CN105884157A - 一种利用电解法去除和回收污泥中重金属的方法 - Google Patents

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裴冬冬
萧晨霞
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Abstract

本发明公开了一种利用电化学方法去除和回收污泥中重金属的方法。本发明首先调节污泥含水率至90％，进行搅拌；再选择性添加化学药剂，搅拌预处理；然后，组装电解装置，搅拌电解；最后回收重金属。本发明将污泥直接放在阳极区，利用阳极电解水产生的H+来直接酸化污泥，而不用额外添加酸，减少了二次污染，提高了重金属的去除率。此外，污泥直接放在阳极区，电极能与污泥充分接触，充分利用电流效率，电解效率高。同时也很好地利用了阴阳极电化学反应的作用，增加了污泥与电解液之间的膜交换面积，减少了离子迁移距离，重金属去除率高，电能利用率高，改善了重金属回收的问题，可以达到降低污染和资源回收的双重目的，兼具环境价值及经济效益。

Description

一种利用电解法去除和回收污泥中重金属的方法
技术领域
本发明属于固体废弃物资源化利用领域，具体涉及一种利用电解法去除和回收污泥中重金属的方法。
背景技术
资料表明，我国城市污水处理厂产生的污泥中Zn含量可达783.4-3096.3mg/kg(干重)，Cu可达131.2-394.5mg/kg(干重)，此外还含有其它一些重金属，如Cd、Cr、Hg、Ni、Pb等，这些重金属的存在不仅严重影响污泥的后续安全处置，也造成了金属资源的极大浪费。以Zn为例，按2010年城镇污泥产量3000万吨(80％含水率)，Zn含量按1500mg/kg(干重)计，则其中的Zn含量就达9000吨，按上海期货交易所Zn近期报价15000元/吨计，经济价值达1.35亿元。根据中国污泥处理处置市场分析报告(2013版)分析，到2015年，全年城镇污水处理厂湿污泥(含水率80％)产生量将为3359万吨，即日产污泥9.2万吨。由此可以看出，如果不对该部分重金属加以处理或回收利用，不仅严重影响着污泥农用堆肥、焚烧、填埋等后续处置方法的应用，还会造成极大的资源浪费和经济损失。
目前，对污泥中重金属的处置还停留在“无害化”阶段，主要采用化学法、生物沥滤浸出及电化学法等实现污泥中重金属的去除。化学法主要通过添加药剂，改变污泥酸碱性对金属进行溶出，然后与重金属发生沉淀、络合等化学反应实现重金属的沉淀分离，但是成本高，工艺繁琐，所得沉淀分离困难，且较易产生二次污染。生物沥滤是在酸性条件下将污泥中的重金属转移到液相中，然后固液分离得到清洁的污泥，是目前效果较好的处理方式，但是耗时很长，一般需要8-10天，且工艺条件要求严格，重金属的存在也会对沥滤微生物产生毒害作用。电化学法最早用于土壤修复，通过外加电压使可溶性金属离子迁移富集，然后通过电沉积或离子交换等手段得到去除。由于电化学方法操作简单，运行稳定，不容易造成二次污染等诸多优势而备受关注，但传统的电化学处理装置要么将废弃物放置于阴阳级之间，在阴极室与阳极室内均加入电解液，无法充分利用电流效率；要么将废弃物放置于阳极，但电极与污泥接触不充分，导致电解效率低下。因此改进电化学处理方法是电化学法去除并回收废弃物中重金属的关键。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种利用电化学方法去除和回收污泥中重金属的新方法。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案步骤如下：
步骤一.调节污泥含水率至90％，搅拌；
取适量城市污水处理厂脱水污泥置于容器中，按计算比例加入超纯水，将污泥含水率调节至90％，并用增力电动搅拌机以250r/min转速搅拌10min，使污泥和水均匀混合；
步骤二.选择性添加螯合剂或络合剂，搅拌预处理；
在步骤一处理后的污泥中选择性添加化学药剂螯合剂氨水或络合剂乙二胺，其中分析纯氨水体积添加比V氨水/V污泥为0.12，分析纯乙二胺的体积添加比V乙二胺/V污泥为0.06。并用增力电动搅拌机以100r/min转速缓慢搅拌24h，进行预处理。添加药剂的目的是利用络合或螯合作用提升污泥中重金属的去除回收效率，也可不添加任何药剂，直接进入第三步；
步骤三.组装电解装置；
用电渗析阳离子膜将阴、阳极区域隔开，将步骤二中预处理后的污泥倒入电解装置的阳极区，阴极区为0.05mol/L的Nacl溶液。将搅拌器和阳极板安装在阳极区中心位置，接好电源；Nacl溶液与脱水污泥的体积比为1:2；
步骤四.搅拌电解；
按步骤三安装好电解装置后，用增力电动搅拌机以200r/min转速搅拌，打开电源开关，控制电流密度为15mA/Cm2，持续搅拌电解120h。在电解和搅拌的作用下，阳极区电解水产生H+来酸化污泥，使污泥内的不可溶重金属缓慢溶出，在有螯合或络合剂的情况下发生螯合或络合作用，溶解出的重金属离子在外加电流的作用下由阳极区穿过阳离子膜到达阴极区，并与阴极电解水产生的OH+结合形成沉淀沉积下来；
步骤五.回收污泥中重金属；
电解结束后，过滤电解装置阴极区溶液，得到重金属氢氧化物沉淀。再根据沉淀中重金属的种类采用不同的方法回收重金属。阴极区过滤后的Nacl溶液可循环利用。
本发明所具有的有益效果：
本发明将污泥直接放在阳极区，利用阳极电解水产生的H+来直接酸化污泥，而不用额外添加酸，减少了二次污染，提高了重金属的去除率。此外，污泥直接放在阳极区，电极能与污泥充分接触，充分利用电流效率，电解效率高。同时也很好地利用了阴阳极电化学反应的作用，增加了污泥与电解液之间的膜交换面积，减少了离子迁移距离，重金属去除率高，电能利用率高，改善了重金属回收的问题，可以达到降低污染和资源回收的双重目的，兼具环境价值及经济效益。同时该方法可动态循环持续进行，电解时间亦能根据去除需求进行缩减或延长，能满足工业生产过程中的实际需求。
具体实施方式
下面对本发明内容作进一步的说明。
实施例1
步骤一.调节污泥含水率至90％，搅拌；
取2L杭州七格污水处理厂脱水污泥置于容器中，按计算比例加入超纯水，将污泥含水率调节至90％，并用增力电动搅拌机以250r/min转速搅拌10min，使污泥和水均匀混合；
步骤二.组装电解装置；
用电渗析阳离子膜将阴、阳极隔开，将步骤一处理后的污泥倒入电解装置的阳极区，阴极区装入1L0.05mol/L的Nacl溶液。将搅拌器和阳极板安装在阳极区中心位置，接好电源；
步骤三.搅拌电解；
按步骤二安装好电解装置后，用增力电动搅拌机以200r/min转速搅拌，打开电源开关，控制电流密度为15mA/Cm2，持续搅拌电解120h。在电解和搅拌的作用下，阳极区电解水产生H+来酸化污泥，使污泥内的不可溶重金属缓慢溶出，并与阴极电解水产生的OH+结合形成沉淀沉积下来；
步骤四.回收污泥中重金属；
电解后，过滤电解装置阴极区溶液，得到重金属氢氧化物沉淀、烘干回收。阴极区过滤后的Nacl溶液可循环利用。
通过该实施例，电解后污泥中锌Zn、铜Cu、铅Pb的含量由最初的1888.19mg/kg、288.55mg/kg和233.54mg/kg，下降到了1102.14mg/kg、212.29mg/kg和150.38mg/kg，符合国家相关排放标准，去除率分别为41.63％、26.34％和35.61％。并在阴极区回收重金属化合物沉淀2.97g。
实施例2
步骤一.调节污泥含水率至90％，搅拌；
取2L杭州七格污水处理厂脱水污泥置于容器中，按计算比例加入超纯水，将污泥含水率调节至90％，并用增力电动搅拌机以250r/min转速搅拌10min，使污泥和水均匀混合；
步骤二.按体积比0.12加入络合剂分析纯氨水，搅拌预处理；
在步骤一处理后的污泥中按V氨水/V污泥为0.12的比例添加分析纯氨水，并用增力电动搅拌机以100r/min转速缓慢搅拌24h。
步骤三.组装电解装置；
用电渗析阳离子膜将阴、阳极隔开，然后将步骤二中预处理结束后的污泥倒入电解装置的阳极区，阴极区装入1L0.05mol/L的Nacl溶液。将搅拌器和阳极板安装在阳极区中心位置，接好电源；
步骤四.搅拌电解；
按步骤三安装好电解装置后，用增力电动搅拌机以200r/min转速搅拌，打开电源开关，控制电流密度为15mA/Cm2，持续搅拌电解120h。在电解和搅拌的作用下，阳极区电解水产生H+来酸化污泥，使污泥内的不可溶重金属缓慢溶出，在有络合剂的情况下发生络合作用，在外加电流的作用下将重金属离子由阳极区透过阳离子膜到达阴极区，并与阴极电解水产生的OH+结合形成沉淀沉积下来；
步骤五.回收污泥中重金属；
电解后，过滤电解装置阴极区溶液，得到重金属氢氧化物沉淀，烘干回收。阴极区过滤后的Nacl溶液可循环利用。
通过该实施例，电解后污泥中锌Zn、铜Cu、铅Pb的含量由最初的1888.19mg/kg、288.55mg/kg和233.54mg/kg，下降到了528.88mg/kg、107.74mg/kg和122.42mg/kg，符合国家相关排放标准，去除率分别为71.99％、62.66％和47.58％。并在阴极区回收重金属化合物沉淀3.30g。
实施例3
步骤一.调节污泥含水率至90％，搅拌；
取2L杭州七格污水处理厂脱水污泥置于容器中，按计算比例加入超纯水，将污泥含水率调节至90％，并用增力电动搅拌机以250r/min转速搅拌10min，使污泥和水均匀混合；
步骤二.按体积比0.06加入分析纯乙二胺，搅拌预处理；
在步骤一处理后的污泥中按V乙二胺/V含水污泥为0.06的比例添加分析纯乙二胺，并用增力电动搅拌机以100r/min转速缓慢搅拌24h。
步骤三.组装电解装置；
用电渗析阳离子膜将阴、阳极隔开，将步骤二中预处理结束后的污泥倒入电解装置的阳极区，阴极区装入1L0.05mol/L的Nacl溶液。将搅拌器和阳极板安装在阳极区中心位置，接好电源；
步骤四.搅拌电解；
按步骤三安装好电解装置后，用增力电动搅拌机以200r/min转速搅拌，打开电源开关，控制电流密度为15mA/Cm2，持续搅拌电解120h。在电解和搅拌的作用下，阳极区电解水产生H+来酸化污泥，使污泥内的不可溶重金属缓慢溶出，在有螯合剂的情况下发生螯合作用，在外加电流的作用下将重金属离子由阳极区透过阳离子膜到达阴极区，并与阴极电解水产生的OH+结合形成沉淀沉积下来；
步骤五.回收污泥中重金属；
电解后，过滤电解装置阴极区溶液，得到重金属氢氧化物沉淀，烘干回收。阴极区过滤后的Nacl溶液可循环利用。
通过该实施例，电解后污泥中锌Zn、铜Cu、铅Pb的含量由最初的1888.19mg/kg、288.55mg/kg和233.54mg/kg，下降到了539.08mg/kg、140.03mg/kg和103.90mg/kg，符合国家相关排放标准，去除率分别为71.45％、51.47％和55.51％。并在阴极区回收重金属化合物沉淀3.31g。

Claims (3)

1.一种利用电解法去除和回收污泥中重金属的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤一.调节污泥含水率至90％，搅拌；
取适量城市污水处理厂脱水污泥置于容器中，按计算比例加入超纯水，将污泥含水率调节至90％，并用增力电动搅拌机以250r/min转速搅拌10min，使污泥和水均匀混合；
步骤二.组装电解装置；
用电渗析阳离子膜将阴、阳极区域隔开，将步骤一中预处理后的污泥倒入电解装置的阳极区，阴极区为0.05mol/L的Nacl溶液；将搅拌器和阳极板安装在阳极区中心位置，接好电源；Nacl溶液与脱水污泥的体积比为1:2；
步骤三.搅拌电解；
按步骤二安装好电解装置后，用增力电动搅拌机以200r/min转速搅拌，打开电源开关，控制电流密度为15mA/Cm2，持续搅拌电解120h；在电解和搅拌的作用下，阳极区电解水产生H+来酸化污泥，使污泥内的不可溶重金属缓慢溶出，在有螯合或络合剂的情况下发生螯合或络合作用，溶解出的重金属离子在外加电流的作用下由阳极区穿过阳离子膜到达阴极区，并与阴极电解水产生的OH+结合形成沉淀沉积下来；
步骤五.回收污泥中重金属；
电解结束后，过滤电解装置阴极区溶液，得到重金属氢氧化物沉淀；再根据沉淀中重金属的种类采用不同的方法回收重金属；阴极区过滤后的Nacl溶液可循环利用。
2.根据权利要求1所述的一种利用电解法去除和回收污泥中重金属的方法，其特征在于：步骤一中，在污泥和水均匀混合后添加化学药剂络合剂氨水，其中纯氨水体积添加比V氨水/V污泥为0.12，并用增力电动搅拌机以100r/min转速缓慢搅拌24h，进行预处理。
3.根据权利要求1所述的一种利用电解法去除和回收污泥中重金属的方法，其特征在于：步骤一中，在污泥和水均匀混合后添加螯合剂纯乙二胺，其中纯乙二胺的体积添加比V乙二胺/V污泥为0.06；并用增力电动搅拌机以100r/min转速缓慢搅拌24h，进行预处理。
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