生物可降解螯合剂IDS与GLDA去除工业污泥中重金属的研究

摘要

污泥是废水处理过程中产生的大量固体、半固体胶状废弃物质。实现污泥的减量化、稳定化、无害化和资源化是废水处理可持续发展的必要条件。污泥的土地利用是实现污泥资源化的主要途径和未来的发展方向。重金属如Cd、Cr、Pb、Hg、 Ni、As、Zn、Cu等是冶炼、电池、电镀、皮革、化工和部分生活污水处理企业污泥中常见的污染物，亦是世界各国农用泥质标准中限制排放的主要污染指标。因此，开展含重金属污泥的无害化处理技术研究，是当今环境污染防治领域的重点与热点课题。该研究对于有效去除污泥中的重金属，加速实现污泥的资源化利用，确保环境安全和生态系统可持续发展具有重要的意义。
　　本研究紧密结合当前含重金属工业污泥的污染现状与处理实际，选用河南省某电池、某金属冶炼企业废水处理厂产生的污泥为研究对象，重点研究了生物可降解螯合剂亚氨基二琥珀酸四钠（tetrasodium iminodisuccinic，简称IDS）和谷氨酸N,N-二乙酸四钠(tetrasodium N,N-bis(carboxymethyl)glutamic acid，简称GLDA）对污泥样品中重金属的萃取去除过程。提出了GLDA、IDS螯合剂萃取污泥中重金属的工艺条件;分析了污泥中重金属的形态分布特征、共存金属离子对萃取的影响，探讨了GLDA、IDS与重金属螯合物稳定常数及条件稳定常数与萃取效果之间的关系，从而为生物可降解螯合剂在含重金属污泥处理中的应用提供了理论依据。论文主要研究内容和成果如下:
　　1.IDS对电池厂污泥中重金属萃取的研究。结果表明:在萃取时间为24h、IDS与重金属(M)的摩尔比IDS∶M（下同）为7∶1、不调节体系pH值（11.5左右）条件下，IDS对污泥中Cd的萃取率为68％。H3PO4对污泥中重金属元素的萃取具有良好的促进作用，在IDS∶M=1∶1、H3PO4投加量为1.2％条件下，IDS对污泥中Cu和Ni的萃取效果大幅度提升，萃取率分别达90.7％和91.3％。萃取时间、体系pH值、IDS用量对污泥中重金属的萃取有显著影响，重金属与IDS螯合物的稳定常数、重金属在污泥中的存在形态亦是影响其萃取的重要因素。
　　2.GLDA对电池厂污泥中重金属萃取的研究。结果表明:螯合剂GLDA对电池厂污泥中Cd和Ni的萃取效果显著，Zn的萃取率较低可能与其以残渣态形式存在，难以被萃取有关。在室温、体系pH=4和GLDA∶M=3∶1条件下，GLDA对污泥中的Cu、Ni和Cd的萃取率分别为84％、82％和89％。萃取时间、体系pH值、GLDA用量和污泥中重金属的存在形态等是影响其萃取效果的主要因素;萃取前后污泥中重金属形态分布的变化与萃取率之间有很好的相关性;重金属与GLDA螯合物的稳定常数受体系pH值等因素的影响。
　　3.IDS、GLDA和EDTA对电池厂污泥中重金属萃取效果的比较研究。结果表明:EDTA对电池厂污泥中的重金属具有较好的萃取效果，在EDTA∶M=5∶1条件下，EDTA对Cd、Cu、Zn和Ni的萃取率分别为80％、60％、40％和20％。在GLDA∶M=5∶1、pH=1～10条件下，GLDA对污泥中重金属的萃取效果为Cd＞Zn＞Cu＞Ni，相应的萃取率分别为71％、27％、21％和8％。在IDS∶M=1∶1、pH＜5条件下，IDS对Cu的萃取率保持在60％以上;在IDS∶M=5∶1、碱性条件下，IDS对Cd具有较好的萃取效果，对Ni和Zn的萃取效果不如GLDA和EDTA。比较IDS、GLDA和EDTA对电池厂污泥中重金属的萃取效果发现:GLDA对Cd的萃取效果与EDTA相当，其萃取率均较高，优于IDS; GLDA和IDS对Ni的萃取效果劣于EDTA; IDS对Cu的萃取效果优于GLDA和EDTA，GLDA和IDS对Zn的萃取效果劣于EDTA。
　　4.IDS、GLDA和EDTA对金属冶炼厂污泥中重金属萃取效果的研究。结果表明:在GLDA∶M=7∶1、pH=4和萃取时间为12h的条件下，GLDA对金属冶炼厂污泥中重金属的萃取效果为Cu＞Cd＞Ni＞Zn＞Pb＞As，相应的萃取率分别为65％、64％、62％、46％、43％和33％; GLDA对Cd、Ni、Cu和Zn的萃取效果与它们和GLDA所形成螯合物的稳定性大小不完全一致，其原因是受污泥中重金属的存在形态和共存金属离子影响所致。在不同IDS用量和pH值条件下，IDS对金属冶炼厂污泥中各重金属的萃取率均达不到40％，其萃取效果劣于GLDA。GLDA和IDS对电池厂污泥中重金属的萃取效果优于金属冶炼厂，认为与两者中重金属的形态分布不同相关联。在EDTA∶M=5∶1条件下，EDTA对金属冶炼厂污泥中的Pb、Cd、Zn、Cu和Ni均有较好的萃取效果，EDTA对Pb、Cd、Cu、Zn和Ni的萃取率分别达到60％、50％、50％、58％和50％。比较IDS、GLDA和EDTA对金属冶炼厂污泥中重金属的萃取效果发现:GLDA对污泥中各重金属的萃取效果与EDTA相当，优于IDS。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 污泥的处理与处置技术概述

1．1．1 污泥的产生及污染

1．1．2 污泥的处理与处置方法

1．2 污泥中重金属的去除技术

1．2．1 污泥中重金属的危害及限制

1．2．2 含重金属污泥的污染治理技术

1．2．3 化学萃取技术治理污泥重金属的研究进展

1．3 生物可降解螯合剂的研究进展

1．3．1 IDS的研究进展

1．3．2 GLDA的研究进展

1．4 选题背景和研究内容

1．4．1 选题背景和意义

1．4．2 研究内容

第二章 实验材料和研究方法

2．1 实验材料与仪器

2．1．1 实验样品

2．1．2 试剂

2．1．3 仪器

2．2 研究方法

2．2．1 污泥中重金属的去除方法

2．2．2 污泥中重金属的去除效率

2．2．3 污泥中重金属处理的工艺条件

2．3 分析与测试方法

2．3．1 污泥理化性质的测定

2．3．2 重金属含量的测定

2．3．3 重金属形态分析方法

2．4 污泥测定结果分析

2．4．1 污泥理化性质分析

2．4．2 污泥中重金属含量分析

2．4．3 污泥重金属形态分析

2．5 本章小结

第三章 IDS对电池厂污泥中重金属的萃取条件及机理分析

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验污泥

3．2．2 试剂与仪器

3．2．3 萃取反应实验

3．2．4 研究指标与分析方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 萃取时间对重金属去除效果的影响

3．3．2 体系pH值对重金属萃取的影响

3．3．3 IDS用量对重金属萃取的影响及机理分析

3．3．4 H3PO4和H3PO4-IDS复合体系对重金属萃取的影响

3．4 本章小结

第四章 GLDA对电池厂污泥中重金属的萃取条件及机理分析

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验污泥

4．2．2 试剂与仪器

4．2．3 萃取反应实验

4．2．4 研究指标与分析方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 萃取时间对重金属去除效果的影响

4．3．2 体系pH值对重金属萃取的影响及机理分析

4．3．3 GLDA用量对重金属萃取的影响及机理分析

4．3．4 污泥中重金属萃取前后的形态分布分析

4．4 本章小结

第五章 IDS、GLDA与EDTA对电池厂污泥中重金属萃取的比较研究

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 实验污泥

5．2．2 试剂与仪器

5．2．3 萃取反应实验

5．2．4 研究指标与分析方法

5．3 结果与讨论

5．3．1IDS、GLDA与EDTA对污泥中Cd萃取效果的比较

5．3．2 IDS、GLDA与EDTA对污泥中Ni萃取效果的比较

5．3．3 IDS、GLDA与EDTA对污泥中Cu萃取效果的比较

5．3．4 IDS、GLDA与EDTA对污泥中Zn萃取效果的比较

5．4 本章小结

第六章 IDS、GLDA与EDTA对金属冶炼厂污泥中重金属萃取的研究及共存金属离子的影响

6．1 引言

6．2 实验部分

6．2．1 实验污泥

6．2．2 试剂与仪器

6．2．3 萃取反应实验

6．2．4 研究指标与分析方法

6．3 结果与讨论

6．3．1 GLDA对金属冶炼厂污泥中重金属萃取的研究

6．3．2 IDS对金属冶炼厂污泥中重金属萃取的研究

6．3．3 IDS、GLDA与EDTA对金属冶炼厂污泥中重金属萃取的比较研究

6．4 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．2 创新点

7．3 展望与建议

参考文献

致谢

攻读学位期间的科研成果

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