步，水污染得到了有效控制，水环境明显改观。但是，在污水处理能力建设的这一快速发展中，一个曾经忽视，而今又必须面对的问题是伴随着污水处理能力的提高，污水处理的中间产物——污泥应得到妥善的处理和处置。但是，我国大量的未经处理的污泥任意堆放和排放对环境造成了新的污染，其处理处置费用通常与污水处理费用相当[3]。因此，如何将产量大、含有重金属污染物的污泥，经过科学处理后，使其无害化、稳定化，已成为我国乃至全世界环境界深为关注的课题之一。
二、 污泥中重金属处理方法
（一）稳定化
所谓污泥中重金属的稳定化是指利用物理化学方法将污泥和稳定化惰性材料掺合在一起，依靠惰性材料的吸附、固化等作用，束缚住重金属而不被浸出，以此达到消除污染的目的。稳定化是污泥无害化处置的一项重要的技术，主要包括：水泥固化、石灰固化、热塑性固化、熔融固化、自胶结固化等。常用的固化剂有水泥、沥青、玻璃、水玻璃等[5]。
水泥固化是国内研究的比较成熟的稳定化技术，在美国也被认为是很有前途的技术之一。许多学者通过大量的实验验证了此项技术对污泥中重金属固定的有效性。陈晓飞[4]通过研究采用水泥和工业废渣作固化基材固化处理冶金工业酸性废水所产生的含铜、砷的污泥。王继元[6]采用水泥固化的方法对电镀重金属污泥进行处理研究。对固化块在不同pH值水溶液中的浸泡试验表明，在水泥与电镀重金属污泥、河沙、活性氧化铝、硅酸钠的质量比为1∶0.8∶0.20∶0.08∶0.06时，水泥固化电镀重金属污泥效果良好。加入适量的活性氧化铝、硅酸钠等添加剂，可提高固化效果。研究还对固化块的养护条件及几种配比情况下固化块的抗压强度进行了初步试验。吴芳[7]等针对电镀厂和皮革厂含重金属的水处理污泥，用不同比例的水泥、粉煤灰进行固化稳定处理。考虑酸雨环境，浸出实验采用毒性特征滤取程序（TCLP）标准。电镀厂污泥单独固化时，其浸出液中铜离子浓度由78.0mg／L下降到1.5mg／L；镍离子浓度由224.5mg／L下降到22.2mg／L，高于危险废物允许进入填埋区15mg／L的控制限值。电镀厂污泥与皮革厂污泥混合后固化，浸出液毒性明显降低。铜离子的浸出浓度降低到1.98mg／L，镍离子降低到4.10mg／L，总铬降低到0.40mg／L，各项指标均低于国家危险废物允许进入填埋区的控制限值，可安全填埋。
以其他材料作为固化剂同样能够达到使污泥中重金属稳定化的要求。曹永华[8]等研究了一种经济有效的途径将污泥单独填埋，以石灰、土和粉煤灰为固化材料，研究了不同配合比下固化污泥的工程质量，通过渗透性试验和强度试验，发现采用适当的配合比，渗透性有很大提高，固化污泥的强度随着时间的推移而增长，可以满足填埋的要求。国外学者Vratislav Bednarik[1]等以沥青作为固化剂，粉煤灰、有吸附性能的炭性物质作为添加剂，对工业污泥进行稳定化处理，不仅很大程度上降低了重金属的渗滤和外泄，而且材料的用量上也有所减少。
稳定化是最常用的污泥重金属处理技术，但是添加固化剂防止重金属转移的方法只是暂时将污泥中重金属的危害降低，不能对重金属的无害化进行彻底。因此，固化体中重金属的长期稳定性问题和固化的高增容量率一直是国内众多研究者密切关注的问题。
（二)化学试剂提取
污泥中重金属的浸提就是将污泥颗粒中结合的重金属由固相分离到液相中加以去除，从而降低固相中重金属含量。目前在重金属提取方面的方法可划分为以下两类：无机酸浸出法和络合剂提取法。
国内外学者对污泥中重金属的化学试剂提取进行了大量的研究。Abrego[9]用硝酸对污泥的沥滤结果表明，Cu、Ni的沥滤率可分别达到86.7%、100%。Veeken[10]等采用柠檬酸进行重金属沥滤，沥滤效率随着温度和柠檬酸浓度的升高而增大，在pH值为3～4的条件下Cu、Zn的沥滤率分别为60%～70%、90%～100%。重金属沥滤一方面是由于柠檬酸的酸度，但更主要是由于柠檬酸阴离子的络合特性，因此，沥滤可在较为温和的pH值(3～5)下进行。柠檬酸易于生物降解，重金属可从柠檬酸溶液中提取，使柠檬酸液循环利用而降低运行费用。许多学者利用混合酸来优化对污泥中重金属的处理。因为仅用酸来降低污泥pH值，不利于重金属硫化物迅速向可溶态离子形式转化。如果同时加入双氧水等把污泥的氧化还原电位提高到一定程度，可提高重金属的沥滤效果。Yoshizaki[11]等采用8%的磷酸和双氧水在室温下处理污泥饼，水力停留时间l小时的处理效果即可与1N的盐酸相当。在双氧水存在的情况下Cu很容易从污泥中去除，大部分磷酸可以循环利用。
利用有机络合剂来去除污泥中重金属是指在一些难溶的金属化合物中加入络合剂后，将其转化为可溶态的金属络合物予以去除。研究表明有机络合剂EDTA、二乙三胺五乙酸(DTPA)等在去除重金属上非常有效，如用0．01～0．1mol/LEDTA去除Pb．发现EDTA对Pb的浸提率可达到60％。当施用EDTA的量足够时，不论在何种性质基质中，特定重金属的去除率不受pH值的影响。另外，EDTA对重金属的去除效率还与重金属在污泥或土壤中的来源和分布也有关[12]。
无论是有机酸还是有机络合物，在对污泥中重金属的处理过程中，都能够达到良好的去除效果。但是，这方面的研究大部分只限于实验室少量的污泥重金属处理，而对大量的含重金属的污泥，这种方法就显露出来了它的缺点：一是化学试剂的成本较高；二是对于提取液的处置仍是难以解决的环境问题。目前，国内还没有一则报道叙说用化学试剂处理大批量含重金属的污泥。
(三)微生物淋滤
由于化学试剂提取成本较高，目前研究重点转向微生物淋滤，微生物对重金属的淋滤是通过细菌氧化污泥中的铁元素和硫元素，使污泥的氧化还原电位升高，pH值降低，进而使得污泥中的重金属得以溶解。
采用微生物技术去除污泥中的重金属兴起于20世纪90年代初，并且取得了良好的进展。微生物淋滤即主要利用污泥中硫杆菌属的产酸作用，通过直接和间接两种途径将重金属从不溶态硫化物转变为可溶态离子形式，而达到从污泥固相中去除重金属的目的。用于生物沥滤的硫杆菌主要包括氧化亚铁硫杆菌(T. ferrooxidans)和氧化硫的硫杆菌(主要是T. thiooxidans )。这两类细菌都能利用氧气通过直接途径将重金属硫化物氧化成硫酸盐而沥出，还可利用产生的硫酸将难溶重金属溶出。
尤其是近几年来，国内的研究者对影响污泥生物淋滤效果的一些因素进行了细致的研究。周立祥用2株嗜酸性硫杆菌菌株[16，17]和1株特异的耐酸性的异养菌菌株[18]并采用序批式实验应用于比市政污泥处理污泥难度更大的制革污泥，获得满意效果。华玉妹[13]等采用污泥的硫细菌混合菌液以2%、5%、10%和20%的接种量，序批试验研究了污泥中重金属的生物沥滤。结果表明，沥滤初期污泥pH值的下降幅度和速率随混合菌液接种量增大而增大，而第4日后，4种接种量的污泥样品pH相差不大，最终稳定在1.4左右；污泥中硫细菌对硫的利用，使S042-浓度迅速上升，同时也有少量的重金属硫化物被硫细菌利用。硫细菌接种液可明显促进污泥中Cu、Pb和Zn的沥滤，缩短沥滤周期；接种量越大，沥滤启动越快，Zn的沥滤启动快于Cu和Pb.达到最高沥滤效率后，Cu和Zn的沥滤效果均较为稳定，而Pb则有明显的持续降低趋势。选用2%硫细菌混合菌液接种量，沥滤时间控制在5～6天。Cu、Pb和Zn的沥滤效果可达到最佳，沥出率分别为96.5%、41.4%和82.9%。沈镭[14]利用氧化亚铁硫杆菌和氧化硫硫杆菌去除污泥中重金属比较了在不同底物浓度下用这两种细菌分别浸出重金属的效果。结果证明，氧化亚铁硫杆菌比氧化硫硫杆菌在去除污泥中重金属的效果上要好，在这两种细菌的作用下，污泥中大部分的重金属得到了有效的去除。
微生物淋滤技术耗酸少，运行成本低，实用性比较强，是经济有效，具有潜力的重金属去除方法，它具有化学试剂提取法不可替代的优越性。但是，直接从污泥分离并培养大量适合淋滤用的细菌，并使淋滤过程高效、持续地运行时焏待解决的关键问题。
微生物淋滤技术虽然去除污泥中重金属的效果良好，但也存在一定的缺陷，如何妥善处理高浓度重金属的淋出液以防止二次污染也是个问题。同时，经过微生物淋滤的污泥往往酸度比较高，必须进行再次处理后，才能资源化利用，这必然会增加成本。因此，此法仍需要进一步的研究和完善才能得到实际应用。
（四）植物修复
植物修复(Phytoremediation)技术是近年来发展起来的一种用于清除环境中有毒有害污染物的绿色修复技术,是当前研究中的热点。植物修复技术是利用植物对某种污染物具有特殊的吸收富集能力,将环境中的污染物转移到植物体内或将污染物降解利用,对植物进行回收处理,达到去除污染与修复生态的目的[19] 。植物对污泥中重金属污染位点的修复有３种方式，即植物提取、植物稳定和植物挥发。植物可通过这３种方式去除污泥中的重金属离子[20]。
1、植物提取(Phytoextraction):最早是由Chaney提出来的,即利用重金属富集能力较强的植物通过吸收和运转的过程,将重金属污泥中转移并储存在地上部分,最终通过收获地上部分集中处理来达到减少污泥重金属含量的目的。植物提取是目前研究最多,最有发展前景的方法,能应用于植物提取的植物往往是一些超积累植物。目前已经发现超积累植物有45科500余种,其中73%为Ni的超积累植物[21],主要是十字花科的庭芥属(Alyssum)。植物提取的关键要求所用的植物能在体内积累高浓度的重金属污染物；能同时积累多种重金属；生长快,生物量大；抗病能力强。
2、植物稳定(Phytostabilization):指利用植物吸收和植物根际作用使污泥中污染物转化为相对无害物质。在这一过程中,污泥重金属的含量并不减少,但由于降低了在污泥中的有效态,从而达到减轻污染的效果。利用植物活动来降低重金属的活动性,使其不能为生物所利用。如植物枝叶分解物,根系分泌物对重金属的固定作用,腐殖质对金属离子的螯合作用等过程[22]。
3、植物挥发(Phytovolatilization):指植物通过植物的吸收促进某些重金属转为可挥发态并将之挥发出土壤和植物表面。目前这方面研究最多的是类金属汞和非金属元素硒、砷。如烟草能使毒性大的二价汞转化为气态的汞[23]。
植物修复处理污泥中的重金属作为近年来刚发展起来的新技术，具有效果好、成本低、对环境影响小等特点。而且植物修复技术在去除重金属污染的同时还能降低污泥周围大气和水体的污染物水平[5]。因此，该项技术有很好的综合生态效益。但是，由于这项技术在理论、机理和技术工艺研究上仍然存在不完善之处，所以修复技术在对污泥中重金属处置应用上，尚未得到理论基础的支持。
目前国内许多研究者正在从事植物修复技术的理论和实际应用的工作。近期对污泥中重金属的植物修复的研究趋势应集中在以下几个方面：
（1）超积累植物的选择、培育。我国野生植物资源丰富，从中寻找积累、超积累的植物，并培育、驯化以满足实际应用是今后一个时期内既无修复技术研究的重点。
（2）加强基础理论研究。包括植物中金属的赋存形态、植物积累、根际环境条件对重金属的生物有效性制约机理等一系列基础理论问题有待深入研究。
（3）分子生物学和基因工程技术的应用。应用转基因工程技术，将自然界中超累积植物的耐重金属、超累积基因移植到生物量大、生长速率快的植物中去，以克服天然超累积植物的缺点，提高植物修复效率使其实用化。近些年来，在砷、汞、镉、锌等重金属元素转基因植物研究方面已初获成果[20]，预期基因技术的应用将为植物修复技术的突破带来机遇。
（4）建立植物修复技术示范基地，取得经验后加以推广。
由于植物修复技术适用于中、低强度的大范围污染治理，绿色环保，社会生态综合效益良好且易为公众所接受，尤其是治理费用比传统技术低一至几个数量级，并且对污泥中重金属污染的治理成效具有永久性。因此，植物修复概念提出后将会成为环境领域的世界性、前沿热点研究课题，植物修复技术也将成为环保领域的朝阳产业。
（五）焚烧
污泥焚烧(热分解)是指在高温(500～1000℃)下，污泥固形物在无氧气或者低氧气氛中分解成气体、焦油以及灰等残渣这3部分的过程。污泥焚烧的处理对象主要是脱水泥饼,脱水泥饼含水率仍达45%～86%,含水率高,体积大,可将其进行干燥处理或焚烧。干燥处理后,污泥含水率可降至20%～40%。焚烧处理,含水率可降至0,体积很小,便于运输与处置[24]。
在能保证无二次污染产生的情况下，使用焚烧法对污泥进行处理可以成为最佳的技术方法。焚烧法在成本运算、处理速度、处理费用等方面较之其他的处理技术有很大的优势。但是污泥焚烧过程中很容易产生二次污染物，包括有害烟尘、二噁英、燃烧后的废渣等。只有通过合理的燃烧和适当的烟尘处理，焚烧法才能发挥它的优势。
三、结束语
综上所述，防治污泥中重金属的负面影响可从两方面考虑，一是使污泥中重金属转化为稳定形态，即将其稳定化，二是对去除污泥中重金属。重金属稳定化技术在一定程度上和一定时期内可减轻重金属的危害，但重金属形态随着时间和空间的变化，最终仍会显现出其不利影响，因而该技术只能起到缓解作用，并不能从根本上降低重金属含量。从污泥中将重金属转移的技术可实现重金属的有效去除，具有高效的优点，如果能在控制经济成本上加以考虑研究，具有良好的发展前景。同时，根据我国的国情，可以考虑多种方法的综合运用，以兼顾环境生态效益、社会效益和经济效益的统一。
