CN109292937A

CN109292937A - 一种含铁酸洗污泥再利用方法

Info

Publication number: CN109292937A
Application number: CN201811499859.6A
Authority: CN
Inventors: 舒小明; 舒畅
Original assignee: ANHUI HANGTIAN ENVIRONMENTAL ENGINEERING Co Ltd
Current assignee: Aerospace Shenhe (Beijing) environmental protection Co.,Ltd.
Priority date: 2018-12-09
Filing date: 2018-12-09
Publication date: 2019-02-01

Abstract

一种含铁酸洗污泥再利用方法，其包括：溶解步骤，在含铁污泥中加入硫酸，产生溶解有铁的酸性污泥；分离步骤，在酸性污泥中选择性分离不可溶物质，产生溶解有铁的酸性溶液；沉淀步骤，在硫酸根离子存在且pH为0‑4的情况下,在酸性溶液中加入+1价阳离子的化合物并通入氧气,利用磁力搅拌器进行磁力搅拌生成含有黄钾铁矾的沉淀；黄钾铁矾分离步骤，从含有黄钾铁矾的沉淀中分离出黄钾铁矾；黄钾铁矾溶解步骤，使黄钾铁矾溶解于硫酸中，利用磁力搅拌器进行磁力搅拌生成硫酸铁絮凝剂。本发明提供的方法将铁从含铁酸洗污泥进行分离出来并使其转化为絮凝剂,反应速度快。

Description

一种含铁酸洗污泥再利用方法

技术领域

本发明涉及一种含有铁的酸洗污泥处理的方法，属于污泥处理技术领域。

背景技术

铁的化合物最常用作絮凝剂。例如硫酸铁溶于水时，将产生带正电的金属离子吸附水中杂质，如带有负电的胶体物质、腐殖质和悬浮颗粒物。同时水解产生金属氢氧化物絮状物。絮状物吸附杂质，生成含有金属氢氧化物和杂质的污泥。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种含铁酸洗污泥的处理方法，利用该方法将铁从含铁酸洗污泥进行分离出来并使其转化为絮凝剂，且反应速度快。

为实现所述发明目的，本发明提供一种含铁酸洗污泥再利用方法，其特征在于，包括：溶解步骤，在含铁污泥中加入硫酸，产生溶解有铁的酸性污泥；分离步骤，在酸性污泥中选择性分离不可溶物质，产生溶解有铁的酸性溶液；沉淀步骤，在硫酸根离子存在且pH为0-4的情况下,在酸性溶液中加入+1价阳离子的化合物并通入氧气,利用磁力搅拌器进行磁力搅拌生成含有黄钾铁矾的沉淀；黄钾铁矾分离步骤，从含有黄钾铁矾的沉淀中分离出黄钾铁矾；黄钾铁矾溶解步骤，使黄钾铁矾溶解于硫酸中，利用磁力搅拌器进行磁力搅拌生成硫酸铁絮凝剂。

优选地，上述+1价阳离子化合物包括含钾化合物，钾铁摩尔比至少为1:3。

为实现上述发明目的，本发明还提供一种含铁酸洗污泥再利用方法中使用的磁力搅拌器，其包括处理器和旋转磁场产生器，其特征在于，旋转磁场产生器包括N个分别产生N个不同相位的谐振磁场产生单元，所述N为大于或者等于3的整数；所述谐振磁场产生单元包括谐振回路和根据处理器提供的控制信号给谐振回路提供方波信号的驱动器，所述谐振回路至少包括线圈和电容。

优选地，所述谐振回路为由线圈和电容组成的串联谐振回路。

优选地，所述谐振回路包括依次串联连接的第一电容、线圈和第二电容。

优选地，所述驱动器包括第一放大器、第二放大器、第一反相放大器、第二反相放器、第一频率合成器、第二频率合成器、第一电开关、第二电开关、第三电开关和第四电开关，其中，第一频率合成器根据处理器提供的频率控制字和第一相位控制字给第一放大器和第一反相放大器提供方波脉冲信号；第一放大器的输出端连接于第一电开关的控制端，第一电开关的第一端连接于电源，第二端连接于第二电开关的第一端，同时连接于谐振回路的第一信号输入端；第一反相放大器的输出端连接于第二电开关的控制端，第二电开关的第二端连接于地；第二反相放大器的输出端连接于第三电开关的控制端，第三电开关的第一端连接于电源，第二端连接于第四电开关的第一端，同时连接于谐振回路的第二信号输入端；第二放大器的输出端连接于第四电开关的控制端，第四电开关的第二端连接于地。

优选地，磁力搅拌器还包括环形线圈支架，将N个谐振磁场产生单元中的线圈均匀布置在环形线圈支架上。

优选地，磁力搅拌器还包括外壳，所述外壳为环形外壳，环形支架设置在外壳内，使用时使沉淀步骤和黄钾铁矾溶解步骤所使用的容器置于磁力搅拌器所产生的旋转磁场内。

本发明提供的含铁酸洗污泥的处理方法具有如下有益效果：将铁从含铁酸洗污泥中进行分离并使其转化为絮凝剂；同时利用磁力搅拌加快了反应速度。

附图说明

图1是本发明提供的含铁酸洗污泥的再生利用方法流程图；

图2是本发明提供的磁力搅拌器的电路图；

图3是本发明提供的线圈布置图；

图4是本发明提供脉冲时序与谐振回路电流强度之间的关系图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下根据本发明的实施例所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

图1是本发明提供的含铁酸洗污泥的再生利用方法流程图，如图1所示，含铁酸洗污泥再利用方法，包括：浓缩（增稠）步骤1，该步骤中，将含铁污泥中的部分水份去除；在脱水步骤2中，在浓缩的污泥中在加入聚电解质以有助于固体的分离与水的除去，使污泥中的干燥固体的含量达到10-15%的水平；溶解步骤3，在脱水后的污泥中加入酸，如浓硫酸，使pH小于4时，使酸洗污泥中金属铁完全溶于酸时pH小于2，此时产生溶解有铁的酸性污泥。溶解过程可用以下方程式表示：

6Fe+9H₂SO₄→3 Fe₂(SO₄)₃

分离步骤4，在酸洗污泥中选择性分离不可溶物质，产生溶解有铁的酸性溶液，该步骤中，除不溶性物质之外，不溶于硫酸的大部分有机物质也会在分离步骤4被除去，分离包括不溶性物质和有机物质的固体通常使用离心机，从分离步骤4得到的溶液主要包括可溶性铁。沉淀步骤5，在硫酸根离子存在、温度为100-170°C（优选温度为130-140°C）以及压力为1-10bar（优选5-7bar）的情况下，在酸性溶液中加入+1价阳离子的化合物并通入氧气, 使pH为0-4（优选1-3）,利用磁力搅拌器磁力搅拌生成黄钾铁矾沉淀，所述+1价阳离子的化合物优选K⁺，Na⁺，NH₄ ⁺或H₃O⁺的化合物，更加优选是的氢氧化钾，加入氢氧化钾有两方面原因，首先氢氧化钾在溶液中带来了必不可少的钾离子，其次氢氧化钾能提高pH到发生沉淀反应的水平（1-3）。进入沉淀步骤5的溶液也包含在溶解步骤3中被溶解的腐殖质。在加入氢氧化钾以使铁以钾黄钾铁矾的形式沉淀。值得注意的是，留在溶液中的铁离子量很小，绝大部分的铁将进入沉淀。沉淀的黄钾铁矾将在分离黄钾铁矾步骤6被分离。黄钾铁矾沉淀是可被过滤的晶体，这将有助于铁的回收。因此，留在沉淀中的母液的量很少，高达40-70%含量的干燥固体可进入沉淀进行分离（取决于方法）。沉淀步骤5发生下列反应：

3Fe₂(SO₄)₃+KOH+10H₂O→2 KFe₃(SO₄)₂(0H)₆+5 H₂SO₄

5H₂SO₄+10KOH→5 K₂SO₄ +10H₂O

3Fe₂(SO₄)₃+12KOH→2KFe₃(SO₄)₂(0H)₆+5 K₂SO₄

黄钾铁矾分离步骤6，分离黄钾铁矾以将大部分的可溶性腐殖质除去。黄钾铁矾分离步骤6产生的沉淀还包括一些在沉淀步骤的条件下被沉淀的酸溶性腐殖质。通过碱洗步骤（未显示于图1）使用氢氧化钠/钾溶液碱洗沉淀可降低碱溶性腐殖质的量，并且使用过的碱洗溶液将返回至沉淀步骤5的溶液中。碱溶性的及黄钾铁矾中共沉淀的有机组分（即黄腐酸组分）溶解于碱液，并从沉淀中除去。碱洗为碱性溶液的逆流。这样完成了一个过程中的内部循环。在碱洗步骤后，干燥固体中有机碳含量从5-7%的水平降低2%。

煅烧步骤7，在温度为300-600°C下煅烧黄钾铁矾沉淀以降低黄钾铁矾沉淀中有机物含量，在此温度下所有有机物都将燃烧，同时黄钾铁矾中的羟基将被除去，留下无定形的易溶于酸的沉淀。因此煅烧有两个好处：从沉淀中完全除去有机物，且使沉淀的黄钾铁矾溶解性更佳。

如果污泥再利用方法处理过程中含有煅烧步骤7，则可省略分离步骤4，这个方法里沉淀会伴随更多的有机物，这些有机物在煅烧步骤7作为燃料。然而不溶性的杂质（如黏土）将会留在沉淀中。

纯净的煅烧后的黄钾铁矾将最终在黄钾铁矾溶解步骤8溶解于硫酸中，利用磁力搅拌器磁力搅拌生成硫酸铁溶液，可用作净水过程中的絮凝剂或用于生产其他含铁化合物。

图2是本发明提供磁力搅拌器的电路图，如图2所示，本发明提供的磁力搅拌器包括处理器20和旋转磁场产生器，旋转磁场产生器包括N个分别产生N个不同相位的谐振磁场产生单元30，所述N为大于或者等于3的整数。所述谐振磁场产生单元包括谐振回路和根据处理器提供的控制信号给谐振回路提供方波信号的驱动器，所述谐振回路至少包括线圈和电容。优选地，所述谐振回路为由线圈和电容组成的串联谐振回路。更加优选地，所述谐振回路包括依次串联连接的第一电容C1、线圈L和第二电容C2。根据本发明一个实施例，所述驱动器包括第一放大器IC1、第二放大器IC4、第一反相放大器IC2、第二反相放器IC3、第一直接数字频率合成器（DDS）31、第二直接数字频率合成器(DDS)32、第一电开关T1、第二电开关T2、第三电开关T3和第四电开关T4，其中，第一直接数字频率合成器31根据处理器20提供的频率控制字和第一相位控制字给第一放大器IC1和第一反相放大器IC2提供方波脉冲信号；第一放大器IC1的输出端连接于第一电开关T1的控制端，第一电开关T1的第一端连接于电源VCC，第二端连接于第二电开关T2的第一端，同时连接于谐振回路的第一信号输入端；第一反相放大器IC2的输出端连接于第二电开关T2的控制端，第二电开关T2的第二端连接于地；第二反相放大器IC3的输出端连接于第三电开关T3的控制端，第三电开关T3的第一端连接于电源VCC，第二端连接于第四电开关T4的第一端，同时连接于谐振回路的第二信号输入端；第二放大器IC4的输出端连接于第四电开关T4的控制端，第四电开关T4的第二端连接于地。第一到第四电开关可以是双极性晶体管（BJT）、场效应管（FET）、绝缘栅双极性三极管（IGBT）等。本发明中，每个DDS均由同一个参考频率源50提供标准方波信号。

图3是本发明提供的线圈布置图，如图3所示，本发明提供磁力搅拌器还包括环形线圈支架40，沿其径向至少均匀设置有N个绕线柱或者槽。N个谐振磁场产生单元中的线圈L分别缠绕在绕线柱上，或者在槽中设置铁氧体，线圈L缠绕在铁氧体上。环形线圈支架40，由非磁性金属(例如铁、钛合金等)形成。在另一实施方式中，环形线圈40支架由树脂材料形成。通过由树脂材料形成线圈支架，能够减轻重量。本发明中，将N个线圈L等间隔分成M组，例如N为12，M为4，则每个线圈组包括等间隔的三个线圈，M组由M个电源单独立供电，如此结构，即使某个电源、驱动器或线圈故障，其它电源、电开关、线圈工作正常情况下，磁力搅拌器都可以正常工作，如此提高了其工作容错能力，提高了可靠性。

本发明提供的磁力搅拌器还包括外壳，所述外壳为环形外壳，环形线圈支架40设置在外壳内，使用时，将磁力搅拌器套于化学反应器具上或将化学反应器具置于磁力搅拌器的环形外壳中央。

下面结合附图2和4描述本发明提供的磁力搅拌器的工作过程：电磁场谐振单元中，DDS31根据处理器20提供的频率控制字和第一相拉控制字从DDS31的存储器中取出一个方波脉冲IN0,其比参考频率源50提供的参考方波脉冲Ref超前一个相位；方波脉冲IN0经第一放大器IC1放大后用于控制电开关T1的导通与截止,方波脉冲IN0经第一反相放大器IC2反相放大后用于控制电开关T2的导通与截止，当电开关T1导通时，电开关T2截止，当电开关T2导通时，电开关T1截止；DDS32根据处理器20提供的频率控制字和第二相拉控制字从DDS32的存储器中取出一个方波脉冲IN1,其比参考频率源50提供的参考方波脉冲Ref滞后一个相位；方波脉冲IN1经第二放大器IC4放大后用于控制电开关T4的导通与截止；方波脉冲IN1经第二反相放大器IC3反相放大后用于控制电开关T3的导通与截止，当电开关T4导通时，电开关T3截止，当电开关T3导通时，电开关T4截止，如此，施加于谐振回路两端的信号Out如图4所示，谐振回路中的电流信号I为图3所示的正弦波。改变方波脉冲IN0超前相位的量和方波脉冲IN1滞后相位的量，施加给谐振回路的方波信号也改变，谐振回路中的电流幅值随着相位的改变而改变。如此，谐振回路谐振于工作频率时，谐振回路产生频率、幅度可调的强磁场。N个谐振回路产生多相强磁场，合成为符合要求的场型，比如旋转磁场,等等。这样，施加于谐振回路的电压可以是任意形状的脉冲电压，而电流呈正弦变化，形成正弦变化的磁场，多相正弦磁场合成为符合要求的场型。本发明中，提供给谐振回路的是任意形状的脉冲信号，而谐振回中的电流信号是正弦脉冲信号，如此结构便能得到频率和幅度可任意调的旋转磁场。

驱动器的另一功能是实现相位到脉冲宽度的变换，两个DDS输出信号为一定频率的两相脉冲信号，其频率以及两相脉冲信号之间的相位差，可通过处理器预制。两相脉冲信号之间的相位差，通过驱动器变换为输出脉冲的脉冲宽度，在后级谐振电感线圈表现为正弦电流的幅度。这样就通过“相位---脉宽---幅度”变换实现对磁场强度的控制，进一步控制化学反应速度。

下面结合2个具体实验进一步阐述本发明所述的方法。

实验1

准备原料：污泥36980克，其中含有9.6%的干燥固体，干燥固体有24%的铁；浓度为100%的硫酸168g；10%氢氧化钾溶液490g；氧气

工艺流程：将上述重量的硫酸加入污泥中，使污泥中的铁溶解生成含有铁离子酸污泥，在这个溶解阶段，污泥中总铁量的65.4%将会被溶解，二价铁产率为66.3%。溶液中二价铁与三价铁的百分率分别为50.1%和49.9%；将酸化污泥进行过滤去除固体污泥得到滤液；将滤液放入反应器，并将反应器置于磁力搅拌器中，加热至80°C，接下来通入氧气并加入上述重量的氢氧化钾溶液，氧气通入总量为37.6g，使压力调整为5bar，当温度上升120°-150°，pH在1.5-3时开始发生沉淀，沉淀反应时间约为1小时10分钟，而后再固液分离得到沉淀245 g和滤液3159g，使用射线仪对沉淀进行衍射图谱分析。衍射图谱证明沉淀为黄钾铁矾晶体。不同元素的化学分析及产率计算见表1。

表1

铁的分布如下：黄钾铁矾中二价铁占铁的13.2%、三价铁占铁86.8%，黄钾铁矾中的摩尔比并与理论值比较，比值见于表2。

表2

在实验中产品比理论上含有更多的铁。这是有可能的，多余的量来自腐殖质的二价铁。

三价铁的沉淀产率良好。如果二价铁氧化更完全，总体产率会比实验中得到的65%更佳。将实验中得到的黄钾铁矾于硫酸，只有部分溶解。过滤浆体，分析不溶物。检测到下列元素：Fe、Ti、Cr、S。

根据对黄钾铁矾沉淀的热分析结果显示，有机物从约300°C开始燃烧，伴随放热反应。使干燥黄钾铁矾固体在不同的温度煅烧。根据这些结果， 325°C煅烧1小时足以完成煅烧。烧损为53.6%。分析在上述条件下灼烧后的沉淀得到以下结果：总Fe 40%、S 9%、C 0.5%、K 6.1%。通过分析显示灼烧产物主要含有Fe₂O₃。

实验2

在此实验中溶解本发明制备的黄钾铁矾得到的三价铁溶液用作城市废水的絮凝剂，并利用一种商业青山牌三价铁絮凝剂作为参考在两个测试中投入相等剂量。剂量根据废水中mmol Fe/L计算,测试流程如下：使城市废水分别与相同剂量的三价铁溶液和商业三价铁絮凝剂放入容器快速混合15秒，并置于本发明提供的磁力搅拌器中磁力搅拌10分钟，而后将磁力搅拌器移走，将液体静置60分钟，本发明制备的测试结果见于表3。

表3

结果显示本发明提供的絮凝剂与商业三价铁絮凝剂相比，在浊度、含磷(P)量方面黄钾铁矾生成的絮凝剂在两种剂量水平下都有更好的表现。

以上结合附图，详细说明了本发明的工作原理。但是本领域的普通技术人员应当明白，说明书仅是用于解释权利要求书。但本发明的保护范围并不局限于说明书。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明批露的技术范围内，可轻易想到的变化或者替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims

1.一种含铁酸洗污泥再利用方法，其特征在于，包括：

溶解步骤，在含铁污泥中加入硫酸，产生溶解有铁的酸性污泥；

分离步骤，在酸性污泥中选择性分离不可溶物质，产生溶解有铁的酸性溶液；

沉淀步骤，在硫酸根离子存在且pH为0-4的情况下,在酸性溶液中加入+1价阳离子的化合物并通入氧气,利用磁力搅拌器进行磁力搅拌生成含有黄钾铁矾的沉淀；

黄钾铁矾分离步骤，从含有黄钾铁矾的沉淀中分离出黄钾铁矾；

黄钾铁矾溶解步骤，使黄钾铁矾溶解于硫酸中，利用磁力搅拌器进行磁力搅拌生成硫酸铁絮凝剂。

2.根据要求1所述的含铁酸洗污泥再利用方法，其特征在于，上述+1价阳离子化合物包括含钾化合物，钾铁摩尔比至少为1:3。

3.一种权利要求1-2所述含铁酸洗污泥再利用方法中使用的磁力搅拌器，其包括处理器和旋转磁场产生器，其特征在于，旋转磁场产生器包括N个分别产生N个不同相位的谐振磁场产生单元，所述N为大于或者等于3的整数；所述谐振磁场产生单元包括谐振回路和根据处理器提供的控制信号给谐振回路提供方波信号的驱动器，所述谐振回路至少包括线圈和电容。

4.根据权利要求3所述的磁力搅拌器，其特征在于，所述谐振回路为由线圈和电容组成的串联谐振回路。

5.根据权利要求4所述的磁力搅拌器，其特征在于，所述谐振回路包括依次串联连接的第一电容、线圈和第二电容。

6.根据权利要求5所述的磁力搅拌器，其特征在于，所述驱动器包括第一放大器、第二放大器、第一反相放大器、第二反相放器、第一频率合成器、第二频率合成器、第一电开关、第二电开关、第三电开关和第四电开关，其中，第一频率合成器根据处理器提供的频率控制字和第一相位控制字给第一放大器和第一反相放大器提供方波脉冲信号；第一放大器的输出端连接于第一电开关的控制端，第一电开关的第一端连接于电源，第二端连接于第二电开关的第一端，同时连接于谐振回路的第一信号输入端；第一反相放大器的输出端连接于第二电开关的控制端，第二电开关的第二端连接于地；第二反相放大器的输出端连接于第三电开关的控制端，第三电开关的第一端连接于电源，第二端连接于第四电开关的第一端，同时连接于谐振回路的第二信号输入端；第二放大器的输出端连接于第四电开关的控制端，第四电开关的第二端连接于地。

7.根据权利要求6所述的磁力搅拌器，其特征在于，还包括环形线圈支架，将N个谐振磁场产生单元中的线圈均匀布置在环形线圈支架上。

8.根据权利要求7所述的磁力搅拌器，其特征在于，还包括外壳，所述外壳为环形外壳，环形支架设置在外壳内，使用时，使沉淀步骤和黄钾铁矾溶解步骤所使用的容器置于磁力搅拌器所产生的旋转磁场内。