污泥電動(dòng)脫水技術(shù)研究

趙玉君，魏煒

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

截止2016年3月，我國每年約產(chǎn)生3 000萬t～4 000萬t市政污泥(含水率在80%)，預(yù)計(jì)到2020 年，我國的市政污泥產(chǎn)量將達(dá)到6 000萬t～9 000 萬t。污泥不僅含水率高，占地面積大，運(yùn)輸費(fèi)用高，而且污泥中還含有大量微生物、寄生蟲卵及重金屬等有毒有害物質(zhì)，對環(huán)境造成二次污染，因此污泥處理已變得刻不容緩[1]。目前，污泥脫水技術(shù)主要有：機(jī)械脫水、熱干化、自然干化。

國內(nèi)外經(jīng)常使用的污泥脫水技術(shù)為機(jī)械脫水，機(jī)械脫水是通過對污泥施加機(jī)械壓力的方式來達(dá)到泥水分離，因其與熱干化技術(shù)相比能耗較低而被廣泛應(yīng)用[2]。但目前國內(nèi)污水處理廠采用的機(jī)械脫水方式僅能將污泥水分降至 80%左右[3]，然而國家規(guī)定污泥處置前含水率必須降到60%左右，因此機(jī)械脫水技術(shù)仍有待進(jìn)一步改進(jìn)。熱干化技術(shù)是通過加熱使污泥水分蒸發(fā)來達(dá)到泥水分離的目的，可將污泥含水率降至30%甚至更低，但因其費(fèi)用非常昂貴而很少被應(yīng)用在工程當(dāng)中[4-6]。自然干化技術(shù)是利用自然蒸發(fā)或重力來去除污泥中的水分，可將含水率降至65%左右，但因其非常容易受當(dāng)?shù)靥鞖庥绊懚荒鼙粡V泛應(yīng)用[7-8]。由此看來，開發(fā)一種的新技術(shù)十分重要。電動(dòng)脫水技術(shù)因既能深度脫水又高效低能而逐漸被重視。

本文從污泥微觀結(jié)構(gòu)方面歸納了電動(dòng)脫水原理，并總結(jié)了近些年來污泥電動(dòng)脫水的發(fā)展歷程以及該技術(shù)存在的問題，為污泥電動(dòng)脫水技術(shù)未來的發(fā)展提供參考價(jià)值。

1 污泥電動(dòng)脫水原理

1.1 污泥雙電層結(jié)構(gòu)

圖1為污泥的絮體結(jié)構(gòu)圖，污泥絮體顆粒主要是由細(xì)菌、胞外聚合物、無機(jī)粒子和二價(jià)陽離子這四種物質(zhì)相互作用而形成的[10]。其中污泥中最主要的成分是胞外聚合物，它主要含有硫酸根、羧基等帶有負(fù)電的官能團(tuán)[11]，因此污泥絮體顆粒整體就呈負(fù)電，故其表面就會(huì)吸附陽離子，這就構(gòu)成了雙電層結(jié)構(gòu)。

圖1 污泥絮體結(jié)構(gòu)

1.2 電動(dòng)脫水原理

由于污泥具有雙電層結(jié)構(gòu)，污泥絮體顆粒本身帶呈負(fù)電，水分子帶正電，因此在電場條件下，帶負(fù)電的污泥顆粒向陽極移動(dòng)，帶正電的水分子向陰極移動(dòng)并排出，達(dá)到了泥水分離的目的。電動(dòng)脫水過程中會(huì)發(fā)生以下幾種現(xiàn)象：

（1）電滲：帶正電的水分子由陽極向陰極移動(dòng)的現(xiàn)象。

（2）電遷移：在電場作用下，陽離子向陰極移動(dòng)，陰離子向陽極移動(dòng)的現(xiàn)象。

（3）電泳：呈負(fù)電的污泥顆粒向陽極移動(dòng)的現(xiàn)象。

（4）電化學(xué)：在電場條件下，電極板附近的污泥會(huì)發(fā)生電解水的反應(yīng)，即陽極：2H2O-4e-=4H++O2.陰極：2H2O+2e-=2OH-+H2[12-14]。并且污泥中金屬單質(zhì)會(huì)失電子形成金屬離子，污泥中的金屬離子也會(huì)得電子形成金屬單質(zhì)。

2 電動(dòng)脫水技術(shù)研究現(xiàn)狀

2.1 電動(dòng)技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1809年，Reuss在通電的黏土中最先發(fā)現(xiàn)了電滲現(xiàn)象。1879年，Helmholtz提出了電滲和電泳的計(jì)算公式。1903年，Smoluehowski第一個(gè)提出將電滲現(xiàn)象應(yīng)用在脫水方面，主要用于對泥漿脫水，并在 1911年在其基礎(chǔ)上結(jié)合膠體化學(xué)的發(fā)展完善了對電動(dòng)現(xiàn)象的闡述。1939年，Casagrande 最早將電滲法應(yīng)用于鐵路挖方工程，從此，電滲法得到廣泛關(guān)注，開始經(jīng)常被用于加固軟弱土等方面。與此同時(shí)，相關(guān)理論也不斷取得進(jìn)展。如：1967 年，Gray提出了電滲效率原理；1968年，Esrig提出了一維的電滲固結(jié)的理論；Hideki建立了恒壓條件下電滲透脫水模型等等。近些年來，電動(dòng)技術(shù)被廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，如：食品、農(nóng)業(yè)、紙漿產(chǎn)品、染料等[15]。1986年起 電動(dòng)技術(shù)開始應(yīng)用于對污水廠污泥脫水。

2.2 污泥電動(dòng)脫水研究現(xiàn)狀

近年來對于電動(dòng)脫水技術(shù)在污泥脫水方面的研究主要分為四類：

（1）電動(dòng)脫水裝置的改良。如：Yoshida et al（1999）采用旋轉(zhuǎn)電極的方式解決了電動(dòng)脫水過程中陽極處污泥電阻增大的問題。aveyn(2006)發(fā)現(xiàn)使用表面附著一層金屬氧化物（如Ir2O3)的鐵作為電極,可有效抑制電極腐蝕與電極電化學(xué)溶解現(xiàn)象的發(fā)生。

（2）電動(dòng)脫水技術(shù)與其他脫水技術(shù)耦合。如：主要與機(jī)械力（如與帶式壓濾、真空過濾、隔膜壓濾等）和超聲波技術(shù)（Tarleton,1992；Wakeman and Smythe,2000)及絮凝劑相結(jié)合。

（3）電動(dòng)脫水過程影響參數(shù)優(yōu)化。Yu et al（2010）、Feng et al(2014)發(fā)現(xiàn)在恒定電壓中，電壓越大，電動(dòng)脫水速率越快，脫水效果越好。Olivier et al（2015）發(fā)現(xiàn)在恒定電流中，電流越大，脫水速率越快，脫水效果越好。

（4）電動(dòng)脫水技術(shù)理論的完善。蘇金強(qiáng)等（2004）給出了不同邊界條件下二維電滲固結(jié)的理論解答馮源（2012）通過建立污泥電動(dòng)脫水多場耦合作用理論分析模型，得出了電流與電滲流量均隨時(shí)間逐漸衰減，電壓梯度越大，衰減越快。

3 存在問題

雖然電動(dòng)脫水技術(shù)相比機(jī)械脫水等傳統(tǒng)脫水技術(shù)有很多優(yōu)勢，但目前應(yīng)用在實(shí)際工程中案例還是很少，原因是電動(dòng)脫水過程中受很多因素影響，不能一直維持良好的脫水效率，它會(huì)隨著脫水的進(jìn)行，脫水效率逐漸衰減。所以，目前很多研究人員致力于如何提高電動(dòng)脫水效率，如何減緩電動(dòng)脫水過程中脫水效率的衰減這兩方面研究。

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