污水厂剩余污泥电渗深度脱水-上海工业污泥处理

    摘要：本文由365环保公司整理而成，主要讲述污水厂剩余污泥电渗深度脱水，0 引 言活性污泥法污水处理工艺产生的剩余污泥，体量大、含水率高。由菌胶团产生的独特絮体结构，以及由大分子聚合物产生的网络结构，导致剩余污泥中的水分难以被轻易去除[1]。剩余污泥中的水分主要包括自由水、空隙水( 毛细水) 、吸附水( 结合水) 和内部水 4 种存在形式。机械脱水法能够有效去除污泥中的......

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　　0 引 言

　　活性污泥法污水处理工艺产生的剩余污泥，体量大、含水率高。由菌胶团产生的独特絮体结构，以及由大分子聚合物产生的网络结构，导致剩余污泥中的水分难以被轻易去除[1]。剩余污泥中的水分主要包括自由水、空隙水( 毛细水) 、吸附水( 结合水) 和内部水 4 种存在形式。机械脱水法能够有效去除污泥中的自由水，但对其余水分的去除效果不佳[2]。因此，机械脱水后的剩余污泥含水率仍然较大，难以满足污泥土地利用和填埋的处置要求，而通过化学调质、冻融、热解、超声波及电渗透等手段强化机械脱水是目前剩余污泥深度脱水的主流研究方向[3-5]。目前，针对 pH( 酸碱调质) 对城市污水处理厂剩余污泥脱水性能影响的研究很多，但大多是将酸碱调质和重力浓缩、离心浓缩等方法联合使用。本试验以污水处理厂剩余污泥为对象，着重研究了 pH 对污泥电渗深度脱水的影响，以期为生产实践提供指导。

　　1 试验材料与装置

　　试验所用污泥取自武汉市某污水处理厂，经机械脱水后含水率达到 70% ～ 85%，挥发性有机物含量为40% ～ 55%( 质量比) ，电导率为 8500 ～ 9500 μS / cm。试验中酸调质采用稀硫酸，碱调质采用 NaOH 溶液。试验装置如图 1 所示: 反应器有效截面尺寸为10 cm× 10 cm; 阳极和阴极均采用紫铜板，阴极板上均匀开设12×12 个直径为 5 mm 的圆孔，以便于水分的快速排除; 阴极滤布采用土工织物。试验中，泥饼的初始厚度为 2. 0 cm，电场梯度为 25 V / cm。此外，为了确保电极板能够与泥饼紧密接触，在阳极板上施加一恒定压力，在试验过程中对泥饼可产生 7. 5 kPa 的挤压作用。试验中各指标的测定，均严格按照国家标准方法执行。

　　2 结果与讨论

　　2. 1 pH 对含水率的影响

　　酸碱调质后，电渗脱水过程中污泥含水率随时间的变化如图 2 所示，其中 pH = 6 作为空白对照组。可知: 当污泥初始pH 为 1、2、3、4、5、6 和 9 时，脱水结束后所得泥饼的含水率分别为 44. 1%、38. 6%、36. 2%、 37. 9%、32. 5%、42. 2%和 49. 0%，显著低于原污泥含水率。当污泥初始 pH 为 1 和 9 时，脱水效果差于对照组且脱水进度滞后; 当污泥初始 pH 为 2 时，脱水效果优于对照组而脱水进度略微加快; 当污泥初始pH 为 3、4 和 5 时，不仅脱水效果得到明显改善，脱水进度也大大加快。此外，与对照组相比，酸调质后脱水所得泥饼中阳极区和中部区的含水率比较接近( 图 3) ，即酸调质后泥饼中低含水率泥层的占比增大，且微酸调质时效果最好; 碱调质后泥饼中阳极区含水率较低，而中部区域和阴极区含水率都比较高，即碱调质后泥饼中高含水率泥层的占比增大。其可能原因: 一方面微酸处理使污泥表面的胞外聚合物脱落，破坏了其密实的絮体结构和复杂的网络结构; 另一方面酸处理使胞内水和吸附水得以释放，自由水增多[6-7]。强酸、强碱处理会导致污泥的电导率增大( 图 4) ，胶粒的双电层结构被压缩、Zeta 电位减小，因此其电渗脱水效果变差。

 

　　从图 2 中不难发现: 泥饼含水率的变化先快后慢，试验前 30 min 内脱水速度极快，随后则迅速减缓，60 min 内基本上可完成脱水进度的 90% 以上。分析认为，30 min 后含水率下降速度减慢，是因为被“剥夺”了水分的污泥从饱和状态转入非饱和状态。在非饱和状态下，空隙水压降为负值，在污泥内形成与水分迁移方向相反的水力梯度[8]。此外，电渗作用对污泥中的结合水和内部水作用有限，因此在自由水和空隙水被大量去除后，脱水量减少、脱水速度减缓[8]。Matlab 软件对试验点据的拟合结果表明，指数函数和高斯函数较为有效( 表 1) 。由图 2 和表 1 可知: 酸性条件下，高斯函数( 二维) 与试验结果的吻合度明显优于指数函数; 中性和碱性条件下二者与试验结果的吻合度都很高，但前者的略低于后者的。由此可见，高斯函数( 二维) 更适于描述电渗脱水过程中含水率随时间的变化。

　　2. 2 pH 对电流的影响

　　由图 4 可知: 接通电源时对照组的瞬时电流在 4 A左右，而试验组的瞬时电流都明显高于该值。但是，酸调质后电流的衰减速度慢于对照组，碱调质后电流的衰减速度快于对照组，所以同一时刻前者的电流总高于对照组，而后者的总低于对照组。由此可见，酸调质后通过泥饼的电流密度增大，这可能与污泥的电导率增大有关( 图 5) 。由图 5 可知: 对照组 ( pH = 6) 污泥的电导率仅为 8897 μS / cm; 当污泥初始pH 为 1、2、3、4 和 5 时，其电导率分别为 21420， 20675，17738，15264，12720 μS / cm。虽然 pH 为 7 时污泥的电导率高达 23580 μS / cm，但是这主要归因于Na+ 和 OH- 的增多，因此其仅增大了电渗脱水过程早期回路中的电流，而到了后期多余 OH- 的电解反而会导致耗电量的增加( 图 7) ，进而削弱泥饼中离子的迁移[9]。总之，酸碱调质会改变原污泥的电导率，而且污泥性质改变明显，其电导率变化越大，这可能是因为在调质过程中污泥胶体颗粒的 Zeta 电位发生改变，与现有研究结果一致[9-10]。

　　2. 3 pH 对能耗的影响

　　如图 6 所示，电渗过程会造成泥饼发热，且温度随时间的变化与电流随时间的变化趋势一致。由图 7可知: 酸碱调质后电渗脱水过程的耗电量和腐蚀量均随 pH 的增大先减小后增大，且在 pH = 5 时降至最低，分别为 201. 7 ( kW·h) / t，20. 1 kg / t。pH = 9 时。

 

　　腐蚀量低于对照组，这可能与此时脱水过程的迅速终止有关。阳极板的腐蚀，是因为在外界电流的强制作用下 Cu 失去电子变成 Cu2+。此外，电渗脱水所得渗滤液呈强碱性，不同初始 pH 的原污泥所得渗滤液pH 依 次 为 11. 9、12. 5、12. 7、12. 7、12. 7、12. 7 和13. 1。脱除水碱性增强是因为在阳极发生 H + 的还原反应，增加了污泥碱度[8，11] 。由此可见，电能的消耗除了被用于驱使离子运动，还会被用于产热和电化学反应上[12-13] 。总之，虽然水分的电解随污泥 pH 的增大而加剧，但阳极板的氧化反应却在减弱，因此酸调质后电能的利用率随着污泥 pH 的增大而增大[12] 。

 

　　3 结 论

　　1) 污泥电渗脱水工艺的技术可行性得到了验证，所得泥饼的含水率可降至 50% 以下，且脱水迅速，基本在 60 min 内可完成。2) 经酸调质所得泥饼中低含水率泥层占比增大，碱调质所得泥饼中高含水率泥层占比增大，研究结果表明微酸性环境调质效果明显。3) 初始 pH 在 5 左右时，脱水所得泥饼的含水率最低、能耗最低，为最佳调质条件。具体联系污水宝或参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。

　　但是，目前电渗脱水工艺在市政污泥处理处置领域应用仍相对较少，其理论研究亟待完善、相关设备研发急需开展。在今后的研究中，耐腐蚀电极材料的研发与应用，以及该工艺在水体整治工程底泥处理领域的应用应予以高度重视并尽快开展。（来源：内蒙古建筑职业技术学院）

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