直流電解對剩余污泥中氮、磷及重金屬影響研究①

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(1.安徽建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.城邑(北京)建筑設(shè)計院有限公司，北京 100055)3.安徽省綠色建筑先進技術(shù)研究院，安徽 合肥 230601)

0 引 言

隨著我國城鎮(zhèn)化的推進和城市水環(huán)境保護要求的提高，污水處理廠規(guī)模和數(shù)量也在不斷擴大，污水處理率不斷提高，產(chǎn)生的剩余污泥量也隨之增加，水廠剩余污泥去向引起了行業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注。剩余污泥除了含有許多的微生物、重金屬和污染物，還含有氮、磷、鉀等豐富的營養(yǎng)元素及有機物質(zhì)。為實現(xiàn)剩余污泥的穩(wěn)定化、減量化、無害化和資源化，國內(nèi)外對于剩余污泥的處置主要有以下方法：土地利用、填埋、焚燒，和水體消納等[1]。上述方法也存在著投資數(shù)額大、耗能高、占用大量土地、存在潛在環(huán)境風(fēng)險等問題。剩余污泥的資源化實踐得到了業(yè)界普遍的關(guān)注[2]。但剩余污泥中的營養(yǎng)成分及重金屬使得污泥具有資源化和潛在環(huán)境風(fēng)險雙重特性，這制約著剩余污泥處理技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用[3]。電化學(xué)技術(shù)處理污水是一種高效技術(shù)，其中電解技術(shù)在重金屬廢水處理中得到廣泛應(yīng)用，諸如電鍍廢水的處理，對于電鍍廢水中銅、鋅、鉻、鎘、砷等重金屬元素均有較好的去除效果[4]。同時，電解產(chǎn)生的各種多核羥基化合物對水中磷有較好的吸附性能[5]。此外，電解法無需外加化學(xué)藥劑，能夠有效避免處理過程中對于環(huán)境的二次污染，是一種環(huán)境友好且實用的技術(shù)。本文利用直流電解技術(shù)處理剩余污泥，以期使污泥中的營養(yǎng)物質(zhì)得到釋放，重金屬元素(Cu、Zn)實現(xiàn)穩(wěn)定化，為剩余污泥的后續(xù)利用提供有利前提。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料與設(shè)備

本研究所用污泥取自合肥市某污水處理廠生化處理工藝的剩余污泥。電解實驗使用的自制板式電解設(shè)備見圖1。電流可調(diào)節(jié)區(qū)間為0 ～ 8 A，電壓可調(diào)節(jié)區(qū)間為0 ～ 8 V。極板采用鋁制材料，極板長40 cm，寬13 cm，厚度1 mm，共8片鋁制極板，安裝于反應(yīng)槽內(nèi)；電解反應(yīng)槽長為40 cm，寬14 cm，高40 cm。實驗使用的藥劑硫酸汞、硫酸、氫氧化鈉、鹽酸、硫酸銀、過硫酸鉀、抗壞血酸、酒石酸銻鉀、鉬酸銨和重鉻酸鉀等均為分析純。

圖1 自制板式直流電解儀器

1.2 實驗設(shè)置

取5 L剩余污泥在常溫下投入板式電解設(shè)備中，剩余污泥中的固體含量為0.71%，密度為1 g/cm3，污泥含水率為99%，pH為6.8。設(shè)置固定的電流(3A)，電壓設(shè)置3組(3 V、5 V、7 V)得到SCOD、TN含量最高一組的電壓，固定此電壓設(shè)置3組電流(3 A、5 A、7 A)條件，測定污泥上清液中SCOD、TN、TP含量、、重金屬含量。電解在反應(yīng)時長設(shè)置為5 min，10 min，15 min，20 min，分別取樣待測。

1.3 分析方法

采用重鉻酸鉀法測定污泥上清液溶解性化學(xué)需氧量(Solluted Chemical Oxigen Demand，SCOD)濃度；采用K2S2O8氧化-紫外分光光度法測TN濃度；采用H8MoN2O4分光光度法測TP濃度；采用ICP電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(珀金埃爾默儀器有限公司，型號Optima 8000)測定待測樣中的重金屬含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 污泥上清液SCOD分析

在電流設(shè)定為3 A的條件下，調(diào)節(jié)電壓分析污泥上清液SCOD的變化，結(jié)果見圖2。由圖2可知，當(dāng)電壓為3 V、5 V、7 V時，污泥上清液中SCOD含量均隨電解時長的增加而升高，而升高的快慢不同。當(dāng)電壓為3 V時，SCOD隨電解時長的增加而緩慢升高；電壓為5 V時，SCOD隨電解時間的推移而顯著升高；在電解電壓為7 V，隨電解時間的增加SCOD也迅速增加，電解時間為25分鐘時，SCOD釋放量最大，高達(dá)571 mg/L。由此推測處理污泥時，在一定范圍內(nèi)升高電壓對污泥的溶胞效果有促進作用，這主要因為電壓的升高對于電極兩端產(chǎn)生強氧化性自由基有促進作用，使污泥與電極之間的氧化效率有所提高，氧化溶胞過程釋放和部分非溶解性有機物氧化轉(zhuǎn)變增加了SCOD含量[6]。

圖2 電流3 A不同電壓條件下污泥上清液中SCOD隨時間變化

當(dāng)電壓為7 V時，通過改變電流分析污泥上清液SCOD的變化，結(jié)果見圖3。由圖3可知：隨著直流電解處理時長的增加，污泥的SCOD含量亦隨之而上升。當(dāng)電流為3 A時，SCOD隨電解時長的升高較慢；電流為5 A時，SCOD隨電解時間的延長而明顯增加；電流為7 A時，SCOD的釋放效果最徹底，電解25 min時SCOD高達(dá)747.67 mg/L。由此可知在一定范圍內(nèi)，隨著設(shè)定的電流增大，SCOD增長，污泥的溶胞效果越明顯[7]。溶胞作用的加深能夠促進污泥減量化，這主要是因為溶胞作用致使微生物細(xì)胞壁、細(xì)胞膜破裂而釋放有機質(zhì)，繼而進入到污泥上清液中[8]。

圖3 電壓7 V不同電流條件下污泥上清液中SCOD隨時間變化

2.2 污泥上清液中氮含量的分析

固定電流為3 A，不同電壓條件下污泥上清液中TN隨時間變化如圖4所示。由圖4可知：在設(shè)定電流為3A的條件下，污泥上清液中的TN含量隨電解時間的延長而升高；當(dāng)電壓為7 V，電解時間為25 min時，污泥上清液中TN含量最高，達(dá)到了189.35 mg/L。7 V電壓條件下的TN含量遠(yuǎn)高于5 V、3 V條件下的TN含量，由此可見固定電流條件下，升高電壓有利于污泥中N的釋出。

圖4 電流3 A不同電壓條件下污泥上清液中TN隨時間變化

圖5 電壓7 V不同電流條件下污泥上清液中TN隨時間變化

電壓固定為7 V，不同電流條件下污泥上清液中TN隨時間變化如圖5所示。由圖5可知：在設(shè)定電流為7V的條件下，污泥上清液中的總氮含量隨著電流的增強而升高。電解時間為0 min～10 min時，趨勢更加明顯，TN釋出效果以電壓為7 A時效果最佳；隨后7A組TN的釋出含量增長變緩，15～20 min 7A組的TN含量反而低于3A和5A組，但最終電解時間為25 min時，7A組污泥上清液中TN含量仍最高，達(dá)196.69 mg/L。

氮元素大量存在于細(xì)胞的細(xì)胞壁、細(xì)胞膜中。綜合圖4和圖5以及2.1中的結(jié)論可知，在電解條件下，隨著時間的增長，上清液中TN含量不斷上升可能是細(xì)胞壁或細(xì)胞膜中釋放的氮元素。但是隨著時間的推移，并非電流越高TN含量最高，這可能的是因為一對矛盾的存在：溶胞作用致使總氮數(shù)量增加；電極氧化使總氮數(shù)量減少[6]。在電流為7 A，電解時間為15 min～20 min時，電流增強的情況下，氧化作用使TN降低的速度增大，導(dǎo)致上清液中TN的總釋出速度降低。

2.3 污泥液相中磷的含量變化

固定電流為3 A，不同電壓條件下污泥液相中TP隨時間變化結(jié)果如圖6。由圖6可知電解時長5 min內(nèi)，3組電壓組污泥上清液中的總磷含量都有明顯下降，隨著時間增長(5min～25 min)，3組電壓組TP的下降放緩。電壓方面，5V和7V電壓組TP的降低量相差不大，都明顯高于3V電壓組。這說明電解時間的延長以及電壓的增大有利于TP的去除。這可能是因為在直流電解技術(shù)中，鋁電極的多核羥基化合物絮凝作用、吸附作用以及靜電引力作用隨著時間和電壓的增大對水中磷的去除效果增強。

圖6 電流3 A不同電壓條件下污泥液相中TP隨時間變化

圖7 電壓7 V不同電流條件下污泥液相中TP隨時間變化

設(shè)定電壓為7 V，調(diào)節(jié)不同電流強度，污泥液相中TP隨時間變化結(jié)果如圖7。由圖7可知，在電壓為7 V，3個電流條件下(3A、5A和7A)，電解時長5 min內(nèi)，污泥液相中的總磷含量均大幅下降，隨著處理時間的延長，總磷含量仍有下降，但下降趨勢趨于平緩。

2.4 直流電解對污泥固相中重金屬的影響

通過改變電解反應(yīng)參數(shù)(電流和電壓)觀察污泥中重金屬(Cu、Zn)隨電解反應(yīng)時長的變化，確定最佳電解參數(shù)。不同參數(shù)條件下污泥中重金屬Cu含量隨時間變化如圖11。由圖11可知：在電解反應(yīng)參數(shù)條件不同的情況下，由于電解時間的延長，重金屬Cu的含量下降趨勢顯著。在電解反應(yīng)的前5 min內(nèi)，各不同參數(shù)條件下，Cu的去除效果表現(xiàn)較好，含量有明顯的下降；電解5 min后，各參數(shù)條件下，Cu的去除效果較之前有所放緩，在電流7 A、電壓7 V，電解時間為20 min時，Cu含量降至最低，為55.1 mg/kg。

圖8 不同參數(shù)條件下污泥中重金屬Cu含量隨時間變化

不同電解條件情況下，污泥中Zn含量隨時間變化趨勢如圖12。由圖12可得：隨著電解時間的進行，污泥中Zn含量持續(xù)減少，在電解時間為20 min時，Zn的含量降至最低，且電流、電壓越高，Zn的去除效果越好。在電流電壓分別為7 A、7 V，電解時長為20 min時，重金屬Zn含量降至最低，為106.2 mg/kg。

綜合圖11和圖12可知：當(dāng)電流、電壓分別為7 A、7 V時，電解反應(yīng)對剩余污泥中Cu、Zn的去除效果較佳，且重金屬(Cu、Zn)含量隨電解時間的延長而降低。Orbrador等[9]曾對三種高溫?zé)崽幚砗蟮奈勰嗯c原始污泥中重金屬的形態(tài)分布情況進行比較，研究結(jié)果顯示Zn經(jīng)過熱處理后，原污泥中可交換態(tài)基本消失，殘渣態(tài)增長顯著，這可能是因為在高溫?zé)峤膺^程中，大部分有機物被氧化分解，金屬硫化物也轉(zhuǎn)化為氧化物，使得污泥中不穩(wěn)定的重金屬形態(tài)比例降低，而穩(wěn)定部分比例升高。因此可知，電解造成的高溫作用使得污泥中的活性態(tài)重金屬(Cu、Zn)轉(zhuǎn)化為殘渣態(tài)和穩(wěn)定態(tài)。

3 結(jié) 論

(1)通過實驗，污泥上清液中SCOD與TN含量最高的參數(shù)來確定最佳反應(yīng)條件。由實驗可知，污泥上清液中SCOD、TN含量均在7 A、7 V條件下隨著直流電解處理時間的延長而升高，在反應(yīng)時間為20分鐘時達(dá)到最高，分別為747.67 mg/L、196.69 mg/L。

圖9 不同參數(shù)條件下污泥中重金屬Zn含量隨時間變化

(2)隨著處理時間的延長，污泥上清液中總磷含量持續(xù)降低；在7 A、7 V的電解條件下，污泥液相中的總磷含量從122.09 mg/g降至2.20 mg/g。

(3)隨著直流電解時間的延長，污泥中Cu、Zn含量降低明顯，在電流電壓分別為7 A、7 V時，電解20 min時，Cu從最初的106.2 mg/kg下降到55.1 mg/kg，Zn從最初的276.45 mg/kg下降到106.2 mg/kg。