新密市城鎮(zhèn)污水廠污泥含水率高、有機質(zhì)含量多、富集了較多重金屬元素，由于這些重金屬的存在，限制了污泥的土地資源化利用，如果不合理控制，這些污泥施用于土地后將會對環(huán)境造成二次污染。目前，去除污泥中的重金屬主要方法有化學法、生物法、植物修復(fù)法，以上三種方法都能夠減少重金屬在污泥中含量。根據(jù)相關(guān)文獻報道可知較多學者對檸檬酸浸提污泥中的重金屬進行了大量的研究，但是對于硼酸浸提污泥中重金屬Ni條件優(yōu)化還沒見相關(guān)系統(tǒng)的研究。本文通過化學試驗研究了硼酸浸提污泥中重金屬Ni，確定出浸提時間、溫度、試劑濃度、pH對浸提率的影響趨勢，最后建立近似模型和優(yōu)化算法來確定優(yōu)化組合，以期能為城鎮(zhèn)污泥的重金屬去除供理論依據(jù)。
1、材料與方法
1.1 材料與設(shè)備
1.1.1 試驗材料
實驗用泥采自于新密市一城鎮(zhèn)污水處理廠脫水泵房，污泥采用風機風干后粉碎成粉末，在105℃的烘箱中烘3h至恒重，過100目專用篩，存干燥器中備用。
1.1.2 試劑與設(shè)備
試劑：硼酸、硫酸、碳酸、鹽酸、草酸、氫氧化鈉。設(shè)備：干燥箱、污泥粉碎機、天平、恒溫水浴搖床、數(shù)顯恒溫水浴鍋、超聲波清洗儀、原子吸收分光光度計。
1.2 試驗方法
1.2.1 試驗步驟
1.2.2 設(shè)計重金屬Ni浸提條件
(1)單因素試驗。通過本試驗篩選浸提試劑、浸提時間、浸提溫度、浸提濃度、pH因素比較好的范圍。浸提實驗采用的溶劑為硼酸、硫酸、碳酸、鹽酸，實驗時間為3、6、9、12、15、18h，實驗溫度為5、10、15、20、25、30℃實驗濃度為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6mol/L，實驗pH為1、2、3、4、5、6。
(2)正交復(fù)合試驗�；趩我蛩貙嶒灋榍疤幔詫嶒灂r間、實驗溫度、濃度、pH為研究對象，按L16(44)安排四因素4水平的正交復(fù)合試驗，選擇適宜的浸提條件作為Ni浸提評價指標，具體見下表。
1.3 測定方法
1.3.1 Ni的標準曲線制作采用原子吸收分光光度法
1.3.2 評價指標
重金屬Ni浸提率(%)：浸出酸液中NI的含量與污泥中Ni質(zhì)量的百分比。
2、結(jié)果與分析
2.1 單因素試驗研究
2.1.1 實驗試劑的選擇
稱取定量儲存的污泥粉末，放入到12個實驗瓶中，每組三個，一共分為4組。對應(yīng)加入硼酸、硫酸、碳酸、鹽酸各200mL于實驗瓶并調(diào)好pH，實驗瓶加蓋后放在水浴搖床振蕩提取(避免搖碎)。在時間12h、溫度20℃、溶劑濃度為0.2mol/L、pH3條件下，研究Ni在不同試劑中的浸提率，如圖3所示。
由圖3可知，在相同試驗條件下硼酸與碳酸對重金屬Ni的浸提率較高，浸提率分別是70.88%和60.89%，硫酸和鹽酸對重金屬Ni的浸提能力較差。所以，后續(xù)試驗采用硼酸浸泡污泥浸提重金屬Ni。
2.1.2 浸提時間
稱取定量儲存的污泥粉末，在溶液濃度0.2mol/L、實驗溫度20℃、pH為3，實驗時間為6、9、12、15、18、21h的情況下，研究污泥中Ni的浸提率受時間的影響。由圖4中a可以看出，在6-15h范圍內(nèi)重金屬Ni的浸提率與時間成正相關(guān)，Ni的浸提率最高可以達到75.3%。15h以后Ni的浸提率趨于穩(wěn)定甚至會降低，因此，確定適宜的浸提時間為15h。
2.1.3 浸提溫度
稱取定量儲存的污泥粉末，在實驗時間為15h、實驗溫度為10、15、20、25、30、35℃、濃度0.2mol/L、pH3的實驗條件下，研究Ni的浸提率受溫度效果影響變化。由下圖可知，溶液中的Ni含量隨著溫度升高呈遞增趨勢，其原因為Ni熱運動速度隨溫度提高而加速，與硼酸酸進行較多的有效結(jié)合。當溫度提升到20℃時，Ni的浸提效率較之前有一定幅度的降低。綜合能源與成本方面考慮，確定溫度為20℃為浸提的合理溫度。
2.1.4 浸提pH
稱取定量儲存的污泥粉末，實驗時間15h，溫度20℃，pH1、2、3、4、5、6，濃度0.2mol/L的實驗條件下，實驗研究pH對Ni的浸提效果影響。由圖4中c可以得出，硼酸浸提后的溶液中Ni的含量與pH值呈負相關(guān)。當pH為1時，Ni的浸提率可以達到79%,隨著pH值遞增Ni的浸提效果逐漸降低，當pH為6時，Ni的浸提率只有31%。其原因為，浸提效果與浸提液中的質(zhì)子運動強度有關(guān)。當pH升高時，浸提液中所含的質(zhì)子數(shù)減少，從而導致質(zhì)子的運動強度下降。由圖4中c可以看出，pH為3時Ni的浸提率僅比pH為1時下降低3%左右，綜合考慮企業(yè)實際應(yīng)用中溶液的酸性太高會對企業(yè)相關(guān)設(shè)備系統(tǒng)造成一定的腐蝕作用，所以選擇pH值為3。
2.1.5 浸提濃度
稱取定量儲存的污泥粉末，在實驗時間15h、溫度20℃，pH3、浸提濃度為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6mol/L的條件下，研究浸提溶液的濃度對NI的浸提效果的影響。由圖4中的d可以看出，在濃度為0.1-0.2mol/L情況下，Ni的浸提效果隨濃度的增加而遞增，0.3mol/L濃度時浸提率能達到為76%。所以選擇浸提液濃度選擇為0.3mol/L。
2.2 正交試驗結(jié)論
通過各種單因素試驗，現(xiàn)選取較適宜的浸提濃度、浸提時間、浸提溫度及pH進行一系列的正交試驗，結(jié)論下表如所示。
由表2結(jié)果可知，當試驗組合為A0B1C2D2即：采用濃度0.2mol/L的硼酸、浸提15h、浸提溫度20℃、pH3時，Ni的浸提率最高可達75.6%。通過計算機軟件計算處理分析，建立硼酸浸提Ni的分析模型：
結(jié)合數(shù)學中的優(yōu)化算法，確定為A0B1C3D2是最優(yōu)水平組合。即實驗條件為：實驗浸提溶液濃度0.2mol/L、實驗時間15h、實驗溫度25℃、pH為3時，硼酸對Ni的浸提效果最好。
2.3 數(shù)學模型方差分析
根據(jù)優(yōu)化原理，不同輸入變量之間存在相互依存與制約的關(guān)系，與輸出變量之間也有一定關(guān)系。通過貢獻量分析，尋找對優(yōu)化目標影響最大的設(shè)計變量[4]。由圖5可知，溫度變量對Ni的浸提率影響最大;其次為濃度和時間;其余設(shè)計變量的貢獻較小。圖中顯示：當貢獻量為正時，表示可以提高Ni的浸提率;當貢獻量為負時，表示可以降低Ni的浸提率。由于AB、AC、AD、BC、BD、CD(設(shè)計變量之間交互作用)對Ni的浸提率Y的貢獻率非常小，所以只需分析A、B、C、D對Y的主效應(yīng)。由圖6可知，設(shè)計變量在不同水平范圍對NI浸提率的影響。其中A(浸提濃度)與C(浸提溫度)在2-3之間對Y較為敏感，彼此之間具有負比例關(guān)系;B(浸提時間)和D(pH值)在0-1范圍內(nèi)對Y較為敏感。在這個范圍內(nèi)，彼此成正比例關(guān)系。
2.4 驗證性試驗
稱取定量儲存的污泥粉末，在優(yōu)化水平組合A0B1C3D2條件下開展驗證性試驗，結(jié)果見表3。
通過驗證試驗可知，在優(yōu)化條件下污泥中的重金屬Ni浸提率三次都能夠達到了較高水平，均值為81.4%,較優(yōu)化前Ni的浸提率提高了7.1%。
3、結(jié)論
通過一系列的單因素及正交試驗得到結(jié)論如下：
(1)硼酸的浸提效果最好，對重金屬Ni的去除性能依次為：硼酸﹥碳酸﹥硫酸﹥鹽酸，浸提率分別是70.88%、60.89%、44.25%、31.70%;
(2)硼酸浸提濃度0.2mol/L、pH3、時間15h、溫度20℃時，重金屬Ni的浸提率最高可達76.0%;
(3)優(yōu)化水平組合為A0B1C3D2，即硼酸濃度0.2mol/L，浸提時間15h，浸提溫度25℃，pH3時，重金屬Ni的浸提率達到81.4%，比優(yōu)化前提高了7.1%;
(4)硼酸可以有效浸提污泥中的重金屬Ni，可以逐步在實際應(yīng)用中推廣。(來源：中原環(huán)保新密水務(wù)有限公司)
