電滲脫水對(duì)污泥性質(zhì)的影響

　　對(duì)于電滲脫水過(guò)程中不同電場(chǎng)空間下，污泥性質(zhì)的變化及脫水后污泥水分形態(tài)分布(自由水/結(jié)合水)的變化鮮有報(bào)道。事實(shí)上，電滲脫水過(guò)程中伴隨著電滲析、電極兩端電解水發(fā)生氧化還原反應(yīng)和電遷移等多種電作用，這些電作用會(huì)造成污泥絮體的破解。因此，探明電滲脫水過(guò)程中電場(chǎng)不同空間污泥性質(zhì)和水分形態(tài)的變化情況，對(duì)揭示電滲污泥脫水作用機(jī)制有一定的指導(dǎo)作用。

　　本研究以污水處理廠(chǎng)機(jī)械脫水后污泥為研究對(duì)象，采用外加電極構(gòu)成直流電場(chǎng)的方式，考察電滲處理后污泥理化性質(zhì)、自由水和結(jié)合水形態(tài)在電場(chǎng)中的分布變化情況。以探明電滲脫水作用機(jī)理和脫水后污泥理化性質(zhì)，為其后續(xù)利用提供參考。

　　1、材料與方法

　　1.1 實(shí)驗(yàn)原料

　　本實(shí)驗(yàn)中的污泥取自沈陽(yáng)北部污水處理廠(chǎng)，受納污水主要為城市居民生活用污水。此次實(shí)驗(yàn)采集污泥為機(jī)械脫水后污泥，取樣后置于4℃冰箱中貯存?zhèn)溆?。污泥含水率?0%~83%、pH為8.1、污泥初始總氮為41~45mg?g-1、總磷為15~17mg?g-1、有機(jī)質(zhì)含量為55%~59%、電導(dǎo)率為426μS?cm-1。

　　1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

　　本實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。裝置采用有機(jī)玻璃板制成，陽(yáng)極材料為鈦基釕銥涂層電極，陰極材料為多孔純鈦。泥餅總質(zhì)量為1075.51g。為使?jié)B濾液順利流出，在實(shí)驗(yàn)裝置的陰極側(cè)采用多孔玻璃隔板，隔板上每個(gè)小孔的直徑為5mm。滲出液出口下方放置一個(gè)電子天平(精度0.01g)，用來(lái)記錄脫除水質(zhì)量隨時(shí)間的變化。實(shí)驗(yàn)裝置兩端放置正方形電極板，厚度為0.5mm。其中，陽(yáng)極板選用鈦基釕銥涂層電極，陰極板選用多孔純鈦電極(小孔直徑約為5mm，共9個(gè)小孔)。為防止污泥顆粒隨滲濾液流出，陰極板側(cè)附耐熱尼龍濾布。本實(shí)驗(yàn)電源選用RXN-605D-II型雙路穩(wěn)壓直流電源。

　　1.3 實(shí)驗(yàn)方法

　　污泥室中裝入15cm高的脫水污泥，裝樣過(guò)程保證裝樣后沿電壓方向各段污泥性質(zhì)均一。電壓梯度為6V?cm-1，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，每隔30min取陽(yáng)極、陰極和中部污泥樣品，測(cè)量1次，整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期120min。污泥結(jié)合水取原泥和電滲處理后陽(yáng)極、中部、陰極污泥樣品進(jìn)行測(cè)量。為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，上述所有指標(biāo)均平行測(cè)試3次，最后結(jié)果取平均值。

　　1.4 分析方法

　　電滲流量使用質(zhì)量差值法進(jìn)行計(jì)算;含水率測(cè)定使用重量法；pH測(cè)定使用pH計(jì)；總氮測(cè)定使用堿性過(guò)硫酸鉀法；總磷測(cè)定使用鉬酸銨分光光度法；結(jié)合水含量采用美國(guó)TA公司生產(chǎn)的Q1000差示掃描量熱儀測(cè)定。

　　2、結(jié)果與討論

　　2.1 電滲脫水對(duì)污泥理化性質(zhì)的影響

　　2.1.1 污泥含水率時(shí)空分布變化

　　圖2為污泥含水率隨通電時(shí)間的變化。如圖2所示，實(shí)驗(yàn)初始階段，陽(yáng)極、中部、陰極3處污泥樣品的含水率基本相同。隨著電滲脫水實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，可看出陽(yáng)極污泥含水率下降趨勢(shì)最為明顯，由開(kāi)始的84.7%降至50.4%;而陰極污泥含水率在30min處由開(kāi)始的84.1%升至88.4%，而后又呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束，下降到68.4%;中部污泥含水率則持續(xù)下降，由初始的84.3%降至71.8%。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，固體物料在與極性水相接觸的界面上，由于發(fā)生電離或離子吸附作用，使其表面帶有正電或負(fù)電，帶電質(zhì)點(diǎn)與液體中的反離子形成雙電層結(jié)構(gòu)。通常情況下，污泥顆粒帶負(fù)電荷而污泥中的水分帶正電荷，在電場(chǎng)力的作用下，水合陽(yáng)離子會(huì)向陰極移動(dòng)負(fù)載電流，并帶動(dòng)周?chē)淖杂伤蜿帢O移動(dòng)，帶負(fù)電的污泥顆粒向陽(yáng)極移動(dòng)。因此，陽(yáng)極在電滲過(guò)程中會(huì)富集帶負(fù)電污泥顆粒，使其含固率快速升高，含水率逐漸下降。

　　實(shí)驗(yàn)初期，在電場(chǎng)力的作用下，陽(yáng)極處污泥的水分迅速流向陰極，此時(shí)陽(yáng)極流向陰極的水分補(bǔ)給速率大于水分從陰極的流出速率，故陰極附近污泥含水率有短暫的升高。隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，陽(yáng)極附近含固率逐漸增加，可遷移水分逐漸減少，pH持續(xù)降低，電滲不斷衰減，使得陽(yáng)極及中部水分不能迅速遷移到陰極，從而導(dǎo)致30min后陰極附近水分的流出速率超過(guò)其富集速率，導(dǎo)致陰極處含水率在實(shí)驗(yàn)后期呈下降趨勢(shì)。中部污泥含水率從實(shí)驗(yàn)開(kāi)始到結(jié)束一直呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明中部附近水分持續(xù)在向陰極遷移。而在實(shí)驗(yàn)后期，由于陰極處發(fā)生了電解水反應(yīng)，使得pH升高。LELAND等研究發(fā)現(xiàn)，pH升高會(huì)提高污泥的電滲流量，使得陰極處脫水加快，所以中部污泥含水率超過(guò)陰極。

　　2.1.2 污泥pH時(shí)空分布變化

　　圖3為污泥pH時(shí)空分布的變化。如圖3所示，陽(yáng)極附近污泥pH降低幅度最為明顯，由初始的8.1降至5.8;而陰極附近污泥的pH逐漸升高，由初始的8.1升至9.1；中部附近污泥pH變化不明顯，穩(wěn)定地維持在8~8.2。上述變化主要是由于在電滲脫水過(guò)程中，陽(yáng)極和陰極附近會(huì)發(fā)生水電解反應(yīng)。其中，陽(yáng)極附近會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生一個(gè)酸性帶，使陽(yáng)極附近pH迅速降低；在陰極附近則發(fā)生還原反應(yīng)，產(chǎn)生一個(gè)堿性帶，使陰極附近pH升高。并且，在此過(guò)程中，部分H+和OH會(huì)在污泥中部發(fā)生中和反應(yīng)，生成H2O。而且污泥本身還具有黏稠性質(zhì)，內(nèi)部的各種分子力較強(qiáng)，從而導(dǎo)致兩端電極對(duì)中部污泥影響較小，所以中部附近的污泥pH變化不大。

　　2.1.3 污泥總氮含量時(shí)空分布變化

　　圖4為實(shí)驗(yàn)過(guò)程中污泥中總氮含量時(shí)空的變化。如圖4所示，陽(yáng)極附近污泥中總氮含量呈下降趨勢(shì)，由初始43.1mg?g-1下降至17.9mg?g-1；而陰極和中部污泥中的總氮含量呈緩慢上升趨勢(shì)，中部污泥總氮含量由43.2mg?g-1逐漸上升至49.3mg?g-1，陰極污泥總氮含量由43.2mg?g-1逐漸上升至50.4mg?g-1。造成這種現(xiàn)象的原因可能是，隨著污泥電滲脫水實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，電極兩端發(fā)生的電解反應(yīng)和電滲透作用使污泥絮體兩側(cè)富集不同電荷，正負(fù)電荷作用使污泥絮體破裂，同時(shí)污泥細(xì)胞結(jié)構(gòu)也遭到破壞，改變了污泥活性細(xì)胞膜的通透性，甚至造成細(xì)胞破壁，致使細(xì)胞內(nèi)部的蛋白質(zhì)及胞外蛋白等有機(jī)物質(zhì)溢出。同時(shí)，電滲脫水過(guò)程中伴隨電能向熱能的轉(zhuǎn)化過(guò)程，熱效應(yīng)也對(duì)污泥細(xì)胞破解具有一定的貢獻(xiàn)作用。有研究[20]表明，當(dāng)溫度超過(guò)40℃時(shí)，部分蛋白質(zhì)有可能受溫度影響而引起變性。本實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，在陽(yáng)極、中間和陰極分別布設(shè)了溫度傳感器探頭，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中系統(tǒng)溫度變化。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，陽(yáng)極溫度最高可達(dá)近90℃，因此，在電滲實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的熱效應(yīng)也可能會(huì)將部分蛋白質(zhì)分解成氨基酸，隨電滲流向中部甚至向陰極附近遷移。同時(shí)，小分子氨基酸也會(huì)隨污泥中自由水的遷移向中部及陰極移動(dòng)。張書(shū)廷研究表明，污泥電滲透脫水的濾液約有一半的TN以氨氮的形式存在。由此可以判斷，NH+4等帶正電的離子也會(huì)向陰極遷移，從而導(dǎo)致陽(yáng)極總氮含量下降、中部和陰極附近污泥總氮升高?？梢?jiàn)，隨著電滲脫水的進(jìn)行，污泥中總氮含量由陽(yáng)極向陰極逐漸升高。

　　2.1.4 污泥總磷含量時(shí)空分布變化

　　圖5為實(shí)驗(yàn)過(guò)程中污泥中總磷含量隨時(shí)間的變化。如圖5所示，隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，陽(yáng)極附近污泥中總磷含量迅速升高，由16.3mg?g-1逐漸升至20.1mg?g-1;而中部污泥和陰極附近污泥中總磷含量則呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，分別由16.3mg?g-1逐漸降至12.3mg?g-1、由16.2mg?g-1降至11.5mg?g-1。造成此現(xiàn)象的主要原因?yàn)椋勰嘀械牧字饕且訮O3-4的形態(tài)存在，因此，在電滲脫水過(guò)程中，在電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下PO3-4由陰極逐漸向陽(yáng)極移動(dòng)，故陽(yáng)極附近污泥總磷含量迅速上升，而中部和陰極附近污泥總磷含量下降，且陰極下降最快。

　　2.2 電滲脫水對(duì)污泥結(jié)合水含量的影響

　　各類(lèi)污泥含水率與結(jié)合水含量分析見(jiàn)圖6。由圖6可知，經(jīng)過(guò)電滲處理后，污泥中結(jié)合水有所下降。由結(jié)合水與干物質(zhì)之比可看出陽(yáng)極污泥結(jié)合水含量最少;而中部、陰極污泥結(jié)合水含量較陽(yáng)極高。污泥中的結(jié)合水主要來(lái)源于胞外聚合物(EPS)束縛的結(jié)合水和微生物細(xì)胞束縛的細(xì)胞內(nèi)結(jié)合水?；裘舨ǖ妊芯勘砻鳎⑸锞汉虴PS對(duì)污泥的脫水起著關(guān)鍵作用。EPS中的有機(jī)大分子通過(guò)化學(xué)鍵和物理作用形成的網(wǎng)絡(luò)凝膠結(jié)構(gòu)會(huì)影響污泥絮凝能力，進(jìn)而影響污泥的脫水性。而電場(chǎng)施加過(guò)程由于陽(yáng)極產(chǎn)生強(qiáng)氧化性自由基會(huì)對(duì)污泥絮體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定影響。陳巍等研究表明，當(dāng)電壓20V時(shí)，隨著電壓增大，包裹在菌膠團(tuán)中的顆粒物和EPS被釋放，污泥脫水性能又會(huì)變差。在施加電場(chǎng)條件下，由于電場(chǎng)和熱能聯(lián)合作用，可以引起污泥細(xì)胞發(fā)生破裂、結(jié)構(gòu)變化，細(xì)胞破裂后，細(xì)胞質(zhì)和束縛水得以釋放，進(jìn)而影響脫水性能。何文遠(yuǎn)等發(fā)現(xiàn)，酸處理使污泥中胞外聚合物EPS水解、微生物細(xì)胞瓦解，從而導(dǎo)致絮體內(nèi)部間隙水、細(xì)胞內(nèi)部間隙水被釋放為自由水。

　　綜上所述，在電場(chǎng)作用下，由于電化學(xué)反應(yīng)和熱效應(yīng)共同作用，可能會(huì)使污泥絮體和微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)遭到破壞，導(dǎo)致污泥中部分結(jié)合水被釋放，進(jìn)而促進(jìn)污泥脫水。而且，原泥、陰極污泥、中部污泥、陽(yáng)極污泥中的結(jié)合水含量呈現(xiàn)不同的下降趨勢(shì)。其原因可能是，在電滲脫水過(guò)程中，陽(yáng)極附近發(fā)生電氧化反應(yīng)，破壞了污泥原有穩(wěn)定的絮體和細(xì)胞結(jié)構(gòu)，細(xì)胞間的EPS被破壞分解，污泥顆粒部分結(jié)合水被釋放的最多，而水分又得不到有效補(bǔ)充，所以結(jié)合水含量最低。而陰極發(fā)生的是電還原反應(yīng)，所以陰極附近污泥結(jié)合水含量比陽(yáng)極多。結(jié)合水含量表征了污泥的可脫水程度，相對(duì)自由水而言，其需要消耗較多的能量才能去除。由表1可知，隨著結(jié)合水含量的減少，污泥中剩余結(jié)合水所需的融化熱就會(huì)逐漸升高，這說(shuō)明結(jié)合水含量越少，下一步脫水就越難進(jìn)行。同時(shí)，如圖6所示，脫水后污泥所剩結(jié)合水含量越少，污泥的含水率也越低，即整體污泥的脫水效果越好。

　　3、結(jié)論

　　1)電滲處理后污泥陽(yáng)極、中部、陰極污泥的含水率均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。陽(yáng)極污泥含水率下降最快，從開(kāi)始的84.7%下降到50.4%;而陰極污泥含水率先升高后降低，實(shí)驗(yàn)結(jié)束降至68.4%;中部污泥含水率則一直呈緩慢下降趨勢(shì)，從84.3%下降到71.8%。結(jié)合水含量變化表現(xiàn)為：電滲處理組結(jié)合水含量<原泥結(jié)合水含量，其中原泥、陽(yáng)極、中部、陰極污泥結(jié)合水與干物質(zhì)的質(zhì)量之比分別為2.67、0.76、1.07、1.08。電場(chǎng)不同空間結(jié)合水含量表現(xiàn)為由陰極向陽(yáng)極逐漸降低的趨勢(shì)，結(jié)合水含量越少，污泥脫水越困難。

　　2)電滲處理后污泥陽(yáng)極附近污泥pH降低幅度最大，低至5.8;而陰極附近污泥pH隨實(shí)驗(yàn)進(jìn)行逐漸升高，可升至9.1;中部附近污泥的pH變化較為穩(wěn)定，在8.0~8.2。

　　3)電滲處理后污泥陽(yáng)極總氮含量降低;而陰極和中部污泥中的總氮含量呈逐漸升高趨勢(shì)。總磷含量的變化為陽(yáng)極緩慢上升，而陰極和中部持續(xù)下降。(來(lái)源：沈陽(yáng)建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院)