城市污水處理廠污泥重金屬處理新工藝

胡彬 喻方琴

（岳陽市環(huán)境監(jiān)測中心，湖南岳陽 414000）

城市污水處理廠污泥重金屬處理新工藝

胡彬 喻方琴

（岳陽市環(huán)境監(jiān)測中心，湖南岳陽 414000）

本文采用化學(xué)法對污泥進(jìn)行處理，以污泥脫水率和污泥中重金屬離子去除率為指標(biāo)，對比了硫酸和檸檬酸的處理效果。結(jié)果表明，硫酸和檸檬酸對城市污水中污泥的處理程度和側(cè)重點不同，處理效果各有優(yōu)勢。檸檬酸能夠有效的將污泥中的重金屬離子汞與鉛脫除，硫酸能夠除去污泥中大部分的重金屬離子而對上述兩種金屬離子的脫除效率偏低。本文在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一套分段處理工藝，取得了可以適用于城市污水中污泥處理較好效果的數(shù)據(jù)。

污泥；污泥脫水；污泥重金屬；新工藝

0 引言

目前在污泥處理工藝上，脫水與脫除重金屬離子是分開進(jìn)行研究的。在污泥脫水研究方面，大部分研究者采用的是化學(xué)處理法。常用的化學(xué)試劑例如鐵系、鋁系及高分子藥劑[1-2]。也有研究者在這基礎(chǔ)上增加了微波工序，利用微波的特點加強化學(xué)反應(yīng)的速率及反應(yīng)程度，達(dá)到強效脫水的目的[3-4]。對污泥脫除重金屬的研究也很多，方法基本都集中在化學(xué)法和生物浸出法上[5]，技術(shù)和應(yīng)用都已經(jīng)比較成熟。筆者在研究中發(fā)現(xiàn)，污泥中含有的水分和重金屬離子存在必然的聯(lián)系，在脫除兩者的過程中，脫除率相互影響[6-7]。因此，在對污泥進(jìn)行處理研究過程中，很有必要將污泥脫水和脫除重金屬離子綜合考慮，深入解析脫除機理，將兩個工藝有機結(jié)合起來，才能研究出高效處理污泥的新工藝。

本研究通過實驗考察硫酸和檸檬酸對污泥脫水和脫除重金屬離子的差異，對比單獨作用的效果，設(shè)計出“檸檬酸—硫酸兩段工序處理污泥”新工藝，該工藝的初步處理結(jié)果效果較好。

1 實驗材料與方法

本實驗中所用到的污泥均取自于岳陽市某污水處理廠，樣品為活性污泥系統(tǒng)中沉淀區(qū)外排的剩余污泥。該污泥呈塑態(tài)，固含量20%左右，含水率為82.0%。

將該活性污泥置于干燥箱中，110℃下干燥24h以上直至污泥的重量不再變化，然后將干燥獲得的干污泥打碎并研磨后用不銹鋼分樣篩篩至100目以下，用X熒光法分析出干基中重金屬成分（見表1）。

表1 污泥試樣（干基）的重金屬成分分析/mg/kg

實驗中，首先稱取1kg濕污泥于燒杯，將已配置好的酸性溶劑按不同液固比（加入液體反應(yīng)劑體積v：濕污泥質(zhì)量m）加入燒杯中進(jìn)行反應(yīng)，在反應(yīng)過程中采用攪拌器以70r/min進(jìn)行攪拌，使化學(xué)試劑能夠與污泥充分接觸。將反應(yīng)控制在一定的溫度下，達(dá)到反應(yīng)所需的時間后，進(jìn)行液固分離。由于反應(yīng)后的物料呈現(xiàn)準(zhǔn)膠體狀態(tài)，普通的過濾方式很難將物料中水分脫離出來。因此只能采用抽真空的方式進(jìn)行過濾，過濾到一定程度后，將濾餅置于105℃的干燥箱中直至濾餅的重量不再變化，利用前后重量差及金屬含量分別計算脫水和脫除重金屬的效率。

采用原子吸收分光光度計分析重金屬離子的濃度，Z-2000型原子吸收分光光度計的操作條件如下：信號處理：連續(xù)；積分時間（s）：3.0；量程擴展：1.0；濾波系數(shù)：0.50。

本文中，污泥脫水效率的計算公式為：

m0w——未經(jīng)處理的濕污泥含水量，g；

m0w——經(jīng)預(yù)處理后的濕污泥含水量，g；

2 結(jié)果與討論

圖1所示為酸用量對污泥脫水效率的影響，酸用量按酸與濕污泥的質(zhì)量比計。其他實驗條件為：反應(yīng)溫度60°C，液固比1mL/g，反應(yīng)時間40min。

圖1 酸用量對污泥脫水效率的影響

從圖1中可以很明顯的看出，在脫水效率上硫酸與檸檬酸有很大的差異，前者的脫水率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于后者?？赡艿脑蚴且欢舛鹊牧蛩岵粌H具有酸性，能夠電離出氫離子，還具有較強的氧化性，能夠?qū)ξ勰嘀形⑸锏募?xì)胞膜造成很大的破壞，導(dǎo)致微生物細(xì)胞膜失去原有的功能甚至脫水死亡，使得微生物細(xì)胞中的水分得以從污泥中分離出來。特別是當(dāng)硫酸的含量從1%增加到4%時，污泥的脫水率提高了近50%，說明了硫酸濃度的增加其氧化性也進(jìn)一步的增強，該強氧化性對微生物有著致命的作用，所以該濃度的硫酸能夠達(dá)到比較好的脫水效果。而硫酸含量增至6%后，污泥的脫水率不再變化，可能原因是微生物細(xì)胞中含有的水分基本脫離出來，而以其他形式存在的水分是硫酸不能夠脫離的。檸檬酸的脫水效率則呈現(xiàn)一種近似直線上升的趨勢。可能的原因是檸檬酸只是一種弱的有機酸，其溶液中電離出的氫離子與其濃度成正比例，因此要達(dá)到類似于硫酸的脫水效果，需要更多的量。另外，從表2可以看出，硫酸能夠?qū)⑽勰嘀械拇蟛糠种亟饘匐x子脫除，但不包括汞和鉛。而檸檬酸對汞與鉛的脫出率高于硫酸，對其他重金屬離子的脫離率上均不如硫酸。這可能是汞和鉛在兩種不同酸體系中形成的沉淀物難易程度不同。綜合考慮處理成本與脫離率的因素，參考實驗數(shù)據(jù)，可將所用硫酸用量定為4%，而檸檬酸用量定為6%。

表2 酸用量對污泥中重金屬脫除的影響/mg/kg

圖2所示為反應(yīng)時間對污泥脫水效率的影響。其他實驗條件為：硫酸用量4%，檸檬酸用量6%，液固比1mL/g，反應(yīng)溫度60°C。

圖2 反應(yīng)時間對污泥脫水效率的影響

從圖2中可以看出，硫酸處理樣和檸檬酸處理樣對污泥的脫水效率受時間的影響基本一致，均隨時間的增加呈上升趨勢。當(dāng)整個體系反應(yīng)時間達(dá)到1h后，兩者的污泥脫水率分別為硫酸73%，檸檬酸47%。隨著反應(yīng)時間的增加，兩者的脫水效率變化都不大。綜合以上實驗數(shù)據(jù)考慮，為了既能夠?qū)烧叩拿摮Ч耆l(fā)揮又能夠節(jié)約實驗時間，在后續(xù)實驗中體系的反應(yīng)時間定為60min。

表3 反應(yīng)時間對污泥中重金屬脫除的影響/mg/kg

圖3所示為反應(yīng)溫度對污泥脫水效果的影響。其他實驗條件為：硫酸用量4%，檸檬酸用量6%，液固比1mL/g，反應(yīng)時間60min。

從圖3中可以看出，溫度對反應(yīng)體系有著重要的影響。溫度對反應(yīng)的促進(jìn)作用很明顯，溫度升高，兩者的脫水率幾乎皆呈比例提高，但促進(jìn)作用存在差異。如溫度為60℃時，兩者的脫水率相差僅10%；溫度達(dá)到95℃時，兩者的脫水率相差達(dá)到20%。故硫酸在高溫下的強氧化性要比低溫下高的多，容易導(dǎo)致微生物大量脫水。

圖3 反應(yīng)溫度對污泥脫水效率的影響

另外，從表4可以看出，溫度對重金屬脫除率有著較為密切的影響，顯然，這從另外一方面說明，污泥中水分與重金屬的脫除是具有一定相關(guān)性的。隨著反應(yīng)溫度的升高，兩個體系的重金屬離子去除率均有所提高，這是因為污泥中的重金屬是以結(jié)合態(tài)形式存在的，只有通過擴散作用，它們才能從固相轉(zhuǎn)移到液相中去，當(dāng)溫度升高時，固相中金屬離子的擴散速率相應(yīng)提高，因此去除率也提高。

雖然溫度升高有利于污泥脫水，但成本也大大增加，綜合考慮選擇處理溫度為90℃。

表4 反應(yīng)溫度對污泥中重金屬脫除的影響/mg/kg

反應(yīng)液固比對污泥處理效果的影響可以看作是反應(yīng)物濃度的變化對脫水率的影響。液固比增加反應(yīng)物濃度必然降低，反應(yīng)速率下降從而導(dǎo)致污泥的脫水效率減少。圖4為反應(yīng)液固比對污泥脫水效率的影響，其他實驗條件為：硫酸用量4%，檸檬酸用量6%，反應(yīng)時間60min，反應(yīng)溫度90°C。

圖4 反應(yīng)液固比對污泥脫水效率的影響

從圖4可以看出，硫酸處理樣和檸檬酸處理樣受液固比的影響均較大，污泥脫水率均隨著液固比的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。當(dāng)液固比增大至3mL/g時，硫酸處理樣和檸檬酸處理樣的污泥脫水率達(dá)到最大，分別為71%和59%。繼續(xù)增大酸用量至6mL/g時，污泥脫水率均降低，這可能與酸用量過多，難以分離有關(guān)。故選擇液固比為3mL/g。

表5 反應(yīng)液固比對污泥中重金屬脫除的影響/mg/kg

上述實驗結(jié)果說明，單純考慮污泥的脫水效果，宜采用高濃度高溫的硫酸；單純考慮污泥中重金屬汞與鉛脫除，宜采用檸檬酸。綜合考慮硫酸脫水及脫除大部分重金屬離子的效果和檸檬酸脫除汞、鉛離子的效果，擬采用兩段工序的方法對污泥進(jìn)行處理。該工序的具體過程是：第一段工序，采用一定濃度的檸檬酸（6%）對污泥進(jìn)行預(yù)處理，重點脫除污泥中的汞和鉛及部分水分；第二段工序，采用濃度稍高的硫酸（3%）進(jìn)行處理，脫除污泥中的水分和其他重金屬離子。實驗中，固定其他實驗條件為：檸檬酸用量6%，反應(yīng)時間60min，反應(yīng)液固比3mL/g，反應(yīng)溫度90°C，主要考察硫酸用量對污泥處理效果的影響。結(jié)果如表6所示。

表6 檸檬酸—硫酸兩段處理工藝實驗指標(biāo)（檸檬酸用量固定為6%）

從實驗結(jié)果可以看出，新的工藝對污泥脫水和重金屬離子脫除均有比較好的效果，特別是與單純用硫酸處理污泥工藝相比，相同的指標(biāo)下，硫酸的用量可以大大減少。

3 結(jié)論

1）污泥中水分的脫除對重金屬的脫除有一定影響。污泥中的水分與重金屬離子的脫除均不是單獨的過程，兩者之間既有協(xié)同作用，也有一定的抗結(jié)作用，需要進(jìn)一步的實驗去驗證。

2）檸檬酸和硫酸對污泥中水分和重金屬離子的脫除各有側(cè)重，檸檬酸脫除汞與鉛的效果比硫酸好，而硫酸脫除水分和其他重金屬離子的效果要比檸檬酸強，這可能是由它們的物化性質(zhì)決定。

3）綜合檸檬酸和硫酸在脫除污泥中水分和重金屬的各自特點而設(shè)計的兩段工序處理法，各項指標(biāo)都達(dá)到了令人較為滿意的效果。

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（責(zé)任編校：馬余平）

(Yueyang EnvironmentalMonitoring Center,Yueyang,Hunan 414000)

A New Technology for Treatm ent of Heavy M etals in Sewage Sludge from M unicipalW asteW ater Treatment Plants

HU Bin YU Fang-qin

The presented paper dealt with the dispose of sludge.The efficiencies of removing water and heavy metals from the sludge by sulfuric acid or citric acid under different conditions were investigated.The results showed that sulfuric acid wasmore capable of extracting water and most of the heavymetals,while Hg ions and Pb ions weremuch more easily removed by citric acid.Based on the results obtained above,a novel method of disposing the sludge was proposed,in which it would be reacted with citric acid firstly,followed by the treatmentby sulfuric acid，and a satisfying resultwas reached.

sludge;removal ofwater content from sludge;heavymetals of sludge;a new technology

X 703.1

A

1672-738X（2014）05-0090-04

2014-07-03

胡彬(1976—)，男，湖南岳陽人，工程師。主要研究方向：環(huán)境監(jiān)測和環(huán)境保護(hù)竣工驗收工作。