申请日2017.12.22
公开(公告)日2018.04.17
IPC分类号C02F11/00; C02F101/20
摘要
本发明公开了一种磁化电动耦合反应处理污泥中重金属系统及其操作方法，其中磁化作用为永磁场产生，电动反应装置由反应器和直流稳压电源构成;永磁场由汝铁硼或铁氧体等磁铁材料产生，磁铁置于电动反应器两侧外部;反应器为长方体状，反应器由阴、阳离子交换膜分割成三个腔室，中间为污泥室，两侧分别为阳极室和阴极室，其中阴极室设内回流;直流稳压电源正负两极分别连接钛板，钛板置于阴极室和阳极室靠近污泥室一侧;反应器底部设磁力搅拌装置以保持污泥的悬浮状态;磁场与电动反应装置耦合，污泥中重金属离子在电场作用下析出并在磁场协同作用下向阴级室迁移，实现污泥中重金属的分离去除与阴极室重金属的富集回收。
权利要求书
1.一种磁化电动耦合反应处理污泥中重金属系统，其特征在于，包括：反应器(1)、直流稳压电源(2)、磁铁(3)、电极(4)、离子交换膜(5)和磁力搅拌器(6);
所述电极(4)为两个分别用导线连接至直流稳压电源(2)的正负两极形成阳极和阴极;
反应器(1)形状为长方体，内部带有容纳腔室;两个离子交换膜(5)将反应器内部的容纳腔室分隔成污泥室、阳极室、阴极室三个腔室;
位于反应器(1)的阴极室和阳极室外侧均设置有磁铁(3);
离子交换膜(5)分别置于反应器(1)的与阳极电极板和阴极电极板侧并用卡槽与反应器(1)本体连接密封构成阳极室和阴极室，阴极室设内回流系统;
其中，离子交换膜(5)的阳离子交换膜设置在阴极一侧构成阴极室，离子交换膜(5)的阴离子交换膜设置在阳极一侧构成阳极室;
反应器(1)污泥 室的底部设置有磁力搅拌器(6)以及排放口(9);
其中，回流系统包括：中间池(8)和2个蠕动泵(7);
中间池(8)入口端和出口端均设置有一个蠕动泵(7)，入口端的蠕动泵(7)的吸入管伸入于阴极室内，出口端的蠕动泵(7)的输出管伸入于阴极室内面构成内回流循环;
阴极室和阳极室分别投加电解质溶液。
2.根据权利要求1一种磁化电动耦合反应处理污泥中重金属系统，其特征在于：
所述直流稳压电源(2)操控电压可在5-30V。
3.根据权利要求1一种磁化电动耦合反应处理污泥中重金属系统，其特征在于：
所述电极(4)选用电极板为导电惰性材料。
4.根据权利要求1一种磁化电动耦合反应处理污泥中重金属系统，其特征在于：
电动反应器阴极室外侧设磁铁和阳极室外侧设磁铁产生的磁场，中心磁场强度可控制在5-500GS。
5.根据权利要求1一种磁化电动耦合反应处理污泥中重金属系统的操作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，污泥混合液充入污泥室，开启磁力搅拌装置;
步骤二，将电解质溶液充入到反应器的阴极室和阳极室;
步骤三，连接电极，打开直流稳压电源开关，控制操作电压在5-30V范围，反应器内即进行反应;
步骤四，开启回流系统的蠕动泵，开始阴极池内液体内循环;
步骤五，反应时间4-6h后，关掉电源，关闭磁力搅拌装置，静置沉淀30min，从底部排泥口排泥，并分别收集阴极液和阳极液。
说明书
一种磁化电动耦合反应处理污泥中重金属系统及其操作方法
技术领域
本发明涉及一种磁化电动耦合反应器处理污泥中的重金属的系统。
背景技术
随着工农业生产的迅猛发展，城市污水中重金属的含量越来越多。在污水处理过程中，其中约70%～90%的重金属元素通过吸附或沉淀而转移到污泥中。因此，城市污泥中不仅含有大量的氮、磷等营养元素，同时也含有大量的重金属物质。这些重金属元素难于控制，溶解度较大、毒性较强，具有不稳定、潜伏期长等特点，并且能够通过食物链富集到其他生物体体内，严重威胁着人类的生存、健康和社会的可持续发展。因此，污泥中的重金属对污泥的进一步资源化利用产生严重的制约。因此，研发高效、环保、低耗的新型污泥重金属处理技术具有重要的意义。
目前针对污泥中重金属的处理主要通过直接去除和稳定化两种途径。稳定化是通过加入稳定剂来改变重金属的形态，进而降低其溶解性和迁移性，减少其浸出浓度;直接去除主要包含化学法、微生物法、植物修复法等，其基本原理是利用物理、化学、生物等处理手段，将重金属从污泥中分离提取出来，进而减少污泥中的重金属含量，直接去除法是目前解决城市污泥重金属污染问题的主要技术方法。其中，化学法是通过投加化学药剂来降低污泥的pH值，进而提高其氧化还原电位，使污泥中的非稳定态重金属发生分子形态改变，迁移转化为可溶态重金属，更易于对其进行收集去除。然后加入鳌合剂、氯化物、表面活性剂和酸性溶液等物质，使其与可溶态的重金属离子发生沉淀、络合等化学反应，进而将难溶态的金属化合物转化为可溶解的金属离子或金属络合物进入到溶液中。最后将污泥与溶液分离，从而去除了污泥的重金属污染物。化学法处理中采用的化学物质一般是HCl和HNO3、H2SO4等降低pH值以利于金属的溶出。化学法虽然具有反应速度快，处理效率高等特点，但是为了使重金属更多的溶出，需要在反应过程中加入大量的酸来降低污泥的pH值，在污泥修复之后，还需要加入大量的碱性溶液来中和强酸性的淋出液和污泥。其次在处理过程中，污泥中的氮、磷、有机质等营养成分会溶解在淋出液中，使得污泥的二次利用价值大大降低，并且容易对周围环境造成污染。因此这种方法存在着处理成本高，毒性物质残留在污泥中及污泥利用率降低等缺点。
微生物法主要是利用生物淋滤技术，通过人为培养的微生物，利用其新陈代新过程所带来的氧化还原作用和络合效应等，将固相中的不溶性组分分离出来，使其进入水相成为可溶性的离子态组分，最后将污泥进行脱水处理，进而去除其中的重金属元素。同时，微生物的代谢产物对于污泥中的重金属也具有一定的吸附和溶解作用。微生物法处理污泥中的重金属元素，具有经济高效、绿色环保的优点。然而微生物法所使用的细菌(如硫杆菌)大多从金属矿山的酸性废水分离出来、或者从生物公司直接购买，其增殖速度缓慢，所需要的培养时间较长(10-30d)，并且处理过程的稳定性较差，因此不易于对污泥中的重金属进行大规模的清理处置，大大地限制了微生物法的实际应用。
近年来，随着环境问题的复杂化和不断严重发展，电化学技术在环境污染治理中表现出较高的优势。电动力修复技术用于污泥重金属的处理不需要加入有毒有害物质，并且处理后的重金属污染物可进行二次利用，具有经济环保、绿色高效、处理时间短的特点。
磁化技术经过近年的发展，目前在水污染控制的方面的应用也开始逐渐涉及。磁化处理主要包括借助磁场力的磁分离技术和投加磁性氧化物及混凝剂后可形成磁性复合絮体的非磁性悬浮物两个方面。
发明内容
本发明针对上述技术问题，提出一种磁化电动耦合反应处理污泥中重金属的操作系统及其方法。
为达到以上目的，通过以下技术方案实现的：
一种磁化电动耦合反应处理污泥中重金属系统，包括磁化系统和电动反应系统，所述电动反应系统包括直流稳压电源和反应器，所述磁化系统由永磁场构成。
进一步地，反应器内由阴、阳离子交换膜分隔成三个腔室，中间为污泥室，两侧分别为阳极室和阴极室。
进一步地，阴膜设置在阳极一侧构成阳极室，阳膜设置在阴极一侧构成阴极室。
进一步地，磁化系统由永磁铁构成，置于反应器阴、阳极室外侧。
进一步地，反应器污泥区底部设置磁力搅拌器。
进一步地，直流稳压电源正负两极通过导线连接钛板构成阳极和阴极。
进一步地，阴、阳极室填充一定浓度的电解质溶液。
进一步地，极板设置于反应器左右两侧阴极室和阳极室内靠近污泥室侧。
进一步地，阴极室设蠕动泵和中间池构成内回流循环。
本发明的电极材料为导电惰性材料，优选为钛。
本发明的磁铁优选于汝铁硼，也可用其他永磁材料代替。
一种磁化电动耦合反应处理污泥中重金属系统的操作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，污泥混合液充入污泥室，开启磁力搅拌装置;
步骤二，将电解质溶液充入到反应器的阴极室和阳极室;
步骤三，连接电极，打开直流稳压电源开关，控制操作电压在5-30V范围，反应器内即进行反应;
步骤四，开启回流系统的蠕动泵，开始阴极池内液体内循环;
步骤五，反应时间4-6h后，关掉电源，关闭磁力搅拌装置，静置沉淀30min，从底部排泥口排泥，并分别收集阴极液和阳极液。
与现有技术比较，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明与常规化学及生物处理相比，可以提高污泥重金属的迁移去除效果，适应性强，操作简单、方便;
(2)本发明将磁场作用与电动作用耦合协同，将磁场作用与电溶解、电迁移、电絮凝及电沉积等多种作用有效耦合一体，可实现对污泥中重金属的高效分离与回收，适合于污泥中重金属的分离去除;
(3)本发明借助磁场的强化迁移作用，促进了电动系统对污泥中重金属的迁移分离效率，实现污泥中重金属的高效脱除，处理后的污泥更适宜于城市农田利用。
(4)本发明磁场作用可控，操作性强;
(5)本发明中污泥中的重金属向阴极室迁移，便于阴极室重金属的回收。