CN102503059B - 一种去除污泥中重金属的方法和它的装置 - Google Patents

Abstract

一种去除污泥中重金属的方法和它的装置，属环境保护技术领域，特别是涉及污泥中重金属的去除方法。其特点是，利用反复冻融的预处理工艺强化阴极液回流的电动处理过程，使重金属的去除效率显著提高。利用构建的处理装置，将初始污泥进行反复冻融预处理，随后将污泥放入污泥室，在阴阳极端施加直流电压，外部采用阴极液回流工艺中和阴阳极液,通电时间为144h。积极效果是：从源头上增强了初始污泥中重金属的迁移性，能够显著提高重金属的电动去除效率，且不向体系中引入任何外源物质，是一种环境友好、切实可行的强化方法。

Description

一种去除污泥中重金属的方法和它的装置

技术领域

本发明属环境保护技术领域，特别涉及一种环境友好的污泥中重金属预处理工艺及其强化方法。

背景技术

城市污泥是处理污水时所产生的固态、半固态及液态的废弃物，是污水处理厂的必然产物，含有大量的有机物、氮磷等营养物，是一种具有后续利用价值的城市污染物。然而，城市污泥中的大量有害重金属限制了污泥的资源化利用。因此，降低或去除城市污泥中重金属含量的问题亟待解决。电动修复(Electrokinetic Remediation)作为一种新兴的绿色高效原位修复技术，近年来受到广泛关注。该技术具有费用低、试剂用量少、安装和操作简单、能耗低以及修复效率高等优点。其基本原理是在固相或液相系统中插入电极，施加直流电压形成电场梯度，污染物在电场、电化学等作用下，进行定向移动、聚集，并经过进一步的溶液收集和处理实现污染介质减污或清洁的目的。污泥电动处理效率的高低关键取决于以下两点：⑴.电动过程中pH值的控制；⑵.初始污泥中重金属的形态。通电过程中，电极附近发生电解水反应，在阴、阳极分别产生大量的OH-和H+，使电极附近的pH值分别上升和下降，由此带来的污泥pH值变化导致阴极附近重金属沉淀，阻碍了重金属的去除；初始污泥中重金属的形态分布严重影响其去除效率，研究表明，以可交换态存在的重金属较易被去除，去除效率可达到90%以上，而以有机结合态和残渣态存在的重金属的去除效率仅为30%。

为了提高污泥中重金属的电动处理效率，许多强化方法被应用到其中，主要包括：城市污泥酸化，加速以其他形式存在的重金属向溶液中转化；利用离子交换膜防止电流密度降低。然而这些方法不仅向污泥体系中引入了外源物质，加大了环境风险，也使修复成本大大增加，限制了其大规模应用。

阴极液回流一种是利用恒流量蠕动泵将阴极液与阳极液中和的工艺，不向体系中加入任何外源物质，而是将pH值不断升高的阴极液与pH值不断降低的阳极液中和，形成一个循环体系，维持阴阳极液的pH值，以保持相对稳定的污泥pH，能有效控制阴极区域的重金属沉淀。然而，初始污泥中以有机结合态和残渣态存在的重金属不占少数，单一使用阴极液回流工艺能够很好的控制系统的pH值，但却仍然无法从根本上提高这部分重金属的电动去除效率。

发明内容

本发明的目的在于寻找能最终实现去除城市污泥中重金属目的的一种去除污泥中重金属的方法和它的装置。

本发明采取的技术方案是：

一种去除污泥中重金属的装置，包含一个长方形的去污糟，其结构是：去污糟的两端分别是插着阳极电极的阳极池和插着阴极电极的阴极池，阴、阳极之间串接着串联的直流电源和数据采集装置,在阳极池与阴极池之间为放置污泥的污泥室，在阳极池与污泥室之间设有四层由有机玻璃制成的分隔用的带孔夹板，夹板之间填充阴离子交换树脂，两端夹板的多孔表面覆盖滤纸，在去污糟的两端分别有输出口与联着管子的恒流量蠕动泵相接。

一种利用上述装置去除污泥中重金属的方法，由以下步骤操作完成：

1）对污泥实施反复冻融预处理，

2）将反复冻融预处理的污泥放入装置的污泥室中，

3）向电极池中加入蒸馏水作为电解液，

4）在阴阳极端施加直流电压，维持电压梯度为0.97v/cm～1.05v/cm；

5）开启恒流量蠕动泵，实施由阴极向阳极的电解液回流工艺，

6）通电操作6天后取出污泥进行实验室分析，并对比处理前后污泥中重金属

的总量。

本发明的积极效果是：

与其他强化方法相比，反复冻融的预处理工艺使污泥中的微生物细胞发生不同程度的破碎，随着微生物的消亡和有机质的减少，与这部分相结合的重金属形态发生了变化，增强了其迁移性。将其与阴极液回流的强化工艺相结合，能够从源头把握污泥中的重金属形态，同时在过程中控制全系统的pH值，能够从根本上解决污泥电动处理中的两个关键性技术难题，显著提高污泥中重金属的去除效率，同时该强化方法操作简单，所需费用低，且不向体系中引入任何外源物质，是一种环境友好、切实可行的强化方法。

附图说明

图1是实现本发明所采用的电动处理装置示意图。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步说明

一种去除污泥中重金属的方法，由以下步骤操作完成：

1）对污泥实施反复冻融预处理，

2）将反复冻融预处理的污泥放入装置的污泥室中，

3）向电极池中加入蒸馏水作为电解液，

4）在阴阳极端施加直流电压，维持电压梯度为0.97v/cm～1.05v/cm；

5）开启恒流量蠕动泵，实施由阴极向阳极的电解液回流工艺，

6）通电操作6天后取出污泥进行实验室分析，并对比处理前后污泥中重金属的总量。

一种去除污泥中重金属的装置，包含一个长方形的去污糟，其结构是：去污糟的两端分别是插着阳极电极1的阳极池2和插着阴极电极3的阴极池4，阴、阳极之间串接着串联的直流电源5和数据采集装置6,在阳极池与阴极池之间为放置污泥的污泥室7，在阳极池与污泥室之间由有机玻璃制成的分隔用的带孔夹板8，夹板之间填充阴离子交换树脂9，两端夹板的多孔表面覆盖滤纸，在去污糟的两端分别有输出口与联着管子10的恒流量蠕动泵11相接。

所述的反复冻融预处理，具体步骤如下：

1）取800g～1200g污泥置于2L的塑料烧杯中，将其置于冰箱内冷冻，冷冻温度为-25℃，冷冻时间为6h；

2）水浴锅调节温度为50℃，将污泥放入水浴锅中温热融解；

3）重复步骤1）、2），共4次；

4）将污泥搅拌15min充分混匀。

所述的由阴极向阳极的电解液回流工艺，具体步骤如下：

1）将恒流量蠕动泵的配套软管连接阴极池与阳极池；

2）调节蠕动泵的转速，使其对应的流速为1.2ml/min，并液体的流动方向为从阴极池流向阳极池。

所述的阴、阳极，为柱状电极，阴极为石墨电极，其纯度为99.9%、密度为1.75～1.80g/cm³、硬度为45°；阳极为钌铱钛电极。

实施例

实施例1：

去除城市污泥中重金属Cr的实例

城市污泥于2009年取自上海市桃浦污水处理厂，主要为工业废水和生活污水经二次生化处理后的脱水污泥。污泥呈黑色，有恶臭，基本性质和污染情况如下：pH为6.9；含水率为78.5%；有机质为26.8%；Cr含量为2012.8mg/kg（以上均以干物质计）。所采用的电动修复装置为自建装置（如图1），反应器由有机玻璃制成，阴极采用普通的石墨电极，阳极采用钌铱钛电极，表面涂有钌铱钛材料，可以防止电极被腐蚀。直流电源提供稳定电压，利用电流和电压监控系统记录电流和电阻的变化。在外部通过可以调节流量的蠕动泵从阴极池向阳极池输送液体，蠕动泵的流速为1.2ml/min。供试污泥在处理前进行反复冻融预处理，使细胞破碎，污泥中重金属的易迁移组分有所增加，将其装进反应器中，逐层压实。通电并调节电压在1v/cm，实际电压梯度在0.98～1.02v/cm之间。

施用本发明，电动144h后将污泥室中的污泥从阳极到阴极平分为五个区域（S1-S5）采集样品进行分析。样品经自然风干后，研磨，过筛（100目），测定污泥含水率、pH值、重金属总量及其形态分布。通过湿法消解-原子吸收法测定污泥中Cr的含量。分析结果表明（表1），污泥中Cr的去除效率提高了67.5%，强化效果显著。

表1污泥中Cr的电动处理效率

实施实例2：

去除城市污泥中重金属Cu、Zn、Cd、Ni的实例

城市污泥于2011年取自上海市桃浦污水处理厂，该污泥以生活污水为主，含有部分工业废水经二次生化处理后的脱水污泥。污泥呈黑色，有恶臭，基本性质和污染情况如下：pH为6.8；含水率为85%；有机质为34.4%；污染物浓度为Cu含量1369.6mg/kg；Zn含量1395.1mg/kg；Cd含量39mg/kg；Ni含量218.2mg/kg（以上均以干物质计）。实验方法同上，调节电压，使得反应器中的电压维持在1v/cm，实际电压梯度维持在0.97～1.05v/cm之间。

施用本发明后，将污泥室中的污泥从阳极到阴极平分为五个区域（S1-S5）采集样品进行分析。样品经自然风干后，研磨，过筛（100目），测定污泥含水率、pH值、重金属总量及其形态分布。通过湿法消解-原子吸收法测定污泥中Cr的含量。分析结果表明（表2），污泥中Cu、Zn、Cd、Ni的去除效率分别提高了61.7%、78%、44%、39.1%，效果显著。

表2污泥中Cu、Zn、Cd、Ni的电动处理效率

Claims (5)

1.一种去除污泥中重金属的装置，包含一个长方形的去污糟，其特征是：去污糟的两端分别是插着阳极电极（1）的阳极池（2）和插着阴极电极（3）的阴极池（4），阴、阳极之间串接着串联的直流电源（5）和数据采集装置（6）,在阳极池与阴极池之间为放置污泥的污泥室（7），在阳极池与污泥室之间设有四层由有机玻璃制成的分隔用的带孔夹板（8），夹板之间填充阴离子交换树脂（9），两端夹板的多孔表面覆盖滤纸，在去污糟的两端分别有输出口与联着管子（10）的恒流量蠕动泵（11）相接。

2.根据权利要求1所述的去除污泥中重金属的装置，其特征是：所述的阴、阳极，为柱状电极，阴极为石墨电极，其纯度为99.9%、密度为1.75～1.80g/cm³、硬度为45°；阳极为钌铱钛电极。

3.一种利用如权利要求1-2所述的装置去除污泥中重金属的方法，其特征是：

由以下步骤操作完成：

1）对污泥实施反复冻融预处理，

2）将反复冻融预处理的污泥放入装置的污泥室中，

3）向电极池中加入蒸馏水作为电解液，

4）在阴阳极端施加直流电压，维持电压梯度为0.97v/cm～1.05v/cm；

5）开启恒流量蠕动泵，实施由阴极向阳极的电解液回流工艺，

6）通电操作6天后取出污泥进行实验室分析，并对比处理前后污泥中重金属的总量。

4.根据权利要求3所述的去除污泥中重金属的方法，其特征是：所述的反复冻融预处理，具体步骤如下：

1）取800g～1200g污泥置于2L的塑料烧杯中，将其置于冰箱内冷冻，冷冻温度为-25℃，冷冻时间为6h；

2）水浴锅调节温度为50℃，将污泥放入水浴锅中温热融解；

3）重复步骤1）、2），共4次；

4）将污泥搅拌15min充分混匀。

5.根据权利要求3所述的去除污泥中重金属的方法，其特征是：所述的由阴极向阳极的电解液回流工艺，具体步骤如下：

1）将恒流量蠕动泵的配套软管连接阴极池与阳极池；

2）调节蠕动泵的转速，使其对应的流速为1.2ml/min，并液体的流动方向为从阴极池流向阳极池。

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