利用旋轉磁場等離子處理技術 去除污泥重金屬的探索

邊志明，張永

（1. 淄博市環境監測站，山東 淄博 255040；2. 淄博市引黃供水管理局，山東 淄博 255000）

0 引言

我國污水處理廠產生的污泥絕大部分未經過有效處理，只能填埋或堆放，只有小部分經過水泥廠焚燒作為建材利用。重金屬屬于不可降解物質，排放到環境中易造成水、土壤等的持久性污染，危害環境安全和公眾健康。污泥中的重金屬主要有Pb、Cd、Hg、Cr、Ni、Cu、Zn、As 等[1]，研究表明：我國城市污泥中Cu、Zn 等含量較高，每千克污泥中的含量可達數百甚至數千毫克[2]。根據污泥 中重金屬的存在形態，其處理方式分為固化或穩定化和去除兩種方式。固化處理只是將重金屬固定起來，防止在環境中轉移，但固化體中重金屬的長期穩定性和固化的高增容量率等后續問題還需進一步研究和優化。穩定化處理主要包括污泥堆肥法、生物穩定法、藥劑穩定法，但這些技術因投資高、占地面積大、技術復雜、條件要求嚴苛等限制無法普及應用。本文對去除污泥重金屬的常用方式進行了介紹，重點敘述了旋轉磁場等離子污泥重金屬處理技術、工藝和實驗結果。

1 污泥重金屬的常用去除方法

常用污泥重金屬去除方法主要包括吸附法、化學淋濾法、生物淋濾法、氨浸法及電動修復技術。

1.1 吸附法

吸附法去除重金屬是利用多孔性固體吸附物將重金屬分離和富集的一種技術，常用的吸附劑有天然沸石、藻類等，研究表明：斜發沸石對Ba 和Pb 具有高選擇性，而對Cu、Zn、Cr 等的選擇性低的多[3]。某些藻類，如藍藻、褐藻等對重金屬的吸附容量也較高[4]，但最多可以吸附2～3 種重金屬離子。用吸附法去除污泥重金屬效果雖然較為明顯，但同一種吸附材料可吸附的重金屬種類偏少，并且選擇性高，吸附時間長，再生效率不高。

1.2 化學淋濾法

化學淋濾法通常采用硝酸、硫酸或鹽酸等作為溶解劑，將難溶解的金屬化合物轉化可溶解的金屬離子或絡合離子，或者EDTA[5]、檸檬酸等通過絡合、酸化以及離子交換作用，將重金屬分離出來，以降低污泥中重金屬的含量?；瘜W法去除污泥重金屬的效果較好，技術相對成熟、處理時間短，但酸的消耗量大、費用高，且污泥酸化速度往往受到污泥種類、濃度、用酸量以及曝氣強度的影響，酸化后產生的廢液需要用大量石灰進行中和，酸、堿的大量使用，容易造成二次污染。而且污泥酸化過程會溶解污泥中的有機質，降低農用價值。而使用絡合劑去除污泥重金屬時，因為其自身容易對環境造成污染，所以必須選用無毒的、易降解的絡合劑或表面活性劑，增加了選擇難度。

1.3 生物淋濾法

生物淋濾法是利用特定微生物或其代謝產物， 通過直接或間接作用，將污泥中的重金屬用氧化、還原、絡合或溶解的方式分離去除的一種技術[6]。目前，在生物淋濾法中最常用的細菌是氧化亞鐵硫桿菌[7]與氧化硫硫桿菌[8]。與化學淋濾法相比，生物淋濾法在處理過程中耗酸較少，成本較低，實用性較強，是較為經濟有效的污泥重金屬去除方法；然而要保持運行過程的持續高效，必須大量培養適宜淋濾的生物菌種，而且在自然條件下大部分的微生物去除重金屬的作用有限，需要特定的工藝條件，例如硫桿菌只有在供氧充分的條件下才能有效地去除污泥中的重金屬。

1.4 氨浸法

氨浸法[9-10]是用氨或氨鹽作為浸出劑，使污泥中的Cu、Zn 等重金屬轉化為可溶性的氨絡離子而被浸出的一種技術，在合適的條件下，可利用硫酸和有機溶劑對重金屬進行回收利用。氨浸法操作簡便，可以有選擇的浸出，浸出的產品質量好，產值也較為可觀，但氨水浸出速度較慢，而且在處理工程中，易產生VOCS污染。

1.5 電動修復技術

電動修復技術是通過在污染介質上施加直流電壓形成電場梯度[11]，以驅使中介中帶電荷的污染物向反向電極進行定向移動、聚集，再經過進一步的溶液收集和處理，達到降低重金屬含量的目的。由于污泥中重金屬的存在形態不同，所以其穩定性亦不同，研究表明：污泥中重金屬的存在形態是影響其去除效率的主要因素，可交換離子態的去除率最高，殘渣態去除率最低[12]。重金屬電動修復技術去除效率較高，特別是污泥在酸化后經電動力作用其重金屬去除率會有所提高，并且能同時去除多種重金屬，但該技術局限性強，不適宜大規模推廣。

2 旋轉磁場等離子技術

旋轉磁場等離子去除污泥重金屬技術是研究團隊在該技術應用于涉重廢水處理成功的基礎上[13]，對技術應用的進一步研究和提升。離子處理器的導磁性工件在高速旋轉中可產生強烈的電流和數量龐大的微電弧，在遵循化學反應定律的基礎上，短時間內即可增強化學動力反應，達到破壞重金屬結構、減弱分子內和原子間聯接的效果，加速氫氧根與金屬離子形成氫氧化的不溶物質，實現高效去除重金屬的目的。同時，利用產生的空化作用和高濃度負離子消除污泥中的致病微生物和病原體，實現污泥的資源利用[14]。

旋轉磁場離子處理器有兩種型號，技術參數見表1。處理器的處理單元數量或結構，可以根據處理需求進行組裝和調整。

圖1 旋轉磁場離子處理器-100 型 Fig. 1 rotating magnetic field ion processor - type 100

圖2 旋轉磁場離子處理器-150 型 Fig. 2 rotating magnetic field ion processor - type 150

圖3 電磁旋轉磁場離子處理器簡圖 Fig. 3 schematic diagram of electromagnetic rotating magnetic field ion processor

表1 旋轉磁場等離子處理器技術參數 Table 1 technical parameters of plasma processor for rotating magnetic field

2.1 旋轉磁場離子處理器的優化性

采用傳統工藝去除污泥重金屬時，由于處理過程中反應時間長，影響了分離速度，降低了處理效率和效果。

通過離子處理器處理后產生的懸浮液可快速沉淀（沉淀是否為溶液原有或反應產生，對分離速度均無影響），硬粒子轉變為新的性質——失去《云狀》Н+和ОН-離子，消除了范德瓦爾斯力。同時導磁工件釋放的沖擊波快速粉碎硬粒子，硬粒子的氧化層、污垢層等保護層被破壞，使表層不斷形成新的缺口，減弱分子結合力，促使新鮮小粒子快速充分結合，加快化學反應速率，提高反應充分度，將傳統工藝中遷移物由擴散方式轉變為動力方式，保障了所有參與反應物瞬時在工作區域內同時發生反應，化學反應動力速度直線上升。

2.2 旋轉磁場等離子處理系統工藝流程

旋轉磁場等離子處理污泥重金屬系統由等離子處理器及料斗、加藥器、固液分離器、沉淀收集和泵等輔助設備組成。整套工藝流程分為兩個階段，第一階段：處理污泥，分離出干凈的沙石和含重金屬溶液；第二階段：分離出氫氧化金屬中性沉淀和純凈水體。

圖4 工藝流程圖 Fig. 4 Process flow chart

1）第一階段：為保證污泥能夠順利通過離子處理器，先將污泥按照1∶2 的比例進行稀釋，然后與酸化劑（硝酸或硫酸）進入離子處理器，在處 理器工作區域的強化作用下重金屬離子完全溶于酸溶液中，這個過程與酸化法去除重金屬的方式一樣，但是由于離子處理器化學反應動力的增強，因此，酸的消耗量大大降低，去除率大幅提高，減少了溶解污泥中的N、P 等有機質的可能性；處理后的污泥經固液分離器脫水后形成不含重金屬的固體物質和含有重金屬離子的溶液。由于處理器工作區域形成的空化作用和高濃度負離子環境，能夠徹底消滅污泥中的致病微生物和病原體、蠕蟲及蟲卵，因此分離出的固體物質可作為建筑材料、優質土壤甚至有機肥料使用。

2）第二階段：含有重金屬離子的廢水再次進入離子處理器，同時由加藥器注入氫氧化物（氫氧化鈉或氫氧化鈣），兩者經過混合反應后，排入初沉池進行初次沉淀，然后進入斜管沉淀池進行二次沉淀，同時注入二氧化碳氣體調節廢水pH 值。這樣經處理器處理后，再經過兩級沉淀，水體中各種重金屬污染物濃度大幅降低，金屬離子形成氫氧化的金屬沉淀進入收集罐回收，干凈的水體可循環至料斗用于污泥稀釋。整個處理過程結束。

2.3 實驗效果

實驗采用了某地區城市管網下水道污泥，經檢測，污泥中含有Cu、Zn、Cd、Cr、Mn、Pb、Sb、Ni 等重金屬物質，其中，Zn、Cd、Cr 等物質含量超過《城鎮污水處理廠污泥泥質》（GB 24188-2009）中規定的選擇性控制指標限值，Cu 和Ni 接近限值，Mn 和Sb 未做規定。實驗中第一階段選用硝酸作為酸化劑，第二階段選用質量分數為96%的氫氧化鈉作為添加劑，實驗前后數據見表2。

表2 下水道污泥處理前后數據對比 （單位：毫克/千克） Table 2 Data comparison before and after sewage sludge treatment (Unit: mg/kg)

從實驗結果可以看出，污泥經過第一階段離子處理器處理后，沉淀分離出的有機沉淀中各重金屬含量明顯下降，重金屬去除率均高于99%。相較于其他技術，等離子處理器技術對污泥中重金屬的去除率明顯提高。在生物淋濾法中利用厭氧消化污泥分離出的嗜酸氧化亞鐵硫桿菌能去除污泥中99%的Zn，65%的Cr，74%的Cu，58%的Pb，84%的Ni[15]。用生物淋濾技術去除酸化制鉻污泥，污泥中的鉻溶出率達到95%[16]。經檸檬酸酸化處理后的污泥，可以去除90%以上的重金屬，其中Pb、Cd 去除率最高，分別為96.5%和91.5%[17]。含重金屬的廢水溶液進入第二階段再次處理后形成干凈的水體，水中各項重金屬含量低于《中華人民共和國污水綜合排放標準》(GB8978—1996)規定的排放限值，可以作為循環水用于工藝中的稀釋用水，沉淀分離出的氫氧化金屬沉淀可回收利用，作為冶金業的原材料。

圖5 重金屬污泥 Fig. 5 Heavy metal sludge

圖6 離子處理器處理 后均質化污泥 Fig. 6 The homogenized sludge was treated by an ion processor

圖7 固液分離出無害化的污泥和含重金屬的廢水 Fig. 7 Separation of harmless sludge and heavy metal containing wastewater by solid and liquid

圖8 第二階段產生的金屬沉淀和潔凈的水與第一節階段的 廢水對比 Fig. 8 The metal deposition and clean water produced in the second stage are compared with the wastewater in the first stage

圖6 含鎳污泥處理沉淀后產生潔凈的水及金屬沉淀 Fig. 6 Clean water and metal precipitation after nickel sludge treatment

圖10 鎳金屬沉淀物 Fig. 10 Nickel metal deposits

3 結論

通過對重金屬污泥傳統去除工藝和旋轉磁場離子處理技術的介紹以及實驗結果可以看出，在選用硝酸或硫酸作為酸化劑的前提下，通過旋轉磁場離子處理器瞬間增強的化學反應動力，提升化學反應速率以及反應充分度，使原有的傳統工藝遷移物擴散方式變為動力方式，因此，重金屬去除率相較傳統方式更高（可達到99%以上），去除范圍更廣，回收利用效果更佳。同時，處理后的潔凈水可以循環利用，減少原水使用量，節約水資源，有效防止環境污染，改善生態環境，創造客觀的社會經濟效益。而且，反應速率以及反應充分度的提高既可減少輔助配套設備的數量，又可減少藥劑使用量，從而降低投資和運營成本。