申请日2019.08.20
公开(公告)日2019.11.22
IPC分类号C02F11/00; C02F11/15; C02F11/13; C02F11/131; C02F101/20
摘要
本发明公开了一种电化学强化污泥浓缩并同步脱除重金属的方法及装置，即先将含水率高的污泥通入电化学强化浓缩池中进行电化学处理，通过改变电化学条件实现污泥的强化浓缩及重金属的去除;经处理的污泥再通过干化装置进行处理，最终得到无害化且低含水率的污泥;本发明解决了传统污泥处理方式中污泥浓缩效果差、重金属含量高的问题，处理后的污泥可实现无害化排放、资源化利用。
权利要求书
1.一种电化学强化污泥浓缩并同步脱除重金属的方法，其特征在于，步骤如下：
(1)电化学强化处理过程：将含水率97%~99%的污泥通入浓缩池中，在污泥中添加无机酸，在间歇搅拌、电场存在条件下，通过电极对污泥进行电解，经处理后的污泥含水率为40~60%，总的重金属去除率达到85%以上;
(2)污泥干化处理：将含水率为40~60%的污水经污泥泵送入至干化装置的污泥分布器中，污泥被均匀分布在干化装置中的污泥传送带上，利用电加热器加热设备内空气，对污泥进行低温100℃~150℃干化处理，在干化加热时间与打开空气阀的时间比为6:1~8:1，干化处理30min以上，将含水率5~20%的干泥从干化装置底部排出。
2.根据权利要求1所述的电化学强化污泥浓缩并同步脱除重金属的方法，其特征在于：无机酸为H2SO4、HNO3或HCl，添加量为污泥质量的10%~30%。
3.根据权利要求1所述的电化学强化污泥浓缩并同步脱除重金属的方法，其特征在于：电极施加的电流强度为1~2 A，电压不超过15V。
4.根据权利要求1所述的电化学强化污泥浓缩并同步脱除重金属的方法，其特征在于：间歇搅拌间隔时间为15min，搅拌时间为10min，转速为0.1cm/s~1cm/s。
5.完成权利要求1~4中任一项所述的电化学强化污泥浓缩并同步脱除重金属的方法的装置，其特征在于：包括浓缩池和干化装置，其中浓缩池包括驱动装置(1)、DC电源(2)、进泥管(3)、稳流筒(4)、阴电极(5)、阳电极(6)、搅拌器、溢流堰(8)、集泥槽(10)、出泥管(11)、污泥泵(12)、无机酸添加口(18)、池体(19)，搅拌器包括主轴(7)、刮板(9)、搅拌支架(20)，搅拌支架(20)固定在主轴(7)上，多个刮板(9)固定在搅拌支架(20)底部并与池体(19)底部接触;稳流筒(4)固定在主轴(7)上并位于搅拌支架上方，驱动装置(1)和DC电源(2)设置在池体(19)顶部，驱动装置的输出轴与主轴连接，阴电极(5)、阳电极(6)交替设置在搅拌支架(20)内且与DC电源的正负极连接，进泥管(3)一端连通至稳流筒(4)内，溢流堰(8)设置在池体(19)内上部，池体(19)上开有无机酸添加口(18)，池体(19)底部为集泥槽(10)，集泥槽(10)通过出泥管(11)与污泥泵(12)连通;
干化装置包括壳体(21)、污泥分布器(13)、电加热器(14)、污泥传送带(15)、干泥出口(16)、空气阀(17);污泥分布器(13)设置在壳体(21)顶部并与壳体连通，污泥泵(12)与污泥分布器(13)连通，多个污泥传送带(15)交错设置在壳体内壁上，污泥分布器(13)出口位于污泥传送带(15)上方，电加热器(14)和空气阀(17)设置在壳体上部，空气阀与壳体连通，干泥出口(16)设置在壳体底部。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：阴电极(5)、阳电极(6)均为高纯石墨电极，阴电极和阳电极之间的间距为20cm~40cm。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：空气阀上设置有滤布。
说明书
电化学强化污泥浓缩并同步脱除重金属的方法及装置
技术领域
本发明涉及污泥处理技术领域，尤其涉及一种电化学强化污泥浓缩并同步脱除重金属的方法及装置。
背景技术
污水污泥是指污水处理厂在净化污水过程中产生的沉淀物，它虽然含有大量的有机质及氮、磷等植物养分，但也富集了污水中50%至80%的重金属，据报道，我国多数城市污泥每千克中重金属含量可达数百至数千毫克，而且含水率在99%左右。目前，污泥的处置方式主要有填埋、焚烧、投海和土地利用等。基于处置费用和废物资源化角度考虑，污泥农业利用被认为是最具吸引力的、可持续的污泥处置方法。然而，污泥含水率直接影响污泥处理处置工作量，进而影响处理成本;而且污泥中较多重金属始终是污泥安全农用的限制因子，如果不能合理安全地处理处置这些重金属，会对我们的生存环境造成严重的污染。因此，减少污泥体积、降低或去除污泥中的重金属显得非常重要，不仅能降低后续构筑物规模或处理单元的压力，还能带来一定的环境效益、经济效益。
在传统的处理方式中，重金属元素会经由细菌的吸收、矿物颗粒表面的吸附、以及一些无机盐的共沉淀作用等被固定下来，进入产出的污泥之中。其中，Hg、Pb、As的稳定形态含量相对较高，几乎都以残渣态形式存在，而Ni、Cd、Zn、Cr的不稳定形态相对较高。这些存在于污泥中的重金属具有很强的毒性、环境持久性、广泛迁移性，部分具有内分泌干扰特性，且难以降解，可产生生物蓄积以及通过大气、水和迁徙物种作跨境迁移并沉积在远离其排放地点的地区，之后在迁移点的陆地、水域生态系统中蓄积起来并产生危害。利用无机酸或有机络合剂如H2SO4、HNO3、HCl、EDTA等处理污泥以溶解和浸提重金属的化学浸提法，虽能在短时间内大幅度去除重金属，但耗酸量大、处理费用高、操作不便，使其难以付诸于工程实际。
污泥的浓缩技术主要分为重力浓缩、机械浓缩和气浮浓缩三大类，经浓缩后含水率较高，为95%~98%。虽然重力浓缩工艺技术、构造和运行管理方式较简单，但存在停留时间较长、不进行曝气搅拌时污泥容易腐败发臭、浓缩效率相对较低。机械浓缩包括离心浓缩、带式浓缩机浓缩和转鼓、螺压浓缩机浓缩等，相较于重力浓缩工艺，机械浓缩工艺占地面积小，卫生条件好，造价低;但仍具有运行费用的机械维修费用高，经济性差等劣势。根据产生气泡方式的不同气浮工艺可分为压力溶气气浮、生物溶气气浮和涡凹气浮，与重力浓缩工艺相比，浓缩速度快，占地少，刮泥较方便;但是基建和操作费用较高，管理较复杂，而且适用于密度差比较小的絮状污泥。
因此，需要一种能够强化污泥浓缩并有效脱除污泥中的重金属的方法，实现污泥浓缩的高效无害化处理。
发明内容
针对现有污泥浓缩技术和处理污泥中重金属技术的局限性，即现有的污泥浓缩及去除重金属时效率低，起效慢的问题，本发明提供了一种电化学强化污泥浓缩并同步脱除重金属的方法，即将高含水率及含重金属的污泥通过电化学法进行浓缩和重金属的去除，对无机酸从污泥中强化脱除的重金属施加电迁移作用，使与水分子相结合的重金属向电场阴极区迁移，进而实现重金属与污泥的分离，水在阳极、阴极区发生电解，污泥表面的双电层结构发生改变，进而实现间隙水、吸附水和毛细水与污泥的分离，使污泥、重金属及间隙水、吸附水和毛细水得到分离;之后将污泥送入干化装置进行处理，最终得到含水率低且无害化的污泥，更好的实现其资源化利用;具体包括以下步骤：
(1)电化学强化处理过程：将含水率97%~99%的污泥通入浓缩池中，在污泥中添加无机酸，在间歇搅拌、电场存在条件下，通过电极对污泥进行电解，同时无机酸处理污泥中重金属、间隙水、毛细水和吸附水;经处理后的污泥含水率为40~60%，总的重金属去除率达到85%以上;
(2)污泥干化处理：将含水率为40~60%的污泥经污泥泵送入至干化装置的污泥分布器中，污泥被均匀分布在干化装置中的污泥传送带上，利用电加热器加热设备内空气，对污泥进行低温100℃~150℃干化处理，在干化加热时间与打开空气阀的时间比为6:1~8:1，干化处理30min以上，将含水率5~20%的干泥从干化装置底部排出。
所述无机酸为H2SO4、HNO3、HCl等，添加量为污泥质量的10%~30%。
所述去除重金属及结合水的机理，污泥由于无机酸的腐蚀性使分子表面或污泥内部的结合水脱离出来，同时使污泥中的重金属脱离出来，实现结合水、间隙水和重金属与污泥的分离，由于无机酸酸的通性，脱离出来的重金属与无机酸反应生成可溶性的金属盐。
所述电极施加的电流强度为1~2 A，电压不超过15V，因为阴极产生的H2气泡覆盖在电极表面，发生活化极化，会使电的有效利用率下降，从而降低剩余污泥中重金属去除率。
所述间歇搅拌间隔时间为15min，搅拌时间为10min，转速为0.1cm/s~1cm/s。
所述电极在电化学强化处理过程结束后，将阴极电极取出将并将电极上的重金属清除，电极可重复使用。
本发明另一目的是提供完成上述方法的装置，其包括浓缩池和干化装置，其中浓缩池包括驱动装置、DC电源、进泥管、稳流筒、阴电极、阳电极、搅拌器、溢流堰、集泥槽、出泥管、污泥泵、无机酸添加口、池体，搅拌器包括主轴、刮板、搅拌支架，搅拌支架固定在主轴上，多个刮板固定在搅拌支架底部并与池体底部接触;稳流筒固定在主轴上并位于搅拌支架上方，驱动装置和DC电源设置在池体顶部，驱动装置的输出轴与主轴连接，阴电极、阳电极交替设置在搅拌支架内且与DC电源的正负极连接，进泥管一端连通至稳流筒内，溢流堰设置在池体内上部，池体上开有无机酸添加口，池体底部为集泥槽，集泥槽通过出泥管与污泥泵连通;
干化装置包括壳体、污泥分布器、电加热器、污泥传送带、干泥出口、空气阀;污泥分布器设置在壳体顶部并与壳体连通，污泥泵与污泥分布器连通，多个污泥传送带平行交错设置在壳体内壁上，污泥分布器出口位于污泥传送带上方，电加热器和空气阀设置在壳体上部，空气阀与壳体连通，干泥出口设置在壳体底部。
所述阴电极、阳电极均为高纯石墨电极，阴电极和阳电极之间的间距为20cm~40cm。
所述驱动装置为电机。
所述污泥传送带在干化装置中平行交替设置，每个污泥传送带包括两个传送轮和一条带，两个传送轮通过带连接且两个传送轮带动带定向循环运动，相邻两个污泥传送带的运动方向相反。
所述空气阀是为了排放干化装置中的水蒸气;另外一个目的是为了平衡气压，因为在干化过程中内部水分气化，致使内部气压增大。
所述空气阀上还设有滤布，孔径为0.1~1mm;因为干化过程中细小的污泥会随着气化的水分排出。
本发明使用电化学法实现对污泥的浓缩及污泥中重金属的去除，具体作用分为两部分：将高含水率及含重金属的污泥加入浓缩池，打开提供直流电压的DC电源及驱动装置，电化学作用一般由设置在搅拌器上的电极实现，一方面在打开提供直流电压的DC电源时，在电场作用下，阳极发生氧化反应，阴极发生还原反应，所以带正电的重金属离子则在电场作用下向着阴极方向移动，而且发生还原反应附着在阴极上，进而实现重金属与污泥的分离;另一方面因为阴极、阳极电极均发生化学反应---水的电解，打开驱动装置使设置在搅拌器上的电极将不同区域的间隙水、毛细水和吸附水电解，电解过程中污泥表面的双电层结构发生改变，导致污泥表面带电荷发生改变，污泥间间距减少，进而使污泥与水相分离，处理后的污泥由污泥泵将其从排泥口送入干化装置。
所述电极两端的化学反应---水的电解，其主要反应原理如下：
阳极：H2O-2e→1/2O2+2H+
阴极：2H2O+2e→H2+2OH-
电极反应在阴、阳极分别产生了大量的OH-和H+，导致电极附近的pH相应地下降和升高。在电场作用下，OH-和H+又将以电迁移、电渗流、扩散、水平对流等方式向阴、阳两极移动，直到两者相遇且中和。在阴极区域，重金属离子容易生成沉淀，从而限制污染物的去除效率。
所述搅拌器的另外一个作用是将阴极区域的污泥与阳极区域的污泥进行混合，目的是为了中和pH，避免阴极区域OH-1浓度升高影响重金属去除率的情况出现，同时能提高浓缩效果。
本发明所述干化装置利用电加热器加热设备内空气，对污泥进行低温干化处理：污泥经污泥泵送入至干化装置的污泥分布器，然后被均匀分布干化装置中的污泥传送带上，先开启电加热器对设备内空气进行加热，当加热一段时间后再打开空气阀一段时间，时间比为8:1~6:1，处理后的干泥从干化装置底部排出。所述排出干泥的含水率为5~20%。
使用时，先将高含水率及含重金属的污泥加入浓缩池中，再打开提供直流电压的DC电源，同时加入无机酸，由设置在搅拌器上的电极实现电化学作用，经过电化学处理一段时间后打开驱动装置以0.1cm/s~1cm/s的转速运行搅拌装置10min，之后关闭驱动装置15min。一方面在打开提供直流电压的DC电源时，在电场作用下，阳极发生氧化反应，阴极发生还原反应，所以带正电的重金属离子则在电场作用下向着阴极方向移动，而且发生还原反应附着在阴极上，进而实现重金属与污泥的分离;另一方面因为阴极、阳极电极均发生化学反应---水的电解，打开驱动装置使设置在搅拌器上的电极将不同区域的间隙水、毛细水和吸附水电解，电解过程中污泥表面的双电层结构发生改变，导致污泥表面带电荷发生改变，污泥间间距减少，进而使污泥与水相分离;处理后的污泥由设在浓缩池外部的污泥泵经污泥管抽出排入干化装置上设置的污泥分布器，污泥分布器将污泥均匀的分布在污泥传送带上，在干化结束后由干泥出口排出，在干化时加热时间与打开空气阀的时间比为8:1~6:1。
本发明方法及装置的优点与效果如下：
(1)本发明在传统重力浓缩的基础上，增加电化学处理，在强化污泥浓缩的同时对污泥中的重金属有较好的去除效果，经处理后污泥含水率为40~60%，重金属总去除率在85%以上;
(2)本发明重金属的去除率随电化学处理时间的增加而增加，处理时间为24h时，交换态和碳酸盐结合态重金属去除率达100%，铁锰氧结合态、硫化物及有机结合态、残渣态去除率分别达到75.21%、47.74%和29.10%;处理时间达到60h，交换态和碳酸盐结合态重金属去除率达100%，铁锰氧结合态、硫化物及有机结合态、残渣态去除率均达到50%以上;
(3)本发明减少了污泥的后续处理工艺，大大降低了处理成本，且操作简单，便于推广应用;
(4)本发明原理清晰、结构简单、各处理过程作用分明、反应条件可控，解决了传统污泥处理方式中污泥浓缩效果差、重金属含量高的问题，处理后的粘性废物可实现无害化排放、资源化利用。（发明人瞿广飞;李江松;蔡营营;任南琪;宁平）
