污泥中汞的含量及其存在形态研究

1 引言

在污水净化处理过程中，污水中的汞(Hg)与其它重金属一起通过细菌表面和矿物颗粒表面吸附、或以氧化汞和硫化汞共沉淀等多种方式，最终被浓缩在污泥中.与其它重金属相比，污泥中的汞虽然在含量上偏低，通常在0.1~10.0 mg ˙ kg-1的范围波动.但由于金属汞易挥发，并具有强烈毒性的特性，因此，即使污泥中的汞含量较低，在污泥处理处置过程中仍需要给予高度重视，以便防止汞对环境可能带来的危害.

污水处理厂污泥经过机械脱水，污泥的含水率一般在80%左右，由于污泥含有大量的水分，使得污泥体积庞大，这为污泥的堆放、运输和处置带来了极大的困难.污泥要得到安全彻底的处理，首先必须对污泥进行深度脱水.实践表明，热干化是污泥深度脱水实现减量最有效的方法.在热干化过程中，污泥的物性随含水率降低会发生明显的改变，这必然对污泥中汞的含量及其存在形态产生重要的影响，然而我们对这种影响发生的过程和原因，以及它的影响程度等却知之甚少.而这对于评价污泥中汞的稳定性及其对污泥最终的安全处理恰恰是至关重要的，因为相同总量的重金属汞因存在形态不同，其生物效应和环境效应有较大的差异.

因此，本文选择代表性的污泥类型为研究对象，定量分析污泥中汞的含量及其存在形态的分布特征.同时在模拟污泥干化的条件下，揭示污泥在干化过程中汞含量及其存在形态的动态变化，并分析造成污泥中汞含量和各存在形态发生变化的原因.这不仅对深入了解汞的环境地球化学行为具有重要的理论意义，而且也为污泥的无害化、减量化和资源化的综合处理提供科学依据.

2 材料与方法

2.1 实验材料

本次研究的实验材料为3种不同类型的新鲜污泥：市政污泥、印染污泥和造纸污泥，分别采自杭州城市污水处理厂、江阴印染污水处理厂和富阳造纸污水处理厂.

2.2 实验方法

污泥含水率测定：将50 mL瓷蒸发皿置于烘箱内，105 ℃烘2 h，取出后放在干燥器内冷却0.5 h，用万分之一天平称重，记录质量W1;取20 g左右污泥置于烘干后的蒸发皿中，称重记录为W2，然后放入105 ℃的烘箱中烘2 h，取出后放入干燥器内冷却0.5 h，用万分之一天平称重，记录重量后，再放回烘箱中烘2 h，取出后于干燥器中冷却至室温，称重，反复操作，直至恒重，记录最终的质量W3.蒸发的水质量(W2-W3)除以初始污泥质量(W2-W1)，得到污泥的含水率.

污泥的pH测定：称取5.00 g污泥样品置于150 mL具塞锥形瓶中，加入50 mL无二氧化碳水浸泡，密封后置于水平往复式振荡器上，在室温下振摇4 h，离心，取上清液用pH计进行测定.

以干污泥在(550±50)℃灼烧后的烧失百分率作为污泥中有机物的估计值.污泥有机物的测定步骤：50 mL瓷坩埚于(550±50)℃灼烧1 h，稍冷后取出于干燥器中冷却至室温，称重，记为m1;称取一定量的干污泥于恒重的坩埚中，称得质量为m2;将恒重的污泥置于马弗炉中(550±50)℃灼烧1 h，待炉内温度降至200 ℃左右时取出，放入干燥器中，冷却后称重为m3.烧失的质量(m2-m3)除以初始污泥质量(m2-m1)，得到污泥有机物含量.

污泥样品中汞的含量由MA-2000全自动测汞仪测定，最低检出限为0.005 ng.固体样品可以实现重金属汞的原位分析，减少了消解过程中重金属汞的流失.

污泥含水率和汞含量之间关系的实验:将3种污泥各称取(10.00±0.05)g，放入坩埚，在100 ℃条件下进行干化，每隔5 min取出称取重量，同时分别测定含水率和分析汞含量.每种污泥3组平行处理.为了便于比较，引入干基汞含量的概念，即除去水分后的干污泥中汞的含量.

污泥干化温度和汞含量之间关系的实验:取3种新鲜污泥各(10.00±0.05)g，分别在温度100~200 ℃之间间隔20 ℃和250~500 ℃之间间隔50 ℃下，进行干化直至污泥恒重(临近2次称重相差不超过0.0005 g)时，记录干化前后污泥的质量，计算其失重率，并测定汞的含量.每个干化温度下进行3组平行实验.为了了解污泥的热解情况，对市政污泥进行了热重分析.

污泥中汞的存在形态及其变化实验:称取3种风干后并过60目筛的污泥样品各0.5 g，在100 mL离心管内，按BCR法进行汞的存在形态分析，具体提取程序见图 1.为了揭示不同干化温度下污泥汞存在形态的动态变化，分别在常温、100、120、140、160、180、200、250 ℃条件下进行干化至恒重，然后将干化污泥用玛瑙研钵研磨，过120目筛，按图 1测定各种形态汞的含量，所有样品的分析误差小于5%.

图 1 污泥BCR法重金属汞形态分级提取程序

为了了解污泥干化过程中有机物和硫化物的分解情况，采用气相色谱法分析了市政污泥在300 ℃下干化时，释放气体的成分.取新鲜污泥50 g于三角烧瓶中，用数显加热套在300 ℃下进行加热，恒温3 h，产生的气体通入冷凝装置，将收集到的冷凝液体经过滤后，用石油醚进行分液萃取，在控制温度55 ℃下进行旋转挥发，使石油醚分馏，剩下的有机组分进行气相色谱-质谱(GC/MS)分析，得到污泥释放气体的组分.同时以污泥的热重分析结果作为佐证.

延伸阅读：

一支来自上海的无汞玻璃体温计