CN109879558A - 一种电渗法去除污泥中重金属离子的装置及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电渗法去除污泥中重金属离子的装置及使用方法，该装置包括直流电源、阴极和阳极、圆柱形盛土槽以及设置于圆柱形盛土槽上部的竖向传压加载装置，在所述的圆柱形盛土槽的外侧设置有一层用于储存阳极缓冲溶液的环形阳极空腔，在上述环形阳极空腔以及圆柱形盛土槽的外壁内侧均设置有环状的阳极电极网作为阳极，在所述的圆柱形盛土槽的中心设置有用于储存阴极缓冲溶液的圆柱形阴极空腔并在阴极空腔的中心设置有阴极电极棒作为阴极；所述圆柱形盛土槽的内壁和外壁均采用带孔的有机玻璃材料；本发明通过施加环向电场联合竖向施加荷载的方式，减小了重金属离子迁移的距离，可以降低电势损耗，提高重金属离子的去除率。
Description
技术领域
本发明涉及污泥处理和环境保护技术领域，具体涉及一种电渗法去除污泥中重金属离子的装置及使用方法。
背景技术
在城市污水和工业废水处理过程中，产生的污泥量约占总处理量的0.3%~0.55(以含水率97%计)。污泥成分复杂，含有病原微生物、寄生虫卵及重金属等，必须进行适当地处理，才能避免对周围环境造成二次污染。目前大量未稳定处理的污泥已成为污水处理厂的沉重负担，如何将产量巨大、成分复杂的污泥进行安全地处理，使其无害化、减量化、资源化，已成为深受关注的重大课题。
在现有技术中，去除污泥中重金属方法主要有：（1）焚烧，焚烧法处理污泥，可分解污泥中的有毒有害成分，使重金属富集，但容易造成二次污染；（2）植物修复法，在受重金属污染的污泥上种植植物，让重金属富集到植物中，再收割植物进行焚烧。这种方法周期太长，同样会造成二次污染；（3）建材利用，无机矿物是污泥最主要的组成成分，因此可以对污泥进行处理，使其作为原材料制造各种建筑材料；（4）填埋，对污泥进行一定的固化脱水处理，把含水率降低到60%之后送到垃圾填埋场，但容易引起一些问题，如引起滑坡，堵塞排水排气管道等。
电渗修复是一种有效去除污泥中重金属离子、固化污泥的方法，它具有去除效率高，处理周期短，没有二次污染，易于回收重金属等优点。与此同时，电渗法也存在一些问题，比如随着电渗的进行，土体的电导率会下降，与阳极接触的试样内部容易产生气泡，增大电压降，影响重金属离子的去除效果。此外，如何对电渗修复后的污泥进行排水固结处理，改善其力学特性，使其能够资源化利用仍是目前尚未解决的问题。
发明内容
针对现有技术不足，本发明提供了一种利用电渗法高效去除污泥中重金属离子的装置及装置的使用方法。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：
一种电渗法去除污泥中重金属离子的装置，以工作台作为基础，包括设置于基础上的圆柱形盛土槽、竖向传压加载装置、阳极、阴极、直流电源、位移计、蠕动泵等，所述竖向传压加载装置包括竖向加载装置、传压杆、传压板和加压平台。污泥置于圆柱形盛土槽内，其上部依次放置滤纸、传压板，传压板通过传压杆以及加压平台与竖向加载装置连接。在圆柱形盛土槽的外侧设置一层环形的阳极空腔，用于储存阳极缓冲溶液，在圆柱形盛土槽和环形阳极空腔的外壁内侧均设置环状的阳极电极网作为阳极；在圆柱形盛土槽的中心设置一个细长的圆柱形阴极空腔，用于储存阴极缓冲溶液，阴极电极棒作为阴极设置在圆柱形阴极空腔的中心，通电后的环状的阳极电极网与阴极电极棒之间形成环向电场。圆柱形盛土槽的内壁和外壁均采用带孔的有机玻璃材料，且内外两侧都贴附一层滤纸，防止试样堵塞排水孔。
进一步地，所述的圆柱形盛土槽是由两块半圆柱形有机玻璃腔室拼接而成的，两部分拼接处通过凹凸连接，凹槽内嵌有可变形的橡胶条，用于密封，防止漏水；通过螺栓将两块半圆柱形有机玻璃腔室连接为一个整体。
进一步地，所述的阳极为贴附于圆柱形盛土槽和环形阳极空腔外壁内侧的环状钛电极网，所述的阴极为一根钛金属电极棒。
进一步地，所述的蠕动泵包括阴极蠕动泵和阳极蠕动泵，阴极蠕动泵能够给圆柱形阴极空腔补充阴极缓冲溶液，而阴极空腔可以持续地向盛土槽中的污泥输送缓冲溶液，阴极空腔内多余的缓冲溶液以及含有重金属离子的废液可以通过圆柱形阴极空腔上部设置的溢流口由导管排出至外界；所述的阳极蠕动泵能够给环形阳极空腔补充阳极缓冲溶液，阳极空腔可以向盛土槽的污泥输送缓冲溶液；环形阳极空腔内多余的缓冲溶液可以通过环形阳极空腔上部设置的溢流口由导管排出。
进一步地，所述的位移计设置于加压平台上，可以测量电渗去除重金属离子过程及排水固结过程中的土体沉降。
进一步地，所述的传压板是一个外径与盛土槽的外壁内径相同，内径与盛土槽的内壁外径相同的圆筒状高强度材料板。传压板上部连接有四根传压杆，以传压板的圆心为中心环向等距分布，传压杆上部设置加压平台，加压平台与竖向加载装置连接。传压板、传压杆、加压平台围成的环向空间可为加压平台的竖向沉降提供空间，便于为圆柱形盛土槽内的污泥试样加载。
一种电渗法去除污泥中重金属离子的装置的使用方法，其包括以下步骤：
步骤一：将圆柱形盛土槽的两块半圆柱形有机玻璃腔室通过凹凸连接，凹槽内嵌上可变形的橡胶条使其密封，再由环形空腔外侧的螺栓连接成一个整体，固定在工作台上；
步骤二：在圆柱形盛土槽的底部放置一张圆形滤纸，之后将污泥试样分层加入盛土槽中，振捣，排除污泥中的气泡，使污泥试样密实，在污泥试样上方依次放置一张圆形滤纸、传压板；
步骤三：将竖向加载装置置于传压板正上方，使传压板与盛土槽中的污泥试样紧密接触，调整位移计刻度至零，之后对污泥试样施加设定的竖向荷载；
步骤四：在环形阳极空腔及圆柱形阴极空腔内分别注入相应的缓冲液，将蠕动泵、阴、阳极空腔以及盛有缓冲溶液的容器通过软管连接，直流电源正极与设置于环形阳极空腔外壁内侧的阳极电极网相连，负极与阴极电极棒相连，打开直流电源，输入预定的电压值，启动蠕动泵并调试好设定的功率，开始电渗去除重金属离子的实验；
步骤五：电渗去除重金属离子实验结束后关闭蠕动泵、直流电源，打开排水阀，排出阳极腔的缓冲液；
步骤六：将直流电源正极与设置于圆柱形盛土槽的外壁内侧的阳极电极网相连，打开直流电源，输入预定的电压值，同时增大竖向荷载，对重金属处理达标的污泥进行电渗联合竖向加载排水固结处理。
本发明的电渗法去除污泥中重金属离子的装置所具备的优点为：
1. 本发明装置通过施加环向电场，联合施加竖向荷载的方式，与传统的施加竖向或者横向电场相比，相同污泥体积条件下，减少了离子迁移的距离，可以降低电势损耗，提高重金属离子的去除率；
2. 本发明在电渗过程中施加一定的竖向荷载，有利于排出阳极附近试样内部的气泡，保证试样与阳极空腔的良好接触，降低电压降，益于提高重金属离子的去除效果；
3.本发明装置是由两块半圆柱形空腔通过螺栓拼接而成的，方便装置的组装以及拆样，能有效地避免对土体造成扰动；
4.本发明装置既能很好地去除污泥中的重金属离子，还能对处理达标的污泥进行有效的排水固结，便于污泥的资源化利用。
附图说明
图1为本发明的剖面结构示意图；
图2为本发明的圆柱形盛土槽和环形空腔的平面结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。以下实例用于进一步说明本发明，但不应理解为对本发明的限制，若未特别指明，实例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常用手段。
如图1、2所示，一种电渗法去除污泥中重金属离子的装置，其以工作台4作为基础，包括设置于基础上的圆柱形盛土槽14、环形阳极空腔11、圆柱形阴极空腔10、竖向加载装置23、直流电源1、阳极2和28、阴极3、传压杆7、传压板5、位移计6、蠕动泵8和9；环形阳极空腔11用于存储阳极缓冲溶液、圆柱形阴极空腔10用于存储阴极缓冲溶液；污泥置于圆柱形盛土槽14内，其上部依次放置有滤纸、传压板5，传压板5通过传压杆7以及加压平台26与竖向加载装置23相连；阳极电极网2设置于环形阳极空腔11外壁内侧，阳极电极网28设置于圆柱形盛土槽14外壁内侧；阴极电极棒3设置于圆柱形阴极空腔10的中心；圆柱形盛土槽14的内壁24和外壁25均采用带孔的有机玻璃材料。
所述的盛土槽14是由两块半圆柱形有机玻璃空腔拼接而成的，两部分拼接处通过凹凸连接，凹槽内嵌有可变形的橡胶条19，使其密封，防止漏水；通过螺栓13将两部分连接为一个整体。
所述的阳极2为贴附于环形阳极空腔11外壁内侧的环状钛电极网，所述的阳极28为贴附于圆柱形盛土槽14外壁内侧的环形钛电极网，所述的阴极3为一根钛金属电极棒。
所述的蠕动泵8能够给圆柱形阴极空腔10补充缓冲溶液，而阴极空腔10可以持续地向盛土槽14中的污泥试样输送缓冲溶液，圆柱形阴极空腔10内多余的缓冲溶液以及含有重金属离子的废液可以通过溢流口16由导管排出；蠕动泵9能够给环形阳极空腔11补充缓冲溶液，阳极空腔11可以向盛土槽14的污泥试样输送缓冲溶液；环形阳极空腔11内多余的缓冲溶液可以通过溢流口15由导管排出。
所述的位移计6设置于加压平台26上，可以测量电渗去除重金属离子过程及排水固结过程中的土体沉降。
所述的传压板5是一个外径与盛土槽14的外壁25内径相同，内径与盛土槽14的内壁24外径相同的圆筒状高强度材料板。传压板5上部连接有四根传压杆7，以传压板5的圆心为中心环向等距分布，传压杆7上部设置加压平台26，加压平台26与竖向加载装置23连接。传压板5、传压杆7、加压平台26围成的环向空间可为加压平台26的竖向沉降提供空间，便于为圆柱形盛土槽14内的污泥试样加载。
本发明的一种电渗法去除污泥中重金属离子的装置的使用方法，包括以下步骤：将盛土槽14的两块半圆柱形有机玻璃空腔通过凹凸连接，凹槽内嵌上可变形的橡胶条19使其密封，再由环形空腔外侧的螺栓连接成一个整体，固定在工作台4上；在盛土槽14的底部放置一张圆形滤纸，之后将污泥分层加入盛土槽14中，振捣，排除污泥中的气泡，使污泥试样密实；在污泥试样上方依次放置一张圆形滤纸、传压板5，将竖向加载装置23置于传压板5正上方，使传压板5与盛土槽14中的污泥试样紧密接触；调整位移计6刻度至零，之后对污泥试样施加设定的竖向荷载；在圆柱形阴极空腔中注入阴极缓冲液，环形阳极空腔中注入阳极缓冲液，将蠕动泵、阴极空腔、阳极空腔以及盛有缓冲溶液的容器按图1所示连接方式通过软管连接；直流电源正极与阳极电极网2相连，负极与阴极电极棒3相连，打开直流电源，输入预定的电压值，启动蠕动泵8、9并调试好设定的功率，开始电渗去除重金属离子；电渗去除重金属离子结束后关闭蠕动泵8和9、直流电源1，打开排水阀27，排出阳极腔11的缓冲液；将直流电源正极与阳极电极网28相连，打开直流电源1，输入预定的电压值，同时增大竖向荷载，对重金属处理达标的污泥进行电渗联合竖向加载排水固结处理。
Claims (10)
1.一种电渗法去除污泥中重金属离子的装置，其特征在于：包括直流电源、与直流电源连接的阴极和阳极、用于盛装污泥的圆柱形盛土槽以及设置于圆柱形盛土槽上部的用于施加竖向荷载的竖向传压加载装置，在所述的圆柱形盛土槽的外侧设置有一层用于储存阳极缓冲溶液的环形阳极空腔，在上述环形阳极空腔以及圆柱形盛土槽的外壁内侧均设置有环状的阳极电极网作为阳极，在所述的圆柱形盛土槽的中心设置有用于储存阴极缓冲溶液的圆柱形阴极空腔，在所述圆柱形阴极空腔的中心设置有阴极电极棒作为阴极，通电后的环状的阳极电极网与阴极电极棒之间形成环向电场；所述圆柱形盛土槽的内壁和外壁均采用带孔的有机玻璃材料。
2.根据权利要求1所述的一种电渗法去除污泥中重金属离子的装置，其特征在于：所述的圆柱形盛土槽由两块半圆柱形有机玻璃腔室通过螺栓拼固而成，两部分拼接处通过凹凸连接，凹槽内嵌有可变形的橡胶条。
3.根据权利要求1所述的一种电渗法去除污泥中重金属离子的装置，其特征在于：所述的阳极包括贴附于环形阳极空腔外壁内侧的环形钛电极网以及贴附于圆柱形盛土槽外壁内侧的环形钛电极网，所述的阴极为设置于圆柱形阴极空腔中心的钛金属电极棒。
4.根据权利要求1所述的一种电渗法去除污泥中重金属离子的装置，其特征在于：还包括分别与环形阳极空腔及圆柱形阴极空腔管接的蠕动泵，用于为环形阳极空腔及圆柱形阴极空腔内补充缓冲溶液。
5.根据权利要求1或4所述的一种电渗法去除污泥中重金属离子的装置，其特征在于：所述的环形阳极空腔及圆柱形阴极空腔上部均设置有溢流口，溢流口通过导管与外界连通；所述的环形阳极空腔底部设置有排水阀。
6.根据权利要求1所述的一种电渗法去除污泥中重金属离子的装置，其特征在于：所述的竖向传压加载装置设置于圆柱形盛土槽上部，其包括竖向加载装置、传压杆、传压板以及加压平台，所述传压板设置在竖向传压加载装置的最底部、圆柱形盛土槽内污泥上部，所述传压板通过传压杆以及加压平台与竖向加载装置连接。
7.根据权利要求6所述的一种电渗法去除污泥中重金属离子的装置，其特征在于：所述的传压板上部连接有以传压板的圆心为中心环向等距分布的四根传压杆，传压杆上部设置加压平台，加压平台与竖向加载装置连接。
8.根据权利要求6或7所述的一种电渗法去除污泥中重金属离子的装置，其特征在于：所述的传压板为外径与圆柱形盛土槽的外壁内径相同、内径与圆柱形盛土槽的内壁外径相同的圆筒状高强度材料板。
9.根据权利要求1所述的一种电渗法去除污泥中重金属离子的装置，其特征在于：还包括位移计，所述的位移计设置于加压平台上。
10.一种如权利要求1~9任一项所述的电渗法去除污泥中重金属离子的装置的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）将圆柱形盛土槽的两块半圆柱形有机玻璃腔室以凹凸连接的方式连接，凹槽内嵌上可变形的橡胶条使其密封，再由螺栓连接成一个整体，固定在基础上；
（2）在圆柱形盛土槽的底部放置一张圆形滤纸，之后将污泥分层加入圆柱形盛土槽中，振捣，排除污泥中的气泡，使污泥试样密实，在污泥试样上方依次放置一张圆形滤纸、传压板，传压板通过传压杆以及加压平台与竖向加载装置连接；
（3）调整位移计刻度至零，之后对污泥试样施加设定的竖向荷载；
（4）在圆柱形阴极空腔中注入阴极缓冲液，环形阳极空腔中注入阳极缓冲液，将蠕动泵的接入管连接对应的盛有缓冲溶液的容器，并分别对应的与环形阳极空腔、圆柱形阴极空腔相连，直流电源正极与设置于环形阳极空腔外壁内侧的阳极电极网相连，负极与阴极电极棒相连，打开直流电源，输入预定的电压值，启动蠕动泵并调试好设定的功率，开始去除污泥重金属离子；
（5）除重金属离子结束后关闭蠕动泵以及直流电源，打开排水阀，排出环形阳极空腔的缓冲液；
（6）将直流电源正极与设置于圆柱形盛土槽的外壁内侧的阳极电极网相连，打开直流电源，输入预定的电压值，同时增大竖向荷载，对重金属处理达标的污泥进行电渗联合竖向加载排水固结处理。
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