污泥中重金屬離子的電動力學去除技術
近年來,我國對城市污染治理力度不斷加大,有效減緩了廢水污染對水環境造成的壓力, 但廢水處理過程中產生的大量富含氮、磷、有機物、重金屬等的剩余污泥,因處理與處置不當, 帶來二次污染,造成資源浪費。剩余污泥中所含的重金屬是限制污泥利用的主要障礙。電動力學去除技術是近年新興的一種重金屬離子去除方法, 該方法彌補了生物修復和化學修復等方法的不足。
本文概述了國內外電動力學去除技術的研究現狀以及影響電動力學去除技術的主要因素, 闡明了利用電動力學去除技術去除剩余污泥中的重金屬離子的可行性,并指出了今后電動力學去除技術的重點研究方向。
1 電動力學去除技術的原理
在20 世紀90年代, Acar等和A lshaw abkeh等先后總結了電動力學去除技術的基本原理, 并建立起重金屬離子在電場作用下的遷移初步模型。在污泥中插入電極, 施加直流電源后形成電場, 污泥中的重金屬離子在直流電場作用下定向遷移, 富集在電極區域。可通過電鍍、抽出等方法將其去除。電動力學去除過程中重金屬離子的遷移機理有電滲流、電遷移和電泳等形式。
2 電動力學去除技術的主要影響因素
2. 1 重金屬離子的形態分布對電動力學去除技術的影響
剩余污泥中的重金屬離子是以可交換離子態、碳酸鹽結合態、鐵錳氧化物結合態、硫化物及有機結合態和殘渣態等5種形態存在, 其中以可交換離子態、碳酸鹽結合態存在的重金屬離子較易被電動力學去除技術除去, 而以有機結合態和殘渣態存在的重金屬離子較難去除, 袁華山等和Kim等的研究也證明了這一點。但在較長的電解時間(5～7d) 、較低的pH(2～6)條件下, 污泥中穩定態的重金屬離子也能被去除。
2. 2 水解引起的pH變化對電動力學去除技術的影響
電動力學過程中主要的電極反應見式(1)和式(2)。
陽極反應 2H2O - 4e- O2 + 4H + Eo = - 1. 229 V (1)
陰極反應 2H2O + 2e- 2H ++2OH - Eo = - 0. 828 V (2)
陰極產生的OH-形成堿區, 陽極產生的H+ 形成酸區,在兩極之間就形成了pH突變區, 使得離子導電性能急劇下降,必然嚴重影響重金屬離子的去除效率。外加酸堿進行酸度調節可改善水電解帶來的影響。另外在陰極與污泥之間放置陽離子選擇性透過膜,僅允許陽離子及少數陰離子通過,可把陰極電解產生的大部分OH-限制在膜靠近陰極的區域,而陽離子則可以穿過膜, 從而提高重金屬離子的去除率。
2. 3 電極極化對電動力學去除技術的影響
電極極化現象會導致電流強度降低,從而降低污泥中重金屬離子的去除率。產生電極極化的原因可能有:(1)活化極化,在電動力學去除技術中產生的氣體(H2和O2)覆蓋在電極表面, 這些氣體是良好的絕緣體,使電導性下降,電流降低；(2)電阻極化,在電動力學去除技術去除重金屬離子的過程中, 陰極表面形成一層白色的膜,從而降低電流強度;(3)濃差極化,陰極產生的OH-和陽極產生的H+各自向電性相反的電極遷移,如果產生的酸堿未及時中和,則會使電流強度降低。Acar等在陰極加入鹽酸等酸性溶液, 陽極加入氫氧化鈣等堿性溶液,調節pH約為2～6,可使重金屬離子的去除率提高。
2. 4 外加化學試劑對電動力學去除技術的影響
2. 4. 1 外加酸
控制介質pH是電動力學去除技術的關鍵。實驗表明,調節陽極pH可促進陽極附近污染物質的溶解和遷移。在酸性條件下,重金屬離子由穩定態向不穩定態轉化,在電動力學的作用下可使重金屬離子的去除率提高。同時微生物細胞結構遭到破壞,也有利于提高重金屬離子的去除率。
外加酸可用無機酸也可用有機酸。有機酸是可生物降解、環境友好的化學試劑, 能促使污染物溶解于水相中,有利于污染物的去除。但有機酸的過度使用也會導致污泥陰離子增多而降低Zeta電位,直接影響電滲流的大小甚至電滲流方向。
2. 4. 2 外加螯合劑
向污泥中加入螯合劑能螯合重金屬離子,使重金屬離子由有機態、殘渣態遷移至液相, 從而提高重金屬離子去除率。Popov等的實驗結果表明,以螯合劑乙二胺四乙酸和羥基乙叉二膦酸作為強化劑進行電動力學去除技術修復對照實驗,電滲流強度分別達到5.2mL/h和5.6mL/h,為對照值(1.8 mL/h)的3倍左右。
2. 5 電壓、電流對電動力學去除技術的影響
電壓是電動力學的推動力。理論上電壓越高,過程的推動力越大, 越有利于重金屬離子的去除,但電壓過高, 會出現電極極化現象,反而使重金屬離子的去除效率下降。電流密度越高,產生的酸越多,越有利于提高污染物的去除速率,但能耗與電流密度的平方成正比, 因此電流密度越高, 能耗越大。袁華山等和周碧青等的實驗結果表明,電壓梯度為0.5～5.0V/cm、電流密度為10～100mA/cm2 時,重金屬離子的去除率最高。
3 電動力學技術去除污泥中重金屬的可行性分析
電動力學去除技術是在電場作用下使可遷移的重金屬離子從陽極向陰極遷移, 并在陰極室富集,以達到去除目的。剩余污泥中重金屬離子的存在形態對重金屬離子的遷移有很大影響, 溶解態和可交換離子態的重金屬離子遷移性好、在電場作用下去除率高,而有機結合態和殘渣態的重金屬離子去除率較低,在外加酸、堿、螯合劑等化學試劑作用下可以轉化為可交換離子態而被除去,污泥中重金屬離子總去除率可達34%～95%,經過電動力學去除技術處理的污泥中重金屬離子含量均低于GB4284—1984《農用污泥中污染物控制標準》中規定的限值。
4 結語
電動力學去除技術能夠徹底修復被重金屬污染的污泥。開展剩余污泥的電動力學去除技術研究,不僅可以消除可能產生的二次污染,還可以合理利用富含營養的剩余污泥,使資源得到充分利用,對社會、經濟和生態環境都具有重要的現實意義。
電動力學去除技術雖然經過大量的研究取得了一定的進展,對其規律有了一定的認識,但使其真正走向實際應用,還有許多問題亟待解決：(1)如何有效縮短修復時間、降低能耗、延長電極的使用壽命;(2)如何更有效地解決電極極化問題,提高電動力學去除效率;(3)如何有效回收從污泥中遷移或沉積的重金屬,并加以利用。
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