电动法去除给水污泥Al3+试验研究

章正杰

(常州市市政工程设计研究院有限公司， 江苏　常州　213000)



电动法去除给水污泥Al3+试验研究

章正杰

(常州市市政工程设计研究院有限公司， 江苏常州213000)

针对给水污泥含水率高、Al3+含量大的特点，采用电动技术实现给水污泥脱水及其Al3+去除，考察了电动阶段pH值对Al3+存在形态的影响及其去除效率的影响，分析电势梯度对给水污泥Al3+去除效率的影响。结果表明，通过添加稀HCl溶液使得络合态的Al3+离子化，从而提高Al3+去除效果；电势梯度越大，Al3+去除效果越好，随之带来的电动能耗也越大。

含水率；电动；给水污泥

近几十年来，城市自来水厂的数量显著增多，规模也不断扩大，自来水厂集中排入水体的排泥水也越来越多。我国南方的自来水厂的排泥水一般直接排入河道，这给江河带来了10×104t/年以上淤泥[1]，伴随着我国城市化进程的不断推进，自来水厂越来愈多，随之带来的给水污泥量还将继续提升。这些给水污泥含有大量的铝盐、铁盐以及重金属离子，对河道的生物具有毒害作用，并且破坏了河道的生态环境[2-3]。

相较于污水厂污泥，给水厂污泥是经过铝或者铁的混凝剂然后在沉淀池中形成排泥水，因此给水污泥含有大量的Al3+和Fe3+。给水污泥中金属以氧化物、氢氧化物、硅酸盐等不可溶盐或有机络合物的形式存在[4]。直接电动去除金属离子效果不理想，酸化预处理是目前破坏络合物较为普遍的技术方法[5-6]。因此，对给水污泥进行酸化预处理强化电动去除Al3+效果也得到了大量的研究[7]。本课题通过酸化给水污泥将Al3+离子析出，电场力将Al3+迁移到阴极，在阴极富集的Al3+浓液被真空抽滤排出给水污泥[8]，实验表明处理后的给水污泥Al3+含量大大降低。

1　材料与方法

1.1给水污泥样本

实验所用给水污泥取自南京某自来水厂，取样后分为两组，一组是原污泥贴上标签后放在4℃的冰箱冷藏保存；一组是实验污泥先通过添加稀硫酸将给水污泥酸化，然后在4℃的冰箱冷藏保存。通过对给水污泥的检测得到基本性质如表1所示。

表1　污泥的基本性质

1.2实验装置

为了测定电动对给水污泥的Al3+去除效果，设置了一套实验装置，如图1。装置包括一个长方体的污泥槽、三个阀门、一个打孔不锈钢阴极、一个打孔不锈钢阳极、一个稳压直流电源(36V，100A)、一个圆柱形真空槽(内径为150mm，高度为200mm)，真空槽上部装一个真空压力表、一个真空泵(0～-0.1Mpa)、一个电子天平，真空泵和真空槽之间装阀门，通过调节阀门开关来调节真空压的大小，真空槽下面装一个阀门，方便后续对脱水的质量测量，阴极和真空槽之间装一个阀门，可以随时切断真空抽吸作用，这样可以做到污泥的反应时间的实时控制。每个阴阳电极上部都是加装了滑动板(调节电极之间距离)。

图1　电动实验装置

1.3检测方法

1.3.1pH值测定

称取通过1 mm筛孔(即18号筛)的风干土10 g一份，放在50 mL的烧杯中，加入去除二氧化碳的蒸馏水(将蒸馏水煮沸即可)，连续或者间歇性搅拌30 min，静止30 min后用pH计测定。

1.3.2金属含量的测定

给水污泥中Al3+含量采用王水(VHCl：VHNO3=3：1)溶解后，干燥，称取1 g干污泥进行ICP-eds测定Al3+含量。

2　结果与分析

2.1pH值对Al3+去除效果的影响

电动过程中Al3+在电场力作用下从阳极向阴极移动，但是水的电解导致污泥中pH值分布不均，OH-对于Al3+离子有络合作用，因此电动后Al3+在污泥反应区的分布特点和污泥反应区的pH值分布有关。电动后Al的分布见图2、3。

图2　电动后Al3+含量分布

图3　不同污泥pH值Al的分布

由图2可见，污泥在电极两端有较好的去除Al3+效果，在阳极Al的含量降低到19g/kg干污泥，离阳极距离L在16cm时Al含量很大、可见Al3+含量在污泥反应区表现两端较小、中间偏大的特点。随着电动的持续进行，在离子的浓度差和电场力作用下，H+和OH-分别向阴和阳极移动。由图3可见，电动2h后阳极到阴极处污泥pH值逐渐增大。Al3+在不同的pH值溶液中能形成不同的氢氧化结合态[9]。公式(1)是离子平衡公式：

Al3++H2O↔Al(OH)2++H+pKa=5

Al3++2 H2O↔Al(OH)2++2 H+pKa=10.20

Al3++3 H2O↔Al(OH)3+3 H+pKa=15.71

Al3++4H2O↔Al(OH)4-+4H+pKa=23.91

pH=pKa+lg(A-/HA)

(1)

不同pH值给水污泥电动后干污泥Al3+含量变化见表2。

表2　Al3+含量随pH变化情况

由表2可见，pH=3.3时，给水污泥电动法去除Al3+效果最好，其中，干污泥Al3+含量从266 g/kg干污泥降低到28 g/kg干污泥，其去除率达到89.5 %；给水污泥没有经过酸碱调节的样本pH=8.6，电动后其Al3+含量为134 g/kg干污泥，去除率达到49.6 %；碱调节后pH值为10.6，电动后其Al3+含量为87 g/kg干污泥。可见，酸性条件下Al3+去除效果最好，碱性条件次之，未处理给水污泥电动法去除Al3+效果最差[10-12]。

2.2电势梯度对Al3+去除的影响

随着电动的持续进行，在离子的浓度差和电场力作用下，阳离子和阴离子分别向阴极和阳极移动。M. Citeau等人提出溶液中离子的迁移速度公式[13]：

(2)

式(2)中，Vi是离子的迁移速度，Zi是离子价态，E是电势梯度，F是Faraday常数(96 500 C/mol)。

从式(2)中可见，电势梯度E越大，电场力越强，离子的迁移速度越快。介于Al3+是随着水分一起被排出给水污泥的，试验过程中，研究了电势梯度为2.5 v/cm时含水率的变化规律。

试验过程中，电势梯度为2.5 v/cm，pH值为3.3时。给水污泥含水率变化如图4所示，从图中可见，电动前期，给水污泥脱水速度较慢，电动后期电动脱水速度基本保持不变，这主要是因为电动初期，给水污泥处于一种钝化状态，温度低，当温度上升，给水污泥钝化状态被打破，电动脱水速度加快。

图4　电动过程中含水率随时间的变化

如图5所示，电动过程中，电流值先上升后下降，0～5h，电流值上升到0.69A，这主要是因为给水污泥初始状态下处于一种钝化状态，温度低，电动前期温度上升，电流值增大[14]。5h后电流值一直下降，这主要是因为电动过程中，阳离子和水分被排出给水污泥，导致其电解质浓度越来越小，电动强度越来越低。电动过程中Al3+一直处于下降状态，0～5h电动初期，Al3+含量下降最快，5h后，下降速度保持不变，可见，电动过程中，电流值和Al3+含量变化趋势成正相关，Al3+含量降低。

图5　Al3+含量和电流随时间的变化

2.3能耗

电动脱水过程中的能耗包括两个部分：一个是5 min中的真空抽滤，一个是12h的电动作用。根据电动计算公式得到：

(3)

这里E是单位质量给水污泥去除Al3+所需能耗，U是恒定的，I是t0内的电流值，M是给水污泥质量，t0是12 h，t1是5 min，p′是真空泵的功率。

计算结果如表3所示。

表3　离子电动所需能耗

由表3可见，电势梯度是2.5 v/cm时，电渗过程中进行了27 h，整个Al3+去除所需能耗为20.6 kwh/kg干污泥。电势梯度是1.25 v/cm、2.5 v/cm和5 v/cm时，Al3+电动去除所需时间分别是35 h、27 h和12 h，可见电势梯度越大，电动力越强，电动所需时间越短。电动过程中，电势梯度从1.25 v/cm提升到5 v/cm，电流值越大，即使电动所需时间减少了，但是能耗仍然从11.7 kwh/kg干污泥增加到42.0 kwh/kg干污泥。

3　结论

(2)在整个电动过程中，虽然电势梯度越大，脱水效果和Al3+的去除效果增强，但是能耗也增大，因此低能耗的电动脱水装置适宜选用低电势梯度。在优化工况条件下，即pH为6，电势梯度为2.5 v/cm进行电动反应， 电动修复后Al3+含量为3.3 g/kg干污泥，相应的能耗为20.6 kwh/kg干污泥。

[1]刘辉, 许建华. 自来水厂排泥水处理的国内外发展概况[J]. 中国给水排水, 2001,17(08): 26-28.

[2]Peng G, Tian G, Liu J, et al. Removal of heavy metals from sewage sludge with a combination of bioleaching and electrokinetic remediation technology[J]. Desalination, 2011, 271(1): 100-104.

[3]Yuan C, Weng C. Electrokinetic enhancement removal of heavy metals from industrial wastewater sludge[J].Chemosphere, 2006, 65(1):88-96.

[4]林君锋, 杨江帆, 杨广, 等.动电条件下分布在不同土壤中各形态重金属的去除效果[J]. 福建农业大学学报, 2005, 34(01): 108-113.

[5]靳红艳, 王琼, 雷军胜. 河道底泥重金属污染程度评价模式探讨[J].环保科技, 2011, 17(4): 37-40.

[6]邱蓉, 董泽琴, 张军方, 等.土壤汞污染及修复措施研究进展[J]. 环保科技, 2013, 19(3): 21-26.

[7]席永慧, 周光华, 杨洋. 铅污染土壤的动电修复研究[J].贵州农业科学, 2009, 37(1): 165-168.

[8]王璐, 高湘, 聂守田. 电吸附去除水中的Ni～(2+)、Cu～(2+)[J].环保科技， 2010, 16(4): 29-32.

[9]Deng J C, Xin F, Qiu X H. Extraction of heavy metal from sewage sludge using ultrasound-assisted nitric acid[J]. Chemical Engineering Journal, 2009, 152(1): 177-182.

[10]Kim S O, Moon S H, Kim K W, et al. Pilot scale study on the ex situ electrokinetic removal of heavy metals from municipal wastewater sludge[J]. Water Res, 2002, 36(19): 4765-4774.

[11]Cherifi M, Hazourli S, Pontvianne S, et al. Electrokinetic removal of aluminum from water potabilization treatment sludge[J]. Desalination, 2011, 281(85): 263-270.

[12]Babel S, Dacera D M. Heavy metal removal from contaminated sludge for land application: A review[J]. Waste Manage, 2006, 26(9): 988-1004.

[13]Citeau M, Olivier J, Mahmoud A, et al. Pressurised electro-osmotic dewatering of activated and anaerobically digested sludges: Electrical variables analysis[J]. Water Res, 2012, 46(14): 4405-4416.

[14]Yuan C, Weng C. Electrokinetic enhancement removal of heavy metals from industrial wastewater sludge[J]. Chemosphere, 2006, 65(1): 88-96.

Experimental study on the removal of Al3+from drinking water treatment sludge by electrokinetic method

Zhang Zhengjie

(Changzhou Municipal Engineering Design Research College Co., Ltd)

Taking into accounts the characteristics of high moisture and Al3+content in drinking water treatment sludge, this paper summarizes results for an experiment employing electrokinetic technology in the process of sludge dehydration and removal of Al3+.The impact of pH value on existing forms and removal efficiency of Al3+in electrokinetic phase, as well as impacts of different electric potential gradients on Al3+removal efficiency were investigated and analyzed. The results show that the complex form of Al3+can be ionized by adding the weak HCl solution and increase therefore their removal efficiency, and that the bigger electric potential gradient, the higher removal efficiency of Al3+and higher resulting electric energy consumption.

moisture content；electrokinetic；drinking water treatment sludge

2016-04-25; 2016-08-03 修回

章正杰，男，1990年出生，本科，研究方向：水资源利用与保护。E-mail：578400930@qq.com

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