一种重金属废水处理过程中形成非生物颗粒污泥的方法

摘要

本发明公开了一种在重金属废水处理过程中形成非生物颗粒污泥的方法。含重金属的废水处理过程中得到的化学污泥多为絮状悬浮态的污泥，其稳定性、沉降性和脱水性较差，严重影响了出水水质和工艺运行效率。受形成生物颗粒污泥的诱导核假说和胞外聚合物假说启发，本发明应用改进的并流加料控制结晶法，改变了重金属沉淀的反应历程，并通过添加晶种和絮凝剂，得到了非生物重金属颗粒污泥。此方法运行周期短，流程简单，操作简便，可有效提高重金属化学污泥的稳定性，沉降污泥含水率较普通絮状污泥降低了7%-8%，沉降速率提高了4～5倍。

说明书

技术领域

本发明属于环境工程领域，具体涉及一种重金属废水处理过程中形成非生物颗粒污泥的 方法。

背景技术

在重金属废水处理过程中，污泥的固液分离性能是一个非常重要的指标，若产生的污泥 结构不稳定、沉降分离效果差，在后续沉降和运输过程中极易造成污泥反溶，污泥中的重金 属会重新回到上清液中，使出水的重金属浓度和浊度都有所提高，严重影响了处理效果。

目前重金属废水处理工艺运行中得到污泥有两种状态，一种是絮状悬浮态污泥，一种是 生物颗粒污泥。絮状悬浮态污泥存在于大部分的化学沉淀法和活性污泥法工艺中，它们无规 则的外形，密度和强度较低，沉降性能差，普通的絮状活性污泥的沉降速度仅为0.17-0.42cm/s。 然而，厌氧和好氧颗粒污泥的出现则克服了这些缺点。与普通的絮状悬浮态污泥相比，生物 颗粒污泥的结构较为稳定，具有规则的外形，密度大，强度高，尤其是沉降性能较为突出， 其沉降速度最大可达到6.6cm/s，远远超过了絮状污泥。这主要是因为在生物颗粒污泥形成过 程中，微生物代谢分泌的、包裹在细胞壁外的高分子聚合物EPS(Extracellular Polymeric  Substance)，可在邻近细胞之间或者细胞与其他颗粒物质之间形成架桥，促使其聚集形成颗粒 状。此外，生物颗粒污泥形成过程中的诱导核假说认为内核物质(如原有的惰性物质、外加的 无机颗粒、污泥碎片等)的存在为微生物的吸附生长提供表面，有助于微生物在内核上面附着、 聚集生长。因此，本发明拟借鉴形成生物颗粒污泥的诱导核假说和胞外聚合物假说，通过选 择适合的晶种并控制反应条件，以期在重金属废水处理过程中获得非生物颗粒物，可大大的 提高污泥的沉降性、脱水性稳定性。

传统中和法处理重金属废水过程中的反应一般为Me²⁺+2OH^-→Me(OH)₂↓，其中Me²⁺代 表Zn²⁺、Cu²⁺、Pb²⁺或Cd²⁺等重金属离子。此工艺过程中产生的重金属氢氧化物Me(OH)₂沉 淀为粒径极小的非晶态物质，限制了非生物颗粒污泥的形成。为了促进非生物颗粒污泥的形 成，应致力于改变重金属废水处理沉淀物非晶态的本质。目前在重金属废水处理领域，除添 加晶种的方法外，其他相关研究鲜见报道。但由于重金属氢氧化物在溶液中极易达到过饱和 而发生爆发成核，形成大量细小、结晶度差的晶核，故仅通过添加晶种也难以改变重金属氢 氧化物沉淀非晶态的本质。在纳米材料制备领域，有学者采用并流加料的方法控制生成金属 氧化物及其在体系中的浓度和成核速度，可在常温下实现重金属的沉淀结晶，得到结晶度高、 单分散性好的重金属氧化物MeO纳米颗粒，其反应方程式为Me²⁺+2OH^-→MeO↓+H₂O。尽 管在重金属废水处理过程中，最终目标是形成较大的非生物颗粒污泥，上述并流加料法同样 为我们提供了新思路：通过控制加料方式实现反应历程的改变，即反应生成物从氢氧化物转 变为氧化物。更重要的是，与传统并流加料法不同，在本体系中引入晶种，通过快速搅拌， 即保证反应离子在溶液中的高度分散，又使其与晶种发生有效碰撞，促使结晶反应仅在晶种 表面发生，沉淀物则以在晶种表面生长的形式析出，最终获得了结晶度高、尺寸大的重金属 氧化物沉淀颗粒，实现了重金属废水处理过程中非生物颗粒污泥的形成。

发明内容

针对目前重金属废水处理过程中污泥难以固液分离的问题，本发明的目的是提供一种在 重金属废水处理过程中形成非生物颗粒污泥的方法。该方法操作简单，运行周期短，无需复 杂的设备就可以形成具有较好沉降性能的非生物颗粒污泥。

为实现上述目的，本法是通过以下方式实现的：

一种在重金属废水处理过程中形成非生物颗粒污泥的方法，包括以下步骤：

1)沉淀反应

采用并流加料控制沉淀法生成重金属氧化物沉淀物：在搅拌速度为400～800rpm条件下， 向100-300mL含晶种物质的悬浮水溶液中通过并流加料的方式分别滴加重金属离子浓度为 100～1000mg/L的重金属废水和沉淀剂0.01～0.02mol/L的氢氧化钠水溶液；控制重金属废水 的滴加速率不超过3mL/min，；通过调节氢氧化钠水溶液的滴加速率控制反应体系的pH值为 8.0～10.5；反应1小时；

所述的晶种物质包括纳米或微米级的二氧化硅、氧化锌、氧化铜、氧化铅和氧化镉中的一 种或多种；所述的含有晶种物质的悬浮水溶液的固体浓度为0.5～2.0g/L；

反应过程中控制反应温度不低于25℃；

2)絮凝反应

在步骤1）反应后的悬浮溶液体系中投加质量分数为0.1%的聚丙烯酰胺絮凝剂，使其在 体系中的浓度为8～12mg/L；然后400～800rpm搅拌0.5～1min，再在25～100rpm搅拌10～15 min，静置30min，使颗粒污泥稳定并完全沉降。

所述的重金属包括Zn²⁺、Cu²⁺、Pb²⁺和Cd²⁺中的一种或多种。

与现有技术相比，本发明的优点有流程简单，主要涉及了重金属的沉淀反应和颗粒物的 絮凝反应；无需复杂设备，操作简单；反应周期远远低于生物颗粒污泥(20～100d)；发明中形 成的颗粒污泥结构稳定，且具有非常好的沉降性能，沉降污泥含水率较普通絮状污泥降低了 7%-8%，沉降速率提高了4～5倍；对重金属废水处理工艺具有重要作用。

附图说明

图1实施例1中所得非生物颗粒污泥的形貌；

图2实施例1中所得污泥颗粒的XRD图；

图3实施例2中所得非生物颗粒污泥的形貌；

图4实施例3中所得非生物颗粒污泥的形貌。

具体实施方式

以下实施例旨在进一步说明本发明，而不是对本发明的限定。

实施例1

500mL反应烧杯置于恒温磁力搅拌装置上，控制温度为40±1℃，调节搅拌速率为400 rpm。向反应烧杯中加入100mL含晶种物质微米级SiO₂的悬浮液，其固体浓度为1.0g/L。 然后向烧杯中同时分别滴加氢氧化钠溶液(0.015mol/L)和含锌废水(锌离子浓度600mg/L)，控 制含锌废水的滴加速率为3mL/min,通过调节氢氧化钠溶液的滴加速率控制反应pH值为9.0 ±0.2，反应1h。在上述反应后的悬浮溶液体系中滴加浓度为0.1%的聚丙烯酰胺(PAM)絮凝剂， 使其反应浓度为12mg/L。然后快速(500rpm)搅拌30s，再慢速(50rpm)搅拌10min。静置30 min，使污泥稳定并完全沉降。用相机拍下沉降在反应烧杯底部的污泥形貌，如图1所示。

从图1中可以看出污泥完全沉降在烧杯底部，并具有规则的形状。因此，可证明该过程 形成了非生物颗粒污泥。通过对其沉降性能的分析计算可知，其平均沉降速率为3.4cm/s，远 高于一般的絮状污泥(0.17-0.42cm/s)，沉降性能佳。从图2中可以看出，沉淀物中除含有晶种 物质SiO₂外，还检测到了ZnO物质的衍射峰，因此证明了反应过程形成了结晶度较好的ZnO 沉淀物。与无定形的重金属氢氧化物相比，沉淀颗粒的性质有了明显的改善。此外，对反应 前后水中的锌浓度的分析可知，其去除率达到了90%。

实施例2

将一个500mL反应烧杯置于恒温磁力搅拌装置上，控制温度为60±1℃，调节磁力搅拌 子的转速为300rpm。向反应烧杯中加入200mL含晶种物质纳米ZnO的悬浮液，其固体浓度 为0.5g/L。然后向烧杯中同时分别滴加氢氧化钠溶液(0.01mol/L)和含锌废水(锌离子浓度1000 mg/L)，控制含锌废水的滴加速率为2.5mL/min,通过调节氢氧化钠溶液的滴加速率控制反应 pH值为9.5±0.2，反应1h。在上述反应后的悬浮溶液体系中投加浓度为0.1%的聚丙烯酰胺 (PAM)絮凝剂，使其反应浓度为10mg/L。然后快速(500rpm)搅拌30s，再慢速(50rpm)搅拌 15min。静置30min，使污泥稳定并完全沉降。用相机拍下沉降在反应烧杯底部的污泥形貌， 如图3所示。

从图3中可以看出污泥完全沉降在烧杯底部，并具有规则的球形。因此，可证明该过程 形成了非生物颗粒污泥。通过对其沉降性能的分析计算可知，其平均沉降速率为4.2cm/s，远 高于一般的絮状污泥(0.17-0.42cm/s)，沉降性能佳。此外，对反应前后水中的锌浓度的分析可 知，其去除率达到了98.8%。

实施例3

将一个1000mL反应烧杯置于恒温磁力搅拌装置上，控制温度为25±1℃，调节磁力搅 拌子的转速为500rpm。向反应烧杯中加入100mL含晶种物质纳米ZnO的悬浮液，其固体浓 度为1.5g/L。然后向烧杯中同时分别滴加氢氧化钠溶液(0.01mol/L)和模拟重金属废水 (C_Zn(II)=500mg/L,C_Cu(II)=100mg/L,C_Pb(II)=100mg/L,C_Cd(II)=100mg/L)，控制重金属废水的滴加 速率为2.5mL/min,通过调节沉淀剂氢氧化钠溶液的滴加速率，控制反应pH为9.0±0.2，反 应1h。在上述反应后的悬浮溶液体系中投加浓度为0.1%的聚丙烯酰胺(PAM)絮凝剂，使其反 应浓度为10mg/L。然后快速(500rpm)搅拌30s，再慢速(100rpm)搅拌15min。静置30min， 使污泥稳定并完全沉降。用相机拍下沉降在反应烧杯底部的污泥形貌，如图4所示。

从图4中可以看出形成了形状较规则的浅蓝色污泥，即该过程形成了非生物颗粒污泥。 通过对其沉降性能的分析计算可知，其平均沉降速率为2.71cm/s，高于一般的絮状污泥 (0.17-0.42cm/s)，沉降性能佳。此外，对反应前后水中的重金属浓度的分析可知，对Zn²⁺、 Pb²⁺、Cu²⁺和Cd²⁺的去除率分别达到了97.8%，99.9%，98.6%和94.7%。