Pb/Cd污染固化底泥的pH特性研究★

王玉柱　邵　俐　罗进财

(上海理工大学环境与建筑学院，上海　200093)



Pb/Cd污染固化底泥的pH特性研究★

王玉柱邵俐罗进财

(上海理工大学环境与建筑学院，上海200093)

摘要:以水泥、矿渣、生石灰、沸石为固化剂，对重金属污染底泥进行固化处理，通过室内试验，分析了铅、镉离子浓度及龄期对固化土pH值的影响，并得到了固化土pH值的变化规律，有助于解决河道底泥的重金属污染问题。

关键词:河道底泥，铅离子，镉离子，固化土，重金属污染

0　引言

随着我国城市化进程的加快和产业结构调整政策的实施，确保环境安全已是当前国家环保工作的重点。其中，人类对重金属的冶炼、加工及商业制造活动日益增多，造成不少重金属进入城市水体系统，引起河道底泥重金属污染问题。“砷毒”“血铅”“镉米”等事件频发，让重金属污染成为最受关注的公共事件之一。党中央、国务院高度重视环境保护工作，将《国家环境保护“十二五”规划》作为推进生态文明建设的重要措施，其中对汞、铬、镉、铅等重金属进行重点防控。

目前固化/稳定处理技术被广泛应用在重金属污染河道底泥的修复工程中［1］。国内外学者对固化重金属污染土的pH值已经做了一些研究。许多研究表明，pH值是一个控制沉积物重金属转移的关键参数，尤其是两性金属(如锌、铅等)在超出最佳pH范围时更容易生成不溶物质［2-5］。通常，底泥中pH值越低，H+和溶解态的金属配体(如OH-，CO23-，SO24-，Cl-和磷酸盐)之间的竞争越激烈，随后将会减少重金属的吸附性能和生物利用率，导致重金属迁移能力增强［6-10］。

本文采用水泥、矿渣、生石灰和沸石为固化剂对重金属Pb/Cd污染底泥进行固化处理，研究了不同比例的铅、镉重金属浓度及龄期对底泥固化土pH值的影响。

1　材料和试验方法

1．1试验材料

试验用土选取上海黄浦江重要支流的河道底泥，试验土的基本物理力学指标见表1。

表1　试验土的基本物理力学指标

试验所用的铅、镉污染源采用硝酸铅、硝酸镉;选用原因在于硝酸根对水泥水化反应干扰较小且溶解度较高。

1．2试验方法

将烘干的土样粉碎并过1 mm筛，掺入试验设计的水泥、矿渣等固化剂，并用机械方式搅拌均匀，然后添加配制的重金属溶液充分搅拌5 min以上。制样时将土装入柱形模具;成型1 d后，将试样脱模并用塑料袋密封放置在标准养护箱内，养护温度20℃± 3℃，相对湿度95%。

试样养护至设计龄期，将试验土样配制成含有重金属离子的溶液并在振荡器中进行振荡，使其达到吸附解吸平衡，再将平衡液转入离心管并置入离心机，使混合液分离并取其上清液利用数字式离子计测定水溶液的pH值。每组取3个试样进行平行试验，取其平均值作为该样参数的确定值。

试验设计的水泥、矿渣等固化剂的配比(与干土的质量百分比)及试验所用试样各组重金属含量如表2，表3所示。

表2　试样固化剂含量　%

表3　试验试样各组重金属含量及龄期

水泥为普通硅酸盐C42．5水泥，掺量为干土质量的24%，下文中用C24表示。试验设计1 kg干土中Pb2+的质量为300 mg，600 mg，1 000 mg，2 000 mg，5 000 mg，即0．03%，0．06%，0．1%，0．2%，0．5%的干土质量。1 kg干土中Cd2+的质量为100，300，600，1 000，1 500，即0．01%，0．03%，0．06%，0．1%，0．15%。下文中用Pb0．03，Pb0．06，Pb0．1，Pb0．2，Pb0．5表示不同固化含铅污染土，不含铅离子的固化污染土用Pb0表示。含不同镉离子浓度的固化污染土，其简写方式与Pb2+离子类似。

2　试验结果与分析

1)铅、镉离子浓度对固化土pH值的影响。

重金属的溶解度会严重影响其固化效果，而此溶解度主要取决于土体孔隙水的pH值。当pH值过高(如pH＞12～13)或过低(如pH＜6)时，重金属污染固化土的处理效果会减弱［9］。图1为单独掺加不同含量的Pb2+/Cd2+重金属离子对污染固化土pH值的影响。由图1可见，pH值基本分布在11～12之间，有利于固化土的固化效果。

从图1a)中可以看出，在龄期为7 d，28 d，60 d，90 d时，低浓度的Pb2+离子(0．03%，0．06%，0．1%)，随着浓度的增加，pH值减小，当Pb2+离子浓度大于0．1%时，pH值随着离子浓度的增加而降低，但较之前变缓;图1b)中，在各个龄期固化土的pH值随着Cd2+离子浓度的增加而降低，且浓度越高，影响越明显。这是由于固化剂中的水泥发生水化反应分解出Ca(OH)2并形成其他水化物;石灰与土发生一系列的化学和物理反应，主要是离子交换、Ca(OH)2结晶反应、碳酸化反应和火山灰反应，在水的参与下解离成Ca2+和OH-，具有碱性，应用于污染固化土的稳定化/固化处理可提高pH值。当添加重金属Pb2+，Cd2+离子，阻碍了污染土和固化剂之间的水化反应，水泥、石灰解离成的Ca2+和OH-减少，导致pH值的下降。

图1　铅、镉离子浓度对pH值的影响

不同种类的重金属对污染底泥固化土的pH值影响不同。由图1可以看出，重金属Pb2+离子对固化土的pH值的影响作用大于Cd2+离子。这是由于重金属铅的氢氧化物溶度积小于镉，重金属离子与OH-成羟基水合金属离子而吸附于固化土胶体表面，使得水溶液中的OH-减少，同时羟基进一步和氢氧根离子形成难溶的氢氧化合物而沉淀，使得水溶液的H+浓度增加，pH值降低。

2)龄期对底泥固化土pH值的影响。

重金属污染固化土的pH值与龄期的关系如图2所示。短期内(7 d，28 d)固化土的pH值随着龄期的增长而增大;超过28 d龄期，固化土的pH值略有下降，但仍大于不含铅、镉离子的固化土pH值。

图2　龄期对pH值的影响

固化土中不同的Pb2+，Cd2+离子浓度及复合含量会导致pH值的增长率不同，当Pb2+，Cd2+离子为低浓度时，pH值的增长率较大。

在相同龄期(28 d，60 d)时，Pb2+，Cd2+离子浓度越高，固化土的pH值越小，当Pb2+，Cd2+离子浓度分别为0．15%，0．5%时，固化土的pH值较未污染固化土降低了0．2。

3　结语

本文针对重金属污染土的处理，通过室内实验研究了铅、镉污染底泥固化的pH值特性，得到以下几点结论:

1)pH值基本分布在11～12之间，这样有利于固化土的固化效果。

2)在龄期为7 d，28 d，60 d，90 d时，低浓度的Pb2+离子(0．03%，0．06%，0．1%)，随着浓度的增加，pH值减小，当Pb2+离子浓度大于0．1%时，pH值随着离子浓度的增加而降低，但较之前变缓;在各个龄期，固化土的pH值随着Cd2+离子浓度的增加而降低，且浓度越高，影响越明显。

3)短期内(7 d，28 d)固化土的pH值随着龄期的增长而增大;超过28 d龄期，固化土的pH值略有下降，但仍大于不含铅、镉离子的固化土pH值。

参考文献:

［1］杜延军，金飞，刘松玉，等．重金属工业污染场地固化/稳定处理研究进展［J］．岩土力学，2011，32(1):116-124．

［2］余涛，杨忠芳，钟坚，等．土壤中重金属元素Pb、Cd地球化学行为影响因素研究［J］．地学前缘，2008(5):67-73．

［3］乔冬梅，齐学斌，庞鸿宾，等．不同pH值对重金属Pb2+形态的影响研究［J］．水土保持学报，2010(6):173-176．

［4］乔冬梅，庞鸿宾，齐学斌，等．pH值对重金属Pb2+吸附特性的影响［J］．灌溉排水学报，2010(6):23-28．

［5］Q．B．He，B．R．Singh．Crop uptake of cadmium from pHospHorus fertilizers:I．Yield and cadmium content［J］．Water，Air＆Soil Pollution，1994(3):3-4．

［6］J．E．Eriksson．The influence of pH，soil type and time on adsorbtion and uptake by plants of Cd added to the soil［J］．Water Air，and Soil Pollution，1989(4):17-18．

［7］陈永贵，叶为民，张可能．温度和pH对填埋场防渗帷幕吸附重金属离子的影响［J］．上海环境科学，2008(4):89-90．

［8］李淑．pH对苏州河底泥铅污染的影响及生物标志物的探索［D］．上海:华东师范大学，2007．

［9］刘辉利，邹凯旋，朱义年．pH对重金属污泥稳定化/固化处理工艺的影响研究［A］．中国环境科学学会2006年学术年会优秀论文集(下卷)［C］．中国环境科学学会，2006:4．

［10］车平，郑文俊，陈亚桐，等．pH值对矿区污水重金属治理的影响分析和对策［J］．甘肃科技纵横，2014(10):19-21．

［11］李波，王君，杨学权，等．不同pH值浸取液对重金属长期浸出行为的影响［J］．中国水泥，2010(5):60-64．

Pb/Cd pollution characteristics of the pH value of the solidified sediment research★

Wang YuzhuShao LiLuo Jincai
(University of Shanghai of Science and Technology，School of Environment and Architecture，Shanghai 200093，China)

Abstract:Taking cement，slag，quicklime and zeolite as the solidified agent，the paper has the solidified treatment of the heavy metal pollution sediment，analyzes the influence of density of lead and cadmium ion and the age on the pH value of the solidified soil，and concludes the changes in the pH value of the solidified soil，so as to solve the heavy metal pollution in river channel sediment．

Key words:river channel sediment，lead ion，cadmium ion，solidified soil，heavy metal pollution

作者简介:王玉柱(1990-)，男，在读硕士;邵俐(1969-)，女，博士，副教授;罗进财(1994-)，男，在读本科生

收稿日期:2015-10-21★:上海科委重点支撑项目(项目编号:13230502300)

文章编号:1009-6825(2016)01-0195-02

中图分类号:X132

文献标识码:A