【氣浮機】如何去除污泥中的重金屬

隨著(zhù)世界經(jīng)濟的迅速發(fā)展和人口的快速增長(cháng)，城市中生活污水和工業(yè)廢水對環(huán)境的污染問(wèn)題日趨嚴重.污水和污泥是污水處理廠(chǎng)對污水處理過(guò)程中的必然產(chǎn)物，其有效處理已成為城市污水處理廠(chǎng)正常運行的保證.由于污泥中含有豐富的、具有可利用價(jià)值的有機質(zhì)、氮、磷、鉀等營(yíng)養物質(zhì)，因此，污泥農用成為污泥資源化利用的最有效途徑之一.然而，農用污泥中也含有大量的重金屬，而這些重金屬元素是一類(lèi)難于控制的污染物，具有毒性大、潛伏期長(cháng)和能沿食物鏈富集等特點(diǎn)，因此，污泥農用存在很大的風(fēng)險.去除污泥中重金屬的方法很多，目前廣泛使用的是微生物方法和植物修復方法.其中，微生物方法和植物修復方法都存在一定的問(wèn)題，如處理效果不太穩定、生物淋濾周期較長(cháng)等.因此，研發(fā)高效、環(huán)保、運行成本低的新型污泥處理技術(shù)迫在眉睫.

電化學(xué)處理是利用電化學(xué)的方法將難降解有機物或生物毒性污染物降解，已被廣泛用于廢水處理中，而且在降解污泥中的有機物和重金屬元素方面也得到了廣泛的關(guān)注.電化學(xué)技術(shù)是指在外加電場(chǎng)的作用下，在特定的反應器內，通過(guò)一定的化學(xué)反應、物理過(guò)程或電化學(xué)過(guò)程，產(chǎn)生大量的自由基，利用自由基的強氧化性對污染物進(jìn)行降解的一種技術(shù).與其他方法相比，電化學(xué)方法具有無(wú)污染或少污染、易于控制、高度靈活性和經(jīng)濟性等特點(diǎn).因此，本文以PbO2/Ti電極板為陽(yáng)極、銅板為陰極，研究不同電壓、電解時(shí)間與污泥中重金屬的去除效果之間的關(guān)系，以期為城市污泥農用、污泥無(wú)害化和資源化利用提供科學(xué)依據.

1、材料與方法

1.1 樣品的采集與處理

污泥樣品為取自烏魯木齊河東污水處理廠(chǎng)5月份的污泥，污泥濃度約為15 g ˙ L-1.樣品經(jīng)過(guò)風(fēng)干后，用研缽研磨，過(guò) 100 目尼龍篩，裝于塑料瓶中，置于4 ℃冰箱中保存，備用.

1.2 實(shí)驗裝置

電化學(xué)處理裝置是由有機玻璃制作的一種反應器.極板之間的距離為10 cm，極板的面積為100 cm2，陽(yáng)極區和陰極區底面積均為105 cm2，高為15 cm，中間區寬為6 cm，具有穩定的直流電源，PbO2/Ti電極板為陽(yáng)極，銅板為陰極，攪拌設備為JB-3A型定時(shí)恒溫攪拌器，配大容量離心機(LWJ-2B型).具體實(shí)驗裝置如圖 1所示.

1.3 實(shí)驗方法

用王水+HClO4在電熱板上對污泥進(jìn)行消解，然后用0.1 mol ˙ L-1的鹽酸洗滌、過(guò)濾、定容，并用原子吸收分光光度計測定重金屬的含量，用Tessier連續提取方法分析重金屬的化學(xué)形態(tài).最后將電極板表面經(jīng)過(guò)適當處理后放入電化學(xué)實(shí)驗裝置內，加入濃度為15 g ˙ L-1的污泥，接通電源，調節電壓等，定期在實(shí)驗裝置內取樣進(jìn)行分析.

1.4 分析方法

分析用DHG-9070型萬(wàn)分之一電子天平，pH值采用pHs-3C型pH計測定，污泥中重金屬含量用TAS-990型火焰式原子吸收光譜儀測定.

2、結果與討論

2.1 污泥中重金屬含量分析

污泥中重金屬的5種形態(tài)及對應的組分含量如表 1所示.污泥中重金屬的5種形態(tài)通常包括可交換態(tài)(T1)、碳酸鹽結合態(tài)(T2)、鐵錳氧化態(tài)(T3)、有機結合態(tài)(T4)和殘渣態(tài)(T5)，且這5種形態(tài)在環(huán)境中的遷移性和生物有效性呈遞減趨勢(T1>T2>T3>T4>T5)，其中，T1與T2之和用于污泥中重金屬遷移性評估，而T1、T2、T3之和用于污泥中重金屬生態(tài)有效性評估.若污泥進(jìn)入到土壤環(huán)境中，污泥中有機物也會(huì )隨著(zhù)環(huán)境條件的變化而轉化，同時(shí)，有機物結合的部分重金屬元素也會(huì )被釋放出來(lái).因此，對污泥中的重金屬在環(huán)境中的生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行評估時(shí)還需要考慮T4的含量.T5一般只有在極端的環(huán)境下才會(huì )被釋放出來(lái)，在自然環(huán)境條件下，T5對環(huán)境沒(méi)有污染風(fēng)險.

由表 1可知，烏魯木齊市河東污水處理廠(chǎng)5月份污泥中重金屬Pb、Cd、Cu和Ni的總量分別是45.00、8.00、95.57和158.35 mg &dot; kg-1，此結果已超過(guò)我國 《農用污泥中污染物控制標準》(GB4284—1984)中酸性土壤中對 Cd和Ni含量的限值(pH<6.5 的土壤，Cd≤5 mg &dot; kg-1、Ni≤100mg &dot; kg-1)，而Cd和Ni的前3種形態(tài)占較大的比例，分別是55.00%和46.45%.因此，具有很高的潛在移動(dòng)性和生態(tài)可利用性，極大地威脅著(zhù)土壤環(huán)境的生態(tài)安全.說(shuō)明該污泥不能直接農用在酸性土壤中，應該用一定的方法去除污泥中的重金屬，大幅地降低其含量，才能進(jìn)行農用，實(shí)現污泥資源化.

2.2 不同電壓對污泥中重金屬的去除效果

調節不同的電解電壓，保持其他條件不變，電解10 h污泥，陽(yáng)極區污泥中重金屬處理效果如表 2所示.從表 2可以看出，電解電壓越高污染物去除效果越好.由于隨著(zhù)電壓的增加，增大了污泥中帶電粒子運動(dòng)的推動(dòng)力，有利于金屬陽(yáng)離子在陰極板析出，同時(shí)也直接導致污泥中氧化基團濃度的增加，有利于電催化氧化反應的進(jìn)行.但當電壓升高到35 V時(shí)，隨著(zhù)電壓的繼續升高，各重金屬元素的去除效果不是很明顯，而污泥中重金屬元素的含量也得到了較大的改善，且污泥中重金屬的含量均達到國家酸性土壤農用標準.綜合考慮，最適電壓為35 V，此時(shí)電流為80 mA，而Pb、Cd、Cu、Ni的去除率分別為53.24%、74.38%、63.47%、58.62%.

2.3 電化學(xué)處理污泥對pH的影響

調節電壓為35 V，而電流表的示數為80 mA，每隔一定時(shí)間分別在距陽(yáng)極板0、3.3、6.6、10 cm附近取樣，測定其pH及重金屬離子的濃度.其中，pH值的變化如圖 2所示.

由圖 2可知，電化學(xué)處理污泥的初始階段陽(yáng)極和陰極的pH都呈下降趨勢，而陽(yáng)極pH值下降的幅度大于陰極.當通電1 h時(shí)，陰極板附近的pH達到最低，此時(shí)pH=5.60.造成這種現象的原因可能是在陽(yáng)極板發(fā)生的反應為：H2O→1/2O2+2H++2e-，而陰極板發(fā)生的反應為：M2++2e-→M，在外加電場(chǎng)的作用下，H+從陽(yáng)極向陰極運動(dòng)，從而導致陰極的pH降低.隨著(zhù)處理時(shí)間的延長(cháng)，陽(yáng)極附近的pH逐漸降低，而陰極附近的pH逐漸升高，最終陽(yáng)極和陰極的pH值都逐漸趨向穩定狀態(tài).當通電時(shí)間在6 h后，隨著(zhù)通電時(shí)間的延長(cháng)，距離陽(yáng)極板3.3 cm和6.6 cm附近的pH值都呈小幅上升的趨勢，同時(shí)靠近陰極區附近有凝結成塊狀的現象，這種趨勢對重金屬離子的去除是非常不利的.造成這種現象的原因可能是在陽(yáng)極區發(fā)生的反應為：M(OH)2+2H+→M2++2H2O，而陰極區發(fā)生的反應為：2H++2e-→H2↑，導致OH-含量升高，使陰極區pH值上升;同時(shí)，在外加電場(chǎng)的作用下，陽(yáng)極區的H+向陰極遷移，而陰極區的OH-也向陽(yáng)極區運動(dòng)，從而造成了這種趨勢.經(jīng)過(guò)10 h后，陽(yáng)極區污泥的pH為2.80，而陰極區的污泥pH為11.45.此時(shí)，污泥中重金屬元素的去除效果基本忽略不計.

2.4 電化學(xué)處理后污泥中重金屬形態(tài)

實(shí)驗研究了通過(guò)電化學(xué)處理10 h后，在陽(yáng)極區的污泥重金屬各形態(tài)的含量，結果見(jiàn)表 3.由表 3和表 1可以看出，處理后，污泥中重金屬的各形態(tài)含量均明顯下降，只有Cu和Pb的可交換態(tài)含量略微升高.這可能是由于在電化學(xué)處理污泥的過(guò)程中由其他形態(tài)轉化而來(lái)，污泥中的重金屬都主要以殘渣態(tài)的形式存在且比例很高.而殘渣態(tài)非常穩定，很難釋放出重金屬元素，基本上不存在生態(tài)有效性，是生物難于利用的部分.通常，T1與T2之和用于污泥中重金屬遷移性評估，T1、T2、T3之和用于污泥中重金屬生態(tài)有效性評估.由表 3可知，Pb、Cd、Cu和Ni前3種形態(tài)所占比例分別為33.57%、32.32%、25.06%和31.65%.此時(shí)，重金屬的遷移性和有效性已經(jīng)相對較低，潛在威脅的風(fēng)險也比較低.

2.5 電化學(xué)處理對污泥中重金屬含量的影響

在電解槽內，不同區域的污泥中重金屬離子含量隨通電時(shí)間的變化情況如圖 3所示.由圖 3可以看出，在電解前1 h內，電解槽內基本都呈酸性，這有利于污泥中重金屬化合物的溶解，產(chǎn)生的金屬離子在外加電場(chǎng)的作用下向陰極區遷移，并在陰極區富集，導致陽(yáng)極區和中間區的重金屬離子含量下降，而陰極區附近部分重金屬離子含量上升.在通電2 h后，大部分重金屬離子含量都有所下降，這可能是由于一些重金屬離子在陰極板得到電子還原成單質(zhì)而在陰極板析出造成的.這一結論可以從陰極板上附有大量金屬光澤得以證實(shí).通電4 h后，隨著(zhù)通電時(shí)間的延長(cháng)，陽(yáng)極板附近污泥中重金屬的含量都呈下降趨勢，這主要是由于陽(yáng)極電解水產(chǎn)生了大量的H+和一些具有氧化性的離子，導致部分化學(xué)穩定性較差的金屬化合物發(fā)生溶解，釋放出大量的重金屬離子，這些離子在外加電場(chǎng)的作用下定向向陰極移動(dòng).在通電2~3 h之間，陽(yáng)極區有些重金屬的含量有一定程度的升高，這種現象與陽(yáng)極區重金屬含量應該減少的理論不符，可能原因是污泥中存在一些帶負電的絡(luò )合離子及一些因吸附負電荷而表現出電負性的微生物或顆粒物，這些粒子在外加電場(chǎng)的作用下也會(huì )向陽(yáng)極發(fā)生遷移.通電5 h后，隨著(zhù)通電時(shí)間的延長(cháng)，陰極區各重金屬元素的含量都呈增加的趨勢，這一現象與陰極區pH值的變化有關(guān).此時(shí)，陰極板附近的pH值已經(jīng)超過(guò)了10.0.在外加電場(chǎng)的作用下，遷移過(guò)來(lái)的重金屬元素(金屬化合物溶解所產(chǎn)生的和污泥本身固有的)在陰極板附近形成氫氧化物沉淀，從而導致陰極區污泥中重金屬含量的升高.而此時(shí)在陰極區獲得電子而被還原的游離態(tài)金屬離子較少，使得重金屬元素析出變慢.若用微孔濾膜把不同區域隔開(kāi)，把污泥放在陽(yáng)極區用電化學(xué)處理，可以有效地解決污泥中重金屬元素在遷移過(guò)程中在陰極區附近又重新沉積到污泥中的問(wèn)題，對重金屬的去除效果可能會(huì )有更好的效果.由圖還可知，最適通電時(shí)間為6 h時(shí)，通過(guò)電化學(xué)處理，此時(shí)在陽(yáng)極區污泥中的重金屬含量已大大改善，達到國家農用標準，此時(shí)Cu、Pb、Cd、Ni的去除率分別為57.35%、48.42%、68.63%、49.85%.

而此時(shí)整個(gè)電化學(xué)裝置中Cu、Pb、Cd、Ni的去除率分別為29.42%、28.74%、31.78%、31.39%.

目前，運用電化學(xué)技術(shù)來(lái)處理污泥中重金屬的研究不是很多，對于電化學(xué)技術(shù)去除污泥中重金屬的理論研究還需要進(jìn)一步深入.本次實(shí)驗按電壓為35 V，電流為80 mA，通電時(shí)間為6 h計算，則每處理1 m3的污泥所需費用為5.6元.實(shí)際上只有陽(yáng)極區處理效果較好，而陽(yáng)極區所占的比例為38.9%，因此，每處理陽(yáng)極區中1 m3的污泥所需的費用會(huì )更高.

3 、結論

1)烏魯木齊市河東污水處理廠(chǎng)中的Cd和Ni含量較高，已超過(guò)國家農用標準，同時(shí)，其可交換態(tài)、碳酸鹽結合態(tài)、鐵錳氧化態(tài)之和也較高，具有很高的潛在移動(dòng)性和生態(tài)可利用性，威脅著(zhù)土壤環(huán)境的生態(tài)安全.因此，該污泥不能直接進(jìn)行農用.

2)在電化學(xué)反應器的不同區域內污泥重金屬的去除效果不同，在陽(yáng)極區對重金屬的去除效果比在其他區域內的去除效果要好很多.

3)采用電化學(xué)方法處理污泥，能夠有效低降低污泥中重金屬含量.試驗研究了不同電壓對污泥的處理效果，得出電解污泥最適電壓為35 V，電流為80 mA，反應時(shí)間為6 h，可使陽(yáng)極區中Cu、Pb、Cd、Ni的去除率分別達到57.35%、48.42%、68.63%、49.85%.