利用旋转磁场等离子处理技术 去除污泥重金属的探索

边志明，张永

（1. 淄博市环境监测站，山东 淄博 255040；2. 淄博市引黄供水管理局，山东 淄博 255000）

0 引言

我国污水处理厂产生的污泥绝大部分未经过有效处理，只能填埋或堆放，只有小部分经过水泥厂焚烧作为建材利用。重金属属于不可降解物质，排放到环境中易造成水、土壤等的持久性污染，危害环境安全和公众健康。污泥中的重金属主要有Pb、Cd、Hg、Cr、Ni、Cu、Zn、As 等[1]，研究表明：我国城市污泥中Cu、Zn 等含量较高，每千克污泥中的含量可达数百甚至数千毫克[2]。根据污泥 中重金属的存在形态，其处理方式分为固化或稳定化和去除两种方式。固化处理只是将重金属固定起来，防止在环境中转移，但固化体中重金属的长期稳定性和固化的高增容量率等后续问题还需进一步研究和优化。稳定化处理主要包括污泥堆肥法、生物稳定法、药剂稳定法，但这些技术因投资高、占地面积大、技术复杂、条件要求严苛等限制无法普及应用。本文对去除污泥重金属的常用方式进行了介绍，重点叙述了旋转磁场等离子污泥重金属处理技术、工艺和实验结果。

1 污泥重金属的常用去除方法

常用污泥重金属去除方法主要包括吸附法、化学淋滤法、生物淋滤法、氨浸法及电动修复技术。

1.1 吸附法

吸附法去除重金属是利用多孔性固体吸附物将重金属分离和富集的一种技术，常用的吸附剂有天然沸石、藻类等，研究表明：斜发沸石对Ba 和Pb 具有高选择性，而对Cu、Zn、Cr 等的选择性低的多[3]。某些藻类，如蓝藻、褐藻等对重金属的吸附容量也较高[4]，但最多可以吸附2～3 种重金属离子。用吸附法去除污泥重金属效果虽然较为明显，但同一种吸附材料可吸附的重金属种类偏少，并且选择性高，吸附时间长，再生效率不高。

1.2 化学淋滤法

化学淋滤法通常采用硝酸、硫酸或盐酸等作为溶解剂，将难溶解的金属化合物转化可溶解的金属离子或络合离子，或者EDTA[5]、柠檬酸等通过络合、酸化以及离子交换作用，将重金属分离出来，以降低污泥中重金属的含量。化学法去除污泥重金属的效果较好，技术相对成熟、处理时间短，但酸的消耗量大、费用高，且污泥酸化速度往往受到污泥种类、浓度、用酸量以及曝气强度的影响，酸化后产生的废液需要用大量石灰进行中和，酸、碱的大量使用，容易造成二次污染。而且污泥酸化过程会溶解污泥中的有机质，降低农用价值。而使用络合剂去除污泥重金属时，因为其自身容易对环境造成污染，所以必须选用无毒的、易降解的络合剂或表面活性剂，增加了选择难度。

1.3 生物淋滤法

生物淋滤法是利用特定微生物或其代谢产物， 通过直接或间接作用，将污泥中的重金属用氧化、还原、络合或溶解的方式分离去除的一种技术[6]。目前，在生物淋滤法中最常用的细菌是氧化亚铁硫杆菌[7]与氧化硫硫杆菌[8]。与化学淋滤法相比，生物淋滤法在处理过程中耗酸较少，成本较低，实用性较强，是较为经济有效的污泥重金属去除方法；然而要保持运行过程的持续高效，必须大量培养适宜淋滤的生物菌种，而且在自然条件下大部分的微生物去除重金属的作用有限，需要特定的工艺条件，例如硫杆菌只有在供氧充分的条件下才能有效地去除污泥中的重金属。

1.4 氨浸法

氨浸法[9-10]是用氨或氨盐作为浸出剂，使污泥中的Cu、Zn 等重金属转化为可溶性的氨络离子而被浸出的一种技术，在合适的条件下，可利用硫酸和有机溶剂对重金属进行回收利用。氨浸法操作简便，可以有选择的浸出，浸出的产品质量好，产值也较为可观，但氨水浸出速度较慢，而且在处理工程中，易产生VOCS污染。

1.5 电动修复技术

电动修复技术是通过在污染介质上施加直流电压形成电场梯度[11]，以驱使中介中带电荷的污染物向反向电极进行定向移动、聚集，再经过进一步的溶液收集和处理，达到降低重金属含量的目的。由于污泥中重金属的存在形态不同，所以其稳定性亦不同，研究表明：污泥中重金属的存在形态是影响其去除效率的主要因素，可交换离子态的去除率最高，残渣态去除率最低[12]。重金属电动修复技术去除效率较高，特别是污泥在酸化后经电动力作用其重金属去除率会有所提高，并且能同时去除多种重金属，但该技术局限性强，不适宜大规模推广。

2 旋转磁场等离子技术

旋转磁场等离子去除污泥重金属技术是研究团队在该技术应用于涉重废水处理成功的基础上[13]，对技术应用的进一步研究和提升。离子处理器的导磁性工件在高速旋转中可产生强烈的电流和数量庞大的微电弧，在遵循化学反应定律的基础上，短时间内即可增强化学动力反应，达到破坏重金属结构、减弱分子内和原子间联接的效果，加速氢氧根与金属离子形成氢氧化的不溶物质，实现高效去除重金属的目的。同时，利用产生的空化作用和高浓度负离子消除污泥中的致病微生物和病原体，实现污泥的资源利用[14]。

旋转磁场离子处理器有两种型号，技术参数见表1。处理器的处理单元数量或结构，可以根据处理需求进行组装和调整。

图1 旋转磁场离子处理器-100 型 Fig. 1 rotating magnetic field ion processor - type 100

图2 旋转磁场离子处理器-150 型 Fig. 2 rotating magnetic field ion processor - type 150

图3 电磁旋转磁场离子处理器简图 Fig. 3 schematic diagram of electromagnetic rotating magnetic field ion processor

表1 旋转磁场等离子处理器技术参数 Table 1 technical parameters of plasma processor for rotating magnetic field

2.1 旋转磁场离子处理器的优化性

采用传统工艺去除污泥重金属时，由于处理过程中反应时间长，影响了分离速度，降低了处理效率和效果。

通过离子处理器处理后产生的悬浮液可快速沉淀（沉淀是否为溶液原有或反应产生，对分离速度均无影响），硬粒子转变为新的性质——失去《云状》Н+和ОН-离子，消除了范德瓦尔斯力。同时导磁工件释放的冲击波快速粉碎硬粒子，硬粒子的氧化层、污垢层等保护层被破坏，使表层不断形成新的缺口，减弱分子结合力，促使新鲜小粒子快速充分结合，加快化学反应速率，提高反应充分度，将传统工艺中迁移物由扩散方式转变为动力方式，保障了所有参与反应物瞬时在工作区域内同时发生反应，化学反应动力速度直线上升。

2.2 旋转磁场等离子处理系统工艺流程

旋转磁场等离子处理污泥重金属系统由等离子处理器及料斗、加药器、固液分离器、沉淀收集和泵等辅助设备组成。整套工艺流程分为两个阶段，第一阶段：处理污泥，分离出干净的沙石和含重金属溶液；第二阶段：分离出氢氧化金属中性沉淀和纯净水体。

图4 工艺流程图 Fig. 4 Process flow chart

1）第一阶段：为保证污泥能够顺利通过离子处理器，先将污泥按照1∶2 的比例进行稀释，然后与酸化剂（硝酸或硫酸）进入离子处理器，在处 理器工作区域的强化作用下重金属离子完全溶于酸溶液中，这个过程与酸化法去除重金属的方式一样，但是由于离子处理器化学反应动力的增强，因此，酸的消耗量大大降低，去除率大幅提高，减少了溶解污泥中的N、P 等有机质的可能性；处理后的污泥经固液分离器脱水后形成不含重金属的固体物质和含有重金属离子的溶液。由于处理器工作区域形成的空化作用和高浓度负离子环境，能够彻底消灭污泥中的致病微生物和病原体、蠕虫及虫卵，因此分离出的固体物质可作为建筑材料、优质土壤甚至有机肥料使用。

2）第二阶段：含有重金属离子的废水再次进入离子处理器，同时由加药器注入氢氧化物（氢氧化钠或氢氧化钙），两者经过混合反应后，排入初沉池进行初次沉淀，然后进入斜管沉淀池进行二次沉淀，同时注入二氧化碳气体调节废水pH 值。这样经处理器处理后，再经过两级沉淀，水体中各种重金属污染物浓度大幅降低，金属离子形成氢氧化的金属沉淀进入收集罐回收，干净的水体可循环至料斗用于污泥稀释。整个处理过程结束。

2.3 实验效果

实验采用了某地区城市管网下水道污泥，经检测，污泥中含有Cu、Zn、Cd、Cr、Mn、Pb、Sb、Ni 等重金属物质，其中，Zn、Cd、Cr 等物质含量超过《城镇污水处理厂污泥泥质》（GB 24188-2009）中规定的选择性控制指标限值，Cu 和Ni 接近限值，Mn 和Sb 未做规定。实验中第一阶段选用硝酸作为酸化剂，第二阶段选用质量分数为96%的氢氧化钠作为添加剂，实验前后数据见表2。

表2 下水道污泥处理前后数据对比 （单位：毫克/千克） Table 2 Data comparison before and after sewage sludge treatment (Unit: mg/kg)

从实验结果可以看出，污泥经过第一阶段离子处理器处理后，沉淀分离出的有机沉淀中各重金属含量明显下降，重金属去除率均高于99%。相较于其他技术，等离子处理器技术对污泥中重金属的去除率明显提高。在生物淋滤法中利用厌氧消化污泥分离出的嗜酸氧化亚铁硫杆菌能去除污泥中99%的Zn，65%的Cr，74%的Cu，58%的Pb，84%的Ni[15]。用生物淋滤技术去除酸化制铬污泥，污泥中的铬溶出率达到95%[16]。经柠檬酸酸化处理后的污泥，可以去除90%以上的重金属，其中Pb、Cd 去除率最高，分别为96.5%和91.5%[17]。含重金属的废水溶液进入第二阶段再次处理后形成干净的水体，水中各项重金属含量低于《中华人民共和国污水综合排放标准》(GB8978—1996)规定的排放限值，可以作为循环水用于工艺中的稀释用水，沉淀分离出的氢氧化金属沉淀可回收利用，作为冶金业的原材料。

图5 重金属污泥 Fig. 5 Heavy metal sludge

图6 离子处理器处理 后均质化污泥 Fig. 6 The homogenized sludge was treated by an ion processor

图7 固液分离出无害化的污泥和含重金属的废水 Fig. 7 Separation of harmless sludge and heavy metal containing wastewater by solid and liquid

图8 第二阶段产生的金属沉淀和洁净的水与第一节阶段的 废水对比 Fig. 8 The metal deposition and clean water produced in the second stage are compared with the wastewater in the first stage

图6 含镍污泥处理沉淀后产生洁净的水及金属沉淀 Fig. 6 Clean water and metal precipitation after nickel sludge treatment

图10 镍金属沉淀物 Fig. 10 Nickel metal deposits

3 结论

通过对重金属污泥传统去除工艺和旋转磁场离子处理技术的介绍以及实验结果可以看出，在选用硝酸或硫酸作为酸化剂的前提下，通过旋转磁场离子处理器瞬间增强的化学反应动力，提升化学反应速率以及反应充分度，使原有的传统工艺迁移物扩散方式变为动力方式，因此，重金属去除率相较传统方式更高（可达到99%以上），去除范围更广，回收利用效果更佳。同时，处理后的洁净水可以循环利用，减少原水使用量，节约水资源，有效防止环境污染，改善生态环境，创造客观的社会经济效益。而且，反应速率以及反应充分度的提高既可减少辅助配套设备的数量，又可减少药剂使用量，从而降低投资和运营成本。