随着我国工业化和城市化进程加快，污水排放量大幅增加，为此新建和扩建大量污水处理厂，剩余污泥的产量急剧增多。工业污水与市政生活污水的混排，使得我国部分地方的剩余污泥都含有一定的有毒重金属成分，受重金属污染的污泥若直接投入生产应用中，容易污染土壤、地下水和动植物，具有潜在生态风险[1]，因此污泥的无害化处理及资源化处置是目前十分重要且迫切需要解决的问题。
截至2015年9月底，全国城镇累计建成污水处理厂3830座，处理污水伴生的污泥已突破3000万t·a-1（含水率80%）[2]，且仍在持续增加[3]，国内外污泥处置方式一般有填埋、焚烧、倒海和农业利用等[4]。污泥中含有丰富的有机质和农作物生长所需的多种营养元素，其养分含量甚至高于普通农家厩肥，农田施加可以有效改良土壤结构、增加土壤肥力、促进农作物生长[5-6]，若是将大量的污泥进行填埋、焚烧或倒海处置，一方面会占用土地、污染环境，另一方面也会导致宝贵资源的浪费。因此对剩余污泥进行农业资源化利用是一种极具经济效益且节能环保的处置途径[7-8]。从国内外污泥处置技术发展现状来看，主要通过农业利用、卫生填埋、焚烧发电等方式来处置污泥[9]，而经济发达的城市均设置了专门收集和处置污泥的资源循环机构，其中每年可收集6.5×107t干污泥，形成了新兴产业，构建了污泥处置市场的产业链[10]。巨量的污泥若得不到科学处理，将引发严重的生态环境问题[11-12]。然而，如何调整设备参数使污泥的处置既经济有效又安全可靠，是目前研究的热点课题。
1992年，Alshawabkeh等[13]率先提出采用电动技术对污染土壤进行修复。随后，电动修复技术相继在盐碱地和重金属、有机污染土壤修复方面得到应用[14-15]。电动修复技术的原理是向污染介质两端植入惰性电极形成直流电场[16]，利用电场产生的各种电动效应驱动介质中污染物沿电场方向定向迁移，从而将污染物富集至固定区域后进行集中处理[17]。在应用电动技术处理污泥中的重金属时，应综合考虑各种影响因素，寻找最合适、最经济、最可靠的设备参数，这是决定该项技术实施应用和产生市场价值的关键。
本文借鉴土壤重金属污染电动修复原理，探讨电动技术去除剩余污泥中重金属的可行性及其适宜的修复参数，旨在为重金属污染污泥的无害化和资源化利用提供技术支撑。
电动装置：电解槽是由若干块有机玻璃依次连接而成的中空长方体结构，每个电解槽长18cm、宽4.5cm、高8cm，共6个电解槽。电极为石墨棒，尺寸为5mm×10mm（d×L）。电解槽上面覆盖一层有孔的有机玻璃板，将石墨棒插入孔中固定在两极，石墨电极和电解槽极板的间距设置为14cm，距阳极10cm处设置一层阳离子交换膜，电动修复装置示意图见图1。
供试剩余污泥采自青岛市城阳区污水处理厂，含水率为78.54%，置于阴凉处铺开晾干，过80目筛待用。污泥中重金属和养分含量分别为Cu853mg·kg-1、Zn1950mg·kg-1、Ni182mg·kg-1、Cr786mg·kg-1、有机质658g·kg-1、全氮25.6g·kg-1、全磷9.6g·kg-1、全钾46.6g·kg-1。
设置1、2、3、4、5、6、7等7个介质pH值，采用HCl-NaOH溶液调节介质pH，测定pH值对剩余污泥中重金属去除的影响。电解槽中不添加强化剂，电压为0.5V·cm-1，无超声振荡处理，电解12h。
选择EDTA、酒石酸、柠檬酸、草酸、EDTA铁钠、EDTA二钠作为强化剂，添加浓度分别为0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30mol·L-1，测定添加不同强化剂对剩余污泥中重金属去除的影响，以不添加强化剂处理为对照。电解槽中不调节介质pH值，电压为0.5V·cm-1，无超声振荡处理，电解12h。
设置0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4V·cm-1等7个电压，测定电压对剩余污泥中重金属去除的影响。电解槽中不添加强化剂，不调节介质pH值，无超声振荡处理，电解12h。
以电压、pH和强化剂为因素，通过三因素三水平的正交试验设计，寻找最佳的重金属去除条件。通过以上试验选择各影响因素下去除效果较优的三个条件，作为正交试验的三个水平。根据上述单因子试验表现，在多因子参数复合优化处理试验中，选择了3种电压（0.5、1.0、1.5V·cm-1）、3种介质pH值（2、4、6）与3种强化剂（EDTA、柠檬酸和酒石酸）进行组配。
参照董仁杰[18]的方法，称取干剩余污泥0.5000g置于聚四氟乙烯坩埚中，使用HNO3-HF-HClO4混合酸体系消解，采用石墨炉原子吸收分光光度法测定剩余污泥中重金属含量。
如图3所示，在介质pH为2时，Cu、Ni去除率最大，为42.1%、38.8%；在介质pH为3时，Cu去除率最大，为39.9%；在介质pH为1时，Cr去除率最大，为36.9%。去除的重金属不同，最佳的介质pH也不同。强酸环境会增加对电动装置的腐蚀性，兼顾二者关系，本试验认为pH为2~4是比较适宜的介质pH范围。
如图4所示，不同强化剂对剩余污泥重金属去除的作用差异明显。在添加的6种化学强化剂中，EDTA、柠檬酸和酒石酸对剩余污泥重金属的去除都有明显的促进作用；添加草酸、EDTA二钠和EDTA铁钠对剩余污泥重金属的去除作用相对较小。本试验证明，只有根据剩余污泥中重金属的类型，选择适合的强化剂才能有效强化污泥重金属电动修复的效果。所以，试验下一步将探究每种重金属所对应的最佳强化剂种类以及强化剂的最佳浓度。
如图5所示，随着电压的增大，剩余污泥中重金属的去除率逐渐提高，当电压达到1.4V·cm-1时趋于平缓。其中重金属Zn的去除率最大，Cu的去除率最小。去除的重金属不同，电压对其影响也不同。本文认为当电压达到1.4V·cm-1时，剩余污泥中重金属达到较优去除效果，同时能耗较小，此时Cu、Zn、Ni和Cr的去除率分别达到42.1%、47.2%、45.1%和43.5%。
如表1所示，三种因素中，介质pH值对剩余污泥中重金属Cr的去除率的影响最大，其次是强化剂种类，电压梯度的影响最小，去除剩余污泥中重金属Cr的最优组合是：电压梯度1.5V·cm-1，介质pH值2和强化剂柠檬酸。
如表2所示，三种因素中，介质pH值对剩余污泥中重金属Cu的去除率的影响最大，其次是电压，强化剂种类的影响最小，去除剩余污泥中重金属Cu的最优组合是：电压1.5V·cm-1，介质pH值2和强化剂EDTA。
如表3所示，三种因素中，电压对剩余污泥中重金属Ni的去除率的影响最大，其次是强化剂种类，介质pH值的影响最小，去除污泥中重金属Ni的最优组合是：电压梯度1.5V·cm-1，介质pH值2和强化剂酒石酸。
如表4所示，三种因素中，强化剂种类对剩余污泥中重金属Zn的去除率的影响最大，其次是介质pH值，电压的影响最小，去除剩余污泥中重金属Zn的最优组合是：电压梯度1.5V·cm-1，介质pH值2和强化剂柠檬酸。
图7~9分别表示在电压1.5V·cm-1、介质pH2的条件下，添加不同浓度的EDTA、柠檬酸和酒石酸对剩余污泥中几种重金属去除的影响。如图7所示，随着EDTA浓度的增加，剩余污泥中重金属的去除率均逐渐增大。当浓度范围为0~0.20mol·L-1时，重金属Cu、Ni的去除率逐渐增大，后趋于稳定。当浓度范围为0~0.25mol·L-1时，重金属Zn、Cr的去除率逐渐增大，后趋于稳定。总体来看，EDTA去除剩余污泥中重金属的最适宜浓度为0.25mol·L-1。如图8所示，当柠檬酸浓度范围为0~0.20mol·L-1时，重金属Cu、Ni、Cr的去除率逐渐增大，后趋于稳定。当柠檬酸浓度范围为0~0.25mol·L-1时，重金属Zn的去除率逐渐增大，后趋于稳定。总体来看，柠檬酸去除污泥中重金属的最适宜浓度为0.20mol·L-1。如图9所示，酒石酸浓度范围为0~0.20mol·L-1时，重金属Ni、Cr的去除率逐渐增大，后趋于稳定。当酒石酸浓度范围为0~0.25mol·L-1时，重金属Cu、Zn的去除率逐渐增大，后趋于稳定，最适宜浓度为0.25mol·L-1。
强化剂对污泥重金属的络合能力由其分子结构决定，更多的羧基结构能与更多的重金属离子结合而表现出较好的去除效果[26]。相比于EDTA二钠和EDTA铁钠，EDTA有6个配位原子，在相当宽的pH范围内可与大多数金属离子形成稳定的螯合物，使重金属从污泥表面解吸，同时它不易吸附于土壤中，对环境相对安全，生态风险小[27-29]。柠檬酸和酒石酸的酸性均较强，能与多种重金属离子络合，柠檬酸含有较多的羧基，可以很好地解吸土壤中吸附的磷，这与土壤中重金属的解吸机制十分相似[30]。同时，柠檬酸还能通过络合作用去除土壤中重金属[31-32]。酒石酸淋洗能有效去除交换态、碳酸盐结合态和氧化物结合态重金属，对有机态和残渣态重金属去除效果不明显[33]。草酸络合能力比酒石酸弱，同时其具有毒性，所以不适合作污泥重金属强化剂。本研究证明，只有根据重金属的类型选择适合的强化剂，才能有效强化污泥重金属电化学修复的效果。进一步研究表明，EDTA、柠檬酸和酒石酸去除剩余污泥中重金属的最适宜浓度分别为0.25、0.20mol·L-1和0.25mol·L-1，重金属的去除率可达到67.3%~84.9%，符合GB4284—2018中A级污泥农用标准，在各类影响因素中去除效果最为显著。
超声空化作用破坏污泥的絮体结构，改变液体中的溶解态和颗粒态物质的特征，使得原本附着在污泥颗粒及絮体表面的固着态重金属离子解吸为游离态，提高了重金属的去除率[36-38]。超声波通过破坏污泥絮体和颗粒大小实现其提取重金属的协同作用[20]。本研究考虑到能耗和效率，认为超声振荡1.0h对剩余污泥中重金属的去除效果最佳，Cu、Zn、Ni和Cr的残留浓度分别降至462.33、1115.40、89.54mg·kg-1和473.17mg·kg-1，均符合GB4284—2018中A级污泥农用标准。Deng等[39]利用超声和辐射法去除重金属，发现在超声条件下硝酸中Cu、Zn和Pb的去除率均达到18%~22%。郑雪玲等[40]通过超声波强化电动法修复Cu污染土壤的研究中显示出在试验初始的3h内施加超声波可以促进Cu2+的迁移，比未施加超声波提高了43%。
去除剩余污泥中Cr、Cu、Ni和Zn电化学条件的最优组合是不同的，结果显示pH2和电压1.5V·cm-1可作为去除4种重金属的最优介质pH值和电压，但最优强化剂种类不尽相同，且三种因素的影响程度也表现不一。说明当去除剩余污泥中不同重金属时，要注意选择最优组合和影响程度最大因素的取舍。研究为电动技术应用于去除剩余污泥中重金属的实践提供了理论参考。
（2）随着pH的增大，电动技术对剩余污泥中Cr的去除率持续降低，Cu、Zn和Ni的去除率先增大后降低，最适介质pH为2。
（4）随着电压的增大，电动技术对剩余污泥中重金属的去除率逐渐提高，最适电压为1.5V·cm-1。
（5）不同强化剂种类对电动技术去除剩余污泥中重金属效果的影响不同。EDTA对剩余污泥中Ni的去除效果最佳，最佳添加浓度为0.20mol·L-1；柠檬酸对Zn的去除效果最佳，最佳添加浓度为0.25mol·L-1；酒石酸对Cu的去除效果最佳，最佳添加浓度为0.25mol·L-1。