電化學(xué)聯(lián)合酸法對污泥脫水性能的影響

李瑞玉，俞 強(qiáng)*，楊 震

（華北理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，河北 唐山 063210）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和工業(yè)化的加速進(jìn)程使得生活用水和工業(yè)用水量大幅度增加，從而污水處理廠超負(fù)荷運(yùn)行，污泥產(chǎn)量越來越多[1]。截至2019年，全國污泥年產(chǎn)量約四千萬噸[2]，由于其含水量達(dá)到95%以上[3]且具有親水性，所以給污泥脫水過程造成了很大阻礙。剩余污泥如若處理不當(dāng)很容易對環(huán)境造成二次污染[4]，因此如何能使污泥脫水效率提高成為污泥處理的首要問題。

目前已有的脫水技術(shù)研究有表面活性劑和酸處理的聯(lián)合調(diào)理、高鐵酸鉀和微波的協(xié)調(diào)作用、生石灰和超聲波的聯(lián)合使用和冷凍技術(shù)聯(lián)合化學(xué)調(diào)理等[5]。Marcin和Bien等人研究了電磁場和化學(xué)調(diào)理后污泥的脫水性能，結(jié)果顯示，兩者共同的作用效果比單獨(dú)作用要明顯，說明磁場對污泥脫水性能有改善[6-7]。李煥文等用超高溫好氧發(fā)酵處理技術(shù)，在最佳條件下污泥含水率由81.3%降至 29.7%[8]。

如今廣泛采用的脫水方法是機(jī)械脫水和調(diào)理劑相結(jié)合的工藝[9]，但該方法存在藥劑隨污泥棄置后潛在的二次污染問題，因此污泥脫水技術(shù)需要更新和發(fā)展。電化學(xué)處理技術(shù)降解污染物的效果十分顯著[10-11]。周貞英等用電化學(xué)處理法，在最優(yōu)的工藝下CST下降了35.5%[12]。電化學(xué)處理技術(shù)有實(shí)用性好、靈敏度高、污染影響相對較低、可操作性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，如果另外結(jié)合加酸對污泥的調(diào)理作用，兩種方法可以在原來的基礎(chǔ)上互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢最大化。因此為污泥脫水技術(shù)提供了一個(gè)更有效的發(fā)展方向。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)的污泥來自河北唐山市南堡污水處理廠的二沉池回流污泥，取回污泥后待其穩(wěn)定后測定脫水指標(biāo)，結(jié)果為：污泥含水率96%、離心后含水率84.26%、毛細(xì)吸水時(shí)間380s。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

以圓柱形玻璃作為電化學(xué)處理裝置，反應(yīng)器內(nèi)徑20cm，高度20cm；兩個(gè)石墨極板（10cm×10cm） 通過切割處理的格尺固定于反應(yīng)器內(nèi)，然后將兩塊極板與電源（兆信 KXN-6020D穩(wěn)壓直流電源）連接，組成整套實(shí)驗(yàn)裝置。

1.3 試驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)時(shí)，在圓柱形反應(yīng)器中加入適當(dāng)?shù)奈勰?，然后加入硫酸調(diào)節(jié)pH，選取電壓開啟電源進(jìn)行電解實(shí)驗(yàn)，根據(jù)影響因素的改變進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)測定表征污泥性質(zhì)的指標(biāo)：污泥含水率（Wc）、毛細(xì)吸水時(shí)間（CST）。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 pH值對污泥脫水性能的影響

為了討論pH值對污泥脫水性能的影響，在實(shí)驗(yàn)過程中，調(diào)節(jié)極板附近的pH值分別為2、3、4、5、6，使極板插入深度為6cm、極板間距為6cm，設(shè)置電解電壓為15V、電解時(shí)間為30min。對污泥進(jìn)行電化學(xué)處理并測定含水率和毛細(xì)吸水時(shí)間，結(jié)果如圖1所示。

圖1 pH對污泥含水率和CST的影響

污泥含水率、CST都隨pH呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。當(dāng)pH＜4時(shí)，酸性過強(qiáng)，不利于污泥胞外聚合物的瓦解，污泥脫水效果不是很好。pH＞4時(shí)，酸性變?nèi)?，在弱酸的外在液體環(huán)境中很難對污泥細(xì)胞產(chǎn)生作用，胞內(nèi)聚合物難以釋放出來，污泥脫水效果不顯著。即pH=4時(shí)污泥脫水效果最好。

2.2 極板插入深度對污泥脫水性能的影響

為了討論極板插入深度對污泥脫水性能的影響，調(diào)節(jié)極板pH為4，改變極板插入深度分別為2cm、4cm、6cm、8cm、10cm，其他條件保持不變。對污泥進(jìn)行電化學(xué)處理并測定含水率和毛細(xì)吸水時(shí)間，結(jié)果如圖2所示。

圖2 插入深度對污泥含水率和CST的影響

隨著極板插入深度不斷增加，含水率、CST均呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢。當(dāng)極板插入深度小于6cm時(shí)，兩個(gè)極板間相對面積較小，電化學(xué)作用條件下，污泥細(xì)胞被破解的程度小，隨之脫水性能變差。當(dāng)其大于6cm時(shí)，兩極板之間接觸污泥較多，使得電路的電阻增加、電流減小，所以產(chǎn)生的自由基減少，脫水效果降低。即插入深度6cm是脫水的最好條件。

2.3 極板間距對污泥脫水性能的影響

為了討論極板間距對污泥脫水性能的影響，實(shí)驗(yàn)設(shè)置pH為4，調(diào)節(jié)極板插入深度6cm，改變極板間距依次為 2cm、4cm、6cm、8cm、10cm，設(shè)置電解時(shí)間為30min、電解電壓為15V。對污泥進(jìn)行電化學(xué)處理并測定相應(yīng)指標(biāo)，結(jié)果如圖3所示。

圖3 極板間距對污泥含水率和CST的影響

隨極板間距的增大，含水率、CST數(shù)值先下降后升高。當(dāng)極板間距＞6cm時(shí)，由于隨著極板間距增加，極板間的電阻也增加，穿過污泥的電流變?nèi)酰瑔挝粫r(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的自由基減少，導(dǎo)致污泥脫水性能變差。當(dāng)極板間距＜6cm時(shí)，極板之間的污泥較少，電化學(xué)對污泥的破解作用較間距6cm時(shí)減弱，因此脫水效果不顯著。即最佳極板間距為6cm。

2.4 電解電壓對污泥脫水性能的影響

為了討論電解所用電壓對污泥脫水性能的影響，調(diào)節(jié)pH為4、極板插入深度6cm、極板間距6cm，設(shè)置電解時(shí)間為30min，改變電解電壓分別為5V、10V、15V、20V、25V，對污泥進(jìn)行電化學(xué)處理并測定相應(yīng)指標(biāo)，結(jié)果如圖4所示。

圖4 電解電壓對污泥含水率和CST的影響

隨著電壓逐步升高，含水率和CST均呈現(xiàn)先下降后升高的趨勢。當(dāng)電壓＜15V時(shí)，隨著電壓的增大，產(chǎn)生的中間體越來越多，從而破壞污泥結(jié)構(gòu)使其表面水釋放，脫水效果越來越好。當(dāng)電壓達(dá)到15V時(shí)，效果達(dá)到最優(yōu)。電壓＞15 V時(shí)，自由基作用于污泥顆粒使其破解過度，隨之增大了污泥比表面積，水分子相互結(jié)合更充分，更不易脫去。即最佳電解電壓為15V。

2.5 電解時(shí)間對污泥脫水性能的影響

為了討論電解時(shí)間對污泥脫水性能的影響，實(shí)驗(yàn)設(shè)置pH為4，極板插入深度、極板間距均為6cm，改變電解時(shí)間為10min、20min、30min、40min、50min，電解電壓為15V。對污泥進(jìn)行電化學(xué)處理并測定污泥含水率和毛細(xì)吸水時(shí)間，結(jié)果如圖5所示。

圖5 電解時(shí)間對污泥含水率和CST的影響

隨著處理時(shí)間的增加，含水率和CST均先降低后升高。當(dāng)電化學(xué)處理時(shí)間為30min時(shí)數(shù)值最小，分別為76.64%、218s，同原污泥相比含水率降低9.04%，CST減少了42.6%。電解時(shí)間與自由基含量成正相關(guān)，自由基會破壞污泥的絮體結(jié)構(gòu)，從而使其水分易于脫去。當(dāng)電解時(shí)間為30min時(shí)達(dá)到最優(yōu)。之后自由基含量過多，導(dǎo)致污泥結(jié)構(gòu)被破壞程度過大，從而脫水困難。即最佳電解時(shí)間為30min。

3 結(jié)論

利用單因素法得到電化學(xué)聯(lián)合酸對污泥脫水性能的最適宜條件是：極板間距6cm，極板插入深度6cm，電解時(shí)間30min，電解電壓15V，pH為4。在此條件下同原污泥相比含水率降低9.04%，CST下降了42.6%，電化學(xué)聯(lián)合酸法改善污泥的脫水性能的效果十分顯著。