污水廠剩余污泥電滲深度脫水

　　0 引 言

　　活性污泥法污水處理工藝產(chǎn)生的剩余污泥，體量大、含水率高。由菌膠團(tuán)產(chǎn)生的獨(dú)特絮體結(jié)構(gòu)，以及由大分子聚合物產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致剩余污泥中的水分難以被輕易去除[1]。剩余污泥中的水分主要包括自由水、空隙水( 毛細(xì)水) 、吸附水( 結(jié)合水) 和內(nèi)部水 4 種存在形式。機(jī)械脫水法能夠有效去除污泥中的自由水，但對(duì)其余水分的去除效果不佳[2]。因此，機(jī)械脫水后的剩余污泥含水率仍然較大，難以滿(mǎn)足污泥土地利用和填埋的處置要求，而通過(guò)化學(xué)調(diào)質(zhì)、凍融、熱解、超聲波及電滲透等手段強(qiáng)化機(jī)械脫水是目前剩余污泥深度脫水的主流研究方向[3-5]。目前，針對(duì) pH( 酸堿調(diào)質(zhì)) 對(duì)城市污水處理廠剩余污泥脫水性能影響的研究很多，但大多是將酸堿調(diào)質(zhì)和重力濃縮、離心濃縮等方法聯(lián)合使用。本試驗(yàn)以污水處理廠剩余污泥為對(duì)象，著重研究了 pH 對(duì)污泥電滲深度脫水的影響，以期為生產(chǎn)實(shí)踐提供指導(dǎo)。

　　1 試驗(yàn)材料與裝置

　　試驗(yàn)所用污泥取自武漢市某污水處理廠，經(jīng)機(jī)械脫水后含水率達(dá)到 70% ～ 85%，揮發(fā)性有機(jī)物含量為40% ～ 55%( 質(zhì)量比) ，電導(dǎo)率為 8500 ～ 9500 μS / cm。試驗(yàn)中酸調(diào)質(zhì)采用稀硫酸，堿調(diào)質(zhì)采用 NaOH 溶液。試驗(yàn)裝置如圖 1 所示: 反應(yīng)器有效截面尺寸為10 cm× 10 cm; 陽(yáng)極和陰極均采用紫銅板，陰極板上均勻開(kāi)設(shè)12×12 個(gè)直徑為 5 mm 的圓孔，以便于水分的快速排除; 陰極濾布采用土工織物。試驗(yàn)中，泥餅的初始厚度為 2. 0 cm，電場(chǎng)梯度為 25 V / cm。此外，為了確保電極板能夠與泥餅緊密接觸，在陽(yáng)極板上施加一恒定壓力，在試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)泥餅可產(chǎn)生 7. 5 kPa 的擠壓作用。試驗(yàn)中各指標(biāo)的測(cè)定，均嚴(yán)格按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法執(zhí)行。

　　2 結(jié)果與討論

　　2. 1 pH 對(duì)含水率的影響

　　酸堿調(diào)質(zhì)后，電滲脫水過(guò)程中污泥含水率隨時(shí)間的變化如圖 2 所示，其中 pH = 6 作為空白對(duì)照組�？芍�: 當(dāng)污泥初始pH 為 1、2、3、4、5、6 和 9 時(shí)，脫水結(jié)束后所得泥餅的含水率分別為 44. 1%、38. 6%、36. 2%、 37. 9%、32. 5%、42. 2%和 49. 0%，顯著低于原污泥含水率。當(dāng)污泥初始 pH 為 1 和 9 時(shí)，脫水效果差于對(duì)照組且脫水進(jìn)度滯后; 當(dāng)污泥初始 pH 為 2 時(shí)，脫水效果優(yōu)于對(duì)照組而脫水進(jìn)度略微加快; 當(dāng)污泥初始pH 為 3、4 和 5 時(shí)，不僅脫水效果得到明顯改善，脫水進(jìn)度也大大加快。此外，與對(duì)照組相比，酸調(diào)質(zhì)后脫水所得泥餅中陽(yáng)極區(qū)和中部區(qū)的含水率比較接近( 圖 3) ，即酸調(diào)質(zhì)后泥餅中低含水率泥層的占比增大，且微酸調(diào)質(zhì)時(shí)效果最好; 堿調(diào)質(zhì)后泥餅中陽(yáng)極區(qū)含水率較低，而中部區(qū)域和陰極區(qū)含水率都比較高，即堿調(diào)質(zhì)后泥餅中高含水率泥層的占比增大。其可能原因: 一方面微酸處理使污泥表面的胞外聚合物脫落，破壞了其密實(shí)的絮體結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu); 另一方面酸處理使胞內(nèi)水和吸附水得以釋放，自由水增多[6-7]。強(qiáng)酸、強(qiáng)堿處理會(huì)導(dǎo)致污泥的電導(dǎo)率增大( 圖 4) ，膠粒的雙電層結(jié)構(gòu)被壓縮、Zeta 電位減小，因此其電滲脫水效果變差。

　　從圖 2 中不難發(fā)現(xiàn): 泥餅含水率的變化先快后慢，試驗(yàn)前 30 min 內(nèi)脫水速度極快，隨后則迅速減緩，60 min 內(nèi)基本上可完成脫水進(jìn)度的 90% 以上。分析認(rèn)為，30 min 后含水率下降速度減慢，是因?yàn)楸弧皠儕Z”了水分的污泥從飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)入非飽和狀態(tài)。在非飽和狀態(tài)下，空隙水壓降為負(fù)值，在污泥內(nèi)形成與水分遷移方向相反的水力梯度[8]。此外，電滲作用對(duì)污泥中的結(jié)合水和內(nèi)部水作用有限，因此在自由水和空隙水被大量去除后，脫水量減少、脫水速度減緩[8]。Matlab 軟件對(duì)試驗(yàn)點(diǎn)據(jù)的擬合結(jié)果表明，指數(shù)函數(shù)和高斯函數(shù)較為有效( 表 1) 。由圖 2 和表 1 可知: 酸性條件下，高斯函數(shù)( 二維) 與試驗(yàn)結(jié)果的吻合度明顯優(yōu)于指數(shù)函數(shù); 中性和堿性條件下二者與試驗(yàn)結(jié)果的吻合度都很高，但前者的略低于后者的。由此可見(jiàn)，高斯函數(shù)( 二維) 更適于描述電滲脫水過(guò)程中含水率隨時(shí)間的變化。

　　2. 2 pH 對(duì)電流的影響

　　由圖 4 可知: 接通電源時(shí)對(duì)照組的瞬時(shí)電流在 4 A左右，而試驗(yàn)組的瞬時(shí)電流都明顯高于該值。但是，酸調(diào)質(zhì)后電流的衰減速度慢于對(duì)照組，堿調(diào)質(zhì)后電流的衰減速度快于對(duì)照組，所以同一時(shí)刻前者的電流總高于對(duì)照組，而后者的總低于對(duì)照組。由此可見(jiàn)，酸調(diào)質(zhì)后通過(guò)泥餅的電流密度增大，這可能與污泥的電導(dǎo)率增大有關(guān)( 圖 5) 。由圖 5 可知: 對(duì)照組 ( pH = 6) 污泥的電導(dǎo)率僅為 8897 μS / cm; 當(dāng)污泥初始pH 為 1、2、3、4 和 5 時(shí)，其電導(dǎo)率分別為 21420， 20675，17738，15264，12720 μS / cm。雖然 pH 為 7 時(shí)污泥的電導(dǎo)率高達(dá) 23580 μS / cm，但是這主要?dú)w因于Na+ 和 OH- 的增多，因此其僅增大了電滲脫水過(guò)程早期回路中的電流，而到了后期多余 OH- 的電解反而會(huì)導(dǎo)致耗電量的增加( 圖 7) ，進(jìn)而削弱泥餅中離子的遷移[9]�？傊�，酸堿調(diào)質(zhì)會(huì)改變?cè)�污泥的電�?dǎo)率，而且污泥性質(zhì)改變明顯，其電導(dǎo)率變化越大，這可能是因?yàn)樵谡{(diào)質(zhì)過(guò)程中污泥膠體顆粒的 Zeta 電位發(fā)生改變，與現(xiàn)有研究結(jié)果一致[9-10]。

　　2. 3 pH 對(duì)能耗的影響

　　如圖 6 所示，電滲過(guò)程會(huì)造成泥餅發(fā)熱，且溫度隨時(shí)間的變化與電流隨時(shí)間的變化趨勢(shì)一致。由圖 7可知: 酸堿調(diào)質(zhì)后電滲脫水過(guò)程的耗電量和腐蝕量均隨 pH 的增大先減小后增大，且在 pH = 5 時(shí)降至最低，分別為 201. 7 ( kW·h) / t，20. 1 kg / t。pH = 9 時(shí)。

　　腐蝕量低于對(duì)照組，這可能與此時(shí)脫水過(guò)程的迅速終止有關(guān)。陽(yáng)極板的腐蝕，是因?yàn)樵谕饨珉娏鞯膹?qiáng)制作用下 Cu 失去電子變成 Cu2+。此外，電滲脫水所得滲濾液呈強(qiáng)堿性，不同初始 pH 的原污泥所得滲濾液pH 依 次 為 11. 9、12. 5、12. 7、12. 7、12. 7、12. 7 和13. 1。脫除水堿性增強(qiáng)是因?yàn)樵陉?yáng)極發(fā)生 H + 的還原反應(yīng)，增加了污泥堿度[8，11] 。由此可見(jiàn)，電能的消耗除了被用于驅(qū)使離子運(yùn)動(dòng)，還會(huì)被用于產(chǎn)熱和電化學(xué)反應(yīng)上[12-13] �？傊�，雖然水分的電解隨污泥 pH 的增大而加劇，但陽(yáng)極板的氧化反應(yīng)卻在減弱，因此酸調(diào)質(zhì)后電能的利用率隨著污泥 pH 的增大而增大[12] 。

　　3 結(jié) 論

　　1) 污泥電滲脫水工藝的技術(shù)可行性得到了驗(yàn)證，所得泥餅的含水率可降至 50% 以下，且脫水迅速，基本在 60 min 內(nèi)可完成。2) 經(jīng)酸調(diào)質(zhì)所得泥餅中低含水率泥層占比增大，堿調(diào)質(zhì)所得泥餅中高含水率泥層占比增大，研究結(jié)果表明微酸性環(huán)境調(diào)質(zhì)效果明顯。3) 初始 pH 在 5 左右時(shí)，脫水所得泥餅的含水率最低、能耗最低，為最佳調(diào)質(zhì)條件。具體聯(lián)系污水寶或參見(jiàn)http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　但是，目前電滲脫水工藝在市政污泥處理處置領(lǐng)域應(yīng)用仍相對(duì)較少，其理論研究亟待完善、相關(guān)設(shè)備研發(fā)急需開(kāi)展。在今后的研究中，耐腐蝕電極材料的研發(fā)與應(yīng)用，以及該工藝在水體整治工程底泥處理領(lǐng)域的應(yīng)用應(yīng)予以高度重視并盡快開(kāi)展。（來(lái)源：內(nèi)蒙古建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院）