真空電滲給水污泥脫水機理的研究

譚林立， 許 航， 劉 珊， 崔建峰， 申昆侖， 丁明梅

（1.江蘇圣泰環(huán)境科技股份有限公司， 江蘇 南京 210007；2.河海大學環(huán)境學院， 江蘇 南京 210098；3.河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室， 江蘇 南京 210098）

0 引言

近幾十年來，隨著城市自來水廠的數(shù)量和規(guī)模不斷增加和擴大，給水污泥量快速增加。給水污泥的高含水率嚴重阻礙了給水污泥的綜合利用和最終處理[1-2]。傳統(tǒng)的污泥處理方法有：填埋，為了達到處理效果通常會投加石灰進行后續(xù)處理，但污泥產(chǎn)生的濾液會造成地下水的污染；焚燒，將能量回收用于供熱或發(fā)電[3-4]，不過焚燒尾氣會造成二次污染；排入水體消納則會造成江河上、下游及不同區(qū)域之間形成“先排出，后吸入”的惡性循環(huán)[5]。為實現(xiàn)給水污泥的減量化，走可持續(xù)發(fā)展道路，發(fā)展新型給水污泥資源化利用方式，對污泥處理與處置方法的研究成為新的熱點。

目前，常用的機械脫水方法可有效的去除污泥中的自由水，但難以去除毛細管水[6]。電滲是在電場的作用下，使吸附極性水分子的帶電顆粒定向移動而產(chǎn)生電滲透現(xiàn)象，從而達到加固軟土地基的目的。電滲法最初用于增強土壤的穩(wěn)定性和抗剪強度，后用于土壤的固結(jié)和加固[7]。近年來，一部分學者致力于將真空電滲技術應用于污泥脫水處理，并取得了一系列試驗成果[8]。

本實驗采用的真空電滲處理是通過真空－電滲的聯(lián)合作用來進一步降低處理成本和提高污泥中水分去除率的一種技術?，F(xiàn)有的研究大多數(shù)是關于真空電滲技術脫水效果影響因素的分析，而鮮有對其脫水機理的研究。為了深入闡述真空電滲技術固化給水污泥的機理，本實驗通過給水污泥粒徑、電導率隨電勢梯度的變化趨勢，解釋不同電勢梯度下產(chǎn)生不同脫水效果的原因。通過對比不同電勢梯度下污泥中結(jié)合水、鄰位水、毛細管水和自由水的含量變化闡述電勢梯度對真空電滲的影響。并進一步對比原污泥和真空電滲后污泥中結(jié)合水、鄰位水、毛細管水和自由水的含量變化闡述真空電滲脫水的機理。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

試驗所用給水污泥取自某自來水廠沉淀池，污泥基本性質(zhì)見表1。

表1 給水污泥基本性質(zhì)

1.2 實驗裝置

圖1 真空電滲試驗裝置示意

真空電滲脫水的實驗裝置見圖1。

試驗裝置包括3個矩形電滲污泥槽、9個打孔拉縫（寬度3 mm）不銹鋼管陰極電極、9個不拉縫不銹鋼陽極電極、3個圓柱形真空槽及1個高頻直流電源（RDX高頻開關電源PWH100A－36V－F）。 矩形電滲污泥槽為有機玻璃制（長×寬×高為400 mm×300 mm×250 mm）。實驗初期污泥的pH值由pH計（PHS－25）測得。在實驗中，電極豎直固定在污泥槽上部間距為200 mm的卡槽，不銹鋼管（管徑Φ=40 mm）陽極電極接正電，不銹鋼管陰極接負電。電極上拉縫用于排除電解氣體和水分，并在其表面包裹孔徑為5μm的土工布，用來攔截污泥顆粒。實驗過程中用真空泵（循環(huán)水式真空泵SHZ－Ⅲ）抽吸流向電極的電解質(zhì)溶液和電解產(chǎn)生的氣體，并通過真空壓力開關（MD－S800V）來控制真空抽吸時間。

1.3 實驗設計

3組泥樣在相同真空壓力（0.04～0.05 MPa）和相同真空時間（24 h）下測定污泥的含水率以及水分組成，并比較5組泥樣不同電勢梯度和不同電滲時間后的電滲脫水效果。采用直流高頻電流對污泥試樣進行恒電壓電滲脫水，分別在電勢梯度3.0，1.5，1.0 V/cm條件下電滲90 h，記錄電源數(shù)顯窗口顯示的電流值I，讀取電滲泥槽中泥樣高度，真空槽中水樣高度，泥樣pH值、電導率和zeta電位值，實驗結(jié)束后選取泥槽中間點泥樣測定污泥最終含水率以及水分組成。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同電勢梯度與含水率的關系

污泥表面帶負電荷，由于靜電引力，在水溶液中會吸引水中的陽離子吸附到污泥表面上，在靜電引力和熱運動的擴散作用下，污泥表面的負電荷與受污泥表面影響的反離子層形成雙電層，在電滲電流的作用下，水合陽離子會向陰極移動負載電流，并帶動周圍的自由水向陰極移動[9]。在真空24 h后，電過程中滲含水率隨時間變化見圖2。

圖2 污泥含水率隨時間變化

由圖2可知，隨著電勢梯度增大，污泥中的水分去除得更快，達到相同含水率的時間減少。電滲后期由于陽極的水向陰極移動，陽極附近的泥樣硬化干涸形成導電性很差的物質(zhì)，使污泥的電阻增大，后期含水率去除很慢。同時電極附近產(chǎn)生氣體，電極與污泥的接觸不好，電滲對于含水率的去除效果變差。電滲前期水分去除速率較快，故而電滲后期水分去除速率變緩，同時電滲大部分去除自由水和毛細管水，因此電滲最終含水率近似相同[10]。

2.2 電導率與含水率的影響

電導率隨時間變化見圖3。電滲過程中，在電勢差的作用下，陰陽離子向相反電極方向移動，即陰離子向陽極移動，陽離子向陰極移動[11]。而當陽離子向陰極移動的同時會拖曳水，使水向陰極移動。陰離子移動時也會帶動水的移動，但是污泥顆粒帶負電，則水中陽離子含量比較高，故水分主要向陰極移動。當電導率增大時，則污泥中水化陽離子含量比較高，電滲能力比較強，水分子移動比較快[12]。當電勢梯度為3 V/cm時，水化分子移動較快，離子去除量增多，電導率下降速度快，污泥水分去除更完全，有利于固化給水污泥。

圖3 電導率隨時間變化

2.3 污泥粒徑的影響

原污泥和真空電滲所得污泥樣品在掃描電子顯微鏡下觀察，可以看出在含水率降低時，污泥中絮體破壞，粒徑變小，使得部分金屬離子溶出，水合陽離子增加，在電滲作用下，拖曳更多水，使得污泥水分減少。給水污泥電鏡圖像見圖4。圖4（a）為原給水污泥電鏡圖像，污泥絮體較大，結(jié)構(gòu)比較疏松，水分含量大；圖4（b）為電滲結(jié)束后給水污泥的電鏡圖像，由于污泥中毛細管水被去除，絮體結(jié)構(gòu)緊密，表明電滲能夠有效固化給水污泥。

圖4 給水污泥電鏡圖像

2.4 水分組成的影響

污泥絮凝體中含有大量的水，根據(jù)水在絮凝體中的位置和功能不同，可將其劃分為結(jié)合水、鄰位水、毛細管水和自由水[13]。結(jié)合水參與形成污泥中生物量；鄰位水緊貼污泥顆粒表面；毛細管水存在于污泥絮凝體的毛細結(jié)構(gòu)中；自由水分布在污泥顆粒之間。在真空抽吸作用下，污泥受到當量的軸向壓力，污泥顆粒之間的空隙減小，又由于絮體的機構(gòu)穩(wěn)定性，污泥中的絮體被部分壓縮，使得真空后自由水和毛細管水減少[14]。而真空所產(chǎn)生的軸向壓力，不能影響污泥顆粒的電荷量，由電分子引力作用存在于污泥表面的鄰位水和結(jié)合水不能減少。而電滲為污泥提供了穩(wěn)定電場，使得污泥中水合離子在電場作用下向電極移動，在粘滯力下同時下同時帶動周邊的自由水，使得最終含水率降低。不同樣品的水分分布見圖5。

圖5 不同樣品的水分分布

3 結(jié)論

本實驗表明，真空和電滲主要去除的水分類型不同：真空去除的主要是自由水，而電滲主要去除的是毛細管水和鄰位水。由于真空抽吸時易導致孔洞的堵塞，脫水效果并不理想。污泥具有負電性，其表面吸附水層帶正電，在電場作用下由于離子的定向移動帶動水的遷移，使得脫水效果提高。結(jié)果表明，不同電勢梯度下電滲去除的水分類型不變，經(jīng)過長時間的電滲能達到相同的含水率，而電勢梯度越高下達到相同含水率的時間越短。