城市污泥中金属铜的回收工艺研究：生物沥浸—溶剂萃取—电积技术

摘要

城市污泥通常舍有大量有机质、N、P等植物养分，但也存在数量不等有害金属，很大程度上限制了污泥的农业利用。在我国某些工业园区，由于城市污水处理厂中混流有大量的工业废水，导致污泥中重金属含量大大超过国家有关标准，几乎达到低品位金属矿的水平，具有回收利用价值。在生物湿法冶金中，浸出-溶剂萃取-电积法从铜矿中回收得到高纯度铜是一项成熟的技术，全世界采用该工艺生产的铜产量在2003年已占到世界矿铜产量的1/4。但与无机物的金属矿石不同，城市污泥含高量的有机物质(30％～60％)，是否也可采用该工艺从城市污泥中回收高纯度的金属Cu?鲜见报道。为此，本文以苏州新区污水处理厂富含铜的污泥为研究对象，较系统研究了利用生物沥浸-溶剂萃取-电积技术回收城市污泥中金属铜的工艺，包括城市污泥金属铜生物沥浸溶出效果、从城市污泥沥浸液中选择性分离富集铜的影响因素及电积沉铜技术的最佳工艺条件，并对整个工艺流程进行了能耗分析。
　　 本文首先采用摇瓶法研究了生物沥浸处理对城市污泥金属溶出、沉降性能及营养元素损失的影响。结果表明，以S0和Fe2+为复合底物，采用嗜酸性复合硫杆菌（Acidithiobacillus ferrooxidans LX5和Acidithiobacillus thiooxidans TS6）对城市污泥进行生物沥浸处理，在较短时间内能明显促使污泥中重金属Cu、Zn、Ni的快速溶出，溶出率分别达到91.42％、93.62％、63.36％。研究还发现，生物沥浸处理后，污泥的沉降性能得到很大的改善，污泥体积降到原来的1/2左右，同时，污泥中N、P、K及有机质等植物养分分别损失18.83％、7.89％、47.97％和22.06％，但不影响其进一步农业利用的价值。
　　 萃取过程是回收金属铜的关键步骤，城市污泥生物沥浸液中大量的DOM和Fe3+是影响萃取分离铜效果的因素。作者深入研究了DOM对铜萃取剂M5640饱和络合量的影响，并确定了采用M5640-磺化煤油-硫酸体系从沥浸液中萃取铜分离去除铁杂质的工艺参数。结果表明，城市污泥生物沥浸液中DOM对萃取剂M5640的饱和容量并无很明显的影响，当萃取剂M5640浓度（体积分数）为2％，萃取相比（有机相与水相体积比，以O/A表示）为1/3，沥浸液pH为2.0，萃取时间为180s时，萃取分离铜、铁的效果最好，铜的萃取率达到95％以上，而铁的共萃率低于10％;为有利于后续的电积回收Cu的工艺能顺利进行，萃取液中M5640络合的Cu需要通过反萃取（在加硫酸的强酸性条件下解离M5640-Cu络合物使Cu进入水相）。反萃取试验结果表明，在反萃取相比(O/A)为2/1的条件下用1.5mol/L硫酸溶液进行反萃取，铜的一级反萃取率达到80.07％，二级反萃取率即可达到95％以上，反萃液中的Cu2+浓度最终可富集到3.5g/L左右。
　　 最后采用电积法回收反萃取液中金属铜。探讨了槽电压、电积时间、电解液温度和电极间距等因素对回收铜的影响。结果表明，以石墨（阳极）和铜板（阴极）作为配对电极，在槽电压为2.1V、电解液温度为55℃、电极间距为3.5cm的条件下，以铜反萃取液连续电积8h，可回收高达95％以上的金属铜，并且电能消耗只有2264kWh/t，具有很大的经济效益。
　　 整个工艺过程，生物沥浸、萃取和电积三个工序的水相形成两个闭路循环：萃取和生物沥浸，反萃取和电积。前者通过萃余液（萃取后的污泥沥浸液）返回生物沥浸阶段进行城市污泥铜溶出，后一循环用电积贫电解液反萃获得富铜电解液，有机相则在萃取系统内循环使用，整个过程无废液排出。按照城市污泥铜溶出率为95％，污泥沥浸液中铜萃取率为90％，电积铜回收率为95％计算，1t含Cu8000mg/kg（干重）的城市污泥采用该工艺处理后，污泥中残余的铜含量仅为400 mg/kg，同时还可获得6.50 kg的高纯度Cu，具有一定的回收价值。
　　 本文研究表明，利用生物沥浸-溶剂萃取-电积沉铜技术回收城市污泥中金属铜具有工艺简单、回收率高、能耗低、无环境污染、成本低等优点。城市污泥经过该工艺处理后，不仅实现了污泥无害化和减量化处理，而且还具有农业利用的价值。同时，沥浸液中金属铜的进一步资源化回收还可产生巨大的经济效益，因此，利用生物沥浸-溶剂萃取-电积沉铜技术回收城市污泥重金属铜具有广阔的应用前景。

目录

文摘

英文文摘

第一章 城市污泥重金属处理现状及浸出-溶剂萃取-电积技术研究进展（代文献综述）

1 我国城市污泥中重金属处理概况

1.1 城市污泥的来源与危害

1.2 城市污泥国内外处置现状

1.3 污泥中重金属处理技术

2 浸出-溶剂萃取-电积技术的研究进展

2.1 L-SX-EW技术的机理

2.2 浸出-萃取-电积技术的发展和应用

3 本论文研究内容和意义

4、技术路线

参考文献

第二章 利用嗜酸性复合硫杆菌生物沥浸法溶出城市污泥重金属的研究

1 材料与方法

1.1 供试污泥

1.2 接种物的制备

1.3 生物沥浸试验

1.4 污泥沉降性能测定

1.5 污泥养分含量损失试验

2 结果与讨论

2.1 生物沥浸过程中pH的变化

2.2 生物沥浸过程中重金属的溶出

2.3 生物沥浸对城市污泥沉降性能的影响

2.4 生物沥浸前后污泥植物养分的损失情况

3 小结

参考文献

第三章 从污泥生物沥浸液中选择性萃取铜的工艺研究

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.2 2%M5640萃取性能研究

1.3 城市污泥沥浸液中金属铜的萃取试验

1.4 最佳萃取-反萃取条件下进行铜富集试验

2 结果与讨论

2.1 不同环境中2%M5640饱和络合量的差异

2.2 萃取接触时间对萃取效果的影响

2.3 污泥沥浸液pH对萃取效率的影响

2.4 萃取剂浓度对萃取效率的影响

2.5 相比对萃取分离Cu与Fe的影响

2.6 反萃取中相比对Cu反萃效果的影响

2.7 反萃剂酸度对反萃率的影响

2.8 最佳条件下铜富集试验

3 小结

参考文献：

第四章 电积回收高纯度阴极铜的最佳工艺条件探讨

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.2 试验方法

2 结果与讨论

2.1 槽电压与铜回收率及电流效率的关系

2.2 电解液温度与铜回收率及电流效率的关系

2.3 电极间距与铜回收率及电流效率的关系

2.4 电解时间的确定

3 小结

参考文献

第五章 利用生物沥浸-镕剂萃取-电积技术回收城市污泥中金属铜的可行性分析

1 材料与方法

1.1 萃余液回流试验

1.2 萃取剂M5640循环利用效果研究

1.3 最佳电积条件下能耗分析

2 结果与讨论

2.1 萃余液回流对城市污泥生物沥浸效果研究

2.2 萃取剂M5640循环利用效果研究

2.3 最佳工艺条件下的能耗分析

3 小结

全文结论

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢