《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Assessment of Leaching Behavior, Chemical Speciation, and Environmental Risks of Lime-Treated Metal-laden Sludge from Secondary Lead Smelting Plant Wastewater Treatment
编辑推荐：
二次铅冶炼厂石灰污泥中重金属浸出特性及生态健康风险研究。通过化学形态分析发现Pb（3495 mg/kg）和Cd（79 mg/kg）远超印度土壤标准，F1+F2态占比超30%。动态浸出实验表明厌氧条件浸出率（5.4-25.5%）显著高于好氧（0.2-8.2%），健康风险评估显示儿童摄入途径暴露风险最高。研究建议污泥需稳定化处理或安全填埋，并推广生物处理技术。
Sreekanth Yadav Golla | Guntakala Venkatanaga Chandra | Pranab Kumar Ghosh
印度古瓦哈提理工学院土木工程系，古瓦哈提，阿萨姆邦-781039，印度
摘要
本研究收集了来自二次铅冶炼厂（SLSP）废水处理产生的污泥，对其潜在毒性、环境风险、化学形态、抗浸出稳定性以及对人类健康的危害进行了全面评估。结果表明，石灰污泥中的铅（Pb）浓度为3495 mg/kg，镉（Cd）浓度为79 mg/kg，分别超过了印度土壤处置标准的7倍和14倍。化学分析显示，超过30%的铬（Cr）、镍（Ni）、钴（Co）和铅（Pb）存在于易移动且可生物利用的组分（F1+F2）中。批次老化试验、动力学试验以及扩展毒性特征浸出程序（TCLP）的结果证实，这些金属在氧化性和厌氧性环境下均具有浸出性。在氧化性条件下，金属的浸出率（0.2-8.2%）低于厌氧性条件（5.4-25.5%），这可能是由于氧气存在下形成了氧化铁沉淀物，从而固定了金属。生态风险评估显示，镉（Cd）和铅（Pb）具有极高的风险，而其他金属则具有中等至较高的风险。健康风险评估指出，摄入是主要的暴露途径，其中铅（Pb）、镉（Cd）和铬（Cr）对儿童尤其构成严重威胁。研究结果表明，SLSP污泥属于危险废物，必须将其安全处置在危险废物填埋场中，或通过添加石灰或水泥类材料进行稳定处理；或者，相关企业应采用更可持续的方法处理SLSP废水，例如生物处理。
引言
电力设备已成为现代生活不可或缺的一部分，铅酸电池（LAB）在保护、连接、传输和为我们的日常活动提供动力方面发挥着关键作用。铅酸电池的可靠性、成本效益和安全性使其在汽车、电动汽车、储能系统、不间断电源系统等各种应用中得到广泛应用[1]。尽管出现了新的电池技术，但由于汽车和可再生能源行业的整体发展，铅酸电池的需求仍然很高[2]。2023年全球铅酸电池市场价值估计为597亿美元，预计从2023年到2034年将以5.0-5.6%的复合年增长率增长[2]。铅酸电池的寿命较短，通常为2至2.5年，因此产生了大量的废旧电池。2015年，废旧电池占废旧电池市场的50%[3][4]。废旧电池通常含有30-40%的铅膏、24-30%的铅栅格、11-30%的废电解液，其余成分包括塑料、隔膜等[5]。一个标准的12伏铅酸电池可能含有高达10公斤的铅，这使得废旧电池的回收成为二次铅生产的重要来源[6]。在美欧等发达国家，由于技术成熟、劳动力素质高和法规严格，废旧电池的回收率可达到99%[6]。然而，在印度、孟加拉国和非洲等发展中国家，废旧电池往往由非正规回收渠道处理[7]。在印度，60-80%的废旧电池通过非正规渠道回收，这对电池回收厂周边居民的健康产生了不利影响[7]。长期接触铅可能导致严重的健康问题，如生长受阻、肾脏损伤甚至死亡[8]。印度有23个州的血液铅含量超过了安全标准（5 μg/dL）。生活在电池回收厂附近的儿童血液铅含量高达190 μg/dL，是安全标准的38倍，存在严重健康风险[9]。
二次铅冶炼厂（SLSP），也称为废旧电池回收厂，产生的废水呈酸性（pH < 2.0），其中铅（Pb）浓度范围为2至300 mg/L[10][11]。含金属的酸性工业废水传统上采用石灰或氢氧化钠进行化学沉淀处理[12]。虽然这种处理方法简单，但会产生石灰污泥。印度每年产生的工业石灰污泥约为450万吨，其中大部分被随意倾倒[12]。污泥的非科学处置方式会导致人类通过吸入和皮肤接触接触到金属，因为污泥的干粉会悬浮在空气中[12]。此外，石灰污泥中的金属可能会渗入地下水，进而通过食物链对人体造成危害[13]。仅通过测定总金属含量无法准确评估污泥的毒性，还需要对其进行化学分类（F1-F5），如可交换组分（F1）、碳酸盐组分（F2）、可还原组分（F3）、可氧化组分（F4）和残留组分（F5）[15]。风险评估代码可以揭示金属的迁移性和生物可利用性，而还原分配指数则表明金属在污泥基质中的结合能力[16]。此外，还应使用各种污染指标来评估污泥中金属带来的生态和健康风险，以确定安全的处置方法[17][18]。
一些研究尝试从铅酸电池制造[19]和回收行业[10]产生的废水中去除铅；然而，这些研究忽略了由此产生的污泥的潜在毒性。Islam等人[14]和Kulkarni等人[8]关于铅酸电池制造污泥的研究主要局限于化学形态分析和生态风险评估。尽管这两项研究的污泥均来自电池制造行业，但金属含量存在显著差异，导致金属迁移性和生态风险也有所不同。此外，在市政填埋场常见的厌氧和氧化条件下，铅酸电池制造污泥的金属健康风险和浸出行为仍不清楚。由于铅酸电池制造厂的废水特性与SLSP不同，因此产生的石灰污泥特性也可能不同，其影响也会有所不同。因此，有必要全面分析SLSP污泥的金属浸出性、化学形态以及生态和健康风险。据作者所知，这是首篇通过综合评估（i）污泥中的金属含量，（ii）通过化学分类确定金属组分，（iii）在厌氧和氧化条件下的金属浸出行为，以及（iv）相关生态和健康风险，对SLSP污泥进行环境和可持续性评估的报告。
SLSP污泥收集
废旧电池的回收过程会产生多种废水，包括废电解液的收集、塑料外壳的清洗、含铅膏和栅格的清洁以及湿法洗涤器的废水。SLSP废水在规模较小的废水处理厂中通过添加石灰（CaO）进行处理。石灰的添加提高了废水的pH值，并使金属沉淀，形成了富含金属的污泥。随后使用压滤机对污泥进行脱水处理。
SLSP污泥的物理化学特性
从回收厂收集的部分晒干的污泥呈红棕色，质地非常细腻，并带有轻微的金属气味。进一步干燥后，污泥颜色变为深红棕色（见补充图S2），这可能是由于暴露在大气中导致铁氧化所致。污泥的pH值接近中性，为6.84 ± 0.29，表明添加的石灰量不足。
结论
对SLSP石灰污泥的环境和可持续性评估结果表明，其中铅（Pb）、镉（Cd）、铜（Cu）和镍（Ni）等金属的浓度超过了多个国家土壤处置指南规定的最大允许限值。批次老化试验和TCLP试验的结果表明，该污泥在铅（Pb）浸出方面不稳定，因此应将其归类为危险废物。此外，污泥的化学成分、RAC（还原分配指数）和IR（红外光谱）进一步凸显了其危险性。
作者贡献声明
：撰写初稿、验证、研究、数据分析。
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢印度古瓦哈提理工学院的中央仪器设施提供了FESEM、EDX和XRD分析所需的设备支持。
