新密市城镇污水厂污泥含水率高、有机质含量多、富集了较多重金属元素，由于这些重金属的存在，限制了污泥的土地资源化利用，如果不合理控制，这些污泥施用于土地后将会对环境造成二次污染。目前，去除污泥中的重金属主要方法有化学法、生物法、植物修复法，以上三种方法都能够减少重金属在污泥中含量。根据相关文献报道可知较多学者对柠檬酸浸提污泥中的重金属进行了大量的研究，但是对于硼酸浸提污泥中重金属Ni条件优化还没见相关系统的研究。本文通过化学试验研究了硼酸浸提污泥中重金属Ni，确定出浸提时间、温度、试剂浓度、pH对浸提率的影响趋势，最后建立近似模型和优化算法来确定优化组合，以期能为城镇污泥的重金属去除供理论依据。
1、材料与方法
1.1 材料与设备
1.1.1 试验材料
实验用泥采自于新密市一城镇污水处理厂脱水泵房，污泥采用风机风干后粉碎成粉末，在105℃的烘箱中烘3h至恒重，过100目专用筛，存干燥器中备用。
1.1.2 试剂与设备
试剂：硼酸、硫酸、碳酸、盐酸、草酸、氢氧化钠。设备：干燥箱、污泥粉碎机、天平、恒温水浴摇床、数显恒温水浴锅、超声波清洗仪、原子吸收分光光度计。
1.2 试验方法
1.2.1 试验步骤
1.2.2 设计重金属Ni浸提条件
(1)单因素试验。通过本试验筛选浸提试剂、浸提时间、浸提温度、浸提浓度、pH因素比较好的范围。浸提实验采用的溶剂为硼酸、硫酸、碳酸、盐酸，实验时间为3、6、9、12、15、18h，实验温度为5、10、15、20、25、30℃实验浓度为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6mol/L，实验pH为1、2、3、4、5、6。
(2)正交复合试验。基于单因素实验为前提，以实验时间、实验温度、浓度、pH为研究对象，按L16(44)安排四因素4水平的正交复合试验，选择适宜的浸提条件作为Ni浸提评价指标，具体见下表。
1.3 测定方法
1.3.1 Ni的标准曲线制作采用原子吸收分光光度法
1.3.2 评价指标
重金属Ni浸提率(%)：浸出酸液中NI的含量与污泥中Ni质量的百分比。
2、结果与分析
2.1 单因素试验研究
2.1.1 实验试剂的选择
称取定量储存的污泥粉末，放入到12个实验瓶中，每组三个，一共分为4组。对应加入硼酸、硫酸、碳酸、盐酸各200mL于实验瓶并调好pH，实验瓶加盖后放在水浴摇床振荡提取(避免摇碎)。在时间12h、温度20℃、溶剂浓度为0.2mol/L、pH3条件下，研究Ni在不同试剂中的浸提率，如图3所示。
由图3可知，在相同试验条件下硼酸与碳酸对重金属Ni的浸提率较高，浸提率分别是70.88%和60.89%，硫酸和盐酸对重金属Ni的浸提能力较差。所以，后续试验采用硼酸浸泡污泥浸提重金属Ni。
2.1.2 浸提时间
称取定量储存的污泥粉末，在溶液浓度0.2mol/L、实验温度20℃、pH为3，实验时间为6、9、12、15、18、21h的情况下，研究污泥中Ni的浸提率受时间的影响。由图4中a可以看出，在6-15h范围内重金属Ni的浸提率与时间成正相关，Ni的浸提率最高可以达到75.3%。15h以后Ni的浸提率趋于稳定甚至会降低，因此，确定适宜的浸提时间为15h。
2.1.3 浸提温度
称取定量储存的污泥粉末，在实验时间为15h、实验温度为10、15、20、25、30、35℃、浓度0.2mol/L、pH3的实验条件下，研究Ni的浸提率受温度效果影响变化。由下图可知，溶液中的Ni含量随着温度升高呈递增趋势，其原因为Ni热运动速度随温度提高而加速，与硼酸酸进行较多的有效结合。当温度提升到20℃时，Ni的浸提效率较之前有一定幅度的降低。综合能源与成本方面考虑，确定温度为20℃为浸提的合理温度。
2.1.4 浸提pH
称取定量储存的污泥粉末，实验时间15h，温度20℃，pH1、2、3、4、5、6，浓度0.2mol/L的实验条件下，实验研究pH对Ni的浸提效果影响。由图4中c可以得出，硼酸浸提后的溶液中Ni的含量与pH值呈负相关。当pH为1时，Ni的浸提率可以达到79%,随着pH值递增Ni的浸提效果逐渐降低，当pH为6时，Ni的浸提率只有31%。其原因为，浸提效果与浸提液中的质子运动强度有关。当pH升高时，浸提液中所含的质子数减少，从而导致质子的运动强度下降。由图4中c可以看出，pH为3时Ni的浸提率仅比pH为1时下降低3%左右，综合考虑企业实际应用中溶液的酸性太高会对企业相关设备系统造成一定的腐蚀作用，所以选择pH值为3。
2.1.5 浸提浓度
称取定量储存的污泥粉末，在实验时间15h、温度20℃，pH3、浸提浓度为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6mol/L的条件下，研究浸提溶液的浓度对NI的浸提效果的影响。由图4中的d可以看出，在浓度为0.1-0.2mol/L情况下，Ni的浸提效果随浓度的增加而递增，0.3mol/L浓度时浸提率能达到为76%。所以选择浸提液浓度选择为0.3mol/L。
2.2 正交试验结论
通过各种单因素试验，现选取较适宜的浸提浓度、浸提时间、浸提温度及pH进行一系列的正交试验，结论下表如所示。
由表2结果可知，当试验组合为A0B1C2D2即：采用浓度0.2mol/L的硼酸、浸提15h、浸提温度20℃、pH3时，Ni的浸提率最高可达75.6%。通过计算机软件计算处理分析，建立硼酸浸提Ni的分析模型：
结合数学中的优化算法，确定为A0B1C3D2是最优水平组合。即实验条件为：实验浸提溶液浓度0.2mol/L、实验时间15h、实验温度25℃、pH为3时，硼酸对Ni的浸提效果最好。
2.3 数学模型方差分析
根据优化原理，不同输入变量之间存在相互依存与制约的关系，与输出变量之间也有一定关系。通过贡献量分析，寻找对优化目标影响最大的设计变量[4]。由图5可知，温度变量对Ni的浸提率影响最大;其次为浓度和时间;其余设计变量的贡献较小。图中显示：当贡献量为正时，表示可以提高Ni的浸提率;当贡献量为负时，表示可以降低Ni的浸提率。由于AB、AC、AD、BC、BD、CD(设计变量之间交互作用)对Ni的浸提率Y的贡献率非常小，所以只需分析A、B、C、D对Y的主效应。由图6可知，设计变量在不同水平范围对NI浸提率的影响。其中A(浸提浓度)与C(浸提温度)在2-3之间对Y较为敏感，彼此之间具有负比例关系;B(浸提时间)和D(pH值)在0-1范围内对Y较为敏感。在这个范围内，彼此成正比例关系。
2.4 验证性试验
称取定量储存的污泥粉末，在优化水平组合A0B1C3D2条件下开展验证性试验，结果见表3。
通过验证试验可知，在优化条件下污泥中的重金属Ni浸提率三次都能够达到了较高水平，均值为81.4%,较优化前Ni的浸提率提高了7.1%。
3、结论
通过一系列的单因素及正交试验得到结论如下：
(1)硼酸的浸提效果最好，对重金属Ni的去除性能依次为：硼酸﹥碳酸﹥硫酸﹥盐酸，浸提率分别是70.88%、60.89%、44.25%、31.70%;
(2)硼酸浸提浓度0.2mol/L、pH3、时间15h、温度20℃时，重金属Ni的浸提率最高可达76.0%;
(3)优化水平组合为A0B1C3D2，即硼酸浓度0.2mol/L，浸提时间15h，浸提温度25℃，pH3时，重金属Ni的浸提率达到81.4%，比优化前提高了7.1%;
(4)硼酸可以有效浸提污泥中的重金属Ni，可以逐步在实际应用中推广。(来源：中原环保新密水务有限公司)
