近年來,我國對城市污染治理力度不斷加大,有效減緩了廢水污染對水環(huán)境造成的壓力, 但廢水處理過程中產(chǎn)生的大量富含氮、磷、有機物、重金屬等的剩余污泥,因處理與處置不當, 帶來二次污染,造成資源浪費。剩余污泥中所含的重金屬是限制污泥利用的主要障礙。電動力學(xué)去除技術(shù)是近年新興的一種重金屬離子去除方法, 該方法彌補了生物修復(fù)和化學(xué)修復(fù)等方法的不足。
本文概述了國內(nèi)外電動力學(xué)去除技術(shù)的研究現(xiàn)狀以及影響電動力學(xué)去除技術(shù)的主要因素, 闡明了利用電動力學(xué)去除技術(shù)去除剩余污泥中的重金屬離子的可行性,并指出了今后電動力學(xué)去除技術(shù)的重點研究方向。

1　電動力學(xué)去除技術(shù)的原理

在20 世紀90年代, Acar等和A lshaw abkeh等先后總結(jié)了電動力學(xué)去除技術(shù)的基本原理, 并建立起重金屬離子在電場作用下的遷移初步模型。在污泥中插入電極, 施加直流電源后形成電場, 污泥中的重金屬離子在直流電場作用下定向遷移, 富集在電極區(qū)域�？赏ㄟ^電鍍、抽出等方法將其去除。電動力學(xué)去除過程中重金屬離子的遷移機理有電滲流、電遷移和電泳等形式。

2　電動力學(xué)去除技術(shù)的主要影響因素

2. 1　重金屬離子的形態(tài)分布對電動力學(xué)去除技術(shù)的影響

剩余污泥中的重金屬離子是以可交換離子態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、硫化物及有機結(jié)合態(tài)和殘渣態(tài)等5種形態(tài)存在, 其中以可交換離子態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)存在的重金屬離子較易被電動力學(xué)去除技術(shù)除去, 而以有機結(jié)合態(tài)和殘渣態(tài)存在的重金屬離子較難去除, 袁華山等和Kim等的研究也證明了這一點。但在較長的電解時間(5～7d) 、較低的pH(2～6)條件下, 污泥中穩(wěn)定態(tài)的重金屬離子也能被去除。

2. 2　水解引起的pH變化對電動力學(xué)去除技術(shù)的影響

電動力學(xué)過程中主要的電極反應(yīng)見式(1)和式(2)。

陽極反應(yīng)　2H2O - 4e- O2 + 4H + 　Eo = - 1. 229 V (1)

陰極反應(yīng)　2H2O + 2e- 2H ++2OH - 　Eo = - 0. 828 V (2)

陰極產(chǎn)生的OH-形成堿區(qū), 陽極產(chǎn)生的H+ 形成酸區(qū),在兩極之間就形成了pH突變區(qū), 使得離子導(dǎo)電性能急劇下降,必然嚴重影響重金屬離子的去除效率。外加酸堿進行酸度調(diào)節(jié)可改善水電解帶來的影響。另外在陰極與 污泥之間放置陽離子選擇性透過膜,僅允許陽離子及少數(shù)陰離子通過,可把陰極電解產(chǎn)生的大部分OH-限制在膜靠近陰極的區(qū)域,而陽離子則可以穿過膜, 從而提高重金屬離子的去除率。

2. 3　電極極化對電動力學(xué)去除技術(shù)的影響

電極極化現(xiàn)象會導(dǎo)致電流強度降低,從而降低污泥中重金屬離子的去除率。產(chǎn)生電極極化的原因可能有:(1)活化極化,在電動力學(xué)去除技術(shù)中產(chǎn)生的氣體(H2和O2)覆蓋在電極表面, 這些氣體是良好的絕緣體,使電導(dǎo)性下降,電流降低；(2)電阻極化,在電動力學(xué)去除技術(shù)去除重金屬離子的過程中, 陰極表面形成一層白色的膜,從而降低電流強度;(3)濃差極化,陰極產(chǎn)生的OH-和陽極產(chǎn)生的H+各自向電性相反的電極遷移,如果產(chǎn)生的酸堿未及時中和,則會使電流強度降低。Acar等在陰極加入鹽酸等酸性溶液, 陽極加入氫氧化鈣等堿性溶液,調(diào)節(jié)pH約為2～6,可使重金屬離子的去除率提高。

2. 4　外加化學(xué)試劑對電動力學(xué)去除技術(shù)的影響

2. 4. 1　外加酸

控制介質(zhì)pH是電動力學(xué)去除技術(shù)的關(guān)鍵。實驗表明,調(diào)節(jié)陽極pH可促進陽極附近污染物質(zhì)的溶解和遷移。在酸性條件下,重金屬離子由穩(wěn)定態(tài)向不穩(wěn)定態(tài)轉(zhuǎn)化,在電動力學(xué)的作用下可使重金屬離子的去除率提高。同時微生物細胞結(jié)構(gòu)遭到破壞,也有利于提高重金屬離子的去除率。

外加酸可用無機酸也可用有機酸。有機酸是可生物降解、環(huán)境友好的化學(xué)試劑, 能促使污染物溶解于水相中,有利于污染物的去除。但有機酸的過度使用也會導(dǎo)致污泥陰離子增多而降低Zeta電位,直接影響電滲流的大小甚至電滲流方向。

2. 4. 2　外加螯合劑

向污泥中加入螯合劑能螯合重金屬離子,使重金屬離子由有機態(tài)、殘渣態(tài)遷移至液相, 從而提高重金屬離子去除率。Popov等的實驗結(jié)果表明,以螯合劑乙二胺四乙酸和羥基乙叉二膦酸作為強化劑進行電動力學(xué)去除技術(shù)修復(fù)對照實驗,電滲流強度分別達到5.2mL/h和5.6mL/h,為對照值(1.8 mL/h)的3倍左右具體參見http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。。

2. 5　電壓、電流對電動力學(xué)去除技術(shù)的影響

電壓是電動力學(xué)的推動力。理論上電壓越高,過程的推動力越大, 越有利于重金屬離子的去除,但電壓過高, 會出現(xiàn)電極極化現(xiàn)象,反而使重金屬離子的去除效率下降。電流密度越高,產(chǎn)生的酸越多,越有利于提高污染物的去除速率,但能耗與電流密度的平方成正比, 因此電流密度越高, 能耗越大。袁華山等和周碧青等的實驗結(jié)果表明,電壓梯度為0.5～5.0V/cm、電流密度為10～100mA/cm2 時,重金屬離子的去除率最高。

3　電動力學(xué)技術(shù)去除污泥中重金屬的可行性分析

電動力學(xué)去除技術(shù)是在電場作用下使可遷移的重金屬離子從陽極向陰極遷移, 并在陰極室富集,以達到去除目的。剩余污泥中重金屬離子的存在形態(tài)對重金屬離子的遷移有很大影響, 溶解態(tài)和可交換離子態(tài)的重金屬離子遷移性好、在電場作用下去除率高,而有機結(jié)合態(tài)和殘渣態(tài)的重金屬離子去除率較低,在外加酸、堿、螯合劑等化學(xué)試劑作用下可以轉(zhuǎn)化為可交換離子態(tài)而被除去,污泥中重金屬離子總?cè)コ�率可達34%～95%,經(jīng)過電動力學(xué)去除技術(shù)處理的污泥中重金屬離子含量均低于GB4284—1984《農(nóng)用污泥中污染物控制標準》中規(guī)定的限值。

4　結(jié)語

電動力學(xué)去除技術(shù)能夠徹底修復(fù)被重金屬污染的污泥。開展剩余污泥的電動力學(xué)去除技術(shù)研究,不僅可以消除可能產(chǎn)生的二次污染,還可以合理利用富含營養(yǎng)的剩余污泥,使資源得到充分利用,對社會、經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境都具有重要的現(xiàn)實意義。

電動力學(xué)去除技術(shù)雖然經(jīng)過大量的研究取得了一定的進展,對其規(guī)律有了一定的認識,但使其真正走向?qū)嶋H應(yīng)用,還有許多問題亟待解決：(1)如何有效縮短修復(fù)時間、降低能耗、延長電極的使用壽命;(2)如何更有效地解決電極極化問題,提高電動力學(xué)去除效率;(3)如何有效回收從污泥中遷移或沉積的重金屬,并加以利用。來源：谷騰環(huán)保網(wǎng)