電化學(xué)法對城市污泥處理的應(yīng)用研究

劉陽 程潔紅

摘 要：城市污泥的產(chǎn)量隨城市污水處理率和處理深度的提高正在急劇增加。由于污泥中含有各種有機(jī)污染物、無機(jī)物，以及對人體有害的病原菌、重金屬元素等，因此，城市污泥需要穩(wěn)定化和無害化處理處置。電化學(xué)法具有效率高、污染少、操作簡單和占地小等優(yōu)點，應(yīng)用于城市污泥。主要介紹了電化學(xué)法的主要操作參數(shù)，以及對城市污泥減量化處理、改善脫水性能和預(yù)處理等方面的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：城市污泥；電化學(xué)；操作參數(shù)；應(yīng)用

中圖分類號：X703文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-7394（2015）04-0036-04

0 引言

城市污泥是城鎮(zhèn)污水處理廠在處理城市污水時的副產(chǎn)物[1]，其產(chǎn)生量在不斷增長。污泥的主要成分是水，還存在不穩(wěn)定的有機(jī)物、無機(jī)鹽類、重金屬，以及少量的病源寄生蟲卵和病原菌[2-3]，因此，必須進(jìn)行穩(wěn)定化和無害化處理。目前，城鎮(zhèn)污水廠在處理方面存在著普遍的“重水輕泥”現(xiàn)象，不經(jīng)處理的城市污泥導(dǎo)致的二次污染已成為我國一個突出的環(huán)境問題。[4]通過電化學(xué)的氧化、還原等作用，對城市污泥進(jìn)行預(yù)處理，有利于后續(xù)的穩(wěn)定化、無害化生物處理。目前，關(guān)于采用電化學(xué)法在城市污泥預(yù)處理和作用機(jī)理方面的研究較少，本文概括地論述了電化學(xué)法在城市污泥的減量化、脫水性能的改善，以及生物消化前的預(yù)處理方面的應(yīng)用研究。

1 電化學(xué)法的原理及特點

電化學(xué)法就是污染物在外加電場的反應(yīng)器中進(jìn)行物理、化學(xué)等過程，從而使有機(jī)污染物去除的方法。[5]由于20世紀(jì)40年代以前的電力缺乏以及應(yīng)用成本較高，因此電化學(xué)沒有在污水污泥處理中較快的投入使用。隨著現(xiàn)代發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展以及全球經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定增長，具有獨特優(yōu)越性的電化學(xué)法也愈來愈被各國重視。[6]

1.1 原理

電化學(xué)法的基本原理就是通過電極的作用，使得有機(jī)污染物產(chǎn)生直接或者間接的氧化反應(yīng)，將其分解成為無機(jī)小分子化合物的過程，并在此基礎(chǔ)上衍生出了多種方法。利用電化學(xué)法處理污泥，其原理主要包括：

（l）氧化作用。通過在陽極發(fā)生的直接氧化作用，或者通過陽極反應(yīng)產(chǎn)物（如C12，ClO-，·OH，O2等）進(jìn)行的間接氧化作用，都可以實現(xiàn)溶胞作用。電解時水中的OH-可以在陽極放電生成具有強(qiáng)氧化能力的氧：4OH--4e→2H2O+2[O]；電解過程中產(chǎn)生的氧化性極強(qiáng)的羥基自由基可以氧化細(xì)胞壁，達(dá)到溶胞效果。

（2）還原作用。電化學(xué)的還原作用也可以起到溶胞作用，利用陰極授予電子的能力，并且電解時在陰極的H+放電會產(chǎn)生有很強(qiáng)還原作用的氫：2H++2e→H2。

因此，污泥微生物的細(xì)胞壁在電解過程中產(chǎn)生的強(qiáng)氧化劑及還原劑共同作用下被破壞，細(xì)胞內(nèi)固體狀態(tài)的COD變成溶解性的COD溶解到水中，最終達(dá)到溶胞作用，有利于后續(xù)的厭氧消化產(chǎn)氣。

1.2 特點

（1）廣泛性：電化學(xué)法可以用于處理有毒有害、難生物降解的物質(zhì)，還可以用于處理工業(yè)廢水、生活廢水等，并能通過與其他處理方法相結(jié)合來對重金屬進(jìn)行回收等；

（2）環(huán)保性：利用反應(yīng)生成的氧化性、還原性物質(zhì)去除污染物，反應(yīng)快，無需額外加入化學(xué)物質(zhì)從而再次造成污染；

（3）操作簡單：該方法在正常溫壓下即可進(jìn)行操作，無特殊溫壓限制，并且具有反應(yīng)設(shè)備小、較為簡單等優(yōu)點，相對于其他方法不會侵占太多資源。[6]

2 電化學(xué)操作參數(shù)

2.1 極板材料

極板材料是電化學(xué)去污過程中最重要的影響因素。常用的電極材料有不銹鋼電極、鋁電極、鐵電極、石墨電極以及網(wǎng)狀的RuO2/Ti（鈦涂釕）電極等。采用鐵電極和鋁電極的電化學(xué)法對污水中COD的降解處理效果較好，并且用鋁電極作陽極時其COD去除率比用鐵電極的高。[7]王麗等人[8]以Ti/RuO2為陽極材料的電化學(xué)法處理污泥，能有效實現(xiàn)活性污泥減量。王詩生等人[9]以石墨板為陰、陽電極板，利用電化學(xué)法對污泥脫水性能的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。在國外，Qu等人[10-11]利用不同的電化學(xué)反應(yīng)器以及電極材料將特殊的有機(jī)污染物降解為可生化降解的簡單有機(jī)物。Adams B等人[12]利用不同的氧化物電極對難降解有機(jī)污染物的去除率進(jìn)行研究，最終發(fā)現(xiàn)以鈦為基底的氧化錫和氧化銥電極對有機(jī)污染物的去除率最高。

江蘇理工學(xué)院學(xué)報第21卷

第4期

劉 陽 程潔紅：電化學(xué)法對城市污泥處理的應(yīng)用研究

利用電化學(xué)進(jìn)行有機(jī)物的降解，主要是通過陽極發(fā)生的副反應(yīng)，利用反應(yīng)析出的氧降解有機(jī)物。析氧電位越高的陽極材料，反應(yīng)析出的氧越多，有機(jī)物的降解越徹底。[13]

2.2 電壓

電壓是電化學(xué)去污過程重要的影響參數(shù)。在電化學(xué)法處理難降解有機(jī)物的研究中，工作電壓和電解質(zhì)對有機(jī)物的去除影響較大。[14]在電化學(xué)法處理焦化廢水時，通過氧化作用將難降解有機(jī)物降解為可生化的小分子物質(zhì)，并且當(dāng)陽極極板電位是0.3V時，COD的去除率最大為45%[15]；而且陰陽極的電極電位對COD的去除影響很大。也有人發(fā)現(xiàn)污泥經(jīng)電化學(xué)處理后，由于電壓的不同其形態(tài)有不同程度的變化，在50V的高壓下污泥經(jīng)過電解作用，菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破損，并且無法復(fù)原[16]；而在30V條件下，菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)只是輕微破裂，并且能夠氧化表面層松散附著的EPS（loosely bound EPS，LB-EPS），從而釋放出胞內(nèi)自由水。利用電化學(xué)法改善污泥脫水性能的研究中發(fā)現(xiàn)，工作電壓為20V時對污泥脫水性能影響最大。[9]

電壓決定著電化學(xué)反應(yīng)是否發(fā)生，也影響著反應(yīng)速率的大小?？傮w上來說，加在電極上的電壓與電化學(xué)反應(yīng)速率呈正相關(guān)性；但當(dāng)電壓超過一定的范圍，由于產(chǎn)生的泥水分層現(xiàn)象，反應(yīng)速率反而減小。

2.3 電解時間

電解時間是電化學(xué)去污過程中重要參數(shù)之一，國內(nèi)有學(xué)者[17]利用電化學(xué)法對剩余污泥的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，在電解的前20min，污泥中VSS的去除率隨電解時間的增加而逐漸升高，且在20min時VSS最大去除率為35.4%。在電化學(xué)法對污泥沉降性能的研究[7]中，電解后污泥的沉降速率與未經(jīng)處理的污泥相比有所增加，幷且泥水界面高度減??；污泥沉降時間相同的情況下，泥水界面高度與電解時間呈負(fù)相關(guān)性；在一定的電解時間內(nèi)，污泥沉降性能與電解時間呈正相關(guān)性。通過對活性污泥進(jìn)行電解減量的實驗研究[8]，當(dāng)間歇電解60min后，污泥有較好的溶胞效果并且活性污泥的表觀溶解效率為29.98%；同時，在電解作用下污泥上清液中COD（solluted chemical oxigen demand，SCOD）增加到最大。電化學(xué)法對污泥中NH+4-N的去除也有影響，隨著電解時間的增加，NH+4-N濃度呈現(xiàn)先下降再上升最后又下降的變化，并且在電解60min時NH+4-N濃度值達(dá)到最大。這說明污泥經(jīng)過60min的電解后表觀溶解效率已達(dá)到最高，同時通過SCOD和NH+4-N的濃度變化說明了電化學(xué)法對SCOD和NH+4-N的強(qiáng)氧化作用，能夠?qū)崿F(xiàn)去除有機(jī)物污染物的目的。

隨著電解時間的增加，在一定范圍內(nèi)，污泥溶胞效率與反應(yīng)生成的強(qiáng)氧化性物質(zhì)呈正相關(guān)性，與溶胞釋放的還原性物質(zhì)呈負(fù)相關(guān)性。

3 電化學(xué)法在處理城市污泥方面的應(yīng)用

3.1 電化學(xué)法對污泥的減量化應(yīng)用

電化學(xué)法可使城市污泥減量。經(jīng)過一系列的電化學(xué)反應(yīng)形成強(qiáng)氧化性·OH基團(tuán)，利用它們將污泥胞外聚合物（EPS）氧化，從而破壞污泥菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)，使其溶胞破解，降低整個處理工藝過程的剩余污泥量，最終實現(xiàn)污泥減量化。[18]王麗等人[8]通過對活性污泥進(jìn)行電解減量的研究，發(fā)現(xiàn)電化學(xué)法對污泥有明顯的溶胞效果。在最佳的氧化工藝參數(shù)下，活性污泥的表觀溶解效率為29.98%，電化學(xué)對污泥的溶胞效應(yīng)顯著。經(jīng)過電化學(xué)處理的污泥，其TN和TP的濃度有明顯的增加，SCOD和NH+4-N有一定的去除。這說明電化學(xué)對SCOD和NH+4-N有很強(qiáng)的氧化作用。

電化學(xué)法在污泥減量過程中一般無需加入額外的化學(xué)藥品，并且后續(xù)操作簡單方便、占地面積小，是具有高環(huán)保性的有機(jī)物處理方法。[19]

3.2 電化學(xué)法對城市污泥脫水的應(yīng)用

污泥通過電化學(xué)法氧化LB-EPS，由于細(xì)胞壁的破裂將胞內(nèi)自由水釋放出來，從而增加了胞外自由水的量，最終達(dá)到改善污泥脫水性能的目的。在最優(yōu)條件下將污泥進(jìn)行電解可使毛細(xì)吸水時間（CST）下降35.5%，且脫水性能也得到改善。[16]王詩生等人[9]研究了電壓、極板間距、處理時間、插入深度對污泥脫水性能的影響。結(jié)果表明，電壓的影響最大，插入深度的影響最小，極板間距和處理時間影響居中。通過電化學(xué)處理，污泥的CST下降19.6%，泥餅含固率（DS）上升5.85%。

通過電化學(xué)法對污泥的溶胞作用，使處理后的污泥絮體結(jié)構(gòu)變得松散，并且有較好的沉降性能。[8]

3.3 電化學(xué)法對城市污泥預(yù)處理的應(yīng)用

國內(nèi)學(xué)者采用電化學(xué)法作為污泥好氧消化的預(yù)處理工藝，從而提高M(jìn)LVSS的去除效率。丁瑾等人[20]將污泥經(jīng)電化學(xué)預(yù)處理后，其MLVSS去除率高達(dá)97%，再經(jīng)9～16℃下14天的好氧消化，其MLVSS又可去除40.2%，總?cè)コ蔬_(dá)到41.44%，與未經(jīng)電化學(xué)預(yù)處理只有好氧消化的污泥去除效果相比，去除率提高了8.2%。宋立杰等人[21]發(fā)現(xiàn)經(jīng)電化學(xué)預(yù)處理的污泥，由于絮體結(jié)構(gòu)的破壞其SCOD、NH+4-N、TN和TP等濃度含量都比未經(jīng)電化學(xué)預(yù)處理的污泥高，其中SCOD增加量最為明顯，這些都體現(xiàn)了電化學(xué)法對污泥的溶胞作用。經(jīng)過電化學(xué)預(yù)處理，污泥固體的熱穩(wěn)定性降低，并且污泥達(dá)到穩(wěn)定化的時間縮短。

通過電化學(xué)預(yù)處理對污泥的溶胞破解，使胞內(nèi)有機(jī)物質(zhì)釋放溶入液相中，提高了有機(jī)物可生物降解的比例，從而使污泥的好氧消化性能得到提高。

4 結(jié)語

電化學(xué)技術(shù)因其具有廣泛性、環(huán)保性以及操作簡單等特點被稱為“環(huán)境友好”技術(shù)。電化學(xué)法作為一種有效的去污方法，既能使部分有機(jī)物直接分解成無機(jī)化合物，還能去除部分常規(guī)生物法無法去除的難降解有機(jī)物，從而提高污泥的可生物降解性。利用電化學(xué)進(jìn)行預(yù)處理，能使復(fù)雜的難降解的有機(jī)物降解成簡單的有機(jī)物，能夠提高厭氧微生物所能利用的底物含量，促進(jìn)厭氧發(fā)酵。電化學(xué)預(yù)處理技術(shù)與其他傳統(tǒng)的預(yù)處理技術(shù)相比更有競爭潛力，其能耗不會引起二次污染、效率高、降解效果明顯等突出的優(yōu)點備受人們的關(guān)注，是一項很有前途的預(yù)處理技術(shù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李凱軍.淺談城市污泥處理處置與資源化技術(shù)[C].2010年全國給水排水技術(shù)信息網(wǎng)年暨技術(shù)交流會論文集，蘇州：[出版者不詳]，2010.

[2]丘錦榮，郭曉方，衛(wèi)澤斌，等.城市污泥農(nóng)用資源化研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2010，29（S1）：300-304.

[3]韋小穎，肖細(xì)元，張瓏，等.城市污泥中重金屬和有機(jī)污染物的凈化與污泥土地利用[J].環(huán)境工程，2010，28（S1）：235-240.

[4]余杰，田寧寧，王凱軍，等.中國城市污水處理廠污泥處理處置問題探討分析[J].環(huán)境工程學(xué)報，2007，1（1）：82-86.

[5]馮玉杰，李曉巖，尤宏，等.電化學(xué)氧化技術(shù)在環(huán)境工程中的應(yīng)用[M].北京：北京工業(yè)出版社，2002.

[6]李春梅.電化學(xué)氧化法對污泥減量的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011.

[7]傅金祥，王冬，黃殿男，等.低壓直流電電解剩余活性污泥[J].化工環(huán)保，2014，34（5）：410-414.

[8]王麗，李春梅.電化學(xué)氧化活性污泥減量效能[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2012，44（2）：116-119.

[9]王詩生，李靜，盛廣宏.電化學(xué)處理改善污泥脫水性能的參數(shù)優(yōu)化[J].安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2014，31（2）：157-223.

[10]Qu X A，Tian M，Liao B Q，et al.Electrochemical oxidation of phenol for wastewater treatment using SnO2 anodes[J].Electrochimica Acta，2010，55（19）：5 367-5 374.

[11]Serikawa R M，Isaka M，Su Q，et al.Wet electrolytic oxidation of organic pollutants in wastewater treatment[J].Journal of applied electrochemistry，2010，30（7）：875-883.

[12]Adams B，Tian M，Chen A.Design and electrochemical study of SnO2-based mixed oxide electrodes [J].Electrochimica Acta，2009，54（5）：1 491-1 498.

[13]Yang X P，Zou R Y，Huo F，et al.Preparation and characterization of Ti/SnO2-Sb2O3-Nb2O5/PbO2 thin film as electrode material for the degradation of phenol[J].Journal of Hazardous Materials，2009，164（1）：367-373.

[14]程迪，趙馨.電化學(xué)氧化處理難降解廢水的研究進(jìn)展[J].化學(xué)與生物工程，2011，28（4）：1-5.

[15]木拉力·烏拉孜汗.電化學(xué)方法對焦化廢水的前置處理研究[D].北京：北京大學(xué)，2010.

[16]周貞英，袁海平，朱南文，等.電化學(xué)處理改善剩余污泥脫水性能[J].環(huán)境科學(xué)報，2011，31（10）：2 199-2 203.

[17]尹炳奎，俞清，劉冬，等.剩余污泥的電化學(xué)穩(wěn)定實驗研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2006，29（11）：34-36.

[18]漸明柱，李德生，薛敏濤，等.電化學(xué)預(yù)處理與MBR工藝聯(lián)合處理制膜廢水[J].廣州化工，2010，38（6）：175-180.

[19]姚明修，程麗華.剩余污泥減量化技術(shù)的研究進(jìn)展[J].青島理工大學(xué)學(xué)報，2007，10：386-389.

[20]丁瑾.電化學(xué)預(yù)處理提高剩余污泥好氧消化性能研究[J].環(huán)境污染與防治，2010，32（5）：52-56.

[21]宋立杰.電化學(xué)預(yù)處理污泥的機(jī)制研究[J].環(huán)境污染與防治，2011，33（7）：32-35.Research of Electrochemical Pretreatment of Municipal Sewage Sludge

LIU Yang，CHENG Jie-hong

（School of Chemical and Environmental Engineering，Jiangsu University of Technology，Changzhou 213001，China）

Abstract：With the urban sewage treatment rate and depth of treatment increased，the sludge has increased dramatically.Due to the sludge contains a variety of heavy metals，pollutants and microbes，bacteria，inorganic and organic substances and so on，so it is important to deal with sludge.The electrochemical method has high efficiency，low pollution features，and simple operation，small footprint device.This paper introduces the main operating parameters of the electrochemical method，and the applications of the reduction of municipal sludge treatment and so on.

Key words：Municipal sludge；Electrochemistry；Operating parameters；Application

責(zé)任編輯 祁秀春