污泥中重金属离子的电动力学去除技术
近年来,我国对城市污染治理力度不断加大,有效减缓了废水污染对水环境造成的压力, 但废水处理过程中产生的大量富含氮、磷、有机物、重金属等的剩余污泥,因处理与处置不当, 带来二次污染,造成资源浪费。剩余污泥中所含的重金属是限制污泥利用的主要障碍。电动力学去除技术是近年新兴的一种重金属离子去除方法, 该方法弥补了生物修复和化学修复等方法的不足。
本文概述了国内外电动力学去除技术的研究现状以及影响电动力学去除技术的主要因素, 阐明了利用电动力学去除技术去除剩余污泥中的重金属离子的可行性,并指出了今后电动力学去除技术的重点研究方向。
1 电动力学去除技术的原理
在20 世纪90年代, Acar等和A lshaw abkeh等先后总结了电动力学去除技术的基本原理, 并建立起重金属离子在电场作用下的迁移初步模型。在污泥中插入电极, 施加直流电源后形成电场, 污泥中的重金属离子在直流电场作用下定向迁移, 富集在电极区域。可通过电镀、抽出等方法将其去除。电动力学去除过程中重金属离子的迁移机理有电渗流、电迁移和电泳等形式。
2 电动力学去除技术的主要影响因素
2. 1 重金属离子的形态分布对电动力学去除技术的影响
剩余污泥中的重金属离子是以可交换离子态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、硫化物及有机结合态和残渣态等5种形态存在, 其中以可交换离子态、碳酸盐结合态存在的重金属离子较易被电动力学去除技术除去, 而以有机结合态和残渣态存在的重金属离子较难去除, 袁华山等和Kim等的研究也证明了这一点。但在较长的电解时间(5～7d) 、较低的pH(2～6)条件下, 污泥中稳定态的重金属离子也能被去除。
2. 2 水解引起的pH变化对电动力学去除技术的影响
电动力学过程中主要的电极反应见式(1)和式(2)。
阳极反应 2H2O - 4e- O2 + 4H + Eo = - 1. 229 V (1)
阴极反应 2H2O + 2e- 2H ++2OH - Eo = - 0. 828 V (2)
阴极产生的OH-形成碱区, 阳极产生的H+ 形成酸区,在两极之间就形成了pH突变区, 使得离子导电性能急剧下降,必然严重影响重金属离子的去除效率。外加酸碱进行酸度调节可改善水电解带来的影响。另外在阴极与污泥之间放置阳离子选择性透过膜,仅允许阳离子及少数阴离子通过,可把阴极电解产生的大部分OH-限制在膜靠近阴极的区域,而阳离子则可以穿过膜, 从而提高重金属离子的去除率。
2. 3 电极极化对电动力学去除技术的影响
电极极化现象会导致电流强度降低,从而降低污泥中重金属离子的去除率。产生电极极化的原因可能有:(1)活化极化,在电动力学去除技术中产生的气体(H2和O2)覆盖在电极表面, 这些气体是良好的绝缘体,使电导性下降,电流降低；(2)电阻极化,在电动力学去除技术去除重金属离子的过程中, 阴极表面形成一层白色的膜,从而降低电流强度;(3)浓差极化,阴极产生的OH-和阳极产生的H+各自向电性相反的电极迁移,如果产生的酸碱未及时中和,则会使电流强度降低。Acar等在阴极加入盐酸等酸性溶液, 阳极加入氢氧化钙等碱性溶液,调节pH约为2～6,可使重金属离子的去除率提高。
2. 4 外加化学试剂对电动力学去除技术的影响
2. 4. 1 外加酸
控制介质pH是电动力学去除技术的关键。实验表明,调节阳极pH可促进阳极附近污染物质的溶解和迁移。在酸性条件下,重金属离子由稳定态向不稳定态转化,在电动力学的作用下可使重金属离子的去除率提高。同时微生物细胞结构遭到破坏,也有利于提高重金属离子的去除率。
外加酸可用无机酸也可用有机酸。有机酸是可生物降解、环境友好的化学试剂, 能促使污染物溶解于水相中,有利于污染物的去除。但有机酸的过度使用也会导致污泥阴离子增多而降低Zeta电位,直接影响电渗流的大小甚至电渗流方向。
2. 4. 2 外加螯合剂
向污泥中加入螯合剂能螯合重金属离子,使重金属离子由有机态、残渣态迁移至液相, 从而提高重金属离子去除率。Popov等的实验结果表明,以螯合剂乙二胺四乙酸和羟基乙叉二膦酸作为强化剂进行电动力学去除技术修复对照实验,电渗流强度分别达到5.2mL/h和5.6mL/h,为对照值(1.8 mL/h)的3倍左右。
2. 5 电压、电流对电动力学去除技术的影响
电压是电动力学的推动力。理论上电压越高,过程的推动力越大, 越有利于重金属离子的去除,但电压过高, 会出现电极极化现象,反而使重金属离子的去除效率下降。电流密度越高,产生的酸越多,越有利于提高污染物的去除速率,但能耗与电流密度的平方成正比, 因此电流密度越高, 能耗越大。袁华山等和周碧青等的实验结果表明,电压梯度为0.5～5.0V/cm、电流密度为10～100mA/cm2 时,重金属离子的去除率最高。
3 电动力学技术去除污泥中重金属的可行性分析
电动力学去除技术是在电场作用下使可迁移的重金属离子从阳极向阴极迁移, 并在阴极室富集,以达到去除目的。剩余污泥中重金属离子的存在形态对重金属离子的迁移有很大影响, 溶解态和可交换离子态的重金属离子迁移性好、在电场作用下去除率高,而有机结合态和残渣态的重金属离子去除率较低,在外加酸、碱、螯合剂等化学试剂作用下可以转化为可交换离子态而被除去,污泥中重金属离子总去除率可达34%～95%,经过电动力学去除技术处理的污泥中重金属离子含量均低于GB4284—1984《农用污泥中污染物控制标准》中规定的限值。
4 结语
电动力学去除技术能够彻底修复被重金属污染的污泥。开展剩余污泥的电动力学去除技术研究,不仅可以消除可能产生的二次污染,还可以合理利用富含营养的剩余污泥,使资源得到充分利用,对社会、经济和生态环境都具有重要的现实意义。
电动力学去除技术虽然经过大量的研究取得了一定的进展,对其规律有了一定的认识,但使其真正走向实际应用,还有许多问题亟待解决：(1)如何有效缩短修复时间、降低能耗、延长电极的使用寿命;(2)如何更有效地解决电极极化问题,提高电动力学去除效率;(3)如何有效回收从污泥中迁移或沉积的重金属,并加以利用。
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