章正杰
(常州市市政工程設(shè)計(jì)研究院有限公司, 江蘇 常州 213000)
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電動(dòng)法去除給水污泥Al3+試驗(yàn)研究
章正杰
(常州市市政工程設(shè)計(jì)研究院有限公司, 江蘇常州213000)
針對(duì)給水污泥含水率高、Al3+含量大的特點(diǎn),采用電動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)給水污泥脫水及其Al3+去除,考察了電動(dòng)階段pH值對(duì)Al3+存在形態(tài)的影響及其去除效率的影響,分析電勢(shì)梯度對(duì)給水污泥Al3+去除效率的影響。結(jié)果表明,通過(guò)添加稀HCl溶液使得絡(luò)合態(tài)的Al3+離子化,從而提高Al3+去除效果;電勢(shì)梯度越大,Al3+去除效果越好,隨之帶來(lái)的電動(dòng)能耗也越大。
含水率;電動(dòng);給水污泥
近幾十年來(lái),城市自來(lái)水廠的數(shù)量顯著增多,規(guī)模也不斷擴(kuò)大,自來(lái)水廠集中排入水體的排泥水也越來(lái)越多。我國(guó)南方的自來(lái)水廠的排泥水一般直接排入河道,這給江河帶來(lái)了10×104t/年以上淤泥[1],伴隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn),自來(lái)水廠越來(lái)愈多,隨之帶來(lái)的給水污泥量還將繼續(xù)提升。這些給水污泥含有大量的鋁鹽、鐵鹽以及重金屬離子,對(duì)河道的生物具有毒害作用,并且破壞了河道的生態(tài)環(huán)境[2-3]。
相較于污水廠污泥,給水廠污泥是經(jīng)過(guò)鋁或者鐵的混凝劑然后在沉淀池中形成排泥水,因此給水污泥含有大量的Al3+和Fe3+。給水污泥中金屬以氧化物、氫氧化物、硅酸鹽等不可溶鹽或有機(jī)絡(luò)合物的形式存在[4]。直接電動(dòng)去除金屬離子效果不理想,酸化預(yù)處理是目前破壞絡(luò)合物較為普遍的技術(shù)方法[5-6]。因此,對(duì)給水污泥進(jìn)行酸化預(yù)處理強(qiáng)化電動(dòng)去除Al3+效果也得到了大量的研究[7]。本課題通過(guò)酸化給水污泥將Al3+離子析出,電場(chǎng)力將Al3+遷移到陰極,在陰極富集的Al3+濃液被真空抽濾排出給水污泥[8],實(shí)驗(yàn)表明處理后的給水污泥Al3+含量大大降低。
1.1給水污泥樣本
實(shí)驗(yàn)所用給水污泥取自南京某自來(lái)水廠,取樣后分為兩組,一組是原污泥貼上標(biāo)簽后放在4℃的冰箱冷藏保存;一組是實(shí)驗(yàn)污泥先通過(guò)添加稀硫酸將給水污泥酸化,然后在4℃的冰箱冷藏保存。通過(guò)對(duì)給水污泥的檢測(cè)得到基本性質(zhì)如表1所示。
表1 污泥的基本性質(zhì)
1.2實(shí)驗(yàn)裝置
為了測(cè)定電動(dòng)對(duì)給水污泥的Al3+去除效果,設(shè)置了一套實(shí)驗(yàn)裝置,如圖1。裝置包括一個(gè)長(zhǎng)方體的污泥槽、三個(gè)閥門、一個(gè)打孔不銹鋼陰極、一個(gè)打孔不銹鋼陽(yáng)極、一個(gè)穩(wěn)壓直流電源(36V,100A)、一個(gè)圓柱形真空槽(內(nèi)徑為150mm,高度為200mm),真空槽上部裝一個(gè)真空壓力表、一個(gè)真空泵(0~-0.1Mpa)、一個(gè)電子天平,真空泵和真空槽之間裝閥門,通過(guò)調(diào)節(jié)閥門開關(guān)來(lái)調(diào)節(jié)真空壓的大小,真空槽下面裝一個(gè)閥門,方便后續(xù)對(duì)脫水的質(zhì)量測(cè)量,陰極和真空槽之間裝一個(gè)閥門,可以隨時(shí)切斷真空抽吸作用,這樣可以做到污泥的反應(yīng)時(shí)間的實(shí)時(shí)控制。每個(gè)陰陽(yáng)電極上部都是加裝了滑動(dòng)板(調(diào)節(jié)電極之間距離)。
圖1 電動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置
1.3檢測(cè)方法
1.3.1pH值測(cè)定
稱取通過(guò)1 mm篩孔(即18號(hào)篩)的風(fēng)干土10 g一份,放在50 mL的燒杯中,加入去除二氧化碳的蒸餾水(將蒸餾水煮沸即可),連續(xù)或者間歇性攪拌30 min,靜止30 min后用pH計(jì)測(cè)定。
1.3.2金屬含量的測(cè)定
給水污泥中Al3+含量采用王水(VHCl:VHNO3=3:1)溶解后,干燥,稱取1 g干污泥進(jìn)行ICP-eds測(cè)定Al3+含量。
2.1pH值對(duì)Al3+去除效果的影響
電動(dòng)過(guò)程中Al3+在電場(chǎng)力作用下從陽(yáng)極向陰極移動(dòng),但是水的電解導(dǎo)致污泥中pH值分布不均,OH-對(duì)于Al3+離子有絡(luò)合作用,因此電動(dòng)后Al3+在污泥反應(yīng)區(qū)的分布特點(diǎn)和污泥反應(yīng)區(qū)的pH值分布有關(guān)。電動(dòng)后Al的分布見圖2、3。
圖2 電動(dòng)后Al3+含量分布
圖3 不同污泥pH值A(chǔ)l的分布
由圖2可見,污泥在電極兩端有較好的去除Al3+效果,在陽(yáng)極Al的含量降低到19g/kg干污泥,離陽(yáng)極距離L在16cm時(shí)Al含量很大、可見Al3+含量在污泥反應(yīng)區(qū)表現(xiàn)兩端較小、中間偏大的特點(diǎn)。隨著電動(dòng)的持續(xù)進(jìn)行,在離子的濃度差和電場(chǎng)力作用下,H+和OH-分別向陰和陽(yáng)極移動(dòng)。由圖3可見,電動(dòng)2h后陽(yáng)極到陰極處污泥pH值逐漸增大。Al3+在不同的pH值溶液中能形成不同的氫氧化結(jié)合態(tài)[9]。公式(1)是離子平衡公式:
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值給水污泥電動(dòng)后干污泥Al3+含量變化見表2。
表2 Al3+含量隨pH變化情況
由表2可見,pH=3.3時(shí),給水污泥電動(dòng)法去除Al3+效果最好,其中,干污泥Al3+含量從266 g/kg干污泥降低到28 g/kg干污泥,其去除率達(dá)到89.5 %;給水污泥沒有經(jīng)過(guò)酸堿調(diào)節(jié)的樣本pH=8.6,電動(dòng)后其Al3+含量為134 g/kg干污泥,去除率達(dá)到49.6 %;堿調(diào)節(jié)后pH值為10.6,電動(dòng)后其Al3+含量為87 g/kg干污泥??梢姡嵝詶l件下Al3+去除效果最好,堿性條件次之,未處理給水污泥電動(dòng)法去除Al3+效果最差[10-12]。
2.2電勢(shì)梯度對(duì)Al3+去除的影響
隨著電動(dòng)的持續(xù)進(jìn)行,在離子的濃度差和電場(chǎng)力作用下,陽(yáng)離子和陰離子分別向陰極和陽(yáng)極移動(dòng)。M. Citeau等人提出溶液中離子的遷移速度公式[13]:
(2)
式(2)中,Vi是離子的遷移速度,Zi是離子價(jià)態(tài),E是電勢(shì)梯度,F(xiàn)是Faraday常數(shù)(96 500 C/mol)。
從式(2)中可見,電勢(shì)梯度E越大,電場(chǎng)力越強(qiáng),離子的遷移速度越快。介于Al3+是隨著水分一起被排出給水污泥的,試驗(yàn)過(guò)程中,研究了電勢(shì)梯度為2.5 v/cm時(shí)含水率的變化規(guī)律。
試驗(yàn)過(guò)程中,電勢(shì)梯度為2.5 v/cm,pH值為3.3時(shí)。給水污泥含水率變化如圖4所示,從圖中可見,電動(dòng)前期,給水污泥脫水速度較慢,電動(dòng)后期電動(dòng)脫水速度基本保持不變,這主要是因?yàn)殡妱?dòng)初期,給水污泥處于一種鈍化狀態(tài),溫度低,當(dāng)溫度上升,給水污泥鈍化狀態(tài)被打破,電動(dòng)脫水速度加快。
圖4 電動(dòng)過(guò)程中含水率隨時(shí)間的變化
如圖5所示,電動(dòng)過(guò)程中,電流值先上升后下降,0~5h,電流值上升到0.69A,這主要是因?yàn)榻o水污泥初始狀態(tài)下處于一種鈍化狀態(tài),溫度低,電動(dòng)前期溫度上升,電流值增大[14]。5h后電流值一直下降,這主要是因?yàn)殡妱?dòng)過(guò)程中,陽(yáng)離子和水分被排出給水污泥,導(dǎo)致其電解質(zhì)濃度越來(lái)越小,電動(dòng)強(qiáng)度越來(lái)越低。電動(dòng)過(guò)程中Al3+一直處于下降狀態(tài),0~5h電動(dòng)初期,Al3+含量下降最快,5h后,下降速度保持不變,可見,電動(dòng)過(guò)程中,電流值和Al3+含量變化趨勢(shì)成正相關(guān),Al3+含量降低。
圖5 Al3+含量和電流隨時(shí)間的變化
2.3能耗
電動(dòng)脫水過(guò)程中的能耗包括兩個(gè)部分:一個(gè)是5 min中的真空抽濾,一個(gè)是12h的電動(dòng)作用。根據(jù)電動(dòng)計(jì)算公式得到:
(3)
這里E是單位質(zhì)量給水污泥去除Al3+所需能耗,U是恒定的,I是t0內(nèi)的電流值,M是給水污泥質(zhì)量,t0是12 h,t1是5 min,p′是真空泵的功率。
計(jì)算結(jié)果如表3所示。
表3 離子電動(dòng)所需能耗
由表3可見,電勢(shì)梯度是2.5 v/cm時(shí),電滲過(guò)程中進(jìn)行了27 h,整個(gè)Al3+去除所需能耗為20.6 kwh/kg干污泥。電勢(shì)梯度是1.25 v/cm、2.5 v/cm和5 v/cm時(shí),Al3+電動(dòng)去除所需時(shí)間分別是35 h、27 h和12 h,可見電勢(shì)梯度越大,電動(dòng)力越強(qiáng),電動(dòng)所需時(shí)間越短。電動(dòng)過(guò)程中,電勢(shì)梯度從1.25 v/cm提升到5 v/cm,電流值越大,即使電動(dòng)所需時(shí)間減少了,但是能耗仍然從11.7 kwh/kg干污泥增加到42.0 kwh/kg干污泥。
(2)在整個(gè)電動(dòng)過(guò)程中,雖然電勢(shì)梯度越大,脫水效果和Al3+的去除效果增強(qiáng),但是能耗也增大,因此低能耗的電動(dòng)脫水裝置適宜選用低電勢(shì)梯度。在優(yōu)化工況條件下,即pH為6,電勢(shì)梯度為2.5 v/cm進(jìn)行電動(dòng)反應(yīng), 電動(dòng)修復(fù)后Al3+含量為3.3 g/kg干污泥,相應(yīng)的能耗為20.6 kwh/kg干污泥。
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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:水資源利用與保護(hù)。E-mail:578400930@qq.com
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