动电技术去除污泥重金属的资源化研究

赵卫轻

(天津市华泽建筑设计有限公司 天津300060)

基础研究

动电技术去除污泥重金属的资源化研究

赵卫轻

(天津市华泽建筑设计有限公司 天津300060)

污泥是污水处理过程中的必然产物，污泥中含有氮、磷、钾及有机质等农作物所需营养元素，但是污泥中含有的重金属成为制约资源化应用的首要因素。主要阐述了利用动电技术去除其中的重金属，处理后有机质含量变化不大，不影响污泥资源化利用。不同电压降对重金属的去除率不同，去除效果以1.5,V·cm-1电压降处理较为理想。经过酸化以后的污泥，在电动力作用下可以提高重金属去除率。电渗流受电流影响较大，电渗流与电流变化规律基本相似。

污泥 重金属 动电技术

0 引 言

目前世界各国污泥利用率都不高，主要原因是污泥中重金属含量超标。如何将污泥中重金属Pb、Zn、Cu、Mn等元素的含量降低，成为污泥处置的重中之重。动电技术以其处理时间较短，可以去除多种重金属等优势，被公认为是最有前景的污泥重金属去除技术，受到众多学者的关注。

1 动电技术基本理论

国内外学者对动电修复土壤技术做了大量的研究，Acar[1](1993)和Alshawabkeh[2](1996)等先后总结了动电修复技术的基本原理。动电技术[3]的基本原理是在被污染的土壤两端插入两个电极，形成低压直流场，在低强度直流电的作用下，水溶及吸附在土壤颗粒表面的污染物根据各自所带不同电性电荷，向与之相吸的电极方向运动；阳极附近的酸会打破土壤与污染物之间的结合键，向土壤毛隙孔移动，此时，大量水分子在土壤中以电渗流的方式流动，土壤毛隙孔中的液体被带到阳极附近，溶解在土壤溶液中的污染物被吸收至土壤表层得到去除。其基本原理主要有3种电动力学现象：电迁移、电渗流、电泳。

2 材料与方法

2.1 污泥预处理

污泥样品取自兰州市七里河——安宁污水处理厂新鲜的脱水污泥，属于纯生活污水产物，一般不含有毒物质，重金属含量较低，不超过污泥农用标准。为了模拟动电技术去除城市污泥中重金属的试验，根据大多数城市污泥重金属含量，人工配制含有Cu、Zn两种金属的污泥。经预处理后污泥特性为：pH值为6.12，含水率为53.67%，有机质为438.93,g/kg，Zn为1,373.0,mg/kg，Cu为396.00,mg/kg。

2.2 试验装置

处理污泥的试验装置如图1所示，污泥室及电极室尺寸(长×宽×高)分别为0.4,m×0.2,m×0.2,m及0.1,m×0.2,m×0.2,m。按污泥与阳极距离8,cm、16,cm、24,cm、32,cm、40,cm将污泥室等分成5个截面，依次进行编号。电极采用石墨惰性电极，试验装置利用有机玻璃，便于观察内部运行情况。

图1 污泥动电处理试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental reactor for electrokinetic treatment of sewage sludge

2.3 试验方案

污泥经过预处理后置于污泥室中并压实。阳极液采用去离子水，阴极缓冲溶液为0.2,mol/L磷酸氢二纳-柠檬酸缓冲液和0.2,mol/L磷酸盐缓冲溶液。向阴极液中添加柠檬酸络合剂，控制其pH值在6(±0.5)。将直流电源施加在两端，试验共设置4个不同电压降，分别为0.5,V·cm-1、1.0,V·cm-1、1.5,V·cm-1、2.0,V·cm-1，选择较为理想的电压降，反应时间120,h。反应期间，每24,h测定电流和电渗流。试验编号及方案见表1。以24,h阳极液的体积变化计算电渗流，测定每次体积变化之后，向阳极液中补充去离子水至同一液位，确保数据可比性，同时保证两极室之间的压强平衡。

控制阴极液pH值的方法：将阴极液存储池中的缓冲溶液利用恒流泵向阴极池中缓慢滴加，阴极液每12,h更换1次，确保pH值稳定在设定值的±0.5范围之内。

表1 试验方案Tab.1 Experimental program

2.4 分析方法

电渗流：以阳极液24,h体积变化计算电渗流，测定完每次体积变化后，向阳极液中补充至同一液位的去离子水，确保数据可比性，同时保证两极室之间的压强平衡。

电流和电压分别利用万用表测定；利用电感耦合等离子发射光谱法进行多种重金属测定。为确保数据准确，以3个平行样的平均值作为试验结果。

3 试验结果与分析

3.1 有机质含量变化

图2 不同电压降处理后污泥截面有机值含量变化Fig.2Organic content changes in sludge section under various voltage drop treatments

从图2可以看出，污泥经过动电处理后有机质含量并不会发生明显改变，这就保证了污泥经过动电处理后仍具有资源化利用的价值。

3.2 电流的变化

图3 不同电压降处理后污泥电流的变化Fig.3Electric current changes under various voltage drop treatments

图3表明，污泥在动电处理过程中，初始阶段电流均呈现上升趋势，作用1,d后，电流出现下降趋势。施加0.5,V·cm-1电压降后，随着时间变化，电流值并没有出现明显变化，说明低电压处理对电流影响不大。这主要是因为施加较高电压降，通电初期在电场作用下污泥体内离子被活化，导致其离子浓度升高，电流在初期呈现上升趋势，随着时间延长，电解反应使阴极附近处于弱碱性环境，污泥中大部分重金属离子向阴极室迁移发生沉淀反应，同时电极表面发生钝化现象降低导电性能，导致电流逐渐降低。从图中观察可知，电压降越大产生的上述反应越强烈。

3.3 电渗流的变化

图4 不同电压降处理后污泥电渗流变化Fig.4 Electroosmotic flow changes under various voltage drop treatments

如图4所示，电渗流与电流的变化趋势基本相似，刚开始污泥呈现弱碱性，污泥颗粒的Zeta电位表现为很高的负值，电流比较大，所以电渗流也比较大；随着试验逐步开展，由于H＋淌度比较大，污泥受氢离子影响，导致pH值逐渐下降，压缩Zeta电位，同时在试验过程中污泥内金属离子浓度逐渐减小，导致Zeta电位值逐渐下降，电渗流降低。同时观察得出电压降与电渗流呈正相关关系。电渗流的大小除取决于Zeta电位外，还和污泥的电压梯度有关系，说明电渗流大小和电压降有关系，符合电渗流公式。

3.4 污泥截面重金属含量的变化

3.4.1 Zn去除效果

从图5可见，不能明确看出在哪个电压降下Zn的处理效果更好，但总的来看还是高电压降更有利于Zn的去除，可能是由于在污泥中Zn主要是以离子态存在，容易去除。经过动电处理后，污泥各个截面Zn含量明显低于处理之前；并且污泥每个截面去除率不同，越靠近阳极位置，污泥截面Zn含量的去除率越明显，形成这种现象的主要原因是因为污泥各截面的pH值不同。

图5 不同电压降处理后Zn去除效果Fig.5Removal effect of Zn under various voltage drop treatments

3.4.2 Cu去除效果

图6 不同电压降处理后Cu去除效果Fig.6Removal effect of Cu under various voltage drop treatments

从图6可以看出，经过处理后每个截面Cu含量均低于处理之前，但是比较各个截面来说，每个截面Cu含量变化不明显，说明Cu去除率增加的幅度与污泥截面酸化程度关系不太明显，主要是因为Cu在污泥中主要以有机结合态及硫化物的形式存在，呈现相对较好的稳定性，受酸的影响程度较弱。从图中还可以看出，污泥截面Cu含量的去除效果与电压降呈现正相关的趋势，但是相对于1.5,V·cm-1与2.0,V·cm-1处理效果来看，差别不是很明显，考虑到能耗的关系，在处理重金属Cu时可以采用1.5,V·cm-1的电压降。

4 结 论

①污泥经过动电处理以后，其中的有机质含量变化并不明显。

②不同截面重金属去除率不同，随着与阳极距离的增加，去除率逐渐降低。不同电压降对重金属的去除率不同，以1.5,V·cm-1电压降处理得较为理想。同时，经过酸化的污泥在电动力作用下可以提高重金属去除率。

③电动修复过程中，电流在开始时比较小，一天之后迅速升到最高值，在以后的处理时间内逐渐出现下降趋势。

④电渗流在动电修复过程中，受电流的影响比较大，同电流的变化规律基本相同。

［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］ 周启星，宋芳玉. 污染土壤修复原理与方法[M]. 北京：科学出版社，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