CN110482808A - 电絮凝耦合电沉积强化污泥浓缩并同步脱除重金属的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电絮凝耦合电沉积强化污泥浓缩并同步脱除重金属的方法，即高含水率及含重金属的污泥通过电沉积和电絮凝的作用进行浓缩和重金属的去除，在阴极电极、阳极电极的作用下，电沉积过程中重金属在电场作用下于阴极电极发生电沉积，电絮凝过程中阳极电极材料失去电子并且在阳极区域产生带有絮凝作用的絮凝基团，进而在吸附架桥等的作用下与污泥凝聚沉淀，实现水与污泥更好的分离，在电絮凝进行的同时阴极区域进行电解制氢，将氢收集并供给燃料电池发电；最终得到含水率低且无害化的污泥，更好的实现其资源化利用。
Description
技术领域
本发明涉及污泥处理技术领域，尤其涉及一种电絮凝耦合电沉积强化污泥浓缩并同步脱除重金属的方法和装置。
背景技术
污泥的处置和利用越来越引起人们的关注，因为污泥中含有丰富的氮、磷、钾和有机质等，可作为良好的植物养分原料和土壤物理性状改良剂，农业以及园林绿化利用污泥是一种最为经济可行和最有前景的处置方法，深受世界各国重视。但目前世界各国污泥的利用率不高，一方面是因为污泥中的重金属含量超标，另一方面是因为污泥含水率太高。我国污水处理厂产生的污泥中重金属含量较高，特别是污泥中铅、锌、铜、锰等重金属元素常常超标；统计结果表明：我国城市污泥重金属污染主要以Zn和Cu为主，其它重金属含量较低；经过净化处理后的污泥含水率为97~99％。因此，解决污泥中的重金属，使污泥中的重金属含量不超标、无害化和资源化，已成为我国乃至全世界环境界广泛关注的课题之一。
重金属的不同存在形态决定了其迁移能力和生物可利用率，从而表现出不同的生物活性与毒性。对于重金属形态，目前还没有统一的定义及分类方法。一般来说，污泥中重金属的存在形态可分为：①可交换态；②碳酸盐结合态；③铁锰氧化物结合态；④硫化物及有机结合态；⑤残渣态等。可交换态属于有效的且容易被作物吸收利用，称为可利用态；碳酸盐结合态是指与碳酸盐结合的重金属；铁锰结合态是指与铁锰结合的重金属离子，它们之间有很强的结合能力；硫化物及有机结合态是指与硫结合的重金属和与有机物形成络合物的重金属离子；残渣态是指已提取上述四个组分后以层状硅酸盐形态存在的重金属离子，其中可交换态和有机结合态重金属的生物有效性较高，而其它的生物有效性低；因此如何降低可交换态和有机结合态重金属的生物有效性是处理污泥中的重金属的关键所在。
现有处理污泥中重金属的方法主要有：化学法、微生物淋滤法、电动修复法、植物修复法、联合技术法等；化学法、生物法、植物修复法的缺点在于：从污泥中去除重金属不仅需要大量的财力、物力，而且面对每年上百吨的污泥采取这种方法显然是不实际的，而那些吸收富集了重金属的植物，也存在着难以进一步处理，并可能会造成二次污染问题；电动修复法每次处理的污泥量有限，处理成本比较高，一般与其他技术联用。
污泥浓缩的方法有：重力浓缩、气浮浓缩与机械浓缩等；其中重力浓缩是目前最常用的污泥浓缩方法，它本质上是一种沉淀工艺，污泥在池内停留时间一般大于12小时，虽然其工艺技术、构造和运行管理简单，但占地面积大、卫生条件差；气浮浓缩适用于相对密度接近1的疏水性物质，如好氧消化活性污泥，但不适用于初沉污泥等相对密度较大的污泥；机械浓缩主要有离心浓缩、带式或板式压滤，但其投资大，运行与维修的费用高。
因此，需要一种能够强化污泥浓缩并有效脱除污泥中的重金属的方法，进而实现污泥的资源化利用。
发明内容
针对现有污泥浓缩技术和处理污泥中重金属技术的局限性，即现有的污泥浓缩及去除重金属时效率低，起效慢的问题，本发明提供了一种电絮凝耦合电沉积强化污泥浓缩并同步脱除重金属的方法，即高含水率及含重金属的污泥通过电沉积、电絮凝的作用进行浓缩和重金属的去除，在阴极电极、阳极电极的作用下，电沉积过程中重金属在电场作用下于阴极电极发生电沉积，电絮凝过程中阳极电极材料失去电子并且在阳极区域产生带有絮凝作用的絮凝基团，进而在吸附架桥等的作用下与污泥凝聚沉淀，实现水与污泥更好的分离，在电絮凝进行的同时阴极区域进行电解制氢，将氢收集并供给燃料电池发电；最终得到含水率低且无害化的污泥，更好的实现其资源化利用；具体包括以下步骤：
（1）电沉积过程：将含水率97~99%及含重金属的污泥通入反应器，在搅拌、pH3~4.5条件下，通过电极对污泥施加电场，污泥中重金属在电场作用下往阴电极迁移，并沉积在阴电极上；经处理后污泥中锌、铜总的去除率达到90%以上；
（2）电絮凝及电解制氢过程：电絮凝及电解制氢过程：电沉积处理后的污泥输入到电絮凝池中，在搅拌、pH3~4.5条件下，通过电极对污泥施加电场，阳电极失去电子并且在阳极区域产生带有絮凝作用的絮凝基团，进而在吸附架桥等作用下与带负电且往阳极区域迁移的污泥凝聚成更大的基团并沉淀，实现水与污泥的分离，在电絮凝进行的同时阴极区域进行电解制氢，将氢收集并供给燃料电池发电。
所述电沉积过程中直流电压为1~15V，阳电极、阴电极均为高纯石墨电极，电极之间的间距为10~40cm；电压小于15V是为了抑制氢的析出。
所述电絮凝及电解制氢过程中直流电压为15~30V，阴电极材为高纯石墨电极，阳电极为铁或铝电极，且为消耗型电极材料；电极极距为30~60cm。
所述搅拌为间歇式搅拌，转速为0.1cm/s~2cm/s，搅拌时间为20min，停止时间为10min；主要目的是促进污泥中锌、铜等重金属迁移，进而充分将其去除。
所述电沉积过程中的阴极电极在处理过程结束后，将其取出并将电极上的重金属清除，该电极可重复使用。
所述吸附架桥等作用是指在电絮凝及电解制氢过程中的阳极材料失去电子形成的离子与HO-反应生成带正电的絮凝基团同带负电污泥凝聚沉淀时的机制。
所述污泥pH值为3~4.5，在此条件下，污泥带正负荷；在电场作用下，污泥往阳极区域迁移；而且在酸性条件下，金属离子的溶解度增大，避免金属离子生成沉淀；而且污泥在酸性条件下疏水性较好。
所述氢燃料电池的工作原理是：将氢气送到燃料电池的阳极板（负极），经过催化剂（铂）的作用，氢原子中的一个电子被分离出来，失去电子的氢离子（质子）穿过质子交换膜，到达燃料电池阴极板（正极），而电子是不能通过质子交换膜的，这个电子，只能经外部电路，到达燃料电池阴极板，从而在外电路中产生电流；最终为两个直流电压使用。
本发明使用电絮凝耦合电沉积实现对污泥的浓缩及污泥中重金属的去除，将污泥加入反应器后打开提供直流电压的电源及搅拌装置，电极开始运作处理污泥，具体作用分为两部分：一是电沉积过程通过电场的作用，锌、铜等重金属离子向阴极电极迁移，并沉积在电极上，最终实现重金属与污泥的分离；另一个是电絮凝及电解制氢过程中阳极电极材料失电子并在阳极区域形成带正电的絮凝基团与在电场的作用下向阳极移动的带负电污泥作用，然后在吸附架桥等的作用下与污泥凝聚沉淀，进而实现泥水分离，同时阴极区域进行电解制氢，并将氢收集。
所述电絮凝及电解制氢过程中发生的化学反应的主要反应原理如下：
阳极：H2O-2e+1/2O2+2H+
Fe-2e→Fe2+
在酸性条件下：4Fe2++O2+2H2O→4Fe3++4OH-
阴极：2H2O+2e→H2+2OH-
电极反应在阴、阳极分别产生了大量的Fe3+、OH-和H+，导致电极附近的pH相应地有所波动。在电场作用下，Fe3+、OH-和H+又将以电迁移、电渗流、扩散、水平对流等方式向阴、阳两极移动，直到两者相遇且中和，相应地pH不会受到反应影响，维持在稳定值左右。在酸性条件下，重金属离子不容易生成沉淀，从而不会影响去除效率。
本发明另一目的是提供完成上述方法的装置，其包括搅拌装置、阳电极Ⅰ、阴电极Ⅰ、进泥管、污泥泵、出泥管Ⅰ、电源、排气口、阳电极Ⅱ、阴电极Ⅱ、出水口、出泥管Ⅱ、污泥泵Ⅱ、反应池Ⅰ、反应池Ⅱ，进泥管设置在反应池Ⅰ顶部并与反应池Ⅰ连通，反应池Ⅰ内设置一对以上的阳电极Ⅰ和阴电极Ⅰ，阳电极Ⅰ和阴电极Ⅰ分别与电源的正负极连接，反应池Ⅰ通过污泥泵与出泥管Ⅰ连通，出泥管Ⅰ与反应池Ⅱ连通，反应池Ⅱ上部开有出水口、排气口，反应池Ⅱ底部的出泥管Ⅱ上设置有污泥泵Ⅱ，反应池Ⅱ内设置一对以上的阳电极Ⅱ、阴电极，阳电极Ⅱ、阴电极分别与电源的正负极连接，反应池Ⅰ、反应池Ⅱ内分别设置有一个搅拌装置。
所述搅拌装置包括搅拌杆、电机、螺桨，电机固定在反应池Ⅰ或反应池Ⅱ上，电机输出轴与搅拌杆连接且搅拌杆设置在反应池Ⅰ或反应池Ⅱ内，搅拌杆上设置有螺桨。
本发明方法及装置的优点与效果如下：
（1）本发明设备简单，占地面积小，设备维护简单，操作简单，只需改变电场的外加电压就能控制运行条件的改变，很容易实现自动化控制；
（2）本发明的反应条件稳定易控且确定，操作方便，同时通过调节电极电压，能使污泥中锌、铜总的去除率达到90%以上；
（3）本发明的电极间距设置较小，可以比较明显的降低现有技术中的电解时间，从而提高电解效率；
（4）本发明的重金属富集在阴极电极上，处理时可直接清洗电极，不易产生二次污染；
（5）本发明采用电絮凝耦合电沉积强化污泥浓缩的方法，处理后的污泥含水率为40%~60%，其浓缩效果好。
（6）本发明的耗电低，电解时间短，节省时间，浓缩效果好，重金属去除效果好，全面提高对污泥的处理效果，不会带来二次污染，便于污泥的资源化利用，安全性更高，具有广阔的市场应用前景；
（7）本发明原理清晰、结构简单、投资成本低，符合产业使用。
附图说明
图1为本发明装置结构示意图；
图中：1-阳电极Ⅰ；2-阴电极Ⅰ；3-搅拌杆；4-电机；5-进泥管；6-螺桨；7-污泥泵Ⅰ；8-出泥管Ⅰ；9-电源；10-反应池Ⅰ；11-排气口；12-阳电极Ⅱ；13-阴电极Ⅱ；14-出水口；15-出泥管Ⅱ；16-污泥泵Ⅱ；17-反应池Ⅱ。
具体实施方式
下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点会随着描述而更加清楚；但这些实施例仅是示范性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制；本领域技术人员应当理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明的技术方案的细节和形式进行修改和替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
实施例1：本实施例的处理对象为含水率99%的污泥，铜含量为400mg/kg，锌含量为3600mg/kg；具体包括以下步骤：
（1）电沉积过程：将含水率为99％及含重金属的污泥通入反应器，污泥维持较稳定pH3，并维持打开提供直流电压的电源，电极开始运作，同时打开搅拌装置，运行一段时间后，污泥中重金属在电场作用下往阴极迁移，并沉积在电极上；经处理后污泥中锌、铜总的去除率达到90%以上；
（2）电絮凝及电解制氢过程：电沉积处理后的污泥输入到电絮凝池中，在搅拌、pH3条件下，通过电极对污泥施加电场，阳极电极材料失去电子并且在阳极区域产生带有絮凝作用的絮凝基团，进而在吸附架桥等的作用下与带负电且往阳极区域迁移的污泥凝聚成更大的基团并沉淀，实现水与污泥更好的分离，经处理后的污泥含水率为50%；在电絮凝进行的同时阴极区域进行电解制氢，将氢收集并供给燃料电池发电。
电沉积中直流电压为14V，阳电极、阴电极均为高纯石墨电极，电极之间的间距为40cm；电絮凝及电解制氢过程中直流电压为21V，阴电极材为高纯石墨电极，阳电极为铁电极；电极极距为50cm；搅拌转速均为2cm/s；搅拌装置为间歇式搅拌，搅拌时间为20min，停止时间为10min；污泥初始pH值为3，因为在此条件下，污泥带正电荷；在电场作用下，污泥往阴极区域迁移；而且在酸性条件下，金属离子的溶解度增大，避免金属离子生成沉淀；而且污泥在酸性条件下疏水性较好。
如图1所示，完成上述方法的装置包括搅拌装置、阳电极Ⅰ1、阴电极Ⅰ2、进泥管5、污泥泵Ⅰ7、出泥管Ⅰ8、电源9、排气口11、阳电极Ⅱ12、阴电极Ⅱ13、出水口14、出泥管Ⅱ15、污泥泵Ⅱ16、反应池Ⅰ10、反应池Ⅱ17，进泥管5设置在反应池Ⅰ10顶部并与反应池Ⅰ10连通，反应池Ⅰ10内设置2对阳电极Ⅰ1和阴电极Ⅰ2，阳电极Ⅰ1和阴电极Ⅰ2分别与电源9的正负极连接，反应池Ⅰ10通过污泥泵Ⅰ7与出泥管Ⅰ8连通，出泥管Ⅰ8与反应池Ⅱ17连通，反应池Ⅱ17上部开有出水口14、排气口11，反应池Ⅱ17底部的出泥管Ⅱ15上设置有污泥泵Ⅱ16，反应池Ⅱ17内设置2对阳电极Ⅱ12、阴电极13，阳电极Ⅱ12、阴电极13分别与电源的正负极连接，反应池Ⅰ10、反应池Ⅱ17内分别设置有一个搅拌装置。
实施例2：本实施例的处理对象为含水率97%的污泥，铜含量为320mg/kg，锌含量为3400mg/kg；具体包括以下步骤：
（1）电沉积过程：将含水率为97％及含重金属的污泥通入反应器，污泥维持较稳定pH3.5，并维持打开提供直流电压的电源，电极开始运作，同时打开搅拌装置，运行一段时间后，污泥中重金属在电场作用下往阴极迁移，并沉积在电极上；经处理后污泥中锌、铜总的去除率达到90%以上；
（2）电絮凝及电解制氢过程：电沉积处理后的污泥输入到电絮凝池中，在搅拌、pH3.5条件下，通过电极对污泥施加电场，阳极电极材料失去电子并且在阳极区域产生带有絮凝作用的絮凝基团，进而在吸附架桥等的作用下与带负电且往阳极区域迁移的污泥凝聚成更大的基团并沉淀，实现水与污泥更好的分离，经处理后的污泥含水率为55%；在电絮凝进行的同时阴极区域进行电解制氢，将氢收集并供给燃料电池发电；
电沉积中直流电压为13V，阳电极、阴电极均为高纯石墨电极，电极之间的间距为30cm；电絮凝及电解制氢过程中直流电压为20V，阴电极材为高纯石墨电极，阳电极为铝电极；电极极距为40cm；搅拌转速均为1cm/s；搅拌装置为间歇式搅拌，搅拌时间为20min，停止时间为10min；污泥初始pH值为3.5，因为在此条件下，污泥带正电荷；在电场作用下，污泥往阴极区域迁移；而且在酸性条件下，金属离子的溶解度增大，避免金属离子生成沉淀；而且污泥在酸性条件下疏水性较好。
如图1所示，本实施例装置结构同实施例1，不同在于：搅拌装置包括搅拌杆3、电机4、螺桨6，电机4固定在反应池Ⅰ10或反应池Ⅱ17上，电机输出轴与搅拌杆连接且搅拌杆设置在反应池Ⅰ10或反应池Ⅱ17内，搅拌杆上设置有螺桨6。
Claims (6)
1.一种电絮凝耦合电沉积强化污泥浓缩并同步脱除重金属的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
（1）电沉积过程：将含水率97~99%及含重金属的污泥通入反应器，在搅拌、pH3~4.5条件下，通过电极对污泥施加电场，污泥中重金属在电场作用下往阴电极迁移，并沉积在阴电极上；经处理后污泥中锌、铜总的去除率达到90%以上；
（2）电絮凝及电解制氢过程：电沉积处理后的污泥输入到电絮凝池中，在搅拌、pH3~4.5条件下，通过电极对污泥施加电场，阳电极失去电子并且在阳极区域产生带有絮凝作用的絮凝基团，进而在吸附架桥等作用下与带负电且往阳极区域迁移的污泥凝聚成更大的基团并沉淀，实现水与污泥的分离，在电絮凝进行的同时阴极区域进行电解制氢，将氢收集并供给燃料电池发电。
2.根据权利要求1所述的电絮凝耦合电沉积强化污泥浓缩并同步脱除重金属的方法，其特征在于：电沉积中直流电压为1~15V，阳电极、阴电极均为高纯石墨电极，电极之间的间距为10~40cm。
3.根据权利要求1所述的电絮凝耦合电沉积强化污泥浓缩并同步脱除重金属的方法，其特征在于：电絮凝及电解制氢过程中直流电压为15~30V，阴电极材为高纯石墨电极，阳电极为铁或铝电极；电极极距为30~60cm。
4.根据权利要求1所述的电絮凝耦合电沉积强化污泥浓缩并同步脱除重金属的方法，其特征在于：搅拌为间歇式搅拌，转速为0.1cm/s~2cm/s，搅拌时间为20min，停止时间为10min。
5.实现权利要求1所述的电絮凝耦合电沉积强化污泥浓缩并同步脱除重金属的方法的装置，其特征在于：包括搅拌装置、阳电极Ⅰ（1）、阴电极Ⅰ（2）、进泥管（5）、污泥泵Ⅰ（7）、出泥管Ⅰ（8）、电源（9）、排气口（11）、阳电极Ⅱ（12）、阴电极Ⅱ（13）、出水口（14）、出泥管Ⅱ（15）、污泥泵Ⅱ（16）、反应池Ⅰ（10）、反应池Ⅱ（17），进泥管（5）设置在反应池Ⅰ（10）顶部并与反应池Ⅰ（10）连通，反应池Ⅰ（10）内设置一对以上的阳电极Ⅰ（1）和阴电极Ⅰ（2），阳电极Ⅰ（1）和阴电极Ⅰ（2）分别与电源（9）的正负极连接，反应池Ⅰ（10）通过污泥泵Ⅰ（7）与出泥管Ⅰ（8）连通，出泥管Ⅰ（8）与反应池Ⅱ（17）连通，反应池Ⅱ（17）上部开有出水口（14）、排气口（11），反应池Ⅱ（17）底部的出泥管Ⅱ（15）上设置有污泥泵Ⅱ（16），反应池Ⅱ（17）内设置一对以上的阳电极Ⅱ（12）、阴电极（13），阳电极Ⅱ（12）、阴电极（13）分别与电源的正负极连接，反应池Ⅰ（10）、反应池Ⅱ（17）内分别设置有一个搅拌装置。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：搅拌装置包括搅拌杆（3）、电机（4）、螺桨（6），电机（4）固定在反应池Ⅰ（10）或反应池Ⅱ（17）上，电机输出轴与搅拌杆连接且搅拌杆设置在反应池Ⅰ（10）或反应池Ⅱ（17）内，搅拌杆上设置有螺桨（6）。
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