专利名称：一种采用电动修复技术去除城市污泥中的重金属的方法
技术领域：
本发明属于环境保护技术领域，涉及城市污水处理厂剩余污泥重金属的去 除方法及其增强技术。
背景技术：
城市污泥是指城市生活污水、工业废水处理过程中产生的固体废弃物，是 城市污水处理厂的经常性产物。近年来，随着我国城市污水处理率的不断提高， 污泥的产生量也在迅速增加。城市污泥一般含有丰富的可以利用的氮、磷、微 量元素和有机质等，经常被用作肥料和土壤改良剂。然而，污泥中重金属含量 一般比较高，在土地利用过程中容易对土壤、地下水和动植物造成二次污染， 具有潜在生态风险重金属含量问题是制约目前城市污泥土地利用得最大障碍。 因此，如何去除或降低城市污泥中重金属含量己成为城市污泥处置和资源化必 须解决的问题，也是全球共同关注的课题。目前，对城市污泥中重金属的去除 技术主要包括化学提取技术和生物淋滤技术等。但是由于城市污泥具有容重大、 孔隙度低和渗透速率小的特点， 一些传统的方法很难实现对污泥重金属的有效 去除。电动修复(Electrokinetic remediation)作为一门新兴的绿色环境修复技 术，具有去除效率高、处理时间短、并能同时去除几种重金属等特点，特别是， 该技术一般不受处理介质的物理特性的影响，对于容重大、孔隙度低和渗透率 低的污染介质仍具有较高的修复效果。电动修复技术基本原理通过在污染介质 上施加直流电压形成电场梯度，以驱使介质中带电荷的污染物向反向电极进行 定向移动、聚集，并经过进一步的溶液收集和处理从而实现污染介质样品的减 污或清洁的目的。目前电动技术主要应用于重金属污染土壤修复，而关于污泥 重金属电动去除研究还刚刚起步，但结合城市污泥本身特点，利用电动修复技 术去除城市污泥中重金属将具有非常明显的优势。但是，由于该技术本身的复杂性，特别是缺乏必要的增强技术，根据目前 的研究结果显示，该项技术对污泥重金属的去除效果并不显著。因此，目前迫 切需要针对城市污泥的自身特点，并通过增强修复技术，研发一种操作简便， 处理周期短，处理效果好的新型城市污泥电动修复方法。发明内容本发明的目的在于提供一种城市污水处理厂污泥重金属的电动去除方法及 其增强技术，该方法操作简便，处理周期短，处理效果好，处理后的污泥主要 重金属含量达到污泥农用的国家标准。为达到上述目的，本发明的解决方案是利用自己构建的电动修复装置。首先将待处理的污泥进行预处理，包括水 分含量调节、酸度调节以及添加一些络合剂等，然后装进污泥床，采用直流电 源在电极两端施加电压，污泥中重金属离子在电场的作用下，通过电迁移、电 渗流和电泳等方式，向负极迁移、聚集并进入处理池，进而达到将污泥中重金 属进行去除的目的。进一步，具体步骤为第1步自建电动修复简易装置，其中主要构件包括污泥床、石墨电极(阴、 阳2个)；直流电源；阴、阳极电解池和处理池等，为了污泥颗粒进入电解池， 同时又能保证污泥中重金属自由进入电解池，在污泥床和电解池之间用烧结玻 璃隔开，烧结玻璃厚度为10 15 mm。装置示意图详见图l。该自建电动修复简易装置与现有电动修复装置，例如用于重金属污染土壤修复的类型，基本相同， 包括一些改进，如在污泥床体中等距离开凿了一定数量的小孔，以便实时监测污泥床体的电压降和pH。第2步污泥的预处理和装床，其中包括①出厂污泥要进行充分混匀，， 必要时并将大粒径的杂质的去除(由于污泥本身不会有大的颗粒杂质，如果有， 主要来自于污泥脱水过程中可能脱落的机械零部件)；②污泥含水量的调节，一 般含水量维持在80 85%左右；③污泥酸化，为了活化污泥中重金属活性，提高 修复效率，需要对处理污泥进行适当酸化处理，从理论上说，污泥pH越低，其 重金属电动去除效果越好，但为了考虑成本以及后期处理， 一般pH值控制在4 左右即可；将经预处理的污泥装进污泥床体，注意填装过程中，最好一次成型， 且松紧要合适，床体不宜有大的空隙， 一般通过肉眼看不到污泥床有明显的气 泡为宜，整个床体从外观上污泥分布均匀。第3步处理技术参数设置，其中电压和电流是电动修复过程中所控制的 主要技术参数。工作电压大小根据处理污泥的量而定，尽管较高的电流强度可 以加快污染物的迁移速率，但也会增加电力消耗。同时，会迅速提高介质的温 度，影响修复效率。 一般床体电压梯度控制1.2 1.3V/cm为宜，具体实际应用 中，可以根据处理介质及其目标污染物的特性、处理规模与处理时间以及修复 目标等综合因素来确定处理装置的电压和电流大小。另外，处理时间也可根据 实际情况而定， 一般7 15天为l处理周期。第4步pH调节，为了防止在处理过程中床体和阴极电解池pH过高影响修 复效果，在运行过程中，利用O. 1 0.5 mol/L乙酸作为缓冲液，来调节阴极电解池的酸碱度，保持电解液的pH值在6 8左右。实际应用中也可以用其他缓 冲剂，如O. 02 0. 05 mol/L的HC1、 HN03和草酸等替代。另外，为了提高污泥重金属修复效果，本发明中除了在阴极区利用酸性增 强修复技术外，还采用了一些增强修复技术，其中包括在处理过程中，在阴极 电解池中添加聚环氧琥珀酸(PESA)作为络合剂，该络合剂会通过配位反应和污 泥中重金属形成可溶态的配合物，提高重金属的电迁移能力。另外，也可以在 污泥预处理过程中加入PESA溶液，充分搅拌、混匀，可以达到同样效果。PESA 用量根据处理污泥中重金属总量来确定，根据本次实验，使PESA与污泥中重金 属总量的摩尔比为2 5:1为宜(PESA平均分子量按1500计算)。最后，通过蠕动泵，将电解池中的重金属转移到处理池中，通过及时更换 处理液，并从溶液中分离出来，最终达到将污泥中重金属去除的目的。具体的一种方式将经预处理的污水厂污泥(含水量80 85%; pH4左右)填 装到自制的电动修复装置的污泥床内，在床体沿程电压梯度1.2 1.3V/cm条件 下进行电动处理，处理过程中，利用O. 1 mol/L乙酸作为缓冲液，保持电解液 的pH值在6 8左右；同时，使用聚环氧琥珀酸(PESA)作为络合剂增强重金属的 电迁移能力，其中PESA与污泥中重金属总量的摩尔比为2 5:1。由于采用了上述技术方案，本发明具有以下优点-1、 本发明所采用的电动修复方法，克服了传统的方法由于污泥容重大、空 隙度低、渗透率小等所导致的对重金属去除效果差、处理周期长等缺点。也为 未来我国不断增加的城市污泥处理、处置和资源化利用提供了新的途径和方法。2、 本发明中，采用了一些电动增强修复技术，如电解池酸碱度调节、添加 络合剂以及污泥预处理等，大大增强了修复效果，处理后的污泥重金属含量基 本上都可以满足农用标准。3、 在增强技术中，首次采用聚环氧琥珀酸(PESA)作为络合剂，是由于相对 于传统的络合剂(如EDTA)，该络合剂不含氮、磷，重金属回收后的处理液不会 引起水体富营养化，是一种环境友好的水溶性聚合物，并具有敖合多价重金属 的性能合良好的可生物降解性。3、本发明中所自建的修复装置和去除工艺简单，容易操作，也便于维护， 同时，根据目前的初步计算，其处理成本也不高。另外，本发明中所采用的电动修复方法及其装置相对比较独立，便于今后 可以和其他方法，如化学萃取和微生物淋滤等传统方法联用和集成。
图1是本发明实施例采用的电动修复装置示意图。
具体实施方式
下面结合实例作进一步详细说明 实施例1实验中所采用的污泥取自上海曲阳污水处理厂，污水性质为生活污水。污泥的基本特性pH 6.52; Cu 212 mg. kg-1;Zn 1487 mg. kg_1;Cr 25.7 mg.kg、Pb 78.2 mg.kg—、Ni 24.8 mg.kg—、Cd 16.8 mg. kg—1 (以上均以干物质计)。所采用的 电动修复装置在参考中国科学院南京土壤所设计的土壤电动修复装置基础上进 行了改造和优化(图l)，床体是由有机玻璃管制成，内经为20cm，床体长度为 50 cm，整个污泥床可填装大约4 kg污泥。污泥床体上方等距离开凿15和小孔， 便于测定床体不同沿程的电压降。电极采用普通石墨材料，直径为8 mm，通过 一台直流稳压器(UP-6003D型，韩国UNICORN)施加电压，电流用安培表测定 (C41-A型，上海精密)。电解池与处理池以及缓冲液池通过可调节流量的蠕动 (BT-300T/1515，保定兰格)泵连接。供试污泥在处理前进行了预处理，含水率为84. 7%，污泥经0.01NHN03酸化 后，pH=3.5。将经预处理的污泥装进污泥床，开始进行电动处理，通过调节电 压，使得床体实际电压梯度维持在1.23V/cm左右。在运行过程中，实时监测电 解池和处理池的pH值变化，通过O. lmol/L乙酸缓冲液对阴极电解池和处理池 酸碱度进行调节，以维持一个相对稳定的pH值，本次实验装置阴极电解池pH 值一般控制在5 6左右。经过15d的运行时间后，将污泥床污泥取出，并沿沿程均匀分取10份，混 合、风干和研磨。通过微波消解一ICP法测定Cu、 Zn、 Cr、 Pb、 Ni、 Cd等6种 重金属含量。经过测定和数据分析结果表明，经过电动处理后，原污泥中Cu、 Zn、 Cr、 Pb、 Ni、 Cd的去除率分别为38.7%、 55.4%、 41.7%、 59.3%、 47.8和 43. 7%。实施例2实验中所供试的污水厂污泥以及电动修复装置如实施例1。供试污泥在处理前进行了预处理，含水率为82.3%，污泥经0.01NHN03酸化 后，pH=4. 1。同时，在预处理过程中，还添加了PESA溶液(PESA与污泥中重金 属总量的摩尔比为4:1)，并通过搅拌和污泥充分混合。将经预处理的污泥装进 污泥床，开始进行电动处理，通过调节电压，使得床体维持在1.2V/cm左右， 实际电压梯度在1.21 1.24V/cm之间波动。与实施例1 一样，在运行过程中， 通过0. 1 mol/L乙酸缓冲液对阴极电解池和处理池酸碱度进行调节，以维持阴 极电解池pH值控制在5 6左右。经过15d的运行时间后，将污泥床污泥取出进行Cu、 Zn、 Cr、 Pb、 Ni、 Cd 等6种重金属含量分析，经过测定和数据分析结果显示，经过电动处理后，原污泥中Cu、 Zn、 Cr、 Pb、 Ni、 Cd的去除率分别为41. 2%、 68.3%、 62.6%、 71.5%、 65.8和58.7%，表明在污泥预处理过程中加入聚环氧琥珀酸(PESA)作为络合剂 后，除了Cu去除率增加不明显外，其他所考察的几种重金属去除率都有明显的 提高。表明该增强技术对于改善电动技术的修复效果是有效的。实施例3为了进一步验证电动修复技术对污泥重金属的去除效果，本发明还以重金 属含量较高的工业污水处理厂污泥作为处理对象。所供试的工业污泥取自上海 市桃浦工业污水处理厂，污泥的基本特性pH8.07; Cu 4258 mg.kg-';Zn 13879 mg. kg—、Cr 420 mg. kg_1;Pb 68.3 mg. kg:Ni 621 mg. kg_1;Cd 578 mg. kg—、以上 均以干物质计)。实验中所采用的电动修复装置如实施例l。供试污泥在处理前进行了预处理，含水率为84.7%，污泥经0.01NHN03酸化 后，pH=3.9。同时，在预处理过程中，还添加了PESA溶液(PESA与污泥中重金 属总量的摩尔比为5:1)，并通过搅拌和污泥充分混合。将经预处理的污泥装进 污泥床，开始进行电动处理，通过调节电压，使得床体维持在1.2V/cm左右， 实际电压梯度在1.23 1.28V/cm之间波动。与实施例1 一样，在运行过程中， 通过0. 1 mol/L乙酸缓冲液对阴极电解池和处理池酸碱度进行调节，以维持阴 极电解池pH值控制在5 6左右。经过15d的运行时间后，将污泥床污泥取出进行Cu、 Zn、 Cr、 Pb、 Ni、 Cd 等6种重金属含量分析，经过测定和数据分析结果显示，经过电动处理后，原 污泥中Cu、 Zn、 Cr、 Pb、 M、 Cd的去除率分别为46. 2%、 62. 4%、 79. 1%、 73. 8%、 62.3和68.5%,表明本发明的方法及其增强技术对工业污水厂污泥重金属也具 有较好的去除效果。本发明实现了以下目标针对城市污泥的自身特点，并通过增强修复技术， 提供了一种操作简便，处理周期短，处理效果好的新型城市污泥电动修复方法。上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用 本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改， 并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此， 本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明 做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种去除城市污泥中的重金属的方法，其特征在于包括以下步骤第1步建立电动修复简易装置；第2步对污泥进行预处理，其中包括污泥含水量的调节和污泥酸化；第3步设置处理技术参数，包括施加电压和处理时间等；第4步对阴极电解池pH进行实时调节。
2. 如权利要求l所述的方法，其特征在于还包括 添加环境友好型络合剂增强去除效率。
3. 如权利要求l所述的方法，其特征在于电动修复装置床体为圆柱状有 机玻璃，其直径与床体长度比为l: 2.0 3.0;石墨电极直径为5 8 mm。
4. 如权利要求1所述的方法，其特征在于电解池之间通过烧结玻璃隔开，烧结玻璃厚度为10 15 rmn。
5. 如权利要求l所述的方法，其特征在于污泥经预处理后含水量应控制在80 85%;污泥在床体分布均匀，无大的空隙。
6. 如权利要求l所述的方法，其特征在于污泥处理前采用0.01 0.03N 丽03进行酸化，pH值控制在3. 5 4. 5。
7. 如权利要求l所述的方法，其特征在于运行过程中床体沿程电压梯度 应维持在1.2 1.3V/cm。
8. 如权利要求l所述的方法，其特征在于是利用缓冲液对阴极电解池pH 值进行实时调节，保持电解液的pH值在6 8。
9. 如权利要求2所述的方法，其特征在于使用聚环氧琥珀酸(PESA)作 为络合剂，PESA与污泥中重金属总量的摩尔比为2 5:1。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于该缓冲液包括0. lmol/L乙 酸、0.02 0.05 mol/L的HC1、 HN0s和草酸。
全文摘要
本发明属于环境保护技术领域，涉及一种电动去除城市污水处理厂污泥中重金属的方法。该方法利用最近新兴的绿色技术——电动修复技术(ERT)，通过自建的电动修复装置，将经预处理的污水厂污泥填装污泥床内，在床体沿程电压梯度1.2～1.3V/cm条件下进行电动处理，处理过程中，保持电解液的pH值在6～8左右；同时，使用聚环氧琥珀酸(PESA)作为络合剂增强重金属的电迁移能力；增强电动过程对重金属的去除率平均在60％以上，处理后的污泥Cu、Zn、Cr、Pb、Ni、Cd含量完全基本符合污泥农用国家限制标准(GB4284-84)。该方法具有操作简便，处理周期短，处理效果好，处理成本低等特点。本发明在未来我国城市污泥，特别是工业污泥无害化和资源化将发挥重要作用。
文档编号C02F11/00GK101265007SQ20081003594
公开日2008年9月17日 申请日期2008年4月11日 优先权日2008年4月11日
发明者李建华, 杨长明 申请人:同济大学