CN112957918A - 一种旋流电渗滤回收装置及其在处理污泥中重金属的应用 - Google Patents

一种旋流电渗滤回收装置及其在处理污泥中重金属的应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种旋流电渗滤回收装置及其在处理污泥中重金属的应用，该装置包括筒体、阳极棒、旋流单元、过滤组合层和阴极液循环系统，所述阴极液循环系统包括阴极液室和循环管路，所述筒体的轴向两端分别设为污泥入口和污泥出口，所述筒体包括内筒和外筒，在内筒与外筒之间设置过滤组合层和阴极液室，所述阳极棒设置在筒体内，所述过滤组合层包括远离内筒设置的阳离子透过膜；该应用包括步骤1、将所述阴极液填充在阴极液室，并将所述旋流电渗滤回收装置通电，步骤2、采用污泥泵将污泥经污泥入口送入所述旋流电渗滤回收装置中以去除重金属。本发明应用于污泥中重金属的去除，操作简单，具有去除效率高、能耗低以及环保的技术优势。

Description

一种旋流电渗滤回收装置及其在处理污泥中重金属的应用
技术领域
本发明涉及重金属回收技术领域，具体涉及一种旋流电渗滤回收装置及其在处理污泥中重金属的应用。
背景技术
随着城镇污水处理行业的快速发展，使得污水处理中副产物的污泥产量也相应增多。而在污水处理过程中会有超过一半的重金属转移到污泥中，导致污泥中重金属的含量普遍增加。污泥中虽然含有较多的氮、磷等营养物质，可以作为肥料供农业使用，但是在污泥中还存在含量较高的重金属时，若作为肥料供农业使用不仅会引起土壤重金属污染，还会增加农产品的重金属含量；当产生降水时，污泥中一部分重金属进入地表径流和地下渗流并随水流迁移，进而对地表水和地下水造成二次污染。因此，如何去除污泥中的重金属是当前污泥资源化利用必须解决的问题。
目前，对于污泥中重金属的处理有主要有两种方式，一种是将污泥中的重金属固定，另一种方式是将重金属从污泥中去除。重金属固定技术能在一定时期一定程度上减轻重金属的危害，但只能起到缓解作用，并不能从根本上降低重金属的含量。当外界环境发生改变时，被固定的重金属存在被释放的风险。而去除污泥中重金属方法主要有：(1)化学淋滤法，此方法去除污泥重金属的效果良好，然而酸化污泥需要消耗大量的化学试剂，且难以妥善处理高浓度的重金属淋出液，因而此方法费用较高，实际操作复杂且不环保；此外，酸化处理在一定程度上会溶解污泥中的氮、磷等有机质，降低污泥的肥料价值。(2)生物淋滤法，具有耗酸少、运行成本低，实用性较强等优点；然而生物淋滤在自然条件下去除重金属的工艺条件要求较严格，容易受外界条件的干扰，使得重金属去除效果不稳定。(3) 电化学法是一种有效去除污泥中重金属离子的电化学方法，该方法虽然具有去除效率高，处理周期短，没有二次污染，易于回收重金属等优点，但是能耗高，且随着处理时间的延长，阳极容易出现结垢，这样不仅更加耗能，还会因污泥中重金属与阳极接触不完全而降低重金属的去除效果；此外，现有电化学法氧化还原能力有限，直接限制了对可氧化态、可还原态重金属的去除效果。
综上所述，急需一种旋流电渗滤回收装置及其在处理污泥中重金属的应用以解决现有电化学方法存在的对污泥中重金属的去除效率低、能耗高以及不环保的问题。
发明内容
本发明第一目的在于提供一种旋流电渗滤回收装置，具体技术方案如下：
一种旋流电渗滤回收装置，包括筒体、阳极棒、旋流单元、过滤组合层和阴极液循环系统，所述阴极液循环系统包括阴极液室和循环管路，所述筒体的轴向两端分别设为污泥入口和污泥出口，所述筒体包括共中心轴线设置的内筒和外筒，在所述内筒与外筒之间沿径向由内至外依次设置过滤组合层和阴极液室，在所述外筒上设有与阴极液室连通的阴极液入口和阴极液出口，所述循环管路的两端分别与阴极液入口和阴极液出口连接，所述外筒与电源的负极连接，在所述内筒上排列设置多个与过滤组合层连通的通孔；
所述阳极棒设置在筒体内且二者的中心轴线重合，所述阳极棒与电源的正极连接；
所述旋流单元设置在内筒内且数量为多个，多个旋流单元沿阳极棒长度方向依次间隔设置，每个旋流单元均包括多个环向设置的旋流叶片；
所述过滤组合层包括远离内筒设置的阳离子透过膜。
优选的，所述阳极棒包括金属棒本体和催化剂层，所述金属棒本体的基材为钛，其中，钛的质量分数为86％-99％，所述催化剂层设置在金属棒本体的表面上，所述催化剂层包括原料组分RuO2、IrO2和TiO2中的至少一种，所述催化剂层中原料组分RuO2:IrO2:TiO2的电镀量比为(0-2)：(0-2)：(1-10)，所述催化剂层的电镀量为0.01-0.1mol/cm2；
所述旋流叶片的径向外端与内筒连接而径向内端与阳极棒连接。
优选的，所述过滤组合层还包括过滤层，所述过滤层环向包裹在内筒的外侧面上，所述阳离子透过膜环向包裹在过滤层上，且与外筒相对；
所述过滤层为涤纶滤布、丙纶滤布、维纶滤布中的任意一种，所述过滤层的滤孔孔径为50-350μm，断裂伸长率为10％-45％，耐热性为90-180℃；
所述阳离子透过膜的离子交换容量为0.8-3.5mEq/g，选择性(表示阳离子选择性)为 90％-99.99％，厚度为5-70μm。
优选的，所述阴极液入口和阴极液出口相对于外筒的几何中心中心对称设置，且阴极液入口所在位置的高度低于阴极液出口所在位置的高度。
优选的，在所述循环管路上设有动力泵和用于净化阴极液的处理池，在所述处理池中设有生物炭或者电絮凝设施；
所述阴极液循环系统还包括多个支撑块，所述支撑块环向间隔设置在阴极液室中。
优选的，所述阴极液室中的阴极液包括摩尔浓度为0.01-0.1mol/L的硝酸溶液、0.01-0.2mol/L的醋酸溶液、4-7mmol/L的乙二胺四乙酸、4-7mmol/L的N,N-二羧甲基丙氨酸三钠盐、0.1-0.4mol/L的柠檬酸、0.1-0.5mol/L的草酸中的任意一种。
优选的，所述电源为直流电源或者脉冲电源，直流电源的电流≤1A，脉冲电源的脉冲幅值为1-10V，脉宽为1-4s，脉冲周期为2-9s。
优选的，所述通孔沿所述筒体长度方向环向间隔设置在内筒上，所述内筒上通孔的孔密度为20％-70％，通孔的孔径大小为0.4-1.2mm。
优选的，所述的旋流电渗滤回收装置，还包括电线引导架，所述电线引导架设置在筒体污泥出口的一端，且与筒体固连，所述电线引导架包括交叉设置的两个支架，用于引导电线实现阳极棒与电源正极连接。
本发明第二目的在于提供一种旋流电渗滤回收装置在处理污泥中重金属的应用，具体技术方案如下：
一种所述旋流电渗滤回收装置在处理污泥中重金属的应用，所述污泥包括污水处理厂的污泥或水体底泥；
所述应用包括以下步骤：
步骤1、将所述阴极液填充在阴极液室，并将所述旋流电渗滤回收装置通电；
步骤2、采用污泥泵将污泥经污泥入口送入所述旋流电渗滤回收装置中以去除重金属，作业时，采用阴极液循环系统实时对阴极液循环再生处理，确保重金属去除效果；
所述步骤2中污泥的流速为4-6m/s，所述阴极液循环流速为0.01-300L/h。
应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：
(1)本发明中所述旋流电渗滤回收装置，在净化处理污泥时，污泥经污泥入口流入筒体，通过旋流叶片的导流作用，使得污泥在阳极棒与内筒所围成的空间内呈旋流态，并与阳极棒充分接触，减少了污泥在阳极(即阳极棒)结垢，维持所述旋流电渗滤回收装置的稳定运行。此外，旋流有利于排出阳极附近污泥内部的气泡，保证污泥与阳极接触良好，降低电压降，提高重金属离子的去除效果。
(2)与传统的施加竖向或者横向电场相比，本发明在旋流离心力和电场力的协同作用下，快速破坏污泥的物理形态，使污泥的包壁(本发明所述包壁指污泥的表面层)破裂，释放污泥中含重金属的包内水，减少了重金属离子迁移的时间，降低了能耗，提高重金属离子的去除率。
(3)所述阳极棒表面的催化剂层在通电条件下催化产生羟基自由基(·OH)，羟基自由基一旦形成，就会诱发一系列的自由基链反应，催化污泥中重金属由可氧化态和可还原态向离子态转化，提高重金属去除率。
(4)本发明在阳离子透过膜和外筒之间设置阴极液室，节省了阳极室，优化了装置结构。采用阴极液循环系统实时对阴极液循环再生处理，确保重金属去除效果。
(5)本发明应用于污泥中重金属的去除，操作简单，具有去除效率高、能耗低以及环保的技术优势。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明实施例1的旋流电渗滤回收装置的内部结构示意图(图中在循环管路上的箭头表示阴极液流向，而其他箭头表示剩余污泥流向)；
图2是图1中A-A方向的剖视图(图中箭头表示阴极液流向)；
图3是图1的右视图(图中箭头表示阴极液流向)；
其中，1、阳极棒，2、内筒，3、外筒，3.1、阴极液入口，3.2、阴极液出口，4、旋流叶片，5、阴极液室，6、循环管路，7、处理池，8、支撑块，9、阳离子透过膜，10、过滤层，11、电线引导架。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
参见图1-3，一种旋流电渗滤回收装置，包括筒体、阳极棒1(直径为1cm)、旋流单元、过滤组合层和阴极液循环系统，所述阴极液循环系统包括阴极液室5和循环管路6，所述筒体的轴向两端分别设为污泥入口和污泥出口，所述筒体(长度为2m)包括共中心轴线设置的内筒2(内径为11cm，材质为聚丙烯)和外筒3(内径为15cm，材质为铝材)，在所述内筒2与外筒3之间沿径向由内至外依次设置过滤组合层和阴极液室5，在所述外筒3上设有与阴极液室5连通的阴极液入口3.1和阴极液出口3.2，所述循环管路6的两端分别与阴极液入口3.1和阴极液出口3.2连接，所述外筒3与电源的负极连接，在所述内筒2上排列设置多个与过滤组合层连通的通孔；
所述阳极棒1设置在筒体内且二者的中心轴线重合，所述阳极棒1与电源的正极连接；
所述旋流单元设置在内筒2内且数量为8个，8个旋流单元沿阳极棒1长度方向依次等间隔设置，相邻两个旋流单元之间的间隔距离为35cm，在所有旋流单元的中心位置均设有用于阳极棒1插入的定位环，每个旋流单元均包括4个环向设置在定位环上的旋流叶片 4(材质为聚丙烯)；
所述过滤组合层包括远离内筒2设置的阳离子透过膜9。
所述阳极棒1包括金属棒本体和催化剂层，所述金属棒本体的基材为钛，其中，钛的质量分数为93％，所述催化剂层设置在金属棒本体的表面上，所述催化剂层包括原料组分 RuO2、IrO2和TiO2中的至少一种，所述催化剂层中原料组分RuO2:IrO2:TiO2摩尔浓度比为1:2:7，所述催化剂层的电镀量为0.1mol/cm2；
所述旋流叶片4的径向外端与内筒2连接而径向内端通过定位环与阳极棒1连接。
所述过滤组合层还包括过滤层10，所述过滤层10环向包裹在内筒2的外侧面上，所述阳离子透过膜9环向包裹在过滤层10上，且与外筒3相对；
所述过滤层10为涤纶滤布，所述过滤层10的滤孔孔径为100μm，断裂伸长率为10％-45％，耐热性为90-180℃；
所述阳离子透过膜9购买于FuelCellStore公司的Fumasep FKE-50型阳离子交换膜，离子交换容量为1.4mEq/g，选择性(表示阳离子选择性)为98％，厚度为50μm。
所述阴极液入口3.1和阴极液出口3.2相对于外筒3的几何中心中心对称设置，且阴极液入口3.1所在位置的高度低于阴极液出口3.2所在位置的高度。
在所述循环管路6上设有动力泵(图中未示出)和用于净化阴极液的处理池7，在所述处理池7中设有生物炭，用于吸附阴极液中的重金属，用于对阴极液循环再生处理；
所述阴极液循环系统还包括多个支撑块8，所述支撑块8(支撑块8材质为聚丙烯)环向间隔设置在阴极液室5中，用于支撑加固阴极液室5。
所述阴极液室5中的阴极液为摩尔浓度0.4mol/L的柠檬酸。
所述电源为脉冲电源，脉冲电源的脉冲幅值为5V，脉宽为2s，脉冲周期为5s。
所述通孔沿所述筒体长度方向环向间隔设置在内筒2上，所述内筒2上通孔的孔密度为50％，通孔的孔径大小为0.4mm。
所述旋流电渗滤回收装置，还包括电线引导架11(材质为聚丙烯)，所述电线引导架 11设置在筒体污泥出口的一端，且与筒体固连，所述电线引导架11包括交叉设置的两个支架(支架材质为聚丙烯)，用于引导电线实现阳极棒1与电源正极连接。
一种旋流电渗滤回收装置在处理污泥中重金属的应用，所述污泥包括污水处理厂的污泥或水体底泥；
所述应用包括以下步骤：
步骤1、将所述阴极液填充在阴极液室5，并将所述旋流电渗滤回收装置通电；
步骤2、采用污泥泵将污泥经污泥入口送入所述旋流电渗滤回收装置中以去除重金属，作业时，采用阴极液循环系统实时对阴极液循环再生处理，确保重金属去除效果；
所述步骤2中污泥的流速为5m/s，所述阴极液循环流速为5L/h。
对比例1：
与实施例1不同的是，未设置旋流单元。
对比例2：
与实施例1不同的是，未在金属棒本体的表面上设置催化剂层。
对比例3：
与实施例1不同的是，关闭阴极液入口3.1和阴极液出口3.2，阻止阴极液循环再生。
实施例1和对比例1-3所选择的待处理污泥均取自同一污水处理厂的二沉池未脱水好氧剩余污泥(下文简称剩余污泥)，该剩余污泥的理化性质详见表1。剩余污泥中的重金属采用BCR四步连续提取法，提取弱酸提取态、可氧化态、可还原态和残渣态，提取的具体方法详见表2，各重金属化学形态的含量数据详见表3。采用ICP-OES测定剩余污泥中的重金属含量，具体结果详见表4。分别采用实施例1和对比例1-3中旋流电渗滤回收装置去除剩余污泥中重金属，其去除情况详见表5，其中，表5数据是根据表1和表4数据计算得到，具体的以表5中Zn的去除率为例，其计算过程如下：Zn的去除率＝(410.7-229.7) ÷410.7＝44.07％，其他重金属的去除率计算以此类推。取部分经实施例1和对比例1-3去除重金属后的剩余污泥脱水，然后在105℃条件下烘干作为备用污泥；对备用污泥采用如表2所述的BCR四步连续提取法提取各重金属化学形态的含量数据，详见表3，并采用 ICP-OES测定备用污泥中的重金属含量，具体结果详见表4。
表1 剩余污泥的理化性质
Figure BDA0003049141900000071
表2 BCR四步连续提取法
Figure BDA0003049141900000072
表3 分别采用实施例1和对比例1-3的旋流电渗滤回收装置对剩余污泥中重金属化学形态处理前后的变化情况
Figure BDA0003049141900000081
表4 分别采用实施例1和对比例1-3的旋流电渗滤回收装置对剩余污泥中重金属总量处理前后的变化情况
Figure BDA0003049141900000082
表5 分别采用实施例1和对比例1-3中旋流电渗滤回收装置对剩余污泥中重金属的去除情况
Figure BDA0003049141900000083
Figure BDA0003049141900000091
由表1-表5数据知，相比于对比例1-3，实施例1对污泥中重金属的去除效率最高，其中，Zn的去除率为44.07％，Cu的去除率为42.89％，Cd的去除率为44.00％，Ni的去除率为41.37％。
实施例1对污泥中重金属的去除效率高于对比例1的原因如下：实施例1采用旋流单元，不仅能使被阳极棒1上催化剂层催化的重金属移动到靠近过滤层10的一侧，缩短电渗距离，而且污泥在阳极棒1与内筒2所围成的空间内呈旋流态，并与阳极棒1充分接触，减少了污泥在阳极(即阳极棒)结垢，从而提高去除速率。此外，旋流还能产生一定的离心力，在旋流离心力和电场力的协同作用下，快速破坏污泥的物理形态，使污泥的包壁(本发明所述包壁指污泥的表面层)破裂，释放污泥中含重金属的包内水，减少了重金属离子迁移的时间，降低了能耗，提高重金属离子的去除率。
实施例1对污泥中重金属的去除效率高于对比例2的原因如下：实施例1中所述阳极棒表面的催化剂层在通电条件下催化产生羟基自由基(·OH)，羟基自由基一旦形成，就会诱发一系列的自由基链反应，催化污泥中重金属由可氧化态和可还原态向离子态转化，提高重金属去除率。
实施例1对污泥中重金属的去除效率高于对比例3的原因如下：实施例1采用采用阴极液循环系统实时对阴极液循环再生处理，能使所述旋流电渗滤回收装置一直保持最大的重金属去除率，确保重金属去除效果，同时也能节约成本。而对比例3阻止阴极液循环再生，当阴极液所含的重金属趋于饱和时，且在电解的作用下pH升高，造成重金属迁移阻力增大，从而降低了各金属的去除率。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种旋流电渗滤回收装置，其特征在于，包括筒体、阳极棒(1)、旋流单元、过滤组合层和阴极液循环系统，所述阴极液循环系统包括阴极液室(5)和循环管路(6)，所述筒体的轴向两端分别设为污泥入口和污泥出口，所述筒体包括共中心轴线设置的内筒(2)和外筒(3)，在所述内筒(2)与外筒(3)之间沿径向由内至外依次设置过滤组合层和阴极液室(5)，在所述外筒(3)上设有与阴极液室(5)连通的阴极液入口(3.1)和阴极液出口(3.2)，所述循环管路(6)的两端分别与阴极液入口(3.1)和阴极液出口(3.2)连接，所述外筒(3)与电源的负极连接，在所述内筒(2)上排列设置多个与过滤组合层连通的通孔；
所述阳极棒(1)设置在筒体内且二者的中心轴线重合，所述阳极棒(1)与电源的正极连接；
所述旋流单元设置在内筒(2)内且数量为多个，多个旋流单元沿阳极棒(1)长度方向依次间隔设置，每个旋流单元均包括多个环向设置的旋流叶片(4)；
所述过滤组合层包括远离内筒(2)设置的阳离子透过膜(9)。
2.根据权利要求1所述的旋流电渗滤回收装置，其特征在于，所述阳极棒(1)包括金属棒本体和催化剂层，所述金属棒本体的基材为钛，其中，钛的质量分数为86％-99％，所述催化剂层设置在金属棒本体的表面上，所述催化剂层包括原料组分RuO2、IrO2和TiO2中的至少一种，所述催化剂层中原料组分RuO2:IrO2:TiO2的电镀量比为(0-2)：(0-2)：(1-10)，所述催化剂层的电镀量为0.01-0.1mol/cm2；
所述旋流叶片(4)的径向外端与内筒(2)连接而径向内端与阳极棒(1)连接。
3.根据权利要求2所述的旋流电渗滤回收装置，其特征在于，所述过滤组合层还包括过滤层(10)，所述过滤层(10)环向包裹在内筒(2)的外侧面上，所述阳离子透过膜(9)环向包裹在过滤层(10)上，且与外筒(3)相对；
所述过滤层(10)为涤纶滤布、丙纶滤布、维纶滤布中的任意一种，所述过滤层(10)的滤孔孔径为50-350μm，断裂伸长率为10％-45％，耐热性为90-180℃；
所述阳离子透过膜(9)的离子交换容量为0.8-3.5mEq/g，选择性为90％-99.99％，厚度为5-70μm。
4.根据权利要求1所述的旋流电渗滤回收装置，其特征在于，所述阴极液入口(3.1)和阴极液出口(3.2)相对于外筒(3)的几何中心中心对称设置，且阴极液入口(3.1)所在位置的高度低于阴极液出口(3.2)所在位置的高度。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的旋流电渗滤回收装置，其特征在于，在所述循环管路(6)上设有动力泵和用于净化阴极液的处理池(7)，在所述处理池(7)中设有生物炭或者电絮凝设施；
所述阴极液循环系统还包括多个支撑块(8)，所述支撑块(8)环向间隔设置在阴极液室(5)中。
6.根据权利要求5所述的旋流电渗滤回收装置，其特征在于，所述阴极液室(5)中的阴极液包括摩尔浓度为0.01-0.1mol/L的硝酸溶液、0.01-0.2mol/L的醋酸溶液、4-7mmol/L的乙二胺四乙酸、4-7mmol/L的N,N-二羧甲基丙氨酸三钠盐、0.1-0.4mol/L的柠檬酸、0.1-0.5mol/L的草酸中的任意一种。
7.根据权利要求6所述的旋流电渗滤回收装置，其特征在于，所述电源为直流电源或者脉冲电源，直流电源的电流≤1A，脉冲电源的脉冲幅值为1-10V，脉宽为1-4s，脉冲周期为2-9s。
8.根据权利要求7所述的旋流电渗滤回收装置，其特征在于，所述通孔沿所述筒体长度方向环向间隔设置在内筒(2)上，所述内筒(2)上通孔的孔密度为20％-70％，通孔的孔径大小为0.4-1.2mm。
9.根据权利要求8所述的旋流电渗滤回收装置，其特征在于，还包括电线引导架(11)，所述电线引导架(11)设置在筒体污泥出口的一端，且与筒体固连，所述电线引导架(11)包括交叉设置的两个支架，用于引导电线实现阳极棒(1)与电源正极连接。
10.一种如权利要求9所述的旋流电渗滤回收装置在处理污泥中重金属的应用，其特征在于，所述污泥包括污水处理厂的污泥或水体底泥；
所述应用包括以下步骤：
步骤1、将所述阴极液填充在阴极液室(5)，并将所述旋流电渗滤回收装置通电；
步骤2、采用污泥泵将污泥经污泥入口送入所述旋流电渗滤回收装置中以去除重金属，作业时，采用阴极液循环系统实时对阴极液循环再生处理，确保重金属去除效果；
所述步骤2中污泥的流速为4-6m/s，所述阴极液循环流速为0.01-300L/h。
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