專利名稱：污泥吸附去除廢水中低濃度重金屬的方法
技術領域：
污泥吸附去除廢水中低濃度重金屬的方法，涉及一種低濃度重金屬廢水的處 理工藝，屬于水處理技術中重金屬分離的技術領域。
背景技術：
現(xiàn)代工業(yè)不斷發(fā)展的同時，也給環(huán)境帶來了巨大的壓力。電鍍、采礦、冶煉、 制革等行業(yè)排放的重金屬進入水環(huán)境系統(tǒng)，對生態(tài)環(huán)境造成了嚴重影響，必須對 這些行業(yè)產生的含重金屬廢水進行分離凈化以控制其污染。傳統(tǒng)的重金屬分離方 法主要包括化學沉淀法、離子交換法、電化學法、溶劑萃取法、膜分離法等， 其主要缺點在于運行費用高，且易生成二次污染，尤其在處理大流量、低濃度重
金屬(1 150mg/L)廢水時，其缺點尤為顯著。
常規(guī)生物處理工藝作為最為高效、廉價的水處理技術，在處理低濃度重金屬 廢水時，通常受困于重金屬對微生物的抑制而導致處理效果不佳。吸附法相對于 其它方法，在低濃度重金屬廢水的處理中，具有高效、操作簡便等優(yōu)點，常用的 吸附劑主要是活性炭，但受制于活性炭的高成本，其經濟性限制了其大規(guī)模應用。 生物吸附技術選擇性好，成本低廉，環(huán)境相容性好，并且可以有效地回收一些稀 貴金屬，尤其適用于低濃度重金屬廢水的處理。
另一方面，隨著人類生產規(guī)模的不斷擴大，包括剩余污泥、餐廚廢棄物、農 林畜廢棄物、食品水產廢棄物在內的各種生物質廢棄物大量產生，其處理處置也 成為可持續(xù)發(fā)展中亟待解決的關鍵問題。剩余污泥是污水處理的重要副產物，主 要由蛋白質、腐殖酸、多糖、脂類等組成，同時也是一種表面具有豐富基團的生
物質資源?；鶊F包括羥基、羧基、磷?；坊?，可以與重金屬離子于污泥
表面形成絡合物或者螯合物，將重金屬由液相吸附至固相表面，是一種很好的生 物質吸附劑原料。
生物吸附技術包括活體生物吸附和非活體生物質吸附兩類，非活體生物質吸 附相對于活體生物吸附法而言，在不影響其吸附容量的同時(吸附作用主要依靠 物化過程，而不是微生物代謝過程)，其抗負荷能力更強，普通適應性更佳。申請?zhí)枮?00710031098.7的專利公布了一種重金屬生物吸附劑及其制備方 法和應用，采用活性污泥制備活體生物吸附劑，利用活體微生物對重金屬的附著 作用，基本實現(xiàn)了從廢水中吸附去除低濃度重金屬。但微生物對環(huán)境因素較為敏 感，且制備過程較為復雜，故難以大規(guī)模應用于各行業(yè)重金屬廢水的處理。
因此，開發(fā)一種以生物質廢棄物為原料的非活體生物質吸附劑，對控制低濃 度重金屬污染，實現(xiàn)廢棄物的資源化再利用，促進工業(yè)與環(huán)境的和諧發(fā)展具有重 要的戰(zhàn)略意義。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是針對上述方法在大水量、低濃度重金屬廢水處理中的缺陷， 提出一種以污泥為非活體生物質吸附劑的重金屬分離方法，以解決常規(guī)方法處理 低濃度重金屬廢水的高成本與二次污染等問題，高效、廉價、綠色地控制水環(huán)境 中低濃度重金屬污染。
為達到以上目的，本發(fā)明通過對污水廠剩余污泥特性的研究發(fā)現(xiàn)，污泥表面 豐富的基團對于各種重金屬存在不同程度的結合力，其機理主要包括表面絡合 (螯合)、離子交換、靜電或共價吸附、表面微沉淀等過程。其功能基團主要包 括羥基、羧基、磷?；坊?按不同金屬，其功能基團及基團結合力不同)。 我們經過長期的實驗發(fā)現(xiàn)，從脫水污泥到生物質吸附劑，其處理過程中關鍵在于 獲得巨大吸附比表面積的同時不破壞污泥表面豐富的功能基團，為后續(xù)反應提供 有利條件。此外，反應過程中pH的控制是該技術的關鍵。
本發(fā)明所使用的污泥吸附劑的總量相對于常規(guī)化學法產生的化學污泥，無論 其數(shù)量或是處理的難易程度都大大得到改善，二次污染小，且金屬可以通過脫附 得到回收，有推廣到稀貴金屬富集回收的潛力，應用前景廣闊、成本低廉、實用 性強，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。具體技術方案是-
先將城市污水廠脫水污泥于45 6(TC下烘干至恒重，磨碎后過0.45mm國家 標準篩，篩下物為非活體生物質吸附劑；然后按lkg吸附劑與100 1000L低濃 度重金屬廢水的比例，依次將吸附劑與低濃度重金屬廢水加入反應器，再調pH 至3 6，密閉并控制攪拌速度為100 300r/min，室溫下反應30 300min，反應 后采用臥式轉筒離心機進行固液分離，分離因子為1000~2000，廢水中重金屬被吸附去除，吸附了重金屬的吸附劑按環(huán)境風險、回收價值對其進行脫附回收金屬， 或安全性處理處置。
所述的低濃度重金屬廢水包括含單種或多種重金屬的廢水，其中單種重金屬 濃度上限為150mg/L，多種重金屬濃度之和上限為300mg/L;所述重金屬包括Zn2+、 Cd2+、 Cr3+、 Pb2+、 Ni2+、 Sn2+、 Cu2+、 Mn2+、 Hg2+、 Co2+、 As3+。
所述的進行脫附回收金屬是，采用摩爾濃度為0.1 lmol/L的鹽酸或硫酸溶 液，或者0.01 0.5mol/L的EDTA溶液作為脫附劑，控制吸附劑與脫附劑比例為 lkg吸附劑投加5 30L脫附劑，攪拌速度為150 r/min，室溫下混合反應30 60min，反應后采用臥式轉筒離心機進行固液分離，脫附后的吸附劑可作為普通 廢物進行后續(xù)處理處置，富集了重金屬的脫附劑溶液采用常規(guī)化學沉淀方法回收 其中的金屬。
所述的污泥為污水或廢水處理領域各種生物處理工藝所產生的剩余污泥。 所述的低濃度重金屬廢水包括兩類 一類是電鍍、采礦、冶煉、制革、金屬
加工回收、化工行業(yè)生產過程中產生的工業(yè)廢水，另一類是受到重金屬污染的原
水，包括河流、湖泊、地下水。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有如下優(yōu)點和效果
1. 本發(fā)明相比傳統(tǒng)的活性炭吸附法而言，以污泥為吸附劑的非活體生物質 吸附技術大大降低了吸附劑的成本，且吸附劑來源廣泛、制備過程簡單，利于大 規(guī)模工業(yè)化應用。
2. 本發(fā)明與活體污泥生物吸附法相比，在保持吸附容量的同時，大大簡化 了吸附劑的制備過程，且在實際應用中，其對環(huán)境因素的適應能力更強。
3. 本發(fā)明與傳統(tǒng)的化學法相比，其產生的二次污染要小的多；與離子交換、 膜技術相比，其在處理低濃度重金屬廢水效果相當，而經濟性更佳。
4. 本發(fā)明從方法學上提出采用生物質廢棄物代替常規(guī)吸附劑，對廢水中重 金屬進行吸附去除，在實際應用中具有很大的推廣潛力，發(fā)明中所用的污泥可以 推廣到其它生物質廢棄物，如餐廚廢棄物、農林畜廢棄物、食品水產廢棄物等。
5. 本發(fā)明普適性廣，可單獨用于低濃度重金屬廢水的處理，也可作為各種 生物水處理工藝的前處理工序，分離重金屬以減小或消除重金屬對微生物的不利影響。
具體實施例方式
下面結合具體實施例對本發(fā)明作進一步的闡述，這些實施例僅用于說明本發(fā) 明而不限制本發(fā)明的適用范圍。 實施例1
處理對象為受Pb污染的河水，采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測定其Pb的 濃度為25mg/L。
脫水污泥取自上海市某城市污水廠，于5(TC烘箱內干燥72h至恒重，取出磨 碎，然后過0.45mm國家標準篩，篩下物為非活體生物質吸附劑。采用HC1將待處 理河水的pH調至3.5，加入101113容積的攪拌釜式反應器，再按每lm"可水4kg的比 例加入吸附劑；控制攪拌速度為200r/min，室溫下混合反應60min，反應后的混合 液采用臥式轉筒離心機進行固液分離，分離因子為1500，離心時間10min。上清 液為已分離去除重金屬的清潔河水，采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測定其Pb 濃度為0.06mg/L， Pb的去除率達到99.76。/。，可排放進入自然水體。固體為吸附了 重金屬的吸附劑，采用水泥固化后進入填埋場進行安全處置。
實施例2
處理對象為某金屬加工廠受Cd和Cr3+污染的工業(yè)廢水，采用AWWA-3500分光 光度法測定廢水中六價鉻濃度低于方法檢測限，采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜 法測定，Cd、 Cr的初始濃度分別為10mg/L、 50mg/L，由總鉻、六價鉻濃度差計 算Cf3+初始濃度為50mg/L。
脫水污泥取自上海市某城市污水廠，于55i:烘箱內干燥48h至恒重，取出磨 碎，然后過0.45mm國家標準篩，篩下物為非活體生物質吸附劑。采用HC1將廢 水的pH調至4，加入15ir^容積的攪拌釜式反應器，再按每ln^廢水2kg的比例 加入吸附劑；控制攪拌速度為200r/min，室溫下混合反應120min，反應后的混合 液采用臥式轉筒離心機進行固液分離，分離因子為1500，離心時間10min。上清 液為吸附去除了重金屬的處理出水，采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測得其 Cd、 Cr的濃度分別為0.272mg/L、 0.19mg/L，采用AWWA-3500分光光度法測定 廢水中六價鉻濃度低于方法檢測限，Cd與Ci^+液相的去除率分別達到97.28%、
699.62%，達到了排入城市污水管網的要求，可排入城市污水管道。固體為吸附了 重金屬的吸附劑，采用水泥固化后進入填埋場進行安全處置。 實施例3
處理對象為某電鍍廠含Cu、 C,的工業(yè)廢水，采用AWWA-3500分光光度法測
定廢水中六價鉻濃度低于方法檢測限，采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測定， Cd、 Cr的初始濃度均為100mg/L，由總鉻、六價鉻濃度差計算C +初始濃度為 100mg/L。
采用本發(fā)明作為生物處理工藝的前處理工序，脫水污泥取自上海市某城市污 水廠，于55。C烘箱內干燥48h至恒重，取出磨碎，隨后過0.45mm國家標準篩，篩 下物為非活體生物質吸附劑。采用HCl將廢水的pH調至4，加入151113容積的攪拌 釜式反應器，再按每ln^廢水10kg的比例加入吸附劑；控制攪拌速度為200r/min， 室溫下混合反應100min，反應后的混合液采用臥式轉筒離心機進行固液分離，分 離因子為1500，離心時間10min。上清液為吸附去除了重金屬的處理出水，采用 電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測定其Cu、 Cr濃度的濃度分別為16.18mg/L和 8.88mg/L，采用AWWA-3500分光光度法測定廢水中六價鉻濃度低于方法檢測限， Cu、 &3+液相去除率分別達到83.82%、 91.12%，隨后與廠內其它廢水混合進入后 續(xù)生物處理單元。固體為吸附了重金屬的吸附劑，在0.5mS攪拌釜式反應器中， 采用O. lmol/L鹽酸對其進行重金屬脫附，控制吸附劑與脫附劑比例為lkg吸附劑 投加10L脫附劑，攪拌速度為150r/min，室溫下混合反應30min后，同樣采用臥式 轉筒離心機進行固液分離，脫附后的吸附劑可作為普通廢物進行后續(xù)處理處置， 富集重金屬的脫附劑液體，加入碳酸鈣得到Cu、 Cr混合鹽沉淀，在生產中回用。
實施例4
處理對象為某廢金屬回收廠含Zn、 Cd廢水，采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜 法測得其Zn、 Cd的初始濃度均為50mg/L。
采用本發(fā)明作為其它水處理工藝的前處理工序，脫水污泥取自上海市某城市 污水廠，于6(TC烘箱內干燥24h至恒重，取出磨碎，隨后過0.45mm國家標準篩， 篩下物為非活體生物質吸附劑。采用NaOH將廢水的pH調至4.5，加入25m3容 積的攪拌釜式反應器，再按每li^廢水10kg的比例加入吸附劑；控制攪拌速度
7為200r/min，室溫下混合反應180min，反應后的混合液采用臥式轉筒離心機進行 固液分離，分離因子為1500，離心時間10min。上清液為吸附去除了重金屬的處 理出水，采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測定其Zn、 Cd濃度為8.365mg/L和 5.36mg/L， Zn、 Cd液相的去除率分別達到83.27%、 89.28%，隨后與廠內其它廢 水混合進入后續(xù)處理單元。固體為吸附了重金屬的吸附劑，在lmS攪拌釜式反應 器中，采用0.1mol/LEDTA溶液對其進行脫附，控制吸附劑與脫附劑比例為lkg 吸附劑投加10L脫附劑，攪拌速度為150 r/min，室溫下混合反應45min，同樣采 用臥式轉筒離心機進行固液分離，脫附后的吸附劑可作為普通廢物進行后續(xù)處理 處置，富集重金屬的脫附劑液體，加入磷酸氫鈣得到Zn、 Cd混合鹽沉淀，在生 產中回用。
權利要求
1.污泥吸附去除廢水中低濃度重金屬的方法，其特征在于先將城市污水廠脫水污泥于45～60℃下烘干至恒重，磨碎后過0.45mm國家標準篩，篩下物為非活體生物質吸附劑；然后按1kg吸附劑與100～1000L低濃度重金屬廢水的比例，依次將吸附劑與低濃度重金屬廢水加入反應器，再調pH至3～6，密閉并控制攪拌速度為100～300r/min，室溫下反應30～300min，反應后采用臥式轉筒離心機進行固液分離，分離因子為1000～2000，廢水中重金屬被吸附去除，吸附了重金屬的吸附劑按環(huán)境風險、回收價值對其進行脫附回收金屬，或安全性處理處置；所述的低濃度重金屬廢水包括含單種或多種重金屬的廢水，其中單種重金屬濃度上限為150mg/L，多種重金屬濃度之和上限為300mg/L；所述重金屬包括Zn2+、Cd2+、Cr3+、Pb2+、Ni2+、Sn2+、Cu2+、Mn2+、Hg2+、Co2+、As3+；所述的進行脫附回收金屬是，采用摩爾濃度為0.1～1mol/L的鹽酸或硫酸溶液，或者0.01～0.5mol/L的EDTA溶液作為脫附劑，控制吸附劑與脫附劑比例為1kg吸附劑投加5～30L脫附劑，攪拌速度為150r/min，室溫下混合反應30～60min，反應后采用臥式轉筒離心機進行固液分離，脫附后的吸附劑可作為普通廢物進行后續(xù)處理處置，富集了重金屬的脫附劑溶液采用常規(guī)化學沉淀方法回收其中的金屬。
2. 根據權利要求l所述的污泥吸附去除廢水中低濃度重金屬的方法，其特 征在于，所述的污泥為污水或廢水處理領域各種生物處理工藝所產生的剩余污 泥。
3. 根據權利要求l所述的污泥吸附去除廢水中低濃度重金屬的方法，其特 征在于，所述的低濃度重金屬廢水包括兩類 一類是電鍍、采礦、冶煉、制革、 金屬加工回收、化工行業(yè)生產過程中產生的工業(yè)廢水，另一類是受到重金屬污 染的原水，包括河流、湖泊、地下水。
全文摘要
污泥吸附去除廢水中低濃度重金屬的方法，涉及一種廢水中重金屬的分離技術。將污水廠脫水污泥于45～60℃條件下烘干，破碎至0.45mm以下，與低濃度重金屬廢水混合反應，并控制pH在3～6。固液分離后，實現(xiàn)對廢水中重金屬的凈化。本發(fā)明利用污泥表面基團對重金屬的吸附能力，選用城市污水廠剩余污泥作為非活體生物質吸附劑處理廢水，具有成本低廉、來源廣泛，設備簡單、操作方便，二次污染小的優(yōu)點。尤其適用于大流量、低濃度重金屬廢水的處理，亦可作為各種生物水處理工藝的前處理工序用于分離重金屬。以廢治廢，高效分離重金屬的同時，也為城市污泥資源化再利用提供了一條新出路，在工業(yè)推廣方面有很大的潛力，具有相當?shù)慕洕⑸鐣铜h(huán)境效益。
文檔編號B01J20/24GK101514037SQ20091004891
公開日2009年8月26日 申請日期2009年4月7日 優(yōu)先權日2009年4月7日
發(fā)明者何品晶, 駿 吳, 倩 姚, 驊 章, 邵立明 申請人:同濟大學