污泥電化學(xué)脫水研究進(jìn)展

趙學(xué)雷，霍志保，，蔡 俊

（1.上海交通大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240；2.上海海洋大學(xué) 海洋生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，上海 201306）

1 概述

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及人民生活水平的日益提高，每年會產(chǎn)生大量的污水，而在污水處理的各個階段都會產(chǎn)生大量含水率在95%～99.9%的不同性質(zhì)的污泥。目前污泥的主要處理技術(shù)有土地填埋、堆肥及土地利用、污泥焚燒等。我國污泥處理方式主要以填埋為主，部分污泥也會用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，因此，我國污泥處置相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求當(dāng)污泥含水率在60%以下時才能進(jìn)行后續(xù)處置利用，但是經(jīng)機械脫水處理后僅能將污泥含水率控制在80 %左右，遠(yuǎn)達(dá)不到我國污泥處置要求，因此，需要進(jìn)一步對污泥進(jìn)行深度脫水。目前普遍采用化學(xué)、物理等方法對污泥進(jìn)行預(yù)處理以改善其脫水性能，如投加大量高分子脫水絮凝劑利用其吸附、架橋等作用改善污泥沉降性能，施加一定機械壓力脫除部分自由水等，但是脫水效果依然不理想，且會增加脫水成本和能耗，產(chǎn)生二次污染等問題?，F(xiàn)急需開發(fā)一種新型污泥脫水技術(shù)，在盡量節(jié)省資源和費用的前提下達(dá)到較高的脫水率。

電滲透技術(shù)始于1809年Reuss 發(fā)現(xiàn)的電滲透現(xiàn)象，該技術(shù)最開始是應(yīng)用于土壤的原位修復(fù)中，除去土壤中的重金屬和有機污染物。由于電滲透脫水技術(shù)具有安全、高效、環(huán)保、無二次污染、脫水率高等特點，在合適的條件下均能使污泥含水率降低到60%以下，因此電滲透脫水技術(shù)近幾十年來逐漸成為眾多學(xué)者研究的熱點。

2 電滲透脫水原理

根據(jù)水在污泥絮體中的位置和功能可將水分為結(jié)合水、鄰位水、毛細(xì)管水和自由水。結(jié)合水參與形成污泥中生物量，通過氫鍵等化學(xué)鍵與污泥顆粒緊密結(jié)合，很難采用機械方法脫除，鄰位水緊貼污泥顆粒表面，毛細(xì)管水存在于污泥絮凝體的毛細(xì)結(jié)構(gòu)中，自由水分布在污泥顆粒之間，可在污泥顆粒間流動，通過離心、壓濾等機械手段較易脫除。

在一定環(huán)境下污泥顆粒表面會形成一種非水溶性的高分子聚合物，稱為胞外聚合物 （EPS），其組成較復(fù)雜，主要為多糖和蛋白質(zhì)，約占其總量的70%～80%，多糖富含親水性基團(tuán)，而蛋白質(zhì)富含疏水性基團(tuán)，當(dāng)污泥中蛋白質(zhì)/多糖比值較大時更利于污泥脫水。EPS 中含有羧基、羥基、磷酸基等帶負(fù)電的官能團(tuán)，使污泥絮體帶有一定的負(fù)電荷，在靜電引力和離子熱運動的共同作用下會吸引附近溶液帶相反電荷的離子而形成雙電層（Stern 電層），內(nèi)外電子層之間的電勢之差被稱為Stern 電位，常認(rèn)為Stern 電位等于Zeta 電位。當(dāng)施加一定電壓時會在污泥中形成電場，在電場力作用下負(fù)電離子向陽極移動，雙電層內(nèi)的反離子攜帶水分通過電滲作用向陰極移動，從而使水分向陰極遷移并排出，達(dá)到泥水分離的目的。

3 電滲透脫水的主要影響因素

污泥電滲透脫水是一個復(fù)雜的電化學(xué)過程，其對污泥脫水的效果受多方面因素共同影響，主要有常規(guī)因素、污泥本身性質(zhì)和其他因素等十幾種因素共同影響。

3.1 常規(guī)因素

3.1.1 電壓梯度

電壓是影響污泥電脫水的最主要因素之一，同時也是整個電化學(xué)脫水過程的驅(qū)動力。隨著電壓梯度的增加，電場變強，電滲透脫水驅(qū)動力增加，因此在適當(dāng)?shù)碾妷禾荻认挛勰嗝撍俾孰S電壓增加而加快，脫水率也相應(yīng)得到提高，但當(dāng)電壓過大時，電流增大，產(chǎn)生的歐姆熱使系統(tǒng)溫度升高，陽極端水分加速向陰極移動導(dǎo)致污泥迅速干化，電阻增加，消耗了大部分壓降致使陰極區(qū)域電壓降低，電場減弱，脫水驅(qū)動力減小，惡化脫水性能。魯子燁等研究了電壓強度對污泥電脫水效能的影響，說明一定范圍內(nèi)，污泥脫水性能隨電壓的增大而提高。韓瀟冉等利用脈沖電場代替恒定電場對污泥進(jìn)行電滲脫水的研究，當(dāng)脈沖信號占空比為50%左右時，脫水后污泥含水率在60%以下，且能節(jié)約能耗28.1%左右。Chen 等的研究表明，在一定電壓梯度范圍內(nèi)，污泥脫水效果與電壓呈正相關(guān)，隨著電壓梯度的增加脫水效果提高，但Yang 等利用動電技術(shù)對含油污泥脫水實驗中表明，在同等極板間距下電壓從20V 增加到30V 時污泥脫水率僅從51.9%提高到56.3%，但能耗卻增加1.5倍，因此從經(jīng)濟(jì)方面考慮不宜增加電壓，電壓梯度的增加對脫水效果影響不大。

3.1.2 極板間距

極板間距增大會使電場減弱，增加自由水的遷移時間而抑制電脫水效果，若極板間距過小，污泥中摻雜有導(dǎo)電固體，易造成陰陽極短路。馬德剛等指出極板間距的增大或減小均會降低污泥脫水效果，使底端污泥吸附更多水分而不利于電化學(xué)脫水。

3.1.3 機械壓力

電滲透脫水過程中適當(dāng)?shù)臋C械壓力有助于脫水效果提升，可以壓縮污泥顆粒，排除顆粒間自由水，有效降低能耗提升脫水性能。若壓力過大，污泥顆粒間隙急劇縮小，減少水分子遷移通道并增大運動阻力，最終影響污泥的脫水效果。Lee等的研究顯示，對于含水率較高的污泥，預(yù)先采用機械壓力脫除部分自由水，適當(dāng)降低污泥含水率，不僅能提高后續(xù)電滲脫水效果，而且能最大限度減少電力能耗，并通過實驗說明最合適的壓力為75kPa 左右。

3.1.4 污泥厚度

若污泥厚度過小，會導(dǎo)致陽極區(qū)域污泥迅速干化而導(dǎo)致電極與污泥間的有效接觸面積減小，使接觸電阻增加，脫水效果變差，而厚度過大，不僅加大了離子遷移的路程和阻力，而且也會加大污泥電阻，降低電流，最終導(dǎo)致污泥脫水率大大降低。尹協(xié)東等對電化學(xué)脫水影響因素的研究表明，污泥厚度減小，有利于脫水，一般情況下，被處理的污泥厚度不宜超過30mm。

3.1.5 電流密度

電流密度增加時，會加劇電極附近的電化學(xué)反應(yīng)，提高污泥中離子傳輸速度，提高脫水效率，但是隨著電流密度的增加，系統(tǒng)能耗也會隨之提高，因此必須根據(jù)實際情況確定合適的電流密度。Asheh 等研究表明，電脫水初期保持電流密度不變，水分去除速率呈線性規(guī)律增加，但后期脫水速率會有所降低。錢旭等在恒壓模式下對污泥進(jìn)行電脫水的實驗顯示，雖然增大電流密度能適當(dāng)提高污泥脫水率，但較大的電流也會使系統(tǒng)能耗大幅增加且在過程產(chǎn)生的歐姆熱會造成熱能浪費。程銀等通過對電滲脫水的研究將電脫水過程中電流分為有效電流和無效電流，有效電流為水分子向陰極遷移提供驅(qū)動力，無效電流無助于水分子的遷移，因此恒定電流下增大有效電流比例將有助于提高污泥脫水率。

3.2 污泥本身性質(zhì)

3.2.1 電導(dǎo)率

污泥電導(dǎo)率增大會在電場力的作用下擠壓污泥顆粒雙電子層，降低Zeta 電位，抑制電脫水效果，但是電導(dǎo)率增加同時也會加大電流，促進(jìn)電滲透脫水。Citeau 等的研究表明，活性污泥中隨著含鹽量的增加會使電脫水效果變差并產(chǎn)生抑制作用，證實了電導(dǎo)率過大會抑制污泥脫水性能這一結(jié)論。董立文等采用在污泥中添加Na2SO4以及用去離子水清洗等方式改變污泥電導(dǎo)率，研究了電導(dǎo)率對污泥脫水性能的影響，結(jié)果表明電導(dǎo)率對污泥脫水率影響有限，但卻能使能耗降低24%左右，并得出對于電導(dǎo)率低的污泥采用電滲透法脫水是比較經(jīng)濟(jì)的結(jié)論。

3.2.2 污泥pH

在電滲透脫水過程中，pH 的改變都會使污泥Zeta 電位的絕對值降低，降低電滲流量，使電脫水效果變差。Yeung 的研究顯示，陽極附近pH 降低會使Zeta 電位降低，甚至變?yōu)檎?，?dǎo)致電滲流反轉(zhuǎn)，促進(jìn)水分向陽極移動。季雪元等研究發(fā)現(xiàn)，在偏酸或偏堿條件下污泥的電脫水率均有所下降，而當(dāng)污泥pH 為中性時，電滲透脫水效果最好。另外，電脫水過程中由于水的電解會產(chǎn)大量H+和OH-，也會使污泥的pH 改變。

3.2.3 污泥初始含水率

污泥含水率與電滲透相互影響，含水率高時，電化學(xué)反應(yīng)強烈，脫水率較好，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，水分逐漸減少，污泥干化導(dǎo)致電阻增加，產(chǎn)生的歐姆熱也會加劇水分蒸發(fā)，導(dǎo)致脫水效果降低，且能耗也大幅增加。

3.2.4 Zeta電位

污泥的pH、離子濃度等因素都能影響污泥的Zeta 電位，Zeta 電位的增加會促進(jìn)污泥電滲透脫水效果，反之則會抑制污泥的電滲透脫水效果。Gazbar 等研究發(fā)現(xiàn)，污泥Zeta 電位隨電導(dǎo)率的減小而增大，電極反應(yīng)引起的pH 變化以及溶液中過高的離子濃度都會降低污泥顆粒的Zeta 電位進(jìn)而影響脫水效果。

3.3 其他因素

除了主要的常規(guī)因素和污泥本身性質(zhì)影響污泥脫水效果外，其他因素對電化學(xué)脫水性能的影響也有著不可忽略的作用，如絮凝劑、電極材料、產(chǎn)生的氣體、歐姆熱、濾布材料等。

3.3.1 絮凝劑的添加

絮凝劑分有機高分子絮凝劑和無機高分子絮凝劑兩大類，無機高分子絮凝劑主要是中和污泥中帶負(fù)電的膠體，壓縮雙電層，增強污泥微粒的凝聚性能，使微粒脫穩(wěn)凝聚而釋放結(jié)合水，實現(xiàn)固液分離，但投加量且大效果不佳。有機高分子絮凝劑對污泥顆粒起到吸附、架橋、交聯(lián)的作用，使污泥絮體體積凝聚變大，改善污泥沉降性能，提高污泥脫水效果。研究表明，在相同條件下，投加絮凝劑相比于不投加絮凝劑能夠大幅縮短達(dá)到相同脫水效果的時間，但是不能提高脫水效果。季雪元等研究了絮凝劑對污泥脫水性能的影響，絮凝劑的添加能增強污泥絮體的沉降能力，縮短沉降時間，改善脫水效果，也證明了以上結(jié)論。

3.3.2 電極材料

電化學(xué)處理過程中會在陽極發(fā)生電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象，所以要求陽極材料具有低電阻、耐壓、不易破損、無重金屬溶出的材料。陰極不會發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，使用導(dǎo)電性能優(yōu)良的金屬材質(zhì)即可。研究表明，不銹鋼和碳素鋼電極以及用鈦基金屬氧化物對電極表面進(jìn)行涂層具有較好的實用性。董立文[7]將鈦電極和不銹鋼電極與鈦涂層電極做了比較，表明鈦金屬涂層對于抗腐蝕作用表現(xiàn)出更為優(yōu)越的性能。劉陽等通過對電極材料的研究表明，常用的電極材料包括鋼、鋁、鐵等常規(guī)金屬，還有石墨以及網(wǎng)狀的RuO2/Ti（鈦涂釕）等也是理想的電極材料。王詩生等以石墨板為電極材料進(jìn)行電化學(xué)脫水，表明石墨電極也能對污泥電化學(xué)脫水起到良好的促進(jìn)作用。饒煒等設(shè)計了由絕緣材料包覆金屬板的新型絕緣性復(fù)合材料（PP/不銹鋼復(fù)合電極板）作為污泥電滲透脫水陰陽電極，在最佳工藝下，污泥含水率降至60%以下。

除此之外還有電解時間、產(chǎn)生氣體、歐姆熱、濾布材料、電極插入深度、污泥中離子種類等影響因素，但影響較小。王詩生和李佳欣等通過對電化學(xué)脫水的研究實驗得出了影響因素的強弱順序為：電壓梯度＞極板間距＞處理時間＞插入深度。李亞林等對電脫水的研究顯示，污泥厚度和絮凝劑的投加對污泥脫水率影響較為明顯，而機械壓力相較于兩者影響較小。楊濤等對污泥電滲透脫水技術(shù)的常規(guī)因素和污泥自身因素進(jìn)行了研究，結(jié)果和上述結(jié)果一致。藤辰亮等研究表明，在機械壓力較大、電壓較高以及污泥厚度較小時污泥脫水效果較好，在最優(yōu)條件時污泥含水率從83.5 %降低到58.7 %。也有研究表明，隨著電解時間的增長，電解電壓的增加，插入深度的增加，污泥比阻（SRF）值呈下降趨勢。

4 電化學(xué)聯(lián)合法污泥脫水技術(shù)

由于傳統(tǒng)污泥脫水技術(shù)不能將污泥的含水率控制在較為理想水平，因此，將電滲透技術(shù)和其他方法聯(lián)合來強化污泥脫水效果近年來也成為研究熱點。

4.1 電化學(xué)聯(lián)合化學(xué)法

Gharibi 等利用電凝和電解技術(shù)同時對污泥進(jìn)行脫水的研究表明，電凝有助于污泥絮體達(dá)到更高程度的崩解，同時保持較高的污泥脫水性。李亞林等采用電滲透聯(lián)合高級氧化工藝對污泥進(jìn)行脫水實驗，能將污泥含水率降低40%以上，且脫水后的泥餅較均勻，有利于后續(xù)處理。伍遠(yuǎn)輝利用高分子復(fù)合絮凝劑——聚丙烯酰胺和殼聚糖聯(lián)合電滲透技術(shù)對污泥進(jìn)行脫水研究，污泥的毛細(xì)吸水時間（CST）降至19.6s，污泥含水率降至68.4 %。黃殿男利用Ca（OH）2和電化學(xué)聯(lián)合法對污泥進(jìn)行脫水處理，在Ca（OH）2投加量15mmol/L，電解時間60min，電壓梯度5V/cm 下污泥含水率降至72.5 %。徐文迪利用電芬-頓聯(lián)合技術(shù)對污泥脫水進(jìn)行研究，芬頓通過產(chǎn)生強氧化劑·OH，破壞污泥結(jié)構(gòu)，釋放更多胞內(nèi)水，在pH為3，曝氣量為500mL/min，電壓梯度為2V/cm，處理時間為60min 條件下污泥含水率降到68%。傅金祥等通過投加堿對污泥進(jìn)行預(yù)處理研究預(yù)堿解-電化學(xué)法處理后污泥脫水性能的變化，在NaOH 投加16mL 時，污泥絮體結(jié)構(gòu)被氧化破解，胞內(nèi)物質(zhì)包括水分被釋放出來，從而提高污泥脫水率。盧寧等研究了NaNO3-電滲透結(jié)合法對污泥脫水的影響，NaNO3可增大污泥電導(dǎo)率，增大電滲電流，促進(jìn)水分子向陰極遷移，縮短了污泥脫水時間，提高了污泥脫水率。

4.2 電化學(xué)聯(lián)合物理法

Mahmoud 等將電滲透與機械壓濾相結(jié)合發(fā)現(xiàn)，在適當(dāng)?shù)臈l件下當(dāng)機械壓力在200～1200kPa 時，能將污泥脫水率提高45%左右。李里特等通過比較單獨電滲脫水、單獨機械壓力脫水和電滲透-機械聯(lián)合脫水法對污泥脫水的效果，表明聯(lián)合法相比于另外兩種單獨方法不僅顯著降低污泥含水率，而且能縮短污泥脫水時間。饒煒等利用電滲透-壓濾法相結(jié)合法在高壓脈沖電場下對污泥進(jìn)行脫水實驗，脈沖電場和機械壓力對污泥脫水具有協(xié)同作用，能將污泥含水率控制在60%以下，并能去除污泥中部分汞、銅、鉻等重金屬。藤辰亮[33]利用電滲透-負(fù)壓微波聯(lián)合技術(shù)對含油污泥進(jìn)行深度脫水實驗，真空度越高，微波功率越大，污泥干化效果越好，且微波能大幅縮短污泥干化時間，在最優(yōu)條件下能將污泥含水率降低到58.7%，相比于傳統(tǒng)熱干化工藝能大幅降低處理成本。譚林立將電滲脫水置于真空下能有效去除污泥中自由水和毛細(xì)管水，兩者聯(lián)合能夠提高電滲脫水性能。

4.3 電化學(xué)聯(lián)合生物法

目前關(guān)于電滲透聯(lián)合生物法污泥脫水的研究相對較少，這可能與生物法周期長、處理效果不佳、影響因素較多有關(guān)。閆曉彤將生物干化耦合和電滲透脫水技術(shù)結(jié)合起來對污泥進(jìn)行脫水研究，利用微生物高溫好氧呼吸作用產(chǎn)生的生物熱能蒸發(fā)電脫水后污泥剩余的水分，并通風(fēng)將剩余水分進(jìn)一步去除，結(jié)果表明，選取中薄濾布，電壓梯度為20V/cm，脫水時間為9min，污泥含水率在65%左右。

5 電滲透脫水技術(shù)存在的問題及解決方案

目前電滲透脫水中普遍采用的是垂直電場外加機械壓力的電化學(xué)脫水模式，但是在垂直電場電滲透脫水過程中，接近上部電極附近污泥含水量初期迅速降低，污泥含水率快速降低，極板有效接觸面積減小，電阻升高，而且電解過程中由于電解水會在陽極產(chǎn)生H2，陰極產(chǎn)生O2，氣體附著在極板之上形成空氣層進(jìn)一步減小污泥和極板接觸面積，產(chǎn)生接觸電阻，導(dǎo)致電壓大部分被分配到陽極，而陰極端電壓減小，污泥脫水驅(qū)動力減小，脫水效果下降甚至停止脫水，進(jìn)而影響污泥整體脫水效果。電滲透過程中由于電流作用會產(chǎn)生歐姆熱，使系統(tǒng)溫度上升蒸發(fā)部分水分，加劇污泥干化，降低污泥導(dǎo)電能力導(dǎo)致脫水停止。由于電滲透脫水發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，會造成陽極材料腐蝕而消耗陽極材料，電解水產(chǎn)生的H+會降低陽極pH，也會加劇陽極材料腐蝕，使電脫水成本提高。為了緩解這些問題，研究者大多采用交變電場、多段電極脫水、調(diào)節(jié)污泥性質(zhì)以及電化學(xué)聯(lián)合其他方法等措施，利用交變電流產(chǎn)生交變電場，水平電場代替垂直電場，物理化學(xué)法預(yù)處理改變污泥性質(zhì)等來改善或避免以上問題。

肖秀梅等利用動電技術(shù)對污泥脫水時，在陽極板開有小孔來配合采用FA 法（陽極固定，隨污泥床的移動向陰極靠近）和AA 法（處理每隔一定時間，將陽極抽出并向陰極逼近）對污泥脫水，可將污泥含水率降低到55%左右。周加祥等采用水平電場對污泥進(jìn)行電脫水，能避免產(chǎn)生的氣體附著在極板之上產(chǎn)生接觸電阻，能顯著提高污泥脫水效率。馬德剛采用兩個同心圓電極板作為陰陽極產(chǎn)生環(huán)狀電場代替平板電場對污泥進(jìn)行電脫水實驗，結(jié)果表明，環(huán)狀電場較平板電場能更有效對污泥進(jìn)行脫水，在脫水時間為9min、外加電壓為40V的條件下污泥含水率由84.5%降至68.1%，污泥體積縮小一半。

6 電化學(xué)處理后對污泥形態(tài)的影響

為研究電化學(xué)脫水后污泥顆粒的結(jié)構(gòu)變化，利用SEM 電子顯微鏡等對處理前后污泥顆粒進(jìn)行了掃描，觀察到電化學(xué)脫水前污泥顆粒有著較為完整的菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)，外部EPS 包裹著大量自由水，而電化學(xué)處理后，菌膠團(tuán)和EPS 結(jié)構(gòu)被破壞，使得污泥脫水性能得到改善，當(dāng)電壓過大時，EPS 和污泥顆粒被破碎成具有更大比表面積的細(xì)小顆粒，更容易與水結(jié)合，使污泥脫水性能惡化。藤辰亮和曾麗等分別利用電鏡和原子力顯微鏡（AFM）觀察電滲透處理后含油污泥，也觀察到相同現(xiàn)象。

7 結(jié)束語

電滲透脫水工藝較傳統(tǒng)脫水工藝具有低能耗、高效率、無二次污染等天然獨特的優(yōu)勢，被稱為環(huán)境友好型污泥脫水技術(shù)，在我國未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展中有著廣闊的發(fā)展前景和市場；但是我國對于電化學(xué)脫水工藝的研究并不多，大多停留在理論研究階段，還沒有進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用，因此，未來的發(fā)展應(yīng)著重于電化學(xué)脫水的應(yīng)用研究，綜合國內(nèi)外的研究成果和技術(shù)經(jīng)驗，開發(fā)研究相關(guān)設(shè)備，開發(fā)出適合我國國情的技術(shù)路線和設(shè)備。