電動(dòng)法去除給水污泥Al3+試驗(yàn)研究

章正杰

(常州市市政工程設(shè)計(jì)研究院有限公司， 江蘇　常州　213000)

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電動(dòng)法去除給水污泥Al3+試驗(yàn)研究

章正杰

(常州市市政工程設(shè)計(jì)研究院有限公司， 江蘇常州213000)

針對(duì)給水污泥含水率高、Al3+含量大的特點(diǎn)，采用電動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)給水污泥脫水及其Al3+去除，考察了電動(dòng)階段pH值對(duì)Al3+存在形態(tài)的影響及其去除效率的影響，分析電勢(shì)梯度對(duì)給水污泥Al3+去除效率的影響。結(jié)果表明，通過添加稀HCl溶液使得絡(luò)合態(tài)的Al3+離子化，從而提高Al3+去除效果；電勢(shì)梯度越大，Al3+去除效果越好，隨之帶來(lái)的電動(dòng)能耗也越大。

含水率；電動(dòng)；給水污泥

近幾十年來(lái)，城市自來(lái)水廠的數(shù)量顯著增多，規(guī)模也不斷擴(kuò)大，自來(lái)水廠集中排入水體的排泥水也越來(lái)越多。我國(guó)南方的自來(lái)水廠的排泥水一般直接排入河道，這給江河帶來(lái)了10×104t/年以上淤泥[1]，伴隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，自來(lái)水廠越來(lái)愈多，隨之帶來(lái)的給水污泥量還將繼續(xù)提升。這些給水污泥含有大量的鋁鹽、鐵鹽以及重金屬離子，對(duì)河道的生物具有毒害作用，并且破壞了河道的生態(tài)環(huán)境[2-3]。

相較于污水廠污泥，給水廠污泥是經(jīng)過鋁或者鐵的混凝劑然后在沉淀池中形成排泥水，因此給水污泥含有大量的Al3+和Fe3+。給水污泥中金屬以氧化物、氫氧化物、硅酸鹽等不可溶鹽或有機(jī)絡(luò)合物的形式存在[4]。直接電動(dòng)去除金屬離子效果不理想，酸化預(yù)處理是目前破壞絡(luò)合物較為普遍的技術(shù)方法[5-6]。因此，對(duì)給水污泥進(jìn)行酸化預(yù)處理強(qiáng)化電動(dòng)去除Al3+效果也得到了大量的研究[7]。本課題通過酸化給水污泥將Al3+離子析出，電場(chǎng)力將Al3+遷移到陰極，在陰極富集的Al3+濃液被真空抽濾排出給水污泥[8]，實(shí)驗(yàn)表明處理后的給水污泥Al3+含量大大降低。

1　材料與方法

1.1給水污泥樣本

實(shí)驗(yàn)所用給水污泥取自南京某自來(lái)水廠，取樣后分為兩組，一組是原污泥貼上標(biāo)簽后放在4℃的冰箱冷藏保存；一組是實(shí)驗(yàn)污泥先通過添加稀硫酸將給水污泥酸化，然后在4℃的冰箱冷藏保存。通過對(duì)給水污泥的檢測(cè)得到基本性質(zhì)如表1所示。

表1　污泥的基本性質(zhì)

1.2實(shí)驗(yàn)裝置

為了測(cè)定電動(dòng)對(duì)給水污泥的Al3+去除效果，設(shè)置了一套實(shí)驗(yàn)裝置，如圖1。裝置包括一個(gè)長(zhǎng)方體的污泥槽、三個(gè)閥門、一個(gè)打孔不銹鋼陰極、一個(gè)打孔不銹鋼陽(yáng)極、一個(gè)穩(wěn)壓直流電源(36V，100A)、一個(gè)圓柱形真空槽(內(nèi)徑為150mm，高度為200mm)，真空槽上部裝一個(gè)真空壓力表、一個(gè)真空泵(0～-0.1Mpa)、一個(gè)電子天平，真空泵和真空槽之間裝閥門，通過調(diào)節(jié)閥門開關(guān)來(lái)調(diào)節(jié)真空壓的大小，真空槽下面裝一個(gè)閥門，方便后續(xù)對(duì)脫水的質(zhì)量測(cè)量，陰極和真空槽之間裝一個(gè)閥門，可以隨時(shí)切斷真空抽吸作用，這樣可以做到污泥的反應(yīng)時(shí)間的實(shí)時(shí)控制。每個(gè)陰陽(yáng)電極上部都是加裝了滑動(dòng)板(調(diào)節(jié)電極之間距離)。

圖1　電動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置

1.3檢測(cè)方法

1.3.1pH值測(cè)定

稱取通過1 mm篩孔(即18號(hào)篩)的風(fēng)干土10 g一份，放在50 mL的燒杯中，加入去除二氧化碳的蒸餾水(將蒸餾水煮沸即可)，連續(xù)或者間歇性攪拌30 min，靜止30 min后用pH計(jì)測(cè)定。

1.3.2金屬含量的測(cè)定

給水污泥中Al3+含量采用王水(VHCl：VHNO3=3：1)溶解后，干燥，稱取1 g干污泥進(jìn)行ICP-eds測(cè)定Al3+含量。

2　結(jié)果與分析

2.1pH值對(duì)Al3+去除效果的影響

電動(dòng)過程中Al3+在電場(chǎng)力作用下從陽(yáng)極向陰極移動(dòng)，但是水的電解導(dǎo)致污泥中pH值分布不均，OH-對(duì)于Al3+離子有絡(luò)合作用，因此電動(dòng)后Al3+在污泥反應(yīng)區(qū)的分布特點(diǎn)和污泥反應(yīng)區(qū)的pH值分布有關(guān)。電動(dòng)后Al的分布見圖2、3。

圖2　電動(dòng)后Al3+含量分布

圖3　不同污泥pH值A(chǔ)l的分布

由圖2可見，污泥在電極兩端有較好的去除Al3+效果，在陽(yáng)極Al的含量降低到19g/kg干污泥，離陽(yáng)極距離L在16cm時(shí)Al含量很大、可見Al3+含量在污泥反應(yīng)區(qū)表現(xiàn)兩端較小、中間偏大的特點(diǎn)。隨著電動(dòng)的持續(xù)進(jìn)行，在離子的濃度差和電場(chǎng)力作用下，H+和OH-分別向陰和陽(yáng)極移動(dòng)。由圖3可見，電動(dòng)2h后陽(yáng)極到陰極處污泥pH值逐漸增大。Al3+在不同的pH值溶液中能形成不同的氫氧化結(jié)合態(tài)[9]。公式(1)是離子平衡公式：

Al3++H2O?Al(OH)2++H+pKa=5

Al3++2 H2O?Al(OH)2++2 H+pKa=10.20

Al3++3 H2O?Al(OH)3+3 H+pKa=15.71

Al3++4H2O?Al(OH)4-+4H+pKa=23.91

pH=pKa+lg(A-/HA)

(1)

不同pH值給水污泥電動(dòng)后干污泥Al3+含量變化見表2。

表2　Al3+含量隨pH變化情況

由表2可見，pH=3.3時(shí)，給水污泥電動(dòng)法去除Al3+效果最好，其中，干污泥Al3+含量從266 g/kg干污泥降低到28 g/kg干污泥，其去除率達(dá)到89.5 %；給水污泥沒有經(jīng)過酸堿調(diào)節(jié)的樣本pH=8.6，電動(dòng)后其Al3+含量為134 g/kg干污泥，去除率達(dá)到49.6 %；堿調(diào)節(jié)后pH值為10.6，電動(dòng)后其Al3+含量為87 g/kg干污泥。可見，酸性條件下Al3+去除效果最好，堿性條件次之，未處理給水污泥電動(dòng)法去除Al3+效果最差[10-12]。

2.2電勢(shì)梯度對(duì)Al3+去除的影響

隨著電動(dòng)的持續(xù)進(jìn)行，在離子的濃度差和電場(chǎng)力作用下，陽(yáng)離子和陰離子分別向陰極和陽(yáng)極移動(dòng)。M. Citeau等人提出溶液中離子的遷移速度公式[13]：

(2)

式(2)中，Vi是離子的遷移速度，Zi是離子價(jià)態(tài)，E是電勢(shì)梯度，F(xiàn)是Faraday常數(shù)(96 500 C/mol)。

從式(2)中可見，電勢(shì)梯度E越大，電場(chǎng)力越強(qiáng)，離子的遷移速度越快。介于Al3+是隨著水分一起被排出給水污泥的，試驗(yàn)過程中，研究了電勢(shì)梯度為2.5 v/cm時(shí)含水率的變化規(guī)律。

試驗(yàn)過程中，電勢(shì)梯度為2.5 v/cm，pH值為3.3時(shí)。給水污泥含水率變化如圖4所示，從圖中可見，電動(dòng)前期，給水污泥脫水速度較慢，電動(dòng)后期電動(dòng)脫水速度基本保持不變，這主要是因?yàn)殡妱?dòng)初期，給水污泥處于一種鈍化狀態(tài)，溫度低，當(dāng)溫度上升，給水污泥鈍化狀態(tài)被打破，電動(dòng)脫水速度加快。

圖4　電動(dòng)過程中含水率隨時(shí)間的變化

如圖5所示，電動(dòng)過程中，電流值先上升后下降，0～5h，電流值上升到0.69A，這主要是因?yàn)榻o水污泥初始狀態(tài)下處于一種鈍化狀態(tài)，溫度低，電動(dòng)前期溫度上升，電流值增大[14]。5h后電流值一直下降，這主要是因?yàn)殡妱?dòng)過程中，陽(yáng)離子和水分被排出給水污泥，導(dǎo)致其電解質(zhì)濃度越來(lái)越小，電動(dòng)強(qiáng)度越來(lái)越低。電動(dòng)過程中Al3+一直處于下降狀態(tài)，0～5h電動(dòng)初期，Al3+含量下降最快，5h后，下降速度保持不變，可見，電動(dòng)過程中，電流值和Al3+含量變化趨勢(shì)成正相關(guān)，Al3+含量降低。

圖5　Al3+含量和電流隨時(shí)間的變化

2.3能耗

電動(dòng)脫水過程中的能耗包括兩個(gè)部分：一個(gè)是5 min中的真空抽濾，一個(gè)是12h的電動(dòng)作用。根據(jù)電動(dòng)計(jì)算公式得到：

(3)

這里E是單位質(zhì)量給水污泥去除Al3+所需能耗，U是恒定的，I是t0內(nèi)的電流值，M是給水污泥質(zhì)量，t0是12 h，t1是5 min，p′是真空泵的功率。

計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3　離子電動(dòng)所需能耗

由表3可見，電勢(shì)梯度是2.5 v/cm時(shí)，電滲過程中進(jìn)行了27 h，整個(gè)Al3+去除所需能耗為20.6 kwh/kg干污泥。電勢(shì)梯度是1.25 v/cm、2.5 v/cm和5 v/cm時(shí)，Al3+電動(dòng)去除所需時(shí)間分別是35 h、27 h和12 h，可見電勢(shì)梯度越大，電動(dòng)力越強(qiáng)，電動(dòng)所需時(shí)間越短。電動(dòng)過程中，電勢(shì)梯度從1.25 v/cm提升到5 v/cm，電流值越大，即使電動(dòng)所需時(shí)間減少了，但是能耗仍然從11.7 kwh/kg干污泥增加到42.0 kwh/kg干污泥。

3　結(jié)論

(2)在整個(gè)電動(dòng)過程中，雖然電勢(shì)梯度越大，脫水效果和Al3+的去除效果增強(qiáng)，但是能耗也增大，因此低能耗的電動(dòng)脫水裝置適宜選用低電勢(shì)梯度。在優(yōu)化工況條件下，即pH為6，電勢(shì)梯度為2.5 v/cm進(jìn)行電動(dòng)反應(yīng)， 電動(dòng)修復(fù)后Al3+含量為3.3 g/kg干污泥，相應(yīng)的能耗為20.6 kwh/kg干污泥。

[1]劉輝, 許建華. 自來(lái)水廠排泥水處理的國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況[J]. 中國(guó)給水排水, 2001,17(08): 26-28.

[2]Peng G, Tian G, Liu J, et al. Removal of heavy metals from sewage sludge with a combination of bioleaching and electrokinetic remediation technology[J]. Desalination, 2011, 271(1): 100-104.

[3]Yuan C, Weng C. Electrokinetic enhancement removal of heavy metals from industrial wastewater sludge[J].Chemosphere, 2006, 65(1):88-96.

[4]林君鋒, 楊江帆, 楊廣, 等.動(dòng)電條件下分布在不同土壤中各形態(tài)重金屬的去除效果[J]. 福建農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2005, 34(01): 108-113.

[5]靳紅艷, 王瓊, 雷軍勝. 河道底泥重金屬污染程度評(píng)價(jià)模式探討[J].環(huán)?？萍? 2011, 17(4): 37-40.

[6]邱蓉, 董澤琴, 張軍方, 等.土壤汞污染及修復(fù)措施研究進(jìn)展[J]. 環(huán)?？萍? 2013, 19(3): 21-26.

[7]席永慧, 周光華, 楊洋. 鉛污染土壤的動(dòng)電修復(fù)研究[J].貴州農(nóng)業(yè)科學(xué), 2009, 37(1): 165-168.

[8]王璐, 高湘, 聶守田. 電吸附去除水中的Ni～(2+)、Cu～(2+)[J].環(huán)保科技， 2010, 16(4): 29-32.

[9]Deng J C, Xin F, Qiu X H. Extraction of heavy metal from sewage sludge using ultrasound-assisted nitric acid[J]. Chemical Engineering Journal, 2009, 152(1): 177-182.

[10]Kim S O, Moon S H, Kim K W, et al. Pilot scale study on the ex situ electrokinetic removal of heavy metals from municipal wastewater sludge[J]. Water Res, 2002, 36(19): 4765-4774.

[11]Cherifi M, Hazourli S, Pontvianne S, et al. Electrokinetic removal of aluminum from water potabilization treatment sludge[J]. Desalination, 2011, 281(85): 263-270.

[12]Babel S, Dacera D M. Heavy metal removal from contaminated sludge for land application: A review[J]. Waste Manage, 2006, 26(9): 988-1004.

[13]Citeau M, Olivier J, Mahmoud A, et al. Pressurised electro-osmotic dewatering of activated and anaerobically digested sludges: Electrical variables analysis[J]. Water Res, 2012, 46(14): 4405-4416.

[14]Yuan C, Weng C. Electrokinetic enhancement removal of heavy metals from industrial wastewater sludge[J]. Chemosphere, 2006, 65(1): 88-96.

Experimental study on the removal of Al3+from drinking water treatment sludge by electrokinetic method

Zhang Zhengjie

(Changzhou Municipal Engineering Design Research College Co., Ltd)

Taking into accounts the characteristics of high moisture and Al3+content in drinking water treatment sludge, this paper summarizes results for an experiment employing electrokinetic technology in the process of sludge dehydration and removal of Al3+.The impact of pH value on existing forms and removal efficiency of Al3+in electrokinetic phase, as well as impacts of different electric potential gradients on Al3+removal efficiency were investigated and analyzed. The results show that the complex form of Al3+can be ionized by adding the weak HCl solution and increase therefore their removal efficiency, and that the bigger electric potential gradient, the higher removal efficiency of Al3+and higher resulting electric energy consumption.

moisture content；electrokinetic；drinking water treatment sludge

2016-04-25; 2016-08-03 修回

章正杰，男，1990年出生，本科，研究方向：水資源利用與保護(hù)。E-mail：578400930@qq.com

X703.1

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