CN112047588A - 一种磁化电动法去除城市污泥中重金属的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种磁化电动法去除城市污泥中重金属的方法。包括如下步骤：向含水率为70‑85％的城市污泥，添加柠檬酸搅拌预处理；测量预处理后的污泥pH，调节预处理后的污泥的pH值为3‑4；将调节完pH的污泥放入阳极室中，将电解液放入阴极室中；将阳极插入阳极室，阴极插入阴极室，外接电源提供20‑40V电压；通过磁铁提供稳定磁场，磁场强度大于7mT，放置2‑6h，期间需循环阴极室内的电解液，污泥中的重金属阳离子在电场和磁场的作用下富集到阴极，达到去除的作用。我国绝大部分城市污泥中锌、铬和铜三种金属元素含量最高，本发明对城市污泥中的锌、铜和铬均有着较高的去除能力，增加的磁场可有效改善传统电修复法的弊端。
Description
技术领域
本发明涉及污水处理领域，具体涉及一种磁化电动法去除城市污泥中重金属的方法。
背景技术
随着城市化与工业化的快速发展，所产生的城市生活污水与工业废水愈来愈多。而我国城镇污水处理厂大多是采用活性污泥法处理工艺，污水处理后产生的污泥量巨大。城市污水处理厂产生的剩余污泥多是胶状结构且高度亲水，剩余污泥成分结构复杂，若处理不当，会对水源和大气造成严重的二次污染，对环境造成长久且难以修复的破坏。近年来，国家对环保日益重视，污泥处理标准愈来愈严格，污泥产量居高不下，因而，污泥处理已成为当今研究的重点课题。
污泥中除了大量的有机质和营养元素外，还含有重金属等有毒有害物质，我国绝大部分地区的城市污泥中含量最高的重金属为锌、铜和铬。由于重金属溶解度高、毒性大、不稳定、难以控制等特点，使得污泥处理具有很大的困难。近年来，我国的大面积土地都存在重金属污染问题，对农业、畜牧业等都造成了巨大的损失。重金属元素还会通过食物链富集到动植物及人类体内，对人类生命健康造成威胁。重金属一旦进入到土壤就难以去除，甚至可能危害地下水的安全，造成更大的危害。因此处理城市污泥中的重金属可以防止重金属污染土壤，并有利于污泥的进一步利用。
发明内容
本发明目的是为了克服上述污泥中重金属的危害，防止污泥中重金属对环境造成污染，提供一种磁化电动法去除城市污泥中重金属的方法。对我国绝大部分地区的城市污泥中含量较高的锌、铜和铬均有着较好的处理效果。本发明在传统电动修复法上进行改善，通过添加柠檬酸进行预处理既可以降低污泥的pH，使更多的重金属离子溶出，也可以与重金属络合，提高处理效果。通过添加磁场的方式使得污泥中的重金属受到洛伦兹力，更快的富集到阴极板上。本发明方法操作简单，处理效果好。
为实现本发明目的，本发明采用的技术方案为：一种磁化电动法去除城市污泥中重金属的方法，包括如下步骤：
1)预处理：向含水率为70-85％的城市污泥中加入柠檬酸进行搅拌；
2)测量预处理后的污泥的pH，调节预处理后的污泥的pH值为3-4；
3)将调节完pH的污泥放入阳极室中，将电解液放入阴极室中；将阳极插入阳极室，阴极插入阴极室，外接电源，提供20-40V电压；
4)提供稳定的磁场，磁场的强度大于7mT，放置2-6h。
进一步的，上述的方法，步骤1)中，1kg污泥中加入70-80g柠檬酸。
进一步的，上述的方法，步骤1)中，搅拌预处理时间为24h。
进一步的，上述的方法，步骤2)中，调节污泥的pH为3。
进一步的，上述的方法，步骤3)中，所述电解液为0.05mol/L的NaCl溶液。
进一步的，上述的方法，步骤3)中，提供的电压为30V。
进一步的，上述的方法，步骤4)中，提供的磁场为垂直磁场。
进一步的，上述的方法，步骤4)中，磁场的强度大于9mT。
进一步的，上述的方法，步骤4)中，放置时需循环阴极室中的电解液。
进一步的，上述的方法，步骤4)中，放置的时间为5h。
本发明的有益效果是：本发明的方法可以防止污泥对环境造成污染，处理后的污泥可以用于农田，不污染环境。磁场和电场联合去除污泥中的重金属，比单独的电动力法电流大，重金属去除率高，去除速度快，且能耗降低。本发明的方法过程易于控制，操作简单，处理效果好。
附图说明
图1是本发明方法中污泥初始pH对污泥中Zn、Cu和Cr去除率的影响。
图2是本发明方法中是否循环阴极电解液对污泥中Zn、Cu和Cr去除率的影响。
图3是本发明方法中电压对污泥中Zn、Cu和Cr去除率的影响。
图4是本发明方法中磁场强度对污泥中Zn、Cu和Cr去除率的影响。
图5是本发明方法中放置时间对污泥中Zn、Cu和Cr去除率的影响。
图6是本发明实验装置图。
具体实施方式
下面结合具体实施例来进一步描述本发明。
以下实施例以沈阳市某污水处理厂城市污泥为例进行说明。污泥中，含水率为80.36％，pH值为8，锌Zn含量1492.21mg/kg，铜Cu含量328.36mg/kg，铬Cr含量115.23mg/kg。
实验装置如图6所示，反应器由阳极室1和阴极室2构成，阳极室1和阴极室2之间通过阳离子交换膜隔开，在反应器两端设置的永磁铁向反应器内提供垂直磁场，电解液储备箱3通过蠕动泵4和管道与阴极室2联通。阳极置于阳极室1内，阴极置于阴极室2内。电解液储备箱3中存储0.05mol/L的NaCl电解液。
实施例1
一种磁化电动法去除城市污泥中重金属的方法，包括如下步骤：
1)预处理：向含水率为80.36％的城市污泥中，按每1kg污泥加入约75g柠檬酸，搅拌预处理24h；
2)测量预处理后的污泥的pH，用0.1mol/L NaOH和0.1mol/L HCl调节污泥的初始pH至3-4；
3)将调节完pH的污泥放入阳极室中，将0.05mol/L的NaCl电解液放入阴极室中；将由石墨构成的阳极插入阳极室内的污泥中，将由石墨构成的阴极插入阴极室内的电解液中；
4)通过永磁铁向反应器内提供一个强度为9mT的垂直磁场；
5)外接电源，提供30V稳定电压，将反应器放置5h，期间通过蠕动泵4和管道在阴极室2和电解液储备箱3之间缓慢循环阴极室内的电解液；
6)反应结束后测量污泥中Zn、Cu和Cr的含量，经计算Zn去除率为95.86％，Cu去除率为88.87％，Cr去除率为92.21％。
实施例2
初始pH值对污泥中重金属去除率的影响，方法如下：
1)预处理：向含水率为80.36％的城市污泥中，按每1kg污泥加入约75g柠檬酸，搅拌预处理24h；
2)测量预处理后的污泥的pH，用0.1mol/L NaOH和0.1mol/L HCl分别调节污泥的初始pH为3、4、5、6、7；
3)将调节完pH的污泥放入阳极室中，将0.05mol/L的NaCl电解液放入阴极室中；将由石墨构成的阳极插入阳极室的污泥中，将由石墨构成的阴极插入阴极室的电解液中；
4)通过永磁铁提供一个强度为9mT的垂直磁场；
5)外接电源，提供30V稳定电压，将反应器放置5h，期间通过蠕动泵4和管道在阴极室2和电解液储备箱3之间缓慢循环阴极室内的电解液；
6)反应结束后测量污泥中Zn、Cu和Cr的含量。
图1为污泥初始pH对污泥中Zn、Cu和Cr去除率的影响。如图1可见，当初始pH越小时，Zn、Cu和Cr的去除率越大，当初始pH＝3时，Zn的去除率为73.86％，Cu的去除率为66.98％，Cr的去除率为70.32％。随着pH值升高，当pH>5时，Zn、Cu和Cr的去除率明显下降。这主要是因为污泥的酸性越强，污泥中的重金属离子浓度越高，在电场和磁场的作用下富集到阴极的金属离子就越多，去除率就越高。
虽然初始pH越低越有利于污泥中重金属的去除，但酸性过高的污泥无法后续利用，增加了后续的处理成本。而且根据《城镇污水处理厂污泥处置土地改良用泥质》的要求，污泥的pH值应为6.5-10。通过本方法处理的污泥pH会不断增高，初始pH在3-4之间，在处理后正好符合要求。因此初始pH在3-4最佳。
实施例3
循环阴极电解液对污泥中重金属去除率的影响，方法如下：
1)预处理：向含水率为80.36％的城市污泥中，按每1kg污泥加入约75g柠檬酸，搅拌预处理24h；
2)测量预处理后的污泥的pH，用0.1mol/L NaOH和0.1mol/L HCl调节污泥的初始pH为4；
3)将调节完pH的污泥放入阳极室中，将0.05mol/L的NaCl电解液放入阴极室中；将由石墨构成的阳极插入阳极室的污泥中，将由石墨构成的阴极插入阴极室的电解液中；
4)通过永磁铁提供一个强度为7mT的垂直磁场；
5)外接电源，提供20V稳定电压，将反应器放置5h，期间通过蠕动泵4和管道在阴极室2和电解液储备箱3之间缓慢循环阴极室内的电解液；
同时作对比试验，阴极电解液不循环下将反应器放置5h。
6)反应结束后测量污泥中Zn、Cu和Cr的含量。
图2为是否循环阴极电解液对污泥中Zn、Cu和Cr去除率的影响，如图2所示，循环阴极电解液比不循环阴极电解液对污泥中Zn、Cu和Cr的去除率有显著提升。采用循环阴极电解液时，反应5h，Zn的去除率为73.26％，Cu的去除率为63.08％，Cr的去除率为66.21％。
电解过程中，阴极发生电解水反应，产生大量的OH-，阴极附近的pH快速上升，不利于重金属的去除。循环阴极电解液可有效控制阴极液pH，提高重金属的去除率。
实施例4
电压对污泥中重金属去除率的影响，方法如下：
1)预处理：向含水率为80.36％的城市污泥中，按每1kg污泥加入约75g柠檬酸，搅拌预处理24h；
2)测量预处理后的污泥的pH，用0.1mol/L NaOH和0.1mol/L HCl调节污泥的初始pH为4；
3)将调节完pH的污泥放入阳极室中，将0.05mol/L的NaCl电解液放入阴极室中；将由石墨构成的阳极插入阳极室内的污泥中，将由石墨构成的阴极插入阴极室内的电解液中；
4)通过永磁铁提供一个强度为7mT的垂直磁场；
5)外接电源，分别提供20V、25V、30V、35V和40V稳定电压，将反应器放置5h，期间通过蠕动泵4和管道在阴极室2和电解液储备箱3之间缓慢循环阴极室内的电解液；
6)反应结束后测量污泥中Zn、Cu和Cr的含量
图3是电压对污泥中Zn、Cu和Cr去除率的影响。如图3所示，当电压<30V时，随着电压的增高，污泥中Zn、Cu和Cr的去除率不断升高，在达到30V后已达到最大，继续增大电压无法提高去除率。这是因为电压越高，电迁移效率越大，污泥中重金属的去除率越高，此外，重金属在高电压下更易由稳定态转化为非稳定态，更便于去除。当电压＝30V时，Zn的去除率为81.51％，Cu的去除率为76.32％，Cr的去除率为79.33％。
实施例5
磁场强度对污泥中重金属去除率的影响，方法如下：
1)预处理：向含水率为80.36％的城市污泥中，按每1kg污泥加入约75g柠檬酸，搅拌预处理24h；
2)测量预处理后的污泥的pH，用0.1mol/L NaOH和0.1mol/L HCl调节污泥的初始pH为4；
3)将调节完pH的污泥放入阳极室中，将0.05mol/L的NaCl电解液放入阴极室中；将由石墨构成的阳极插入阳极室内的污泥中，将由石墨构成的阴极插入阴极室内的电解液中；
4)通过永磁铁，分别提供6mT、7mT、8mT、9mT、10mT垂直磁场；
5)外接电源，提供30V稳定电压，将反应器放置5h，期间通过蠕动泵4和管道在阴极室2和电解液储备箱3之间缓慢循环阴极室内的电解液；
6)反应结束后测量污泥中Zn、Cu和Cr的含量
图4是不同磁场强度对污泥中Zn、Cu和Cr去除率的影响。如图4所示，当磁场强度<9mT时，随着磁场强度的增大，Zn、Cu和Cr的去除率快速增长。当磁场强度>9mT时，增长速率明显下降。在电动修复装置外增加磁场可以提高电流密度和重金属迁移速率，有效解决常规电动力法的不足。随着磁场强度的增大，污泥中带电粒子所受洛伦兹力越大，促使重金属向极板运动。当磁场强度达到9mT时，Zn的去除率为95.86％，Cu的去除率为88.87％，Cr的去除率为92.21％，可以基本满足去除污泥中重金属的要求。
实施例6
时间对污泥中重金属去除率的影响，方法如下：
1)预处理：向含水率为80.36％的城市污泥中，按每1kg污泥加入约75g柠檬酸，搅拌预处理24h；
2)测量预处理后的污泥的pH，用0.1mol/L NaOH和0.1mol/L HCl调节污泥的初始pH为4；
3)将调节完pH的污泥放入阳极室中，将0.05mol/L的NaCl电解液放入阴极室中；将由石墨构成的阳极插入阳极室内的污泥中，将由石墨构成的阴极插入阴极室内的电解液中，外接电源；
4)通过永磁铁，提供9mT垂直磁场；
5)外接电源提供20V稳定电压，将反应器分别放置2h、3h、4h、5h和6h，期间通过蠕动泵4和管道在阴极室2和电解液储备箱3之间缓慢循环阴极室内的电解液；
6)反应结束后测量污泥中Zn、Cu和Cr的含量
图5是放置时间对污泥中Zn、Cu和Cr去除率的影响。如图5所示，当反应时间<5h时，随着时间的增长，污泥中Zn、Cu和Cr的去除率快速增长。当时间到达5h后，去除率达到最大，继续增长时间对Zn、Cu和Cr去除率影响不大。
污泥中重金属离子的溶出和迁移都需要时间，时间越长，从污泥中溶出并富集到阴极板上的重金属就越多。当时间达到5h后，污泥中的大部分重金属离子已溶出并富集到阴极板上，且随着时间的增长，污泥会逐渐裂化为絮状物，影响电流，最终重金属的溶出和迁移会停止。当反应时间为5h时，Zn的去除率为95.86％，Cu的去除率为92.21％，Cr的去除率为88.87％。
Claims (10)
1.一种磁化电动法去除城市污泥中重金属的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)预处理：向含水率为70-85％的城市污泥中加入柠檬酸进行搅拌；
2)测量预处理后的污泥的pH，调节预处理后的污泥的pH值为3-4；
3)将调节完pH的污泥放入阳极室中，将电解液放入阴极室中；将阳极插入阳极室，阴极插入阴极室，外接电源，提供20-40V电压；
4)提供稳定的磁场，磁场的强度大于7mT，放置2-6h。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中，1kg污泥中加入70-80g柠檬酸。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中，搅拌预处理时间为24h。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中，调节预处理后的污泥的pH为3。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)中，所述电解液为0.05mol/L的NaCl溶液。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)中，提供的电压为30V。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4)中，提供的磁场为垂直磁场。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4)中，磁场的强度大于9mT。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4)中，放置时需循环阴极室中的电解液。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4)中，放置的时间为5h。
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| JPH0871597A (ja) * | 1994-09-06 | 1996-03-19 | Ishigaki Mech Ind Co | 汚泥中の有害金属の分離方法 |
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-
2020
- 2020-09-02 CN CN202010906564.7A patent/CN112047588A/zh active Pending
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