电动修复污泥(土壤)中重金属

电动修复污泥中重金属

1、基本原理

重金属污染污泥的电动修复技术基本原理是将电极插入受污染的污泥区域，在施加直流电后的两电极之间形成电场。由于污泥颗粒表面具有双电层、孔隙水中离子或颗粒带有电荷，在电场条件下，引起污泥孔隙水及水中金属离子和带电颗粒物质沿电场方向定向运动而实现将污染物迁移出污染区而富集于电极区，再通过沉淀/共沉淀、络合、电镀等作用达到去除的目的。电动修复技术是在外加电场的作用下发生的运动，其主要包括电迁移作用、电渗流作用、电泳作用、电极电解反应和自由扩散等，其作用原理如图1所示。在电动技术处理重金属离子污染污泥中，电迁移和电渗流过程起主导作用。

图1 电动技术原理

2、实验装置

实验室常用装置图见图2和图3。图3主要在阳极区和阴极区增加液体储槽和水泵，保证阳极区和阴极区的pH值和离子浓度，提高处理效率，增强处理效果。

图3 电动修复装置示意图

3、研究现状

污水处理厂污泥中重金属主要以氧化物、氢氧化物、硅酸盐和不可溶盐等无机沉淀物和有机络合物形态存在，其次为硫化物，以自由离子形态存在的比例很少。Kim 等通过现场实验研究表明，污泥中重金属的去除效率主要取决于污泥中重金属的形态，电动过程对可交换态重金属的去除率平均为92.5 %，而对有机态和残渣态重金属去除率分别仅为34.2 %和19.8 %。

pH 控制是提高电动修复效率的关键。Wang 等比较和评价了不同pH 条件下电动技术对污泥重金属的修复效果，结果表明，处理前对污泥进行酸化可以明

图2 电动修复装置示意图

显提高污泥重金属的移动性；通过在电动修复装置添加酸液储备池(图3)，并将污泥床体负极端pH 调节至2.0，其Zn、Cu、Ni 和Cr 的去除率分别为95％、96％、90％和68％，处理后污泥中主要重金属含量均低于美国EPA 所规定的污泥农用标准限制。

向处理介质中添加络合剂也可以增加重金属的移动性。Yuan 等通过比较研究发现，电动过程对柠檬酸处理后的工业废水污泥主要重金属的平均去除率为60％，较对照增加了近1倍。周碧青等研究也表明，在电动作用下，污泥中Cr 的去除效果以柠檬酸处理效果最好，其去除率高达67.52 % , 分别比EDTA、乳酸处理的高6.31 %和6.79 %。但也有研究表明，向污泥中添加络合剂EDTA 并没有提高重金属的移动性，其主要原因是硫化沉淀过程削弱了络合剂对提高重金属溶解性的有效性。

此外，也有学者对对传统的电动技术进行改造，在两电极区和污泥床之间分别用离子交换膜隔开，当通电流以后，由于离子交换膜的存在，H+和OH-都不能进入污泥体系，维持了污泥床pH 的相对稳定。

相关研究表明，通过优化实验条件，可实现对污泥中Zn、Cu、Ni、Cr、Pb等重金属的有效去除，去除率可达60%-99%。

4、影响因素

4.1、介质的类型与性质

处理介质的类型和性质是影响污染物迁移和去除效率的主要因素，高水分、高饱和度和低反应活性的介质适合污染物的迁移。相反，具有反应活性的介质容易导致污染物在颗粒表面发生吸附和化学反应，不利于污染物在介质中的迁移，从而影响其电动修复效果。另外，如果污染介质中含有碳酸盐、赤铁矿以及大块的岩石、沙砾时，电动力过程对重金属的去除效率也会降低。介质中重金属形态的不同也会影响电动去除效果。一般而言，电动过程对可交换态重金属去除效果较好，对有机态和残渣态重金属去除效果一般。

4.2、pH 变化

伴随着以上几种迁移，在电动修复过程中处理介质体系还存在着一系列其他变化，如pH、孔隙液中化学物质的形态以及电流大小变化等。其中pH控制着

介质溶液中离子的吸附与解吸、沉淀与溶解等，而且酸度对电渗速度有明显影响，所以如何控制介质pH 值是电动修复技术的关键。在电场作用下，阴极产生的OH－将沿着土柱向阳极方向移动，并与重金属离子在土柱中某点相遇生成重金属沉淀，所以制止OH－向土柱内的移动非常必要。为了控制阴极区的pH，可通过添加酸来消除电极反应产生的OH-。其中，有机酸具有较好的应用前景，这是因为大多数形成的金属配合物是水溶性的，同时，它也是环境安全和生物可降解的。

4.3电压和电流

电压和电流是电动修复过程中所控制的主要技术参数。尽管较高的电流密度可以加快污染物的迁移速率，但也会增加电力消耗。同时，向污染介质长时间施加比较高的电压，会提高介质的温度，这样可能会降低电动修复处理重金属的效率。目前在污染土壤电动修复中，一般将电流密度控制在10～100mA·cm-2，电压梯度约在0.5～5 V·cm-1。具体实际应用中，可以根据处理介质及其目标污染物的特性、处理规模与处理时间以及修复目标等综合因素来确定处理装置的电压和电流大小。

4.4、处理时间

总体来说，随着处理时间的增加，金属离子去除率提高，但相应成本也会增加，应根据实际情况选择一个合适的处理时间。

5、能耗

陈峰在论文《含水率对电动修复Cr(Ⅵ)污染高岭土的影响》中提到，对不同含水率高岭土进行电动修复去除重金属，结果如下表1和表2。

表1含水率影响实验方案

表2 质量守恒分析

实验中最优的情况下单位能耗为77.81KW·h·g-1

6、电动技术优缺点

6.1、优点

电动修复技术具有去除效率高，能同时去除多种重金属等特点，特别是对去除导水率较差的城市污泥中重金属具有非常明显的优势。

6.2、缺点

6.2.1、未见工程应用实例报告

电动技术在土壤修复上应用较多，但也停留在实验室研究，未见相关工程报道。该技术在污泥重金属修复中的应用研究正处于起步阶段。

6.2.2、处理成本

电动技术在土壤修复有一定的成本优势，但在污泥重金属修复上，未见该技术有关成本优势的报道。根据搜索的有关能耗的文献，在实验室条件下，优化的单位能耗达到了77.81KW·h·g-1。但未见相关工程相关的能耗报告。

6.2.3、处理时间长

根据相关文献，实验中土壤或污泥的电动处理时间往往需要2-20h，甚至达到100h，才能实现重金属的高去除率。缩短处理时间，其实际处理效果有待实验验证。

参考文献：

1. 陈芳. 电动力技术处理城市污泥中的重金属元素Cr和Cd [D]. 重庆大学硕士