電滲法在污泥脫水領(lǐng)域應(yīng)用的影響因素

王晗

（河北國惠環(huán)?？萍加邢薰?，石家莊 052300）

近年來，我國不斷加大對城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施的投資力度，污泥的機(jī)械脫水方式只能將污泥含水量降低到80%左右，但是目前污泥的填埋、堆肥、燃燒等利用方式都要求其含水量在60%以下，污泥深度脫水已成為污泥處置的先決條件。板框壓濾機(jī)是污泥深度脫水的主要設(shè)備之一，污泥經(jīng)過板框壓濾機(jī)處理后形成泥餅，體積可以減少50%—80%，但是污泥脫水后會(huì)出現(xiàn)污泥與濾布和機(jī)器黏附的現(xiàn)象，對設(shè)備連續(xù)生產(chǎn)運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生不利影響，影響脫水效率和設(shè)備的使用壽命。電滲脫水技術(shù)由于具有高效性且不易堵塞濾布的優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于污泥深度脫水。

1 電滲脫水的原理

1809 年，Reuss 在試驗(yàn)中首次觀察到電滲現(xiàn)象，在電壓存在于有水的土介質(zhì)兩側(cè)時(shí)，陰極水位上升，陽極水位下降；斷電后，水流停止。德國首次在鐵路路基開挖工程中運(yùn)用電滲排水加固地基，此后電滲排水法逐漸應(yīng)用于建筑工程中[1,2]。

近年來，隨著電滲技術(shù)研究的推進(jìn)，電滲法越來越多地被用于污泥脫水領(lǐng)域。在電場的作用下，帶電顆粒向陽極運(yùn)動(dòng)，處于擴(kuò)散層的反離子攜帶水向陰極運(yùn)動(dòng)，形成電滲透現(xiàn)象[3]。

污泥處理處置的原則是減量化、無害化、穩(wěn)定化，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)資源化。根據(jù)污泥中所含水的位置和與污泥的結(jié)合方式，可將其分為結(jié)合水、鄰位水、毛細(xì)水和自由水[4]。

結(jié)合水又稱內(nèi)部水，通過化學(xué)鍵與污泥中顆?；蛭⑸锝Y(jié)合，形成不易流動(dòng)的水，約占總水量的3%；鄰位水表面張力大，附著在污泥顆粒表面，約占總水量的7%；毛細(xì)水由于毛細(xì)現(xiàn)象而產(chǎn)生，存在于污泥細(xì)小顆粒周圍，是一層結(jié)合壓力大、結(jié)合緊密的多層水分子，約占總水量的20%；自由水又稱間隙水，大量分布在污泥顆粒之間，約占總水量的70%，自由水與污泥顆粒的相互作用力決定污泥脫水的難易程度。帶式壓濾、離心分離、真空等機(jī)械方式只能脫除自由水，熱干化能脫除結(jié)合水，電滲脫水能去除毛細(xì)水和自由水。電滲脫水和機(jī)械脫水的差別在于電滲可以作用于污泥顆粒的內(nèi)外表面，使顆粒密度均勻增加，而機(jī)械脫水只能脫除自由水，脫水能力有限[5]。

2 電滲法應(yīng)用于污泥脫水領(lǐng)域中的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

電滲法應(yīng)用于污泥脫水領(lǐng)域中的優(yōu)點(diǎn)：（1）電滲法一般需要的電壓為30—160V，采用低電壓可以降低能耗；（2）在污泥通電時(shí)存在發(fā)熱現(xiàn)象，會(huì)蒸發(fā)部分水分，使含水量進(jìn)一步降低，可以將污泥含水量降低到30%以下，比廣泛應(yīng)用的污泥機(jī)械脫水法脫除結(jié)合水的效率更高；（3）操作靈活，可以通過操作條件組合優(yōu)化的方式，降低能耗。

電滲法應(yīng)用于污泥脫水領(lǐng)域中的缺點(diǎn)為：（1）現(xiàn)階段電滲法處理污泥的費(fèi)用較高，由于電滲法使用直流電進(jìn)行，設(shè)備必須配置交流直流轉(zhuǎn)換裝置，耗電量高；（2）當(dāng)采用金屬電極時(shí)，脫水反應(yīng)產(chǎn)生的鐵離子、鋁離子等會(huì)進(jìn)入到濾液中引起濾液污染；（3）當(dāng)采用金屬電極時(shí)，電化學(xué)反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致電極腐蝕，在金屬電極表面形成金屬氧化物，阻礙電勢滲透進(jìn)污泥層，不利于電滲進(jìn)行，導(dǎo)致效率降低，耗電量增大；（4）在電滲進(jìn)行時(shí)，陽極附近會(huì)產(chǎn)生氧氣，陰極附近會(huì)產(chǎn)生氫氣，隨著通電時(shí)間的延長，氣體會(huì)逐漸阻礙電極與污泥的接觸，形成電絕緣層，影響電滲效率[6]。

3 電滲法脫水的主要研究方向

3.1 通電方式

3.1.1 優(yōu)化通電方式

控制電源主要有控制電壓和控制電流兩種方式。Hamir 的試驗(yàn)表明兩種電源控制方式并無本質(zhì)差異。

3.1.2 逐級加壓

從一開始就施加高電壓，后期會(huì)產(chǎn)生明顯的電流衰減，后期電滲效率低，而逐級加壓能緩解后期電流強(qiáng)度衰減的趨勢，從而提高電滲后期的效率，提升整體脫水效率。高電壓在早期排水效率很高，但是衰減也較快，整體能耗較高，逐級加壓雖然早期效率不高，但是后期排水速率降低的趨勢較緩，保證了整體脫水效率比較平衡，降低了單位體積排水量的能耗[7]。

3.2 電極布置

排列布置優(yōu)于環(huán)形布置，梅花形布置優(yōu)于長方形布置[8,9]。

3.3 電極材料性能

電極材料性能是影響電滲過程的關(guān)鍵因素，對電滲效果影響巨大。電極一般應(yīng)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、電化學(xué)穩(wěn)定性、導(dǎo)電性能、機(jī)械性能等。目前的電滲透裝置中，電極一般選用鐵、鋁、銅和石墨等，關(guān)于此類材料的研究成果也較多。

不同電極材料的電勢損失不同，生成的離子種類不同，離子的遷移過程不同，水的遷移過程也不同，所以電滲效率也千差萬別。鐵、銅、石墨和鋁電極的電滲試驗(yàn)結(jié)果表明，陽極鈍化及電極腐蝕引起的電勢損失是導(dǎo)致電滲效果差的主要原因[10]。

排水量從大到小依次為：鐵＞石墨＞銅＞鋁；電勢損失從大到小依次為：鋁＞銅＞石墨＞鐵。電勢損失導(dǎo)致實(shí)際有效電勢小于電源電勢，同時(shí)電勢損失隨著電源電壓的提高而增大。電極表面氧化是決定電勢損失大小的關(guān)鍵因素，這也是不同電極電勢損失不同的主要原因。鐵離子和銅離子的遷移能力差，大多聚集在陽極處無法遷移，鋁離子的遷移能力強(qiáng)，大多隨陰極脫水排出[10]。

能耗從大到小依次為：鐵＞石墨＞銅＞鋁。電滲過程中陽極反應(yīng)會(huì)因陽極材料不同而不同，陰極反應(yīng)一般不受陰極材料影響，對電滲起到主導(dǎo)作用的是陽極材料。實(shí)際工程中，陰、陽電極可使用不同的材料，陰極可視工程條件采用耐用、經(jīng)濟(jì)且易獲取的材料，以降低成本。銅電極效率比較低可能是因?yàn)殂~陽極發(fā)生了電化學(xué)鈍化，而且電勢梯度越高銅越容易放生鈍化。另外，銅的價(jià)格較為昂貴，一般在工程中也較少單獨(dú)使用。

石墨是一種惰性電極，不參與電極反應(yīng)，不受電勢梯度影響，不發(fā)生鈍化，電滲效果優(yōu)于銅和鐵，但在較低的電勢梯度下，石墨排水量不如鐵。鋁電極排水量小，能耗大，表現(xiàn)最差。鐵電極在各項(xiàng)試驗(yàn)中表現(xiàn)最好，在沒有特殊要求的條件下，優(yōu)先考慮采用鐵電極[11,12]。

3.4 電滲法與其他方式聯(lián)合脫水

電滲法與傳統(tǒng)的機(jī)械方式聯(lián)合脫水：在電滲脫水過程中，施加的機(jī)械壓力可以使污泥內(nèi)部水分布均勻，電場的加入提高了脫水效率，縮短了脫水時(shí)間。壓力越大，污泥顆粒間距越小，逐漸被壓實(shí)后會(huì)增加水遷移的阻力。所以機(jī)械壓力不是越大越好，而是存在一個(gè)最佳機(jī)械壓力[13]。

電勢梯度越大，污泥中水脫除越快，達(dá)到相同含水量的時(shí)間越短。電滲后期由于陽極附近的污泥含水量減少，電極附近產(chǎn)生氣體，導(dǎo)電性變差，脫水效率變低。在含水量降低時(shí)，污泥絮體被破壞，粒徑變小，電滲法去除了污泥中的毛細(xì)水，顆粒之間間距變小，絮體結(jié)構(gòu)緊密[14]。

試驗(yàn)后期電極與污泥，尤其是陽極與污泥脫開嚴(yán)重，加壓可使其與污泥接觸良好，電路中電流會(huì)明顯上升。電滲后期電極與污泥不能有效接觸，可能是導(dǎo)致電滲效率隨時(shí)間的延長而降低的主要因素之一，若能改善電極板與污泥接觸界面性狀，會(huì)大大提高電滲效率[12]。

采用真空預(yù)壓加電滲法聯(lián)合脫水的效果更明顯。真空預(yù)壓主要是機(jī)械作用，電滲法主要是電化學(xué)作用。污泥的高含鹽量會(huì)導(dǎo)致電滲能耗過大且電極腐蝕速度快，在前期真空預(yù)壓的排水效果優(yōu)于電滲排水，而當(dāng)平均含水量小于85%之后，電滲的排水效果優(yōu)于真空預(yù)壓。使用真空預(yù)壓加電滲法聯(lián)合脫水，可采用間歇通電方式，根據(jù)含水量變化延長電滲時(shí)間[15]。

3.5 電滲法與污泥性質(zhì)的關(guān)系

污泥的含水量、含鹽量、pH 值、顆粒粒徑等性質(zhì)也會(huì)影響電滲效果。適合電滲排水的含水量為60%—100%，高含鹽量污泥電滲排水效率低，較高pH 值有利于電滲脫水。

含水量降低時(shí)，污泥顆粒被破壞，加速金屬離子溶出，水合陽離子會(huì)拖曳更多水到陰極排出，污泥水分減少。污泥絮體越大，結(jié)構(gòu)越疏松。污泥含水量越大，當(dāng)電滲去除毛細(xì)水和自由水后，其絮體結(jié)構(gòu)越緊密[14]。

高含鹽量的污泥電滲脫水效率低，而且鋰離子、鈉離子、鉀離子對排水速度的影響相同。電滲過程會(huì)改變污泥pH 值，pH 值也會(huì)影響電滲排水速度。無論是強(qiáng)電解質(zhì)還是弱電解質(zhì)，電滲速度與pH 值呈線性關(guān)系，pH 值越大電滲速率越快[16]。

3.6 外加劑的影響

添加緩沖劑或絮凝劑等外加劑可以提高電滲效果。聚氯化鋁等絮凝劑的加入可以避免產(chǎn)生污泥顆粒堵塞排水的現(xiàn)象，有利于提高電滲法的排水效率；表面活性劑和陰離子聚合物有利于提高脫水效率；應(yīng)用于污泥機(jī)械脫水的外加劑同樣有利于電滲脫水[17]。

目前電滲法在污泥脫水領(lǐng)域的試驗(yàn)研究領(lǐng)先于理論研究，工程應(yīng)用由小規(guī)模向中等規(guī)模逐步推進(jìn)。

4 電滲法在污泥脫水領(lǐng)域的趨勢預(yù)測

電滲排水在建筑工程領(lǐng)域有大量應(yīng)用案例，在污泥脫水領(lǐng)域也有大量研究，但電滲技術(shù)專用于污泥深度脫水的研究上尚處于初級階段，有必要結(jié)合污泥特征，研發(fā)出技術(shù)含量高、經(jīng)濟(jì)性能好、安全高效的電滲透污泥脫水工藝設(shè)備。隨著“雙碳”目標(biāo)的提出，低耗高效的污泥處置技術(shù)將被快速推廣，低能耗電滲脫水會(huì)成為未來污泥脫水的發(fā)展方向。