動電技術去除污泥重金屬的資源化研究

趙衛輕

(天津市華澤建筑設計有限公司 天津300060)

基礎研究

動電技術去除污泥重金屬的資源化研究

趙衛輕

(天津市華澤建筑設計有限公司 天津300060)

污泥是污水處理過程中的必然產物，污泥中含有氮、磷、鉀及有機質等農作物所需營養元素，但是污泥中含有的重金屬成為制約資源化應用的首要因素。主要闡述了利用動電技術去除其中的重金屬，處理后有機質含量變化不大，不影響污泥資源化利用。不同電壓降對重金屬的去除率不同，去除效果以1.5,V·cm-1電壓降處理較為理想。經過酸化以后的污泥，在電動力作用下可以提高重金屬去除率。電滲流受電流影響較大，電滲流與電流變化規律基本相似。

污泥 重金屬 動電技術

0 引 言

目前世界各國污泥利用率都不高，主要原因是污泥中重金屬含量超標。如何將污泥中重金屬Pb、Zn、Cu、Mn等元素的含量降低，成為污泥處置的重中之重。動電技術以其處理時間較短，可以去除多種重金屬等優勢，被公認為是最有前景的污泥重金屬去除技術，受到眾多學者的關注。

1 動電技術基本理論

國內外學者對動電修復土壤技術做了大量的研究，Acar[1](1993)和Alshawabkeh[2](1996)等先后總結了動電修復技術的基本原理。動電技術[3]的基本原理是在被污染的土壤兩端插入兩個電極，形成低壓直流場，在低強度直流電的作用下，水溶及吸附在土壤顆粒表面的污染物根據各自所帶不同電性電荷，向與之相吸的電極方向運動；陽極附近的酸會打破土壤與污染物之間的結合鍵，向土壤毛隙孔移動，此時，大量水分子在土壤中以電滲流的方式流動，土壤毛隙孔中的液體被帶到陽極附近，溶解在土壤溶液中的污染物被吸收至土壤表層得到去除。其基本原理主要有3種電動力學現象：電遷移、電滲流、電泳。

2 材料與方法

2.1 污泥預處理

污泥樣品取自蘭州市七里河——安寧污水處理廠新鮮的脫水污泥，屬于純生活污水產物，一般不含有毒物質，重金屬含量較低，不超過污泥農用標準。為了模擬動電技術去除城市污泥中重金屬的試驗，根據大多數城市污泥重金屬含量，人工配制含有Cu、Zn兩種金屬的污泥。經預處理后污泥特性為：pH值為6.12，含水率為53.67%，有機質為438.93,g/kg，Zn為1,373.0,mg/kg，Cu為396.00,mg/kg。

2.2 試驗裝置

處理污泥的試驗裝置如圖1所示，污泥室及電極室尺寸(長×寬×高)分別為0.4,m×0.2,m×0.2,m及0.1,m×0.2,m×0.2,m。按污泥與陽極距離8,cm、16,cm、24,cm、32,cm、40,cm將污泥室等分成5個截面，依次進行編號。電極采用石墨惰性電極，試驗裝置利用有機玻璃，便于觀察內部運行情況。

圖1 污泥動電處理試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental reactor for electrokinetic treatment of sewage sludge

2.3 試驗方案

污泥經過預處理后置于污泥室中并壓實。陽極液采用去離子水，陰極緩沖溶液為0.2,mol/L磷酸氫二納-檸檬酸緩沖液和0.2,mol/L磷酸鹽緩沖溶液。向陰極液中添加檸檬酸絡合劑，控制其pH值在6(±0.5)。將直流電源施加在兩端，試驗共設置4個不同電壓降，分別為0.5,V·cm-1、1.0,V·cm-1、1.5,V·cm-1、2.0,V·cm-1，選擇較為理想的電壓降，反應時間120,h。反應期間，每24,h測定電流和電滲流。試驗編號及方案見表1。以24,h陽極液的體積變化計算電滲流，測定每次體積變化之后，向陽極液中補充去離子水至同一液位，確保數據可比性，同時保證兩極室之間的壓強平衡。

控制陰極液pH值的方法：將陰極液存儲池中的緩沖溶液利用恒流泵向陰極池中緩慢滴加，陰極液每12,h更換1次，確保pH值穩定在設定值的±0.5范圍之內。

表1 試驗方案Tab.1 Experimental program

2.4 分析方法

電滲流：以陽極液24,h體積變化計算電滲流，測定完每次體積變化后，向陽極液中補充至同一液位的去離子水，確保數據可比性，同時保證兩極室之間的壓強平衡。

電流和電壓分別利用萬用表測定；利用電感耦合等離子發射光譜法進行多種重金屬測定。為確保數據準確，以3個平行樣的平均值作為試驗結果。

3 試驗結果與分析

3.1 有機質含量變化

圖2 不同電壓降處理后污泥截面有機值含量變化Fig.2Organic content changes in sludge section under various voltage drop treatments

從圖2可以看出，污泥經過動電處理后有機質含量并不會發生明顯改變，這就保證了污泥經過動電處理后仍具有資源化利用的價值。

3.2 電流的變化

圖3 不同電壓降處理后污泥電流的變化Fig.3Electric current changes under various voltage drop treatments

圖3表明，污泥在動電處理過程中，初始階段電流均呈現上升趨勢，作用1,d后，電流出現下降趨勢。施加0.5,V·cm-1電壓降后，隨著時間變化，電流值并沒有出現明顯變化，說明低電壓處理對電流影響不大。這主要是因為施加較高電壓降，通電初期在電場作用下污泥體內離子被活化，導致其離子濃度升高，電流在初期呈現上升趨勢，隨著時間延長，電解反應使陰極附近處于弱堿性環境，污泥中大部分重金屬離子向陰極室遷移發生沉淀反應，同時電極表面發生鈍化現象降低導電性能，導致電流逐漸降低。從圖中觀察可知，電壓降越大產生的上述反應越強烈。

3.3 電滲流的變化

圖4 不同電壓降處理后污泥電滲流變化Fig.4 Electroosmotic flow changes under various voltage drop treatments

如圖4所示，電滲流與電流的變化趨勢基本相似，剛開始污泥呈現弱堿性，污泥顆粒的Zeta電位表現為很高的負值，電流比較大，所以電滲流也比較大；隨著試驗逐步開展，由于H＋淌度比較大，污泥受氫離子影響，導致pH值逐漸下降，壓縮Zeta電位，同時在試驗過程中污泥內金屬離子濃度逐漸減小，導致Zeta電位值逐漸下降，電滲流降低。同時觀察得出電壓降與電滲流呈正相關關系。電滲流的大小除取決于Zeta電位外，還和污泥的電壓梯度有關系，說明電滲流大小和電壓降有關系，符合電滲流公式。

3.4 污泥截面重金屬含量的變化

3.4.1 Zn去除效果

從圖5可見，不能明確看出在哪個電壓降下Zn的處理效果更好，但總的來看還是高電壓降更有利于Zn的去除，可能是由于在污泥中Zn主要是以離子態存在，容易去除。經過動電處理后，污泥各個截面Zn含量明顯低于處理之前；并且污泥每個截面去除率不同，越靠近陽極位置，污泥截面Zn含量的去除率越明顯，形成這種現象的主要原因是因為污泥各截面的pH值不同。

圖5 不同電壓降處理后Zn去除效果Fig.5Removal effect of Zn under various voltage drop treatments

3.4.2 Cu去除效果

圖6 不同電壓降處理后Cu去除效果Fig.6Removal effect of Cu under various voltage drop treatments

從圖6可以看出，經過處理后每個截面Cu含量均低于處理之前，但是比較各個截面來說，每個截面Cu含量變化不明顯，說明Cu去除率增加的幅度與污泥截面酸化程度關系不太明顯，主要是因為Cu在污泥中主要以有機結合態及硫化物的形式存在，呈現相對較好的穩定性，受酸的影響程度較弱。從圖中還可以看出，污泥截面Cu含量的去除效果與電壓降呈現正相關的趨勢，但是相對于1.5,V·cm-1與2.0,V·cm-1處理效果來看，差別不是很明顯，考慮到能耗的關系，在處理重金屬Cu時可以采用1.5,V·cm-1的電壓降。

4 結 論

①污泥經過動電處理以后，其中的有機質含量變化并不明顯。

②不同截面重金屬去除率不同，隨著與陽極距離的增加，去除率逐漸降低。不同電壓降對重金屬的去除率不同，以1.5,V·cm-1電壓降處理得較為理想。同時，經過酸化的污泥在電動力作用下可以提高重金屬去除率。

③電動修復過程中，電流在開始時比較小，一天之后迅速升到最高值，在以后的處理時間內逐漸出現下降趨勢。

④電滲流在動電修復過程中，受電流的影響比較大，同電流的變化規律基本相同。

［1］ Acar Y B，Gale R J，Alshawabkeh A N. Electro-kinetic remediation：basics and technology status [J]. J Hazard Mater，1995(40)：117-137.

［2］ Alshawabkeh A N，Acar Y B. Electrokinetic remediation：Theoretical model [J]. Geotech Engrg，1996，122(3)：186-196.

［3］ 周啟星，宋芳玉. 污染土壤修復原理與方法[M]. 北京：科學出版社，2004：400-403.

A Reclamation Study on Removal of Heavy Metals from Sludge by Electrokinetic Techniques

ZHAO Weiqing
(Tianjin Hua Ze Architectural Design Co.，Ltd.，Tianjin 300060，China)

Sludge is one of the inevitable products of sewage treatment process.Sewage sludge has many nutrients required by crops，such as nitrogen，phosphorus，potassium and organic matters，but it also contains heavy metals，the primary factor restricting its recycling application.This paper mainly expounds the removal of heavy metals by using electrokinetic technology.After the removal，the content of organic matters had no obvious change，which does not affect the utilization of sludge.As the removal rate of heavy metals differed under different voltage drops，the satisfactory removal rate was proved when selecting 1.5 V.cm-1.Also，the removal rate of heavy metals increased after the sludge was acidified under the action of the electric power.It also finds out that electroosmotic flow is affected by the electric current，and laws of the changes are same with the electric current.

sludge；heavy metals；electrokinetic techniques

X705

：A

：1006-8945(2016)04-0030-04

2016-03-05