污泥中重金屬離子的電動(dòng)力學(xué)去除技術(shù)
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(huán)境造成的壓力, 但廢水處理過程中產(chǎn)生的大量富含氮、磷、有機(jī)物、重金屬等的剩余污泥,因處理與處置不當(dāng), 帶來二次污染,造成資源浪費(fèi)。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(dòng)力學(xué)去除技術(shù)是近年新興的一種重金屬離子去除方法, 該方法彌補(bǔ)了生物修復(fù)和化學(xué)修復(fù)等方法的不足。
本文概述了國內(nèi)外電動(dòng)力學(xué)去除技術(shù)的研究現(xiàn)狀以及影響電動(dòng)力學(xué)去除技術(shù)的主要因素, 闡明了利用電動(dòng)力學(xué)去除技術(shù)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(dòng)力學(xué)去除技術(shù)的重點(diǎn)研究方向。
1 電動(dòng)力學(xué)去除技術(shù)的原理
在20 世紀(jì)90年代, Acar等和A lshaw abkeh等先后總結(jié)了電動(dòng)力學(xué)去除技術(shù)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(qū)域？赏ㄟ^電鍍、抽出等方法將其去除。電動(dòng)力學(xué)去除過程中重金屬離子的遷移機(jī)理有電滲流、電遷移和電泳等形式。
2 電動(dòng)力學(xué)去除技術(shù)的主要影響因素
2. 1 重金屬離子的形態(tài)分布對電動(dòng)力學(xué)去除技術(shù)的影響
剩余污泥中的重金屬離子是以可交換離子態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、硫化物及有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)等5種形態(tài)存在, 其中以可交換離子態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)存在的重金屬離子較易被電動(dòng)力學(xué)去除技術(shù)除去, 而以有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)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(diǎn)。但在較長的電解時(shí)間(5～7d) 、較低的pH(2～6)條件下, 污泥中穩(wěn)定態(tài)的重金屬離子也能被去除。
2. 2 水解引起的pH變化對電動(dòng)力學(xué)去除技術(shù)的影響
電動(dòng)力學(xué)過程中主要的電極反應(yīng)見式(1)和式(2)。
陽極反應(yīng) 2H2O - 4e- O2 + 4H + Eo = - 1. 229 V (1)
陰極反應(yīng) 2H2O + 2e- 2H ++2OH - Eo = - 0. 828 V (2)
陰極產(chǎn)生的OH-形成堿區(qū), 陽極產(chǎn)生的H+ 形成酸區(qū),在兩極之間就形成了pH突變區(qū), 使得離子導(dǎo)電性能急劇下降,必然嚴(yán)重影響重金屬離子的去除效率。外加酸堿進(jìn)行酸度調(diào)節(jié)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(shù)陰離子通過,可把陰極電解產(chǎn)生的大部分OH-限制在膜靠近陰極的區(qū)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(dòng)力學(xué)去除技術(shù)的影響
電極極化現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致電流強(qiáng)度降低,從而降低污泥中重金屬離子的去除率。產(chǎn)生電極極化的原因可能有:(1)活化極化,在電動(dòng)力學(xué)去除技術(shù)中產(chǎn)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(dǎo)性下降,電流降低；(2)電阻極化,在電動(dòng)力學(xué)去除技術(shù)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(qiáng)度;(3)濃差極化,陰極產(chǎn)生的OH-和陽極產(chǎn)生的H+各自向電性相反的電極遷移,如果產(chǎn)生的酸堿未及時(shí)中和,則會(huì)使電流強(qiáng)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(diào)節(jié)pH約為2～6,可使重金屬離子的去除率提高。
2. 4 外加化學(xué)試劑對電動(dòng)力學(xué)去除技術(shù)的影響
2. 4. 1 外加酸
控制介質(zhì)pH是電動(dòng)力學(xué)去除技術(shù)的關(guān)鍵。實(shí)驗(yàn)表明,調(diào)節(jié)陽極pH可促進(jìn)陽極附近污染物質(zhì)的溶解和遷移。在酸性條件下,重金屬離子由穩(wěn)定態(tài)向不穩(wěn)定態(tài)轉(zhuǎn)化,在電動(dòng)力學(xué)的作用下可使重金屬離子的去除率提高。同時(shí)微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)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(jī)酸也可用有機(jī)酸。有機(jī)酸是可生物降解、環(huán)境友好的化學(xué)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(jī)酸的過度使用也會(huì)導(dǎo)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(jī)態(tài)、殘?jiān)鼞B(tài)遷移至液相, 從而提高重金屬離子去除率。Popov等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,以螯合劑乙二胺四乙酸和羥基乙叉二膦酸作為強(qiáng)化劑進(jìn)行電動(dòng)力學(xué)去除技術(shù)修復(fù)對照實(shí)驗(yàn),電滲流強(qiáng)度分別達(dá)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(dòng)力學(xué)去除技術(shù)的影響
電壓是電動(dòng)力學(xué)的推動(dòng)力。理論上電壓越高,過程的推動(dòng)力越大, 越有利于重金屬離子的去除,但電壓過高, 會(huì)出現(xiàn)電極極化現(xiàn)象,反而使重金屬離子的去除效率下降。電流密度越高,產(chǎn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,電壓梯度為0.5～5.0V/cm、電流密度為10～100mA/cm2 時(shí),重金屬離子的去除率最高。
3 電動(dòng)力學(xué)技術(shù)去除污泥中重金屬的可行性分析
電動(dòng)力學(xué)去除技術(shù)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(dá)到去除目的。剩余污泥中重金屬離子的存在形態(tài)對重金屬離子的遷移有很大影響, 溶解態(tài)和可交換離子態(tài)的重金屬離子遷移性好、在電場作用下去除率高,而有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)的重金屬離子去除率較低,在外加酸、堿、螯合劑等化學(xué)試劑作用下可以轉(zhuǎn)化為可交換離子態(tài)而被除去,污泥中重金屬離子總?cè)コ士蛇_(dá)34%～95%,經(jīng)過電動(dòng)力學(xué)去除技術(shù)處理的污泥中重金屬離子含量均低于GB4284—1984《農(nóng)用污泥中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的限值。
4 結(jié)語
電動(dòng)力學(xué)去除技術(shù)能夠徹底修復(fù)被重金屬污染的污泥。開展剩余污泥的電動(dòng)力學(xué)去除技術(shù)研究,不僅可以消除可能產(chǎn)生的二次污染,還可以合理利用富含營養(yǎng)的剩余污泥,使資源得到充分利用,對社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
電動(dòng)力學(xué)去除技術(shù)雖然經(jīng)過大量的研究取得了一定的進(jìn)展,對其規(guī)律有了一定的認(rèn)識,但使其真正走向?qū)嶋H應(yīng)用,還有許多問題亟待解決：(1)如何有效縮短修復(fù)時(shí)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(dòng)力學(xué)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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