城市污水处理厂污泥重金属处理新工艺

胡彬 喻方琴

（岳阳市环境监测中心，湖南岳阳 414000）

城市污水处理厂污泥重金属处理新工艺

胡彬 喻方琴

（岳阳市环境监测中心，湖南岳阳 414000）

本文采用化学法对污泥进行处理，以污泥脱水率和污泥中重金属离子去除率为指标，对比了硫酸和柠檬酸的处理效果。结果表明，硫酸和柠檬酸对城市污水中污泥的处理程度和侧重点不同，处理效果各有优势。柠檬酸能够有效的将污泥中的重金属离子汞与铅脱除，硫酸能够除去污泥中大部分的重金属离子而对上述两种金属离子的脱除效率偏低。本文在此基础上设计了一套分段处理工艺，取得了可以适用于城市污水中污泥处理较好效果的数据。

污泥；污泥脱水；污泥重金属；新工艺

0 引言

目前在污泥处理工艺上，脱水与脱除重金属离子是分开进行研究的。在污泥脱水研究方面，大部分研究者采用的是化学处理法。常用的化学试剂例如铁系、铝系及高分子药剂[1-2]。也有研究者在这基础上增加了微波工序，利用微波的特点加强化学反应的速率及反应程度，达到强效脱水的目的[3-4]。对污泥脱除重金属的研究也很多，方法基本都集中在化学法和生物浸出法上[5]，技术和应用都已经比较成熟。笔者在研究中发现，污泥中含有的水分和重金属离子存在必然的联系，在脱除两者的过程中，脱除率相互影响[6-7]。因此，在对污泥进行处理研究过程中，很有必要将污泥脱水和脱除重金属离子综合考虑，深入解析脱除机理，将两个工艺有机结合起来，才能研究出高效处理污泥的新工艺。

本研究通过实验考察硫酸和柠檬酸对污泥脱水和脱除重金属离子的差异，对比单独作用的效果，设计出“柠檬酸—硫酸两段工序处理污泥”新工艺，该工艺的初步处理结果效果较好。

1 实验材料与方法

本实验中所用到的污泥均取自于岳阳市某污水处理厂，样品为活性污泥系统中沉淀区外排的剩余污泥。该污泥呈塑态，固含量20%左右，含水率为82.0%。

将该活性污泥置于干燥箱中，110℃下干燥24h以上直至污泥的重量不再变化，然后将干燥获得的干污泥打碎并研磨后用不锈钢分样筛筛至100目以下，用X荧光法分析出干基中重金属成分（见表1）。

表1 污泥试样（干基）的重金属成分分析/mg/kg

实验中，首先称取1kg湿污泥于烧杯，将已配置好的酸性溶剂按不同液固比（加入液体反应剂体积v：湿污泥质量m）加入烧杯中进行反应，在反应过程中采用搅拌器以70r/min进行搅拌，使化学试剂能够与污泥充分接触。将反应控制在一定的温度下，达到反应所需的时间后，进行液固分离。由于反应后的物料呈现准胶体状态，普通的过滤方式很难将物料中水分脱离出来。因此只能采用抽真空的方式进行过滤，过滤到一定程度后，将滤饼置于105℃的干燥箱中直至滤饼的重量不再变化，利用前后重量差及金属含量分别计算脱水和脱除重金属的效率。

采用原子吸收分光光度计分析重金属离子的浓度，Z-2000型原子吸收分光光度计的操作条件如下：信号处理：连续；积分时间（s）：3.0；量程扩展：1.0；滤波系数：0.50。

本文中，污泥脱水效率的计算公式为：

m0w——未经处理的湿污泥含水量，g；

m0w——经预处理后的湿污泥含水量，g；

2 结果与讨论

图1所示为酸用量对污泥脱水效率的影响，酸用量按酸与湿污泥的质量比计。其他实验条件为：反应温度60°C，液固比1mL/g，反应时间40min。

图1 酸用量对污泥脱水效率的影响

从图1中可以很明显的看出，在脱水效率上硫酸与柠檬酸有很大的差异，前者的脱水率远远高于后者。可能的原因是一定浓度的硫酸不仅具有酸性，能够电离出氢离子，还具有较强的氧化性，能够对污泥中微生物的细胞膜造成很大的破坏，导致微生物细胞膜失去原有的功能甚至脱水死亡，使得微生物细胞中的水分得以从污泥中分离出来。特别是当硫酸的含量从1%增加到4%时，污泥的脱水率提高了近50%，说明了硫酸浓度的增加其氧化性也进一步的增强，该强氧化性对微生物有着致命的作用，所以该浓度的硫酸能够达到比较好的脱水效果。而硫酸含量增至6%后，污泥的脱水率不再变化，可能原因是微生物细胞中含有的水分基本脱离出来，而以其他形式存在的水分是硫酸不能够脱离的。柠檬酸的脱水效率则呈现一种近似直线上升的趋势。可能的原因是柠檬酸只是一种弱的有机酸，其溶液中电离出的氢离子与其浓度成正比例，因此要达到类似于硫酸的脱水效果，需要更多的量。另外，从表2可以看出，硫酸能够将污泥中的大部分重金属离子脱除，但不包括汞和铅。而柠檬酸对汞与铅的脱出率高于硫酸，对其他重金属离子的脱离率上均不如硫酸。这可能是汞和铅在两种不同酸体系中形成的沉淀物难易程度不同。综合考虑处理成本与脱离率的因素，参考实验数据，可将所用硫酸用量定为4%，而柠檬酸用量定为6%。

表2 酸用量对污泥中重金属脱除的影响/mg/kg

图2所示为反应时间对污泥脱水效率的影响。其他实验条件为：硫酸用量4%，柠檬酸用量6%，液固比1mL/g，反应温度60°C。

图2 反应时间对污泥脱水效率的影响

从图2中可以看出，硫酸处理样和柠檬酸处理样对污泥的脱水效率受时间的影响基本一致，均随时间的增加呈上升趋势。当整个体系反应时间达到1h后，两者的污泥脱水率分别为硫酸73%，柠檬酸47%。随着反应时间的增加，两者的脱水效率变化都不大。综合以上实验数据考虑，为了既能够将两者的脱除效果完全发挥又能够节约实验时间，在后续实验中体系的反应时间定为60min。

表3 反应时间对污泥中重金属脱除的影响/mg/kg

图3所示为反应温度对污泥脱水效果的影响。其他实验条件为：硫酸用量4%，柠檬酸用量6%，液固比1mL/g，反应时间60min。

从图3中可以看出，温度对反应体系有着重要的影响。温度对反应的促进作用很明显，温度升高，两者的脱水率几乎皆呈比例提高，但促进作用存在差异。如温度为60℃时，两者的脱水率相差仅10%；温度达到95℃时，两者的脱水率相差达到20%。故硫酸在高温下的强氧化性要比低温下高的多，容易导致微生物大量脱水。

图3 反应温度对污泥脱水效率的影响

另外，从表4可以看出，温度对重金属脱除率有着较为密切的影响，显然，这从另外一方面说明，污泥中水分与重金属的脱除是具有一定相关性的。随着反应温度的升高，两个体系的重金属离子去除率均有所提高，这是因为污泥中的重金属是以结合态形式存在的，只有通过扩散作用，它们才能从固相转移到液相中去，当温度升高时，固相中金属离子的扩散速率相应提高，因此去除率也提高。

虽然温度升高有利于污泥脱水，但成本也大大增加，综合考虑选择处理温度为90℃。

表4 反应温度对污泥中重金属脱除的影响/mg/kg

反应液固比对污泥处理效果的影响可以看作是反应物浓度的变化对脱水率的影响。液固比增加反应物浓度必然降低，反应速率下降从而导致污泥的脱水效率减少。图4为反应液固比对污泥脱水效率的影响，其他实验条件为：硫酸用量4%，柠檬酸用量6%，反应时间60min，反应温度90°C。

图4 反应液固比对污泥脱水效率的影响

从图4可以看出，硫酸处理样和柠檬酸处理样受液固比的影响均较大，污泥脱水率均随着液固比的增加呈现出先增大后减小的趋势。当液固比增大至3mL/g时，硫酸处理样和柠檬酸处理样的污泥脱水率达到最大，分别为71%和59%。继续增大酸用量至6mL/g时，污泥脱水率均降低，这可能与酸用量过多，难以分离有关。故选择液固比为3mL/g。

表5 反应液固比对污泥中重金属脱除的影响/mg/kg

上述实验结果说明，单纯考虑污泥的脱水效果，宜采用高浓度高温的硫酸；单纯考虑污泥中重金属汞与铅脱除，宜采用柠檬酸。综合考虑硫酸脱水及脱除大部分重金属离子的效果和柠檬酸脱除汞、铅离子的效果，拟采用两段工序的方法对污泥进行处理。该工序的具体过程是：第一段工序，采用一定浓度的柠檬酸（6%）对污泥进行预处理，重点脱除污泥中的汞和铅及部分水分；第二段工序，采用浓度稍高的硫酸（3%）进行处理，脱除污泥中的水分和其他重金属离子。实验中，固定其他实验条件为：柠檬酸用量6%，反应时间60min，反应液固比3mL/g，反应温度90°C，主要考察硫酸用量对污泥处理效果的影响。结果如表6所示。

表6 柠檬酸—硫酸两段处理工艺实验指标（柠檬酸用量固定为6%）

从实验结果可以看出，新的工艺对污泥脱水和重金属离子脱除均有比较好的效果，特别是与单纯用硫酸处理污泥工艺相比，相同的指标下，硫酸的用量可以大大减少。

3 结论

1）污泥中水分的脱除对重金属的脱除有一定影响。污泥中的水分与重金属离子的脱除均不是单独的过程，两者之间既有协同作用，也有一定的抗结作用，需要进一步的实验去验证。

2）柠檬酸和硫酸对污泥中水分和重金属离子的脱除各有侧重，柠檬酸脱除汞与铅的效果比硫酸好，而硫酸脱除水分和其他重金属离子的效果要比柠檬酸强，这可能是由它们的物化性质决定。

3）综合柠檬酸和硫酸在脱除污泥中水分和重金属的各自特点而设计的两段工序处理法，各项指标都达到了令人较为满意的效果。

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（责任编校：马余平）

(Yueyang EnvironmentalMonitoring Center,Yueyang,Hunan 414000)

A New Technology for Treatm ent of Heavy M etals in Sewage Sludge from M unicipalW asteW ater Treatment Plants

HU Bin YU Fang-qin

The presented paper dealt with the dispose of sludge.The efficiencies of removing water and heavy metals from the sludge by sulfuric acid or citric acid under different conditions were investigated.The results showed that sulfuric acid wasmore capable of extracting water and most of the heavymetals,while Hg ions and Pb ions weremuch more easily removed by citric acid.Based on the results obtained above,a novel method of disposing the sludge was proposed,in which it would be reacted with citric acid firstly,followed by the treatmentby sulfuric acid，and a satisfying resultwas reached.

sludge;removal ofwater content from sludge;heavymetals of sludge;a new technology

X 703.1

A

1672-738X（2014）05-0090-04

2014-07-03

胡彬(1976—)，男，湖南岳阳人，工程师。主要研究方向：环境监测和环境保护竣工验收工作。