污泥的弱超聲電滲透脫水技術(shù)的分析

崔 建，魯 偉，吳費(fèi)強(qiáng)，熊智勇

（浙江歐可美科技股份有限公司，杭州 310051）

污泥處理是對(duì)污水處理過程中產(chǎn)生的污泥殘余物進(jìn)行減量化、穩(wěn)定化以及無(wú)害化處理的過程。在現(xiàn)代化的污水處理廠中，污泥的處理以及處置逐漸成為污水處理系統(tǒng)中最為復(fù)雜的一環(huán)，污泥是由污水中的固體物質(zhì)、處理中產(chǎn)生的固體物質(zhì)共同組成的，成分十分復(fù)雜。

1 常見污泥處理方法

1.1 污泥機(jī)械脫水

我國(guó)污水廠的傳統(tǒng)工作流程是：剩余污泥→儲(chǔ)泥池→濃縮池→機(jī)械脫水→泥餅→污泥最終處置。在世界范圍內(nèi)，各國(guó)普遍采取的污泥脫水方式是污泥機(jī)械脫水。機(jī)械脫水的處理原理是利用過濾介質(zhì)兩側(cè)產(chǎn)生的壓力差，將其作為推動(dòng)力，使污泥水分經(jīng)過過濾介質(zhì)形成濾液，固體顆粒就被截流在介質(zhì)上，形成了濾餅，從而實(shí)現(xiàn)污泥的脫水。在機(jī)械脫水環(huán)節(jié)，壓力差的形成極為重要，一是可以通過污泥本身重力的靜壓力產(chǎn)生壓力差，二是利用過濾介質(zhì)的一面造成負(fù)壓，三是在污泥介質(zhì)上作用正壓，四是通過離心的過程造成離心力。

污泥脫水處理技術(shù)最主要的機(jī)械設(shè)施包括有帶式脫水機(jī)、離心脫水機(jī)以及板框壓濾機(jī)，其中帶式脫水機(jī)應(yīng)用最為廣泛。帶式脫水機(jī)的特點(diǎn)是可調(diào)節(jié)性能較強(qiáng)，對(duì)于不同的工作環(huán)境、工作需求都有極高的適應(yīng)能力，但是它是一種半封閉機(jī)械，所以在處理過程中污泥產(chǎn)生的氣味較大，工作環(huán)境較為惡劣。離心脫水機(jī)具有工作環(huán)境整潔、狀態(tài)密封、防止污泥氣味擴(kuò)散等優(yōu)點(diǎn)，卻極易受到污泥負(fù)荷的影響，運(yùn)行成本較高，對(duì)工作人員的技術(shù)水平也有一定要求。板框壓濾機(jī)在構(gòu)造上十分簡(jiǎn)單，工作質(zhì)量較高，但是運(yùn)行時(shí)間太長(zhǎng)，工作效率較低。

1.2 污泥干化技術(shù)

污泥處理方法主要分為衛(wèi)生填埋、焚燒、土地利用等方式，機(jī)械脫水后污泥的含水量仍高達(dá)80%左右，還需要進(jìn)一步的脫水處理才能滿足處理要求。采用衛(wèi)生填埋方式時(shí)，污泥含水量必須控制在50%以下，進(jìn)行土地利用的污泥則需要將含水率控制在40%以下。所以，在進(jìn)行脫水處理后，還需要開展進(jìn)一步的干化處理。污泥干化技術(shù)主要有熱干化、微波加熱干化、超聲波干化、生物干化、太陽(yáng)能干化等，其中應(yīng)用最為普遍的是熱干化技術(shù)。

顧名思義，熱干化技術(shù)就是利用加熱的方法，水解污泥中含有的黏性有機(jī)物，通過破壞污泥的絮體結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)污泥脫水性能、厭氧消化性能的改善。污泥熱干化通過污泥表面水分汽化和內(nèi)部水分?jǐn)U散來(lái)進(jìn)行，這兩種過程交替存在，從而實(shí)現(xiàn)污泥熱干。污泥與熱介質(zhì)的接觸方式分為三種，使得污泥熱干化也分為三類。

一是直接加熱式，其將污泥和熱介質(zhì)混合在一起，直接進(jìn)行加熱。這種加熱方式可以簡(jiǎn)化熱干污泥的速度，同時(shí)卻造成熱介質(zhì)的污染。其間產(chǎn)生的廢水、廢氣需要經(jīng)過凈化才能排放，無(wú)形中增加了污泥處理成本。二是間接加熱式，指的是將燃燒爐產(chǎn)生的熱氣通過熱介質(zhì)加熱容器壁，從而使內(nèi)部的污泥介質(zhì)得到加熱。這種方式的最大優(yōu)點(diǎn)就是介質(zhì)無(wú)污染化，可以多次循環(huán)使用，成本較低，但是容器壁阻礙了熱傳輸，降低了效率和揮發(fā)速率，所以它也存在缺陷。三是直接-間接聯(lián)合式，它是一種對(duì)流與傳導(dǎo)熱干化技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)。熱干化技術(shù)作為污泥處理的主要方式，不斷跟隨科技的發(fā)展得到進(jìn)步。

2 電滲透污泥脫水技術(shù)

2.1 電滲透污泥脫水技術(shù)原理

電滲透污泥脫水技術(shù)的原理是利用電場(chǎng)的作用對(duì)原有的傳統(tǒng)脫水技術(shù)進(jìn)行改造，從而實(shí)現(xiàn)污泥脫水處理效果的改善、工作成本降低、工作速度提升等。電滲透污泥脫水技術(shù)是一種復(fù)合技術(shù)，這種技術(shù)處理后的污泥含水量可以控制在50%～60%，相較于傳統(tǒng)的熱干化技術(shù)，每去除1 m3水，可以節(jié)省60～460 kW·h的電能。

直流電場(chǎng)經(jīng)過污泥介質(zhì)時(shí)，污泥內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象，如電滲析、電泳、電遷移和電化學(xué)反應(yīng)。電滲析是指各種雜質(zhì)顆粒的雙電子層中，電場(chǎng)力與毛細(xì)管力的一種動(dòng)態(tài)平衡。而電泳作用就是在污泥雜質(zhì)受到電場(chǎng)作用時(shí)，其中帶有負(fù)電荷的顆粒由陽(yáng)極流向陰極的作用。電遷移則是指污泥介質(zhì)中各種離子的運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)與離子本身特點(diǎn)相關(guān)。電化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生主要依賴的是電極材料與介質(zhì)中存在的離子[1]。

2.2 電滲透污泥脫水技術(shù)研究現(xiàn)狀

目前，電滲透污泥脫水技術(shù)取得了一定的成就與突破。董立文把電滲透脫水技術(shù)應(yīng)用于造紙污泥的處理分解中，分別改變電壓的梯度、泥餅的實(shí)際厚度以及機(jī)械壓力強(qiáng)度，經(jīng)過20 min的試驗(yàn)后，得出了脫水的最優(yōu)條件[2]。根據(jù)試驗(yàn)條件和脫水對(duì)象的不同，人們發(fā)現(xiàn)，污泥性質(zhì)與污泥脫水技術(shù)存在較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。

2.3 電滲透污泥脫水技術(shù)存在的問題分析

在電滲透污泥脫水技術(shù)應(yīng)用中，目前仍存在一些問題，影響污泥脫水的效果。有些情況下，沒有達(dá)到預(yù)期含水率，脫水就會(huì)突然終止。影響電滲透污泥脫水技術(shù)因素主要有以下幾點(diǎn)。首先，在脫水工作中，陽(yáng)極接近的污泥介質(zhì)含水率會(huì)迅速降低，出現(xiàn)不飽和層。這部分電阻由于污泥介質(zhì)的破裂而增加，消耗更多的電量。這就導(dǎo)致在陰極附近進(jìn)行物理反應(yīng)的污泥介質(zhì)電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸減小，引發(fā)脫水故障。增加的電阻不僅增加耗電量，還產(chǎn)生許多無(wú)用功，浪費(fèi)資源，提升成本。其次，在污泥介質(zhì)受電影響后，電極附近會(huì)產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，生成導(dǎo)致污泥內(nèi)部連通介質(zhì)損毀的氣體。這也會(huì)造成電阻增大，導(dǎo)致能量浪費(fèi)，同時(shí)阻礙脫水過程。多種原因的綜合作用，導(dǎo)致電滲透脫水技術(shù)不能有效降低應(yīng)用成本，反而造成能源損耗。綜上，污泥內(nèi)部的電滲透作用會(huì)快速衰減，含水率無(wú)法達(dá)到要求效果，從陽(yáng)極到陰極逐漸增加，用更多的電能卻無(wú)法產(chǎn)生更好的效果，這就是電滲透脫水技術(shù)雖然十分先進(jìn)但無(wú)法大范圍推廣的原因。為此，人們不斷進(jìn)行探索，尋求解決措施。

3 超聲波污泥處理技術(shù)

3.1 超聲波污泥處理技術(shù)原理

超聲波指的是一種在20 kHz～10 MHz頻率范圍內(nèi)的聲波，這種聲波具有一定的能量，被廣泛應(yīng)用在洗滌、切割、鉆孔等工業(yè)活動(dòng)中，如污泥處理。在污泥處理中，超聲波的使用方式主要有以下幾種：一是利用污泥絮體之間存在的空隙進(jìn)行作用，這種空隙中存在大量水分和氣泡，在超聲波的影響下，氣泡會(huì)逐漸長(zhǎng)大，使得水分被擠出，產(chǎn)生脫水效果。二是聲波產(chǎn)生了空化作用，在超聲波影響下，污泥內(nèi)部局部出現(xiàn)拉應(yīng)力形成負(fù)壓，原本融在水中的氣體就會(huì)在壓力作用下溢出，產(chǎn)生大量小氣泡。三是利用超聲波將溶解對(duì)象內(nèi)部部分胞外聚合物釋放出來(lái)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)脫水的效果。在應(yīng)用中，最適合進(jìn)行污泥脫水凈化處理的聲波是20～100 kHz的低頻超聲波，這種聲波不僅可以把污泥內(nèi)部的水分排出，還可以提升污泥的沉降性，使污泥在處理后仍可以保持較大的顆粒[3]。但是，一旦處理時(shí)間過長(zhǎng)，就會(huì)使污泥菌膠團(tuán)徹底被破壞，導(dǎo)致細(xì)菌細(xì)胞壁破裂，這樣不僅不能有效脫水，還會(huì)使得其顆粒變小而吸收更多水分。因此，在開展超聲波污泥脫水處理工作時(shí)，必須計(jì)算好適宜的聲波強(qiáng)度、聲波頻率和處理時(shí)長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)有效脫水，避免脫水困難。

3.2 超聲波污泥處理技術(shù)研究現(xiàn)狀與問題

運(yùn)用超聲波進(jìn)行污泥處理時(shí)，具體結(jié)果會(huì)受到超聲波使用方法的影響。超聲波處理污泥時(shí)，能量低、時(shí)間少，雖然有助于脫水工作，卻由于強(qiáng)度不夠?qū)е录?xì)胞沒有被充分分解，使得污泥的可生化性沒有得到改善。污泥的毛細(xì)吸水時(shí)間在不同的超聲波作用下不盡相同，研究表明，污泥毛細(xì)吸水時(shí)間越小，則代表污泥的脫水性能越好，反之則代表脫水性能較差[4]。污泥中結(jié)合水具體含量也與污泥脫水性能具有潛在的關(guān)系，污泥的脫水性能與結(jié)合水含量也呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)，結(jié)合水含量越少，脫水容易程度越高。相關(guān)試驗(yàn)表明，在高強(qiáng)度的超聲波作用下，污泥顆粒尺寸降低，增加表面積和結(jié)合水含量，導(dǎo)致脫水性能降低。一般來(lái)說，在污泥的毛細(xì)吸水時(shí)間小于20 s時(shí)，這時(shí)的效果接近于最佳脫水性能。最適宜污泥脫水工作的超聲頻率在10～20 kHz，當(dāng)能量超出合理范圍時(shí)，污泥毛細(xì)吸水時(shí)間增加，影響脫水工作的正常進(jìn)行。

4 結(jié)論

污泥處理的高效便捷，會(huì)使得污水處理整體過程實(shí)現(xiàn)質(zhì)量的提升。在經(jīng)濟(jì)、技術(shù)不斷發(fā)展的當(dāng)代，人們應(yīng)該研制更為先進(jìn)的污泥處理技術(shù)，不僅要做到污泥處理速度快，還要做到對(duì)各種污泥雜質(zhì)進(jìn)行有效處理。電滲透脫水后的污泥含固率高，容量和體積都大大降低，為污水廠處理處置工作提供了安全經(jīng)濟(jì)的方案。

參考文獻(xiàn)

1 馬德剛，翟 君，柯 忱.超聲輔助對(duì)污泥電脫水的特性改性研究[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2015，9（8）：3991-3996.

2 董立文，張鶴清，汪誠(chéng)文.造紙污泥的電滲透脫水效果[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2012，6（11）：4185-4190

2 馬德剛，柯 忱，翟 君.環(huán)狀固定電場(chǎng)對(duì)市政污泥的電脫水特性[J].中國(guó)給水排水，2014，30（13）：42-45.

3 馮 源，詹良通，陳云敏.城市污泥電滲脫水實(shí)驗(yàn)研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2012，32（5）：1081-1087.