（环境工程专业论文）动电技术处理城市污水脱水污泥的试验研究.pdf

摘要 摘要 城市化进程的加快，城市污水量越来越多，污水处理厂大量兴建，污泥产 量越来越大，污泥出路问题成为难题。污泥的减量化与资源化，已成为我国乃 至世界环境界广泛关注的课题之一，重金属问题是资源化利用中的一大障碍。 动电技术过去用于食品加工业中的脱水和被重金属污染土壤的修复，由于其 操作方便，可同时去除多种重金属，最近开始被用于污泥脱水和污泥中重金属 去除的试验研究。本文研究采用动电技术对城市污水脱水污泥中重金属去除及 污泥减量化的可行性。以上海市白龙港污水处理厂脱水污泥为研究对象，在恒 电压条件下对污泥动电处理，对处理过程中污泥床上电压分布、电渗流方向及 处理前后污泥的含水率、重金属等各理化性质的变化等进行了试验研究。 研究发现：对原污泥动电处理时，电渗流向阴极方向流动，系统电压降主 要发生在污泥床的阳极区，使得系统脱水驱动力减小，处理后污泥的含水率很 不均匀，由阳极区向阴极区逐渐升高。本文通过对阳极板开孔及动电处理过程 中逐渐向阴极方向移动阳极的方法来缓解这种现象。 阳极板开孔时，可减少极化现象，污泥床电阻增加较慢，电渗流增加速度 较快。动电处理1 2 h ，极板开孔系统污泥床的电阻是不开孔系统的3 5 左右；动 电处理7 2 h ，两系统污泥床的电阻相差不大，但开孔系统收集到的电渗流累积量 比不开孔系统的多2 0 。从法对污泥动电处理后，污泥床各区域的含水率比较 均匀。采用固定阳极法( f a 法) 对含水率为7 4 6 l 的原污泥动电处理9 6 h 后， 阳极区污泥的含水率降至4 9 5 ，阴极区的仅可降至6 1 9 ，平均含水率为5 5 5 ；同样条件下，采用a a 法处理后，各区域污泥的含水率为5 3 5 7 2 ，平 均为5 5 3 ，且a a 法比f a 法节约能耗。但对重金属的去除效果都不好。 动电处理过程中，电渗流的方向与污泥的p h 值有关，并且影响重金属离子 的移动。当污泥的p h 值高于其等电点时，电渗流向阴极方向流动，处理后污泥 中重金属含量阳极区低，阴极区高；当污泥的p h 值为其等电点时，电渗流向阳 极、阴极两个方向流动，处理后污泥中重金属含量中间区低，阳、阴极两区较 高；当污泥的p h 值低于其等电点时，电渗流向阳极方向流动，处理后污泥中重 金属含量阳极区最高，其它区域无明显变化规律。 对污泥酸化预处理并在两极室增设极液，可以提高重金属的去除率，但酸 摘要 化后污泥的p l - i 值须高于其等电点，以使电渗流的方向与重金属离子移动方向一 致。当将污泥酸化至p h 值为6 3 5 ，且阳极室用去离子水作为极液，阴极室用0 0 1 n 的硝酸溶液作为极液，并维持其p h 值在2 左右，对酸化污泥动电处理1 2 0 h ，污 泥中z n 、c u 、n i 的平均去除率分别为4 6 9 、3 6 9 、5 3 1 ，阳极区的去除 率均在6 0 以上；同时，污泥含水率由7 4 1 2 降至6 7 8 3 。 关键词：动电技术，脱水污泥，等电点，电渗流，重金属，含水率 a b s 仃a c t a b s t r a c t w i t ht h ea c c e l e r a t i o no fc h i n a su r b a n i z a t i o n , t h eq u a n t i t yo fs e w a g ei n c r e a s e s ， a n dm a n ys e w a g et r e a t m e n tp l a n t sh a v eb e e nc o n s t r u c t e d ，w h i c hi n c r e a s e st h eo u t p u t o fs l u d g e ，a n dh o wt od i s p o s es l u d g eh a sb e c o m eap r o b l e m s l u d g er e d u c t i o na n d r e s o u l c eh a sb e c o m eat o p i co fw i d ec o n c e r n ，a n dh e a v ym e t a li sam a j o ro b s t a c l ei n r e s o u r c eu t i l i z a t i o n e l e c t r o k i n e t i ct e c h n o l o g yh a sb e e nu s e di nf o o dp r o c e s s i n gi n d u s t r ya n d r e m e d i a t i o no fc o n t a m i n a t e ds o i lb yh e a v ym e t a l s f o ri t sh i 曲r e m o v a le f f i c i e n c y ， a n dc a nr e m o v eav a r i e t yo fh e a v ym e t a l s r e c e n t l yi th a sb e e nb e g u nt ob eu s e di n t h er e s e a r c ho ft h er e m o v a lo fh e a v ym e t a l si ns e w a g es l u d g e b a s e di ns h a n g h a i b a i l o n g g a n gs e w a g et r e a t m e n tp l a n td e w a t e r e ds l u d g e ，a n du n d e rt h e c o n d i t i o no f c o n s t a n tv o l t a g e ，w ea n a l y s et h ev o l t a g ed i s t r i b u t i o no fs l u d g eb e d ，e l e c t r o o s m o t i c f l o wd i r e c t i o na n dc h a n g e si nt h ep h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e s o ft h e e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h f r o mt h ee x p e r i m e n t ，w ef o u n dt h a td u r i n gt h et r e a t m e n to fo r i g i n a ls l u d g e ，t h e e l e c t r o o s m o t i cf l o wf l o w st ot h ec a t h o d ea n dt h es y s t e m sv o l t a g ed r o po c c u r r e d m a i n l yi nt h ea n o d es l u d g eb e d ，w h i c hr e s u l t st h ed e h y d r a t i o nd r i v i n gf o r c er e d u c e s t h es l u d g em o i s t u r ei sv e r yu n e v e na f t e rt r e a t m e n t ，a n di tg r a d u a l l yi n c r e a s ef r o mt h e a n o d et ot h ec a t h o d e b yo p e n i n gs m a l lh o l e so nt h ea n o d ep l a t ea n dg r a d u a l l y m o v i n gt h ea n o d ep l a t et ot h ec a t h o d ed i r e c t i o nt oa l l e v i a t et h i sp h e n o m e n o ni nt h i s p a p e r o p e n i n gs m a l lh o l e so nt h ea n o d ep l a t ec a l lr e d u c ep o l a r i z a t i o n ，w h i c hc a l l s l o w e rt h ei n c r e a s es p e e do fs l u d g eb e dr e s i s t a n c e ，a n dt h ee l e c t r o o s m o t i cf l o w i n c r e a s ef a s t e r a f t e rt r e a t m e n to f12 l l ，t h er e s i s t a n c eo fs y s t e mw i t hh o l e si sa b o u t t h r e e f i f t h so ft h es y t c mw i t h o u th o l e a f t e r7 2 kt h e r ei sn o tm u c hd i f f e r e n c e b e t w e e nt h et w os y s t e m ss l u d g eb e do fr e s i s t a n c e h o w e v e rt h ee l e c t r o o s m o t i cf l o w a c c u m u l a t i o no ft h es y t e mw i t hh o l e si s2 0 m o r et h a nt h es y t e mw i t h o u th o l e s a f t e rt r e a t m e n tw i t ha am e t h o d ，t h em o i s t u r eo fs l u d g eb e di sm o r ee v e n l y a f t e r i i i t r e a t m e n t9 6 hw i t hf am e t h o d ，t h ew a t e rm o i s t u r eo fa n o d es l u d g eb e dc a nb e r e d u c e df r o m7 4 61 t o4 9 5 ，w h i l et h ew a t e rm o i s t u r eo fc a t h o d es l u d g eb e d o n l y c a l lb er e d u c e dt o6 1 9 ，a n dt h ea v e r a g em o i s t u r ec o n t e n ti s5 5 5 u n d e rt h es a m e c o n d i t i o n s ，u s i n ga am e t h o d ，t h em o i s t u r eo ft h ew h o l es l u d g eb e dc a nb er e d u c e dt o 5 3 5 7 2 ，a n dt h ea v e r a g ei s5 5 3 w h a t sm o r e ，a am e t h o dc o s tl e s se n e r g y t h a nf am e t h o d w h i l e ，t h er e m o v a le f f i c i e n c yo fh e a v ym e t a li sn o th i g h d u r i n gt h ep r o c e s so fe l e c t r o k i n e t i ct r e a t m e n t ，t h ed i r e c t i o no fe l e c t r o o s m o t i c f l o wi sr e l a t e dt ot h ep hv a l u eo ft h es l u d g e ，a n da f f e c t e st h em o v e m e n th e a v ym e t a l i o n s w h e nt h ep hv a l u ei s h i g h e rt h a ni t s i s o e l e c t r i cp o i n t ，t h ed i r e c t i o no f e l e c t r o o s m o t i cf l o wi st ot h ec a t h o d e ，a n dt h ec o n c e n t r a t i o no fh e a v ym e t a l si ns l u d g e i si n c r e a s e df r o mt h ea n o d et ot h ec a t h o d e w h e nt h ep hv a l u eo ft h es l u d g ei se q u a l t 0i t si s o e l e c t r i cp o i n t ，t h ee l e c t r o o s m o t i cf l o wf l o w st ob o t hd i r e c t i o n s 一- t h ea n o d e a n dc a t h o d e ，a n dt h ec o n c e n t r a t i o no fh e a v ym e t a l si nt h em i d d l er e g i o ni sl o w e rt h a n t h ea n o d ea n dc a t h o d er e g i o n s w h e nt h ep hv a l u ei sl o w e rt h a ni t si s o e l e c t r i cp o i n t , t h ed i r e c t i o no fe l e c t r o o s m o t i cf l o wi st ot h ea n o d e ，a n dt h ec o n c e n t r a t i o no fh e a v y m e t a l si nt h ea n o d er e g i o ni sh i g h e rt h a no t h e rr e g i o n s a f t e rt h eo r i g i ns l u d g ew a st r e a t e db ye l e c t r o k i n e t i ct e c h n o l o g y ，t h ec o n t e n to f h e a v ym e t a l s i ni th a sb e e nr e d u c e d ，b u tt h er e m o v a le f f i c i e n c yi sn o th i g h p r e a c i d i f i c a t i o no ft h es l u d g ec a ne n h a n c et h er e m o v a lo fh e a v ym e t a l s b u t ，t h ep h v a l u eo ft h es l u d g em u s tb eh i g h e rt h a ni t si s o e l e c t r i cp o i n t ，s oa st ot h ed i r e c t i o no f e l e c t r o o s m o t i cf l o wi sc o n s i s t e n tw i t l lt h e d i r e c t i o no fh e a v ym e t a li o n sm o v i n g w h e nt h es l u d g ei sa c i d i f i e dt op h6 3 5 ，a n dd e i o n l z e dw a t e rw a su s e da sp r o c e s s i n g f l u i di na n o d ec h a m b e r ，a n dn i t r i ca c i ds o l u t i o n 诵t hp h2w a su s e da sp r o c e s s i n g f l u i di nc a t h o d ec h a m b e r ，a n da l s om a i n t a i nt h ec a t h o d ep r o c e s s i n gf l u i dp h2 a f t e r t r e a t m e n to f12 0 h , t h ea v e r a g er e m o v a le f f i c i e n c yo fz n , c u , n ii s4 6 9 ，3 6 9 ， 5 3 1 r e s p e c t i v e l y k e yw o r d s ：e l e c t r o k i n e t i ct e c h n o l o g y , d e w a t e r e ds w e a g es l u d g e ，i s o e l e c t r i cp o i n t ， e l e c t r o o s m o t i cf l o w , h e a v ym e t a l ，w a t e rc o n t e n t i v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规 定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电 子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、 缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索 以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规 定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版：在不以赢 利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于 学术活动。 学位论文作者签名：商铷 硼年多月侈日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名： 关墨豇 加7 年弓月t 4 日 多矽十j 月 口 学位论文作者签名： l 讷 纠年弓月i 弓日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：| 1 6 衲 呻年；月1 3 日 第1 章引言 第1 章引言 污水污泥是城市污水处理过程中的必然产物，污水污泥的处理处置是污水 处理事业的重要组成部分，其处理程度的好坏是评价污水处理状况的重要标准。 随着我国城市化进程的加快，城市污水处理率逐年上升，污泥产量也逐年增多， 据估算，我国污水处理厂每年排放的污泥量( 干重) 达1 3 0 万吨，年增长率大 于l o ，如果我国城市污水全部得到处理，每年将产生8 4 0 万吨干污泥，占总 固体废弃物的3 2 【l j 。如果污泥未经恰当处理，将给水体、大气带来二次污染， 降低污水处理系统有效处理能力，且对生态环境、人类活动构成严重威胁。因 此，如何将产量大、成分复杂的污泥，经过科学处理后，使其减量化、稳定化、 无害化和资源化，已成为我国乃至世界环境界广泛关注的课题之一。 1 1 城市污水污泥的处理与处置现状 1 1 1 国外城市污水污泥处理与处置现状 据资料统计，英国在过去的5 年中，污泥年增长率为5 1 0 ，年产干污泥 达到1 7 0 万吨。美国在其1 5 3 0 0 个城市污水处理厂中，每年所产生的干污泥大 约千万吨以上；欧盟1 2 国年产干污泥6 5 0 万吨；日本为2 4 0 万吨。 污水处理厂的污泥处理、处置系统的装备，发达国家在2 0 世纪6 0 年代就 已达到先进的成套化水平，如污泥消化系统设备、污泥浓缩脱水设备、污泥干 燥焚化设备、沼气综合利用设备、污泥高温堆肥系统装备以及污泥固化工业利 用技术与设备，2 0 世纪8 0 年代末又启用湿式氧化技术处理污泥。 为避免污水处理厂污泥对环境的二次污染，各国政府及研究机构对污泥的最 终处置问题十分重视并根据各国的国情制定出污泥处置的法规和具体方案。国 外污水厂污泥或用于农林绿化；或焚烧处理；或填埋处理；另有很少部分以其 他方式处置或利用。一般来说，污泥农用费用最低；其次为填埋方法；处理费 用最高的为焚烧方法，其处理费用约为污泥农用的3 8 倍，约为填埋费用的2 1 倍。由此可见，农用和污泥填埋是国外大多数国家进行污泥处置的两种主要方 第l 章引言 法。农用和填埋方案的选择很大程度上取决于各国政府有关的法律、法规和污 染控制状况，同时也与国家的大小和农业发展状况有关。近年来，随着污泥农 用标准( 如合成有机物和重金属含量) 日益严格，许多国家，如德国、意大利、 丹麦等，污泥农用的比例不断下降，而污泥填埋的比例有增加的趋势：但也有 一些国家，如美国、英国、日本等污泥农用的比例呈增加趋势，填埋呈减少趋 势【2 _ 5 】。 1 1 2 国内城市污水污泥处理与处置现状 我国污水污泥处理处置技术现在还刚刚起步，长期以来，我国存在着重废 水处理，轻污泥处理的倾向。在全国现有污水处理工程中有污泥稳定处理设施 的不到i 4 4 - 5 】。污泥处理处置基建投资大，运行费用高。目前我国绝大多数污 泥经过重力浓缩、消化、机械脱水这一套简单的工艺处理后，就送往垃圾填埋 场或直接暴露在旷野中，造成严重的二次污染。尽管花费了大量人力、物力、 财力治理了污水，但污泥得不到有效处理，大大抵消了污水处理的环境保护意 义，使城市污水处理事倍功半。 许多城市仍采取购地露天堆放的方法，造成城市周围垃圾成山、蚊蝇滋生， 环境严重污染的状况。也有些地方，由于污泥处理处置设施投资费用高，污水 处理厂建设中将污泥处理部分放在二期工程实施。但由于资金、人员及技术等 多方面的原因，一期工程完成并运行多年后，二期工程还得不到落实。在这种 情况下污泥不得不直接排放，造成了二次污染。 1 1 3 城市污水污泥处理与处置评价 目前大多数国家采用填埋、焚烧、土地利用等实用性方法。填埋所需成本 低，但是它要占用大量的土地资源，而且填埋场周围的环境也会恶化，还有渗 滤液和臭气的问题，此外还存在填埋气体爆炸的危险。在许多国家和地区，新 建填埋场遭到人们坚决反对。而污泥简单脱水后含固率低，流动性大，可压缩 性差，给填埋场增加了渗滤液，并影响垃圾的填埋压实，还可能堵塞集气井和 排水管，从而极大地干扰垃圾场的正常运行。因此，简单脱水后的污泥普遍被 填埋场所拒绝。焚烧处理虽然减量化程度很高，但投资、运行费用很高，难以 处理量大面广的城市污水处理厂的污泥，而且存在烟气污染的问题。土地利用 2 第1 章引言 可以将污泥变废为宝，但是污泥中多数含有重金属离子，难降解有机物等有害 物质，难以达到土地利用标准。 污泥的最终处置越来越困难，污泥处理已成为污水处理厂设计、运行中必须 优先考虑的主要环节。为了防止污泥的二次污染，首先，应尽可能通过技术进 步和工艺改造等手段减少污泥的产生量，这是最有效的措施；其次应该大力开 展促进污泥减量化的技术研究。以大幅度减少水分，为后续的处理、利用和运 输创造条件，并减少污泥最终处置前的体积，从而降低现有污泥处理处置基建 和运行费用。在此基础上，应尽可能的资源化【2 _ 引，目前污泥资源化农用中的一 大障碍就是污泥中重金属的含量太高。 1 2 城市污水污泥脱水技术研究进展 污水污泥是污水处理厂产生的液态或泥浆状副产物，初沉污泥的固体浓度 一般介于3 5 ，剩余活性污泥的固体浓度小于1 ，污泥体积很大。通过浓 缩和脱水，污泥浓度将会进一步增加，体积大大缩小。现有的污泥脱水方法大 致可分为自然脱水、机械脱水、电渗透脱水三类【4 - 7 】，以前两种为主。 1 2 1 自然千化 自然干化是利用自然力量( 如太阳能) 将污泥脱水干化的一种常用方式。 传统上常用的是污泥干化床。干化床适用于小型污水厂，该方法适用于气候比 较干燥、占地不紧张，而且蒸发率相对较高、环境卫生条件允许的地区。近来， 国外出现一种利用芦苇等沼生植物进行污泥脱水的新方法【钔。该方法利用芦苇的 生长来进行污泥干燥，是一种可持续的系统。其优点是不需电能也不需投加化 学物质，污泥固体含量可由排出时的l 左右增加到4 0 ，还可富集重金属，但 缺点是占地面积大，可能引起地下水污染。 1 2 2 机械脱水 污泥机械脱水是目前世界各国普遍采用的污泥减量化方法。主要的机械脱水 设备有带式压滤机、板框压滤机和离心脱水机。 带式压滤机是利用滤布的张力和压力在滤布上对污泥施加压力使其脱水， 3 第1 章引言 并不需要真空或加压设备，其动力消耗少，可以连续操作。污泥流入连续转动 的上下两块带状滤布后，滤布的张力和轧辊的压力和剪切力依次作用于夹在两 块滤布之间的污泥上而进行脱水。脱水后污泥的含水率可降至8 0 左右。 带式压滤机的优点是可连续运行、操作管理简单、附属设备少、机器制造 容易等。其主要缺点是占地面积大，运行中需投加的合成聚合物价格较贵，致 使运行费用较高。 板框压滤机是通过过滤推动力，把污泥中的水分压过滤布介质，从而实现 脱水。压滤机的滤板和滤框平行交替排列，每组滤板和滤框中间夹有滤布，用 可动端把滤布和滤框压紧，使滤板和滤框之间构成一个压滤室。污泥从料液进 口流入，水通过滤板从滤液排出口流出，泥饼将堆积在框内滤布上，滤板和滤 框松开后泥饼就很容易剥落下来。脱水后污泥的含水率可降至7 5 左右。 板框压滤机的优点是：结构简单、操作容易、运行稳定、保养方便、设备 使用寿命长、过滤推动力大、所得滤饼含水率低；过滤面积选择范围灵活，且 单位过滤面积占地少；对物料的适应性强，适用于各种污泥的脱水；滤液中含 固量少。其主要缺点是不能连续运行、处理量小、滤布消耗大。因此，它一般 适用于中小型污泥处理设施的脱水处理。 污泥离心脱水机是利用污泥颗粒与水的密度不同，在相同的离心力作用下产 生不同的离心加速度，从而导致污泥固液分离，实现脱水的目的。离心脱水设 备的组成是转筒、旋转输送器、覆盖在转筒和输送器上的箱盒、重型铸铁基础、 主驱动器和后驱动器。主驱动器驱动转筒；后驱动器则控制传输器速度。转筒 机器装置有两种形式，即同向流和反向流。在同向流结构中，固体和液体在同 一方向流动，液体被安装在转筒上的内部滗除设备或排放口去除；在反向流结 构中，液体和固体运动方向相反，液体溢流出堰盘。脱水后污泥的含水率可降 至7 0 7 5 。 离心脱水设备的优点是结构紧凑、附属设备少、臭味少、可长期自动连续运 行。其主要缺点是噪音大、污泥中沙砾易磨损设备。 1 2 3 电渗透脱水 电渗透脱水就是利用外加直流电场增强物料脱水性能的方法。物料在与极 性水接触的界面上，由于发生电离、离子吸附或溶解等作用，使其表面带有正 4 第1 章引言 电，或带有负电。带电颗粒在电场中运动( 电泳和电渗透) ，或带电颗粒运动 产生电场( 流动电势和沉降电势) ，统称为动电现象。在电场作用下，带电颗 粒在分散介质中作定向移动称为电泳( e l e c t r o p h o r e s i s ) ，电泳主要用于蛋白的 分离和悬浊液中颗粒的沉降；在电场作用下，分散相固定，分散介质通过多孔 性固体作定向移动称为电渗透( e l e e t r o o s m o s i s ) ，电渗透可以用于物料的脱水。 从能量最低原则考虑，质点表面上的电荷不会聚在一处，而势必分布在整 个质点的表面上。但质点和介质作为一个整体是电中性的，故质点周围的介质 中必有与质点表面电荷数量相等而符号相反的过剩离子存在，这些离子称为反 离子。质点的表面电荷与周围介质中的反离子构成所谓的双电层。在电场的作 用下，带电的质点向某一电极运动，反离子则带着液体介质一起向另一电极运 动。液相不动而颗粒运动称为电泳，固相不动而液相移动称为电渗。 电渗透脱水技术已在食品加工中得到发展和应用，如牛奶的浓缩，水果和 蔬菜汁的制作，酒糟的处理，豆渣、薯渣脱水后做成饲料等。最近被用于污泥 脱水的研究。它可脱除毛细管水，脱水性能优于机械方法。在机械脱水过程中 随着自由水和间隙水的脱除，颗粒首先堆积在过滤介质上并最终导致堵塞i 珀j ， 而电渗透脱水过程中水的脱除发生在每一个絮凝体颗粒的内、外表面，毛细管 水、间隙水和自由水同时被脱除，颗粒密度均匀地增大。b a r t o n 进行的小试表 明【l 引，通过添加絮凝剂、加压，电渗透脱水可以得到含固率为3 5 - - - 4 6 的污 泥，而同样条件下采用机械脱水，污泥的含固率只能达到2 4 - - 3 0 。 电渗透脱水相对于传统方式而言能够降低能耗，可以很容易与机械压榨脱水 方式结合起来，提高脱水速率和效率。电渗透脱水最大的问题在于：在电渗透 脱水过程中阳极端的脱水床层含水率快速降低，在该部分的电阻急剧增加，施 加的电压几乎全部降在阳极端脱水层中，阴极端脱水床层的电场强度逐渐降低， 即阴极端脱水驱动力减小；另外，由于电极附近发生电化学反应，电极处离子 浓度增高，电位降低，电渗透驱动力减小，反应产生的气体也影响了反应的 进行。因此，一定时间后，电渗透脱水不再进行 s q 4 j 。 1 3 城市污水污泥重金属去除技术研究进展 污泥中含有大量的n 、p 、k 、c a 及有机质，而且n 、p 以有机态为主，同 时污泥中还有许多植物所必须的微量元素，可以缓慢释放，具有长效性。因此， 5 第1 章引言 污泥是有用的生物资源，是很好的土壤改良剂和肥料，其资源化农用已经成为 当今研究的热点f 3 3 】。但是，城市污泥中含有毒性较大的重金属元素，如果处理不 当将会对使用污泥地区的生态环境构成严重危害 3 3 l 。因此，降低或去除污泥中 超标的重金属元素成为有效处置和利用污泥的关键。 目前，处理污泥中重金属的途径主要有：改变污泥中重金属的存在形态， 使其稳定，降低在环境中的迁移性和生物可利用性；从污泥中去除重金属。 围绕这两种思路，已有多种诸如物理、化学和生物的治理方法，但绝大多数方 法尚处于实验室和模拟试验阶段，达到现场应用程度的成熟方法很少。因此， 当前的研究重点是寻求治理效果好、成本低和现场可操作性强的方法。从当前 文献报道的状况来看，去除城市污泥重金属的研究主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 利用微生物方法降低污泥中的重金属含量【1 5 2 1 1 ，( 2 ) 通过化学固定方法降 低污泥中的重金属2 2 - 2 5 】，( 3 ) 利用植物的修复作用降低污泥中重金属含量 2 6 - 3 0 1 ， ( 4 ) 采用动电技术去除污泥中重金属p h 。 1 3 1 生物淋滤技术 生物淋滤技术是通过对污泥进行酸化处理，然后向污泥中投加营养，在污 泥中培养和繁殖大量的氧化亚铁硫杆菌( a c i d i t h i o b a c i l l u sf e r r o o x i d a n s ) 与氧化 硫硫杆菌( a c i d i t h i o b a c i l l u st h i o o x i d a n s ) 等嗜酸性硫杆菌，利用他们的生物氧化 作用，将污泥中难溶性重金属从固相中溶出进入水相，再通过固液分离加以去 除【1 5 46 1 。该技术最先用于提取矿石或贫矿中的重金属，目前它的研究正被扩展 到环境污染治理领域。 这一技术在污水污泥或其焚烧灰分中重金属去除以及重金属污染土壤的生 物修复技术方面得到了广泛的应用。据报道【4 卜4 2 1 ，通过微生物方法去除污泥重 金属，除了少数几种重金属元素( c r 、p b ) 的去除率低于5 0 # b ，其它元素如c u 、 z n 、c d 、n i 等的去除率一般都在7 0 9 0 ，在一定条件下甚至高达9 0 以 上。生物淋滤效果主要与温度、氧气浓度、二氧化碳浓度、起始p h 值、污泥 的种类和浓度、底物种类和浓度、某些重金属阳离子等抑制因子及f e 等有较 大的关系【1 9 - 2 0 。底物的选择是生物淋滤技术中关键因素，其种类与数量不仅制 约着生物淋滤过程中优势菌群的数量、演替以及污泥的酸化进程，同时也控制 着重金属的去除效率和运行成本。常用底物有硫酸亚铁和硫( s ) 粉两种，据报道 6 第1 章引言 u 6 j ，s 粉比硫酸亚铁更为有效。然而，s 粉的需用量较大( 5 1 0 9 l ) ，利用率较 低( 4 0 - 6 0 ) ，大量s 粉残留于污泥中，导致施用土壤的后酸化效应。而黄铁 矿( f e s 2 ) 来源丰富，价格低廉，并可直接被氧化铁硫杆菌氧化利用。周立祥等人 采用硫杆菌复合菌株，将s 粉用量降至常规用量的2 0 - 4 0 ，与f e s 2 配合进 行生物淋滤试验。结果表明，两种底物配合可加速污泥中重金属( z n ，c u ) 的浸出， 显著提高其去除率。经过1 8 d 的生物淋滤，在两种底物配合并接种的处理中， z n 和c u 的去除率分别可达8 9 2 ，5 6 5 ；而在单独加黄铁矿并接种的处理中 两者的去除率分别为1 2 o ，0 9 ：单独添加硫粉并接种处理中分别为8 5 2 ， 3 7 6 ，进一步验证了生物淋滤技术去除污泥中重金属的可行性。 生物淋滤技术运行成本较低，实用性较强，是一种经济有效、极具有潜力 的重金属去除方法。然而生物淋滤法采取的主要细菌如硫杆菌，增殖速度较慢， 且培养的细菌大多是从金属矿山酸性废水分离或者购买商品化的菌株，培养时 间较长( 1 0 3 0 d ) ，有时处理效果不太稳定，生物淋滤滞留时间较长也是限制该种方 法大规模运用的主要障碍。因此，直接从污水污泥中分离并培养大量合适的细 菌，使淋滤过程高效、稳定运行是今后该方法需要解决的主要问题。另外，利 用生物方法尤其是生物淋滤法去除污泥中重金属的应用与研究历史较短，仍有 许多技术问题需要进一步探索。 1 3 2 化学固定技术 重金属在污泥中的可移动性是决定其生物有效性的一个重要因素，而移动 性取决于其在污泥中的存在形态，污泥的理化性质如有机质含量、矿物组成、 p h 值和e h 值均可影响重金属的形态和各种形态之间的转化，通过改变这些参 数来调节重金属在污泥及土地利用的堆肥中的移动性。固化方法就是在堆肥过 程中，向堆体中加入固化剂，如t 粉煤灰、磷矿粉、沸石和草炭等，来改变污 泥的理化性质，通过重金属的吸附或共沉淀作用降低其生物活性，使有效态的 重金属减少。污泥中的重金属被固化后，土地利用时，可减少向土壤深层和地 下水迁移【2 引。 固化方法的关键在于成功地选择一种经济而有效的固化剂，不同固化剂固 定重金属的机理不同。如添加石灰主要是通过重金属自身的水解反应及其与碳 酸钙的共沉淀反应机制降低土壤中重金属的迁移性：沸石是碱金属或碱土金属 7 第1 章引言 的水化硅酸盐晶体，含有大量的三位晶体结构、很强的粒子交换能力和独特的 分子结构( 骨架状的特殊构造) ，从而通过离子交换吸附和专性吸附降低土壤中 重金属的有效性；f e m n 氧化物能专性吸附重金属，使其生物有效性降低；大多 数重金属磷酸盐的溶解度很低。黄雅曦【2 2 】等人研究了在污泥堆肥中添加粉煤灰、 磷矿粉、草炭、沸石和石灰对重金属的形态及重金属的生物有效性的影响，并 对不同钝化剂的不同配比进行了筛选和优化；在此研究基础上，探讨了污泥堆 肥中钝化剂对重金属的吸附机理，运用透析及g 7 5 凝胶色谱分离等方法研究了 污泥堆肥中重金属有机形态的转变机理。对污泥堆肥和污泥肥料在农业生产上 的应用提供了一定的理论依据。研究结果表明：在污泥堆肥中，添加粉煤灰( f a 2 0 ) 的处理，对c u 元素的有效态钝化效果最好；添加粉煤灰和磷矿粉( f a 2 0 和p r i o ) 的处理对z n 的钝化效果最好；对m n 来讲，钝化效果最好的处理是磷矿粉和石 灰( p r l 5 和c l l 0 ) ，对于p b 钝化效果最好的处理是粉煤灰和磷矿粉( f a i o 和 p r i o ) ) 而对于c d 来说，以粉煤灰和草炭( f a 2 0 和p t i o ) 处理的钝化效果最好。 固化方法能原位处理重金属，从而大大降低成本。但固化方法并不是一个 永久的措施，因为只是改变了重金属在污泥中的存在形态，仍然持留在污泥中， 被土地利用后，将永远存留在土壤中。而土壤一旦被破坏，很难恢复其原始状 态；而且对其长期稳定性和对生态系统( 植物动物) 的影响不甚了解，目前也 缺乏这方面的研究1 4 5 。 1 3 3 植物修复技术 利用植物吸附和清除土壤和水环境中的有害物质是人们很早就有的一个设 想，但植物治污的英文专用名词“p h y l m e m e d i a t i o n 却是近年来提出的。国内 的文献中也称为“植物修复 或“植物整治 【2 6 】。l9 9 4 年，h y ar a s k i n 对其这 样定义：利用植物进行环境治理，包括从土壤和水中去除重金属和有机类污染 物。 植物治污主要是通过寻找和利用以下特性的植物进行环境治理：能够从环 境中富集有害元素并贮存在组织中；能产生降解周围环境中某些有毒有机物的 酶；能刺激根际周围具有降解化学物质能力的细菌生长。根据其作用过程和机 理不同可分为3 种类型：( 1 ) 植物稳定；( 2 ) 植物挥发；( 3 ) 植物提取。 广义的植物修复包括利用植物修复重金属污染的土壤、清除放射性核素和 8 第1 章引言 利用植物及其根际微生物共存体系净化土壤中有机污染物等。狭义的植物修复 技术主要指利用植物清洁污染土壤或者去除含有重金属过量土壤中的重金属。 有些植物的根系能够吸收环境中的有害元素硒和汞，并将其转化为挥发态的二 甲基化硒和汞蒸气( h g o ) ，这样就形成了植物挥发治污法( p h y t o v o l a t i l i z a t i o n ) 。 有些元素如铅被一些植物如毛状剪股颖( a g r o s t i s c a p i l l a r i s ) 的根吸附后能同磷酸 盐发生反应，形成不溶的化合物氯磷铅石( p y r o m o r p h y t e ) ，最终被固定在土壤中， 可以减少重金属被淋滤到地下水或通过空气载体扩散进一步污染环境的可能 性，这被称为植物固定治污法( p h y t o c x t r a c t i o n ) 。大多数的治污策略是利用植物 将土壤中元素吸收富集到植物体内，以减少其在土壤或水环境中的残留量，被 称为植物提取治污法( p h y t o e x t r a c t i o n ) 。植物治污为清除环境中日益加剧的有毒 元素，以及有机残留物带来的污染问题提供了一条新途径。 植物治污与传统物理、化学技术相比，具有技术和经济上的双重优势，主 要体现在：污染物在原位去除，可通过传统农业措施种植植物，使成本大大 降低；植物本身对环境的净化和美化作用，更易被社会所接受。重金属污染 土壤修复的主要问题是如何提高植物修复效率和速率。目前最具有推广价值的 超积累植物植株矮小、生物量低、生长缓慢和生活周期长，因而修复效益低； 通常一种植物只吸收一种或两种重金属，对土壤中共存的其它金属忍耐能力差， 从而限制了植物修复技术在复合污染治理方面的应用；植物是一个生命有机体， 对土壤肥力、气候、水分、盐度、p h 值等有一定的要求，而这些植物多为野生 植物，目前对其生活习性和耕种方法还缺乏了解【4 2 4 3 】。 1 3 4 动电处理技术 动电技术最先用于被污染土壤中重金属去除的研究，由于其去除效果好， 能耗低，可同时去除多种重金属，最近被环境工作者用于去除污泥中重金属的 研究。动电技术去除污泥中重金属是在污泥中插入电极对，并通以低压直流电 形成电场梯度，污泥中的污染物质( 包括重金属离子和有机污染物) 在电场作 用下向电极室运输，主要通过电迁移、电渗流或电泳的方式被带到电极两端， 收集起来进行集中处理，从而达到去除污泥中重金属的目的。最近的实验研究 表明，动电技术也可用于去除城市污水厂污泥中的重金属。z a g u r y , g j 等人采用 动电技术对重金属含量较高的工业污泥( z n = 3 4 5 0 m g k g 、c u - - 2 3 0m g k g 、n i 9 第1 章引言 = 4 6 0m g k g ，c r = 7 5 0 m g k g ，p b = 1 5 0m g k g ，m n = 7 0 5 0 m g k g ，f e = 1 0 9 0 0 0 m g k g ) 研究表明【3 5 1 ，经动电处理后，z n 和c u 的浓度阳极区域分别降低了3 3 、3 9 ，阴极区域分别升高了3 3 和2 6 ，这些金属在阴极区域聚集，并没 有在阴极板上析出。m n 的移动性较其它金属的强，经1 0 d 处理后，在阴极表面 覆盖由c a 、f e 和m n 组成的金属层。k i m ，s o 等人对城市污水厂污泥( c u = 3 3 8 7 m g k g 、c r = 1 1 5 6m g k g 、p b = 6 2 8m g k g 、c d = 6 8m g k g ) 进行研究表明【3 1 1 ， 重金属的去除率与他们在污泥中的存在形式有关。采用动电处理后，污泥中可 交换态及碳酸盐态等移动性较强的金属的去除率在7 0 以上，而有机结合态、 硫化态及残渣态等结合力较强的金属的去除率低于3 5 。由此可见，动电技术