低壓直流電電解剩余活性污泥

傅金祥，王 冬，黃殿男，李 薇，宋秀強(qiáng)

（沈陽(yáng)建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168）

低壓直流電電解剩余活性污泥

傅金祥，王 冬，黃殿男，李 薇，宋秀強(qiáng)

（沈陽(yáng)建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168）

［摘要］采用低壓直流電電解剩余活性污泥，優(yōu)化了支持電解質(zhì)的種類(lèi)、加入量及電壓梯度等工藝條件，并考察了在最佳工藝條件下SS去除率、污泥中有機(jī)物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（以VSS/SS計(jì)）、污泥pH及污泥沉降性能隨電解時(shí)間的變化情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，低壓直流電電解污泥的最佳工藝條件為：電壓梯度7 V/cm；支持電解質(zhì)Na2SO4加入量0.4.0 mmol/g（以每克干污泥計(jì)）。在最佳工藝條件下電解pH為5.8、SS=（7 850 ±200）mg/L、VSS=（6 150±150）mg/L、溶解性化學(xué)需氧量（SCOD）為（61.2 ±20）mg/L的污泥，電解60 min時(shí)污泥的SCOD最大，達(dá)393.3 mg/L，SS去除率達(dá)14.4%，VSS/SS為58.5%，污泥pH為3.1。電解后污泥中微生物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)已不完整，污泥絮體被嚴(yán)重破壞。電解時(shí)間越長(zhǎng)，污泥的沉降速率越快。

［關(guān)鍵詞］剩余活性污泥；支持電解質(zhì)；電壓梯度；低壓直流電；電解；溶解性化學(xué)需氧量；沉降性能

活性污泥法被廣泛應(yīng)用于污水處理中，在有效處理污水的同時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的剩余活性污泥，引起二次污染，影響生態(tài)環(huán)境［1］。近年來(lái)的研究表明，破壞污泥的絮體結(jié)構(gòu)、溶解微生物細(xì)胞，可以改變污泥的性質(zhì)，有利于污泥的后續(xù)處理［2］，或可實(shí)現(xiàn)污泥的原位減量［3］。電化學(xué)處理技術(shù)具有高效、設(shè)備簡(jiǎn)單、易于控制、不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點(diǎn)［4］，被廣泛應(yīng)用于環(huán)境治理領(lǐng)域。但電化學(xué)處理技術(shù)主要用于污水處理和土壤污染修復(fù)等方面［5-7］，在污泥處理方面的應(yīng)用研究還鮮見(jiàn)報(bào)道。有研究表明，施加適當(dāng)強(qiáng)度的電流可以提高有機(jī)污染物的降解率，使微生物的活性降低甚至死亡［8-9］。

本工作采用低壓直流電電解剩余活性污泥。以污泥的溶解性化學(xué)需氧量（SCOD）表征污泥的破解效果，優(yōu)化了支持電解質(zhì)的種類(lèi)、加入量及電壓梯度等電解條件，并考察了在最佳電解條件下SS去除率、污泥中有機(jī)物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（以VSS/SS計(jì)）、污泥pH以及污泥沉降性能隨電解時(shí)間的變化情況。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料、試劑和儀器

剩余活性污泥取自穩(wěn)定運(yùn)行的SBR裝置。污泥pH為5.8，SS=（7 850 ±200） mg/L，VSS=（6 150±150）mg/L，SCOD=（61.2 ±20）mg/L，污泥含水率為99% 。

NaHCO3和Na2SO4：分析純。

HJ-6A型加熱磁力攪拌器：江蘇省金壇市醫(yī)療儀器廠(chǎng)；RXN-605D-II型雙路穩(wěn)壓直流電源：廣東兆信電子設(shè)備公司； Seveneasy S20型精密pH計(jì)：瑞士TOLEDO公司； BX43型生物顯微鏡：奧林巴斯（中國(guó)）有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方法

電解實(shí)驗(yàn)裝置為有機(jī)玻璃制成的圓柱形反應(yīng)器，內(nèi)徑為10 cm，容積為1 000 mL。陽(yáng)極為石墨碳棒（φ3 cm×16 cm），陰極為反應(yīng)器內(nèi)壁的筒狀不銹鋼網(wǎng)，直徑為10 cm。電解實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。

圖1 電解實(shí)驗(yàn)裝置

常溫下向電解反應(yīng)器中加入一定量的污泥及一定量的支持電解質(zhì)，在一定的直流電壓梯度下進(jìn)行污泥電解實(shí)驗(yàn)，測(cè)定污泥的SCOD，以確定最佳的電解工藝條件。

在已確定的最佳電解工藝條件下，考察SS去除率、VSS/SS、污泥pH以及污泥沉降性能隨電解時(shí)間的變化情況。

1.3 分析方法

采用pH計(jì)測(cè)定污泥的pH；采用生物顯微鏡觀(guān)察污泥的微觀(guān)結(jié)構(gòu)；采用文獻(xiàn)［10］的方法測(cè)定污泥的SS，VSS，SCOD等。

以不同時(shí)刻泥水界面在量筒中的高度衡量污泥沉降性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 電壓梯度對(duì)污泥SCOD的影響

在支持電解質(zhì)Na2SO4加入量為0.40 mmol/g（以每克干污泥計(jì)）的條件下，電壓梯度對(duì)污泥SCOD的影響見(jiàn)圖2。由圖2可見(jiàn)：在4種電壓梯度下，污泥的SCOD均隨著電解時(shí)間的延長(zhǎng)而升高，但升高的幅度不同；當(dāng)電壓梯度較低時(shí)，SCOD隨電解時(shí)間的延長(zhǎng)升高不明顯；電壓梯度為5 V/cm時(shí)，SCOD隨電解時(shí)間的延長(zhǎng)而顯著升高；電壓梯度為7 V/cm時(shí)，SCOD的變化幅度最大，電解60 min時(shí)SCOD最高，達(dá)393.3 mg/L。因?yàn)槭┘拥碾妷禾荻仍酱?，污泥電解的電?chǎng)強(qiáng)度越大，污泥的溶胞效果越顯著［11］。本實(shí)驗(yàn)采用電壓梯度為7 V/cm較適宜。

圖2 電壓梯度對(duì)污泥SCOD的影響

2.2 支持電解質(zhì)種類(lèi)對(duì)污泥SCOD的影響

向電化學(xué)體系中投加支持電解質(zhì)，能提高系統(tǒng)的電導(dǎo)率，為電解過(guò)程提供氧化還原性物質(zhì)，提高溶胞效率［12］。在電壓梯度為7 V/cm的條件下，支持電解質(zhì)種類(lèi)（Na2SO4加入量為0.40 mmol/g，NaHCO3加入量為0.80 mmol/g）對(duì)污泥SCOD的影響見(jiàn)圖3。由圖3可見(jiàn)：投加支持電解質(zhì)后，污泥的SCOD隨電解時(shí)間的延長(zhǎng)而升高的速率明顯高于未加支持電解質(zhì)的空白樣，可見(jiàn)投加支持電解質(zhì)可較大幅度地提高污泥的破解效果；在電解的前20 min內(nèi)，投加NaHCO3的污泥的SCOD高于投加Na2SO4的污泥，因?yàn)镹aHCO3為堿性電解質(zhì)，使污泥顯堿性，有助于破壞污泥中微生物的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)［13］，在促進(jìn)電解反應(yīng)的同時(shí)，加快胞內(nèi)大分子有機(jī)物的溶出，故SCOD較高；電解20 min后，投加Na2SO4的污泥的SCOD高于投加NaHCO3的污泥，這是因?yàn)镠CO3-會(huì)與電極產(chǎn)生的·OH發(fā)生反應(yīng)［14］，·OH不斷被消耗，導(dǎo)致電化學(xué)氧化作用減弱，SCOD上升幅度減小。電解60 min后，投加Na2SO4的污泥的SCOD最高，達(dá)393.3 mg/L 。故本實(shí)驗(yàn)選擇Na2SO4作為支持電解質(zhì)。

圖3 支持電解質(zhì)種類(lèi)對(duì)污泥SCOD的影響

2.3 Na2SO4加入量對(duì)污泥SCOD的影響

在電壓梯度為7 V/cm、Na2SO4為支持電解質(zhì)的條件下，Na2SO4加入量對(duì)污泥SCOD的影響見(jiàn)圖4。由圖4可見(jiàn)：隨Na2SO4加入量的增加，污泥的SCOD逐漸增大；當(dāng)Na2SO4加入量為0.40 mmol/g時(shí)，電解60 min后污泥的SCOD最大，達(dá)393.3 mg/ L。本實(shí)驗(yàn)選擇Na2SO4加入量為0.40 mmol/g。

圖4 Na2SO4加入量對(duì)污泥SCOD的影響

2.4 SS去除率和VSS/SS隨電解時(shí)間的變化

在電壓梯度為7 V/cm、支持電解質(zhì)Na2SO4加入量為0.40 mmol/g的最佳電解條件下，SS去除率和VSS/SS隨電解時(shí)間的變化見(jiàn)圖5。由圖5可見(jiàn)：隨電解時(shí)間的延長(zhǎng)，SS去除率逐漸增大；電解60 min時(shí)，SS去除率達(dá)14.4%，表現(xiàn)出良好的污泥減量效果； 隨電解時(shí)間的延長(zhǎng)， VSS/SS逐漸下降；電解60 min時(shí)，VSS/SS為58.5%。因?yàn)殡娀瘜W(xué)氧化作用使污泥中的大分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化成小分子物質(zhì)溶解于上清液中，或直接轉(zhuǎn)化為CO2和H2O，使污泥總的固體含量下降。

圖5 SS去除率和VSS/SS隨電解時(shí)間的變化

2.5 污泥pH隨電解時(shí)間的變化

在電壓梯度為7 V/cm、支持電解質(zhì)Na2SO4加入量為0.40 mmol/g的最佳電解條件下，污泥pH隨電解時(shí)間的變化見(jiàn)圖6。由圖6可見(jiàn)：隨電解時(shí)間的延長(zhǎng)，污泥pH下降；電解前30 min，污泥pH快速下降；電解30 min后，污泥pH下降趨勢(shì)變緩；電解60 min時(shí)，污泥pH最低，為3.1。

圖6 污泥pH隨電解時(shí)間的變化

受低壓直流電作用時(shí)，污泥絮體和污泥中微生物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)被破壞，絮體間的和細(xì)胞內(nèi)部的大分子有機(jī)物 （如蛋白質(zhì)和多糖等）被氧化分解成小分子的氨基酸、揮發(fā)性脂肪酸和小分子糖類(lèi)，使得污泥pH持續(xù)下降，系統(tǒng)呈酸性［15］。在酸性條件下，又反過(guò)來(lái)促進(jìn)了大分子糖類(lèi)的水解，加快了污泥的破解進(jìn)程。

2.6 污泥的顯微鏡照片

圖7 電解前后污泥的顯微鏡照片

電解前后污泥的顯微鏡照片見(jiàn)圖7。由圖7a可見(jiàn)，未電解的污泥中存在著較大的菌膠團(tuán)，且在菌膠團(tuán)之間有大量的胞外物質(zhì)，可以觀(guān)察到微生物完整的細(xì)胞結(jié)構(gòu)。由圖7b可見(jiàn)，電解10 min時(shí)，菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)被破壞，菌膠團(tuán)中的物質(zhì)擴(kuò)散。由圖7c可見(jiàn)，電解30 min時(shí)，污泥絮體更加稀疏，微生物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)已經(jīng)破碎。由圖7d可見(jiàn)，電解60 min時(shí)，微生物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)已不完整，污泥絮體被嚴(yán)重破壞，原有的團(tuán)狀物質(zhì)被打破。

2.7 電解前后污泥的沉降性能

電解前后污泥的沉降性能見(jiàn)圖8。由圖8可見(jiàn)：電解后污泥的沉降速率加快，且泥水界面高度下降；電解時(shí)間越長(zhǎng)，相同沉降時(shí)間的泥水界面高度越低；未電解污泥沉降90 min時(shí)泥水界面高度為30 cm， 電解60 min的污泥沉降90 min時(shí)的泥水界面高度僅為9 cm。

圖8 電解前后污泥的沉降性能

電解10 min污泥的沉降性能比電解60 min的污泥的沉降性能略差，但能耗顯著下降，綜合考慮，實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)污泥電解10 min更適宜。

3 結(jié)論

a） 采用低壓直流電電解剩余活性污泥的最佳工藝條件為：電壓梯度7 V/cm，支持電解質(zhì)Na2SO4加入量0.40 mmol/g。在此最佳電解條件下電解60 min時(shí)污泥的SCOD最大，達(dá)393.3 mg/L，SS去除率達(dá)14.4%，VSS/SS為58.5%，污泥pH為3.1。

b） 電解后污泥的微觀(guān)形態(tài)發(fā)生了變化，污泥中微生物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)已不完整，污泥絮體被嚴(yán)重破壞，原有的團(tuán)狀物質(zhì)被打破。

c） 電解后污泥的沉降速率加快，且泥水界面高度下降；電解時(shí)間越長(zhǎng)，相同沉降時(shí)間的泥水界面高度越低；電解10 min污泥的沉降性能比電解60 min的污泥的沉降性能略差，但能耗顯著下降，實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)污泥電解10 min更適宜。

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（編輯 祖國(guó)紅）

［中圖分類(lèi)號(hào)］X703

［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A

［文章編號(hào)］1006 - 1878（2014）05 - 0410 - 05

［收稿日期］2013 - 11 - 22；

［修訂日期］2014 - 04 - 27。

［作者簡(jiǎn)介］傅金祥（1955—），男，遼寧省沈陽(yáng)市人，博士后，教授, 主要研究方向?yàn)槲勰嗵幚硖幹?。電?huà) 13066624531，電郵fujinxiang@sina.com。聯(lián)系人：王冬，電話(huà) 13674238910，電郵0502wd@136.com。

［基金項(xiàng)目］國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專(zhuān)項(xiàng)（2014ZX0 7202-011）。

Electrolysis of Residual Activated Sludge with Low Voltage Direct Current

Fu Jinxiang，Wang Dong，Huang Diannan，Li Wei，Song Xiuqiang
（School of Municipal and Environmental Engineering， Shenyang Jianzhu University， Shenyang Liaoning 110168， China）

Abstract:The residual activated sludge was electrolyzed with low voltage direct current. The process conditions such as supporting electrolyte species，supporting electrolyte dosage and voltage gradient were optimized，and the changes of SS removal rate，mass fraction of organic matter in the sludge (VSS/SS)，sludge pH，and sludge settling properties with the electrolysis time under these conditions were investigated. The experimental results show that the optimum process conditions are as follows：voltage gradient 7 V/ cm and supporting electrolyte Na2SO4dosage 0.40 mmol/g (dry sludge). When the sludge with pH 5.8，SS (7 850 ±200) mg/L，VSS (6 150±150) mg/L and soluble chemical oxygen demand (SCOD) (61.2 ±20) mg/L is electrolyzed under the optimum process for 60 min， the SCOD is the highest of 393.3 mg/L，the SS removal rate is 14.4%， the VSS/SS is 58.5%，and the sludge pH is 3.1. After electrolyzed，the sludge microbial cell structure is not in its integrity，and the sludge floc is severely damaged. The longer the electrolysis time is，the quicker the settling rate of the sludge is.

Key words:residual activated sludge；supporting electrolyte；voltage gradient；low voltage direct current；electrolysis；soluble chemical oxygen demand；settling property