污泥電脫水反應(yīng)器研究進(jìn)展

季雪元

【摘 要】本文針對(duì)污泥電脫水技術(shù)發(fā)展過(guò)程中出現(xiàn)的各類電脫水反應(yīng)器類型進(jìn)行了綜述，發(fā)現(xiàn)污泥電脫水反應(yīng)器的優(yōu)化重點(diǎn)是裝置內(nèi)部的電場(chǎng)形式，通過(guò)變化施加電場(chǎng)方向來(lái)降低極板接觸電阻，提高脫水效率。其中，水平電場(chǎng)脫水裝置由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單更易獲得推廣。

【關(guān)鍵詞】市政污泥；電脫水；反應(yīng)器；研究進(jìn)展

大量報(bào)道指出，脫水是污泥處置中費(fèi)用最為昂貴的一步，已成為限制市政污水處理廠正常運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵步驟。高效而低成本的污泥脫水方法研究已成為水處理行業(yè)的熱點(diǎn)問(wèn)題。在此種背景下，污泥電脫水技術(shù)逐漸得到研究人員的關(guān)注。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在污泥電脫水原理、電脫水工藝參數(shù)以及電極材料方面進(jìn)行了大量深入的研究。隨著國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)污泥電脫水技術(shù)的原理及存在問(wèn)題的探討以及電極材料優(yōu)選，污泥電脫水反應(yīng)裝置的重要性開始為研究人員所重視。

污泥電脫水技術(shù)通常以直流電場(chǎng)為驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行脫水，在電脫水初始階段陽(yáng)極附近污泥含水率迅速降低，脫水過(guò)程電極附近發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生一些氣體（O2和H2），上述現(xiàn)象均會(huì)導(dǎo)致接觸電阻急劇增加，嚴(yán)重抑制污泥脫水效果的提高[1-2]。鑒于此，研究人員針對(duì)污泥脫水反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了各種嘗試，研發(fā)了包括多級(jí)電脫水裝置、簡(jiǎn)短電脫水裝置、旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極電脫水裝置以及水平電場(chǎng)反應(yīng)器在內(nèi)的多種類型的電脫水裝置。本文擬對(duì)各類污泥電脫水裝置進(jìn)行綜述，以期對(duì)未來(lái)污泥電脫水反應(yīng)器的研發(fā)提供新的思路。

1 多級(jí)電脫水裝置

1993年Yoshida提出多級(jí)電脫水技術(shù)，即在反應(yīng)裝置內(nèi)按指定間隔垂直安置3個(gè)穿孔電極板，如圖1所示。在污泥電脫水初始階段，將陽(yáng)極板（1）及陰極板聯(lián)入電路。隨著脫水反應(yīng)進(jìn)行，陽(yáng)極板（1）附近污泥餅的電阻急劇增加，電壓幾乎全部降在陽(yáng)極附近的脫水層，使脫水驅(qū)動(dòng)力減少。利用旋轉(zhuǎn)開關(guān)斷開原有電路，將陽(yáng)極板（2）聯(lián)入電路。待陽(yáng)極板（2）附近污泥餅的電阻增加導(dǎo)致脫水驅(qū)動(dòng)力減少后，再將陽(yáng)極板（3）聯(lián)入電路。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明通過(guò)多級(jí)電脫水技術(shù)可以降低系統(tǒng)能耗，提高污泥脫水效果[3]。2001年Watanabe提出在正極和負(fù)極中間插入第三個(gè)電極（柵極）模擬場(chǎng)效應(yīng)晶體管進(jìn)行污泥電脫水，該方法與Yoshida提出的多級(jí)脫水方法相類似。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中將陽(yáng)極、陰極接入10V的直流電壓，柵極板外加-15V至15V電壓。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)柵極外加電壓為正時(shí)能提高裝置脫水能力，外加電壓為負(fù)時(shí)則抑制脫水能力[4]。

2 交變電場(chǎng)污泥脫水裝置

1999年Yoshida提出在交變電場(chǎng)條件下周期性改變電極方向的電脫水技術(shù)，其裝置如圖2所示。交變電場(chǎng)的應(yīng)用，使電極間的水流方向周期性改變，減少了污泥床和電極板之間的接觸電阻；并且通過(guò)電極的電性交換，使陰陽(yáng)電極處由電化學(xué)反應(yīng)引起的pH變化量減?。ň蓧A性），污泥脫水系統(tǒng)更均衡。因此在消耗相同能耗的情況下，以交變電場(chǎng)為驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行污泥脫水，污泥的脫水效率更高[5]。

3 間斷電場(chǎng)污泥脫水裝置

Rabie等人提出相同能耗下采用間斷電脫水技術(shù)能得到更高的脫水率。間斷電脫水的方式有開路間斷脫水和短路間斷脫水兩種。開路間斷脫水是指在污泥電脫水過(guò)程中斷開電源，短暫暫停電場(chǎng)應(yīng)用[6]。開路間斷脫水可以節(jié)省能耗，但對(duì)提高污泥脫水效率沒有幫助。短路間斷脫水是指在斷開電源的情況下，在陰陽(yáng)電極間接入一條導(dǎo)線，污泥床與電極板間產(chǎn)生與外加電場(chǎng)反向的電流，導(dǎo)致電極處的電化學(xué)反應(yīng)倒置。并且由于污泥中含有金屬離子，可生成金屬氧化物沉淀，粘附于電極表面和過(guò)濾介質(zhì)上，特別是呈堿性的陰極附近，不利于電脫水的進(jìn)行。通過(guò)短路間斷脫水，短暫反轉(zhuǎn)交換電極的電性，電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的酸性濾液可溶解去除沉淀 [7]。然而通過(guò)電極反轉(zhuǎn)不能恢復(fù)過(guò)濾介質(zhì)的堵塞。特別是當(dāng)污泥中含有鈣離子時(shí)會(huì)在短時(shí)間內(nèi)堵塞過(guò)濾介質(zhì)[8]。

4 旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極電脫水裝置

針對(duì)電脫水開始時(shí)接近陽(yáng)極電極處的污泥含水率迅速降低，接觸電阻急劇升高，電壓幾乎全部降在陽(yáng)極附近的脫水層，使陰極附近的脫水驅(qū)動(dòng)力減少的問(wèn)題[9]。Ho和Chen提出采用旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極可以抑制陽(yáng)極處污泥餅的形成，從而降低該部分的電阻，增大電流，提高脫水能效（如圖3所示）。Ho和Chen的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采用旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極進(jìn)行污泥電脫水可以提高70%的固體含量[10]。

5 水平電場(chǎng)污泥脫水裝置

電脫水技術(shù)常以垂直電場(chǎng)為驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行污泥電脫水，并對(duì)陽(yáng)極板施加壓力，形成壓力-電場(chǎng)聯(lián)合脫水過(guò)程。然而采用垂直電場(chǎng)進(jìn)行電脫水，隨著脫水過(guò)程的進(jìn)行，陽(yáng)極附近的污泥含水率越來(lái)越低，電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氣體也將聚集在污泥與陽(yáng)極之間。這兩個(gè)因素導(dǎo)致陽(yáng)極附近的污泥餅的接觸電阻增大，并消耗大部分電壓降。周加祥等人采用水平方向電場(chǎng)為驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行污泥脫水，這種電場(chǎng)施加方式降低了極板接觸電阻，提高了脫水效率，簡(jiǎn)化了設(shè)備結(jié)構(gòu)（如圖4所示）[11]。

6 結(jié)論

針對(duì)污泥電脫水反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)，研究人員進(jìn)行了大量有益的嘗試?？傮w而言，污泥電脫水反應(yīng)器的優(yōu)化重點(diǎn)是裝置內(nèi)部的電場(chǎng)形式，通過(guò)變化施加電場(chǎng)方向來(lái)降低極板接觸電阻，提高脫水效率。上述脫水設(shè)備針對(duì)不同污泥進(jìn)行的固液分離，由于泥漿理化性質(zhì)的差異，難以系統(tǒng)比較反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣。但從目前應(yīng)用來(lái)看，水平電場(chǎng)脫水裝置由于其簡(jiǎn)化了設(shè)備結(jié)構(gòu)，更易獲得推廣應(yīng)用。

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