電絮凝法調理剩余污泥CST的影響因素分析

施 欽，劉宇川，譚學才，劉紹剛，黃政邦，敬 康，李 楠

（1.廣西民族大學材料與環(huán)境學院，廣西 南寧 530008；2. 廣西民族大學化學化工學院，廣西 南寧 530008；3.華鴻水務集團有限公司，廣西 南寧 530000）

活性污泥法是應用極為廣泛的污水處理技術，但在處理污水時會產生大量的剩余污泥。污泥的含水率高，體積龐大，會造成運輸和處理上的極大困難，因此污泥脫水減量化是其無害化處理的關鍵步驟。當前，發(fā)展污泥調理技術，對污泥進行預處理，改善污泥的脫水性能，是污泥脫水減量化的重要研究方向。國內外學者研究較多的污泥調理技術，有物理調理（熱處理、微波、超聲波、磁場等）、化學調理（絮凝劑、助凝劑、氧化劑等）、微生物絮凝劑及聯(lián)合調理[1-5]等。這些技術都有一定的局限性，例如成本較高、脫水效果差、會造成二次污染等。電絮凝是一種兼具化學絮凝和電化學技術特點的環(huán)境友好型技術，因具有泥量少、裝置簡單易操作、無二次污染等特點，已成為水處理工藝的研究熱點[6-10]。電絮凝過程通過外加電場而發(fā)生電化學反應，在電化學氧化還原的作用下，胞外聚合物（EPS）和微生物細胞有機會被破解，釋放出毛細水和結合水，再通過絮凝作用，將泥和水進行分離[11]。電絮凝在污泥調理領域有著廣泛的應用前景，是污泥脫水的新途徑和新方法，但是目前電絮凝在污泥調理方面的應用研究接近空白。

毛細吸水時間（CST）測試主要用于確定污泥絮凝之后的過濾性能[12]，具有快速、簡單、能準確反映污泥脫水性能變化等優(yōu)點，是公認的污泥脫水性能測試方法[13]。曾麗等人[14]以CST作為衡量污泥預處理中脫水性能的指標，研究了電解電壓、極板間距、電解質種類、電解質投加量等因素對電化學預處理市政污泥的影響。張洛紅等人[15]以CST作為污泥脫水性能的評價指標，對顯著影響污泥脫水性能的絮凝劑的添加條件進行了優(yōu)化。Bień等人[16]以CST為污泥脫水性能指標，分析了不同的化學試劑對經超聲處理的污泥的處理效果。依據CST，可在生產現(xiàn)場快速了解污泥性質的變化，有助于操作人員根據實際測出的污泥脫水性能的變化情況，及時調整工藝參數，從而發(fā)揮最佳效益。

極板材料是電化學過程中最重要的影響因素[17]。本文以CST為指標，分別采用Fe電極和Al電極，探索電絮凝法處理剩余污泥的脫水效果，考察了極板間距、電解質種類、電壓大小、曝氣情況等因素的作用效果并分析了機理。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗所用污泥采自南寧市某污水處理工程A2/O工藝中的剩余活性污泥，含水率約99.1%。污泥取樣后2h內運回實驗室，置于4℃下保存?zhèn)溆?，存留時間少于 72 h。

1.2 實驗裝置

本實驗采用的電絮凝反應裝置是自制的矩形有機玻璃容器，容積為250mL。陰陽電極板選用1對Al電極板或Fe電極板，尺寸為48mm×9mm。電源采用DH1766-1型直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源，攪拌設備為JB-1型磁力攪拌器。CST測試儀為Triton 3048型圓筒形直通式CST測試儀。

1.3 實驗方法

量取200mL剩余污泥放入反應器中，插入電極板后接通電源，每隔一定時間取樣測試污泥的CST。研究不同的極板間距（1、2、3、4、5cm）、電解質種類（NaCl、NaOH 和 Na2SO4）、電壓（5V、10V、15V、20V）、反應時間等因素對CST的影響。

2 結果與分析

2.1 極板間距的影響

在電壓5V、不投加電解質的條件下，考察極板間距對污泥CST的影響。由圖1可見，極板間距對污泥CST的影響較大，不同電極的極板間距對污泥CST的影響不同。總體來說，CST隨著電解時間的延長而變大，說明污泥中的水分含量減少。極板間距能夠影響電化學體系中的電場強度，進而影響污泥的破解程度[18]。對于Al電極，極板間距為4cm和5cm時，電解時間40 min內，CST沒有太大的變化，說明極板間距較大時，電場強度較弱，不利于污泥的破解[19]。Al電極的極板間距較小時（1cm和2cm），CST先增大后減小，這是由于電解加劇了水的分解，使得CST增大，隨后菌膠團持續(xù)被破解而釋放水分，使得CST減小，但是反應過于劇烈，大量污泥被氣泡帶出，導致了污泥流失；而Al電極的極板間距為3cm時，反應較為穩(wěn)定。圖1(b)中，CST值的變化很大，說明使用Fe電極時，反應較為劇烈且不穩(wěn)定，當極板間距為3cm時，F(xiàn)e電極在各個時間點的CST值均高于Al電極，說明Fe電極對污泥的調理效果并不理想，穩(wěn)定性較差。

圖1 不同極板間距下電絮凝處理對污泥CST的影響

2.2 電解質種類的影響

添加電解質可增加污泥的導電率，從而提高處理速率。在電壓為10V、極板間距為3cm的條件下，研究了不同的電解質（NaCl、NaOH和Na2SO4）對CST的影響。如圖2所示，投加等量的電解質（0.1g·L-1）時，NaOH會使溶液呈堿性，從而促進電絮凝反應。Al電極和Fe電極的CST增大，說明產生了大量的絮體，反而增大了污泥的含水率。此外，偏酸條件不利于電絮凝過程的進行[20]，因此采用電絮凝調理污泥時無需調整pH。投加NaCl和Na2SO4之后，CST值的變化不大，說明NaCl和Na2SO4對CST的影響不大。NaCl廉價易得，因此選擇NaCl作為電解質較為合適。

圖2 不同的電解質電絮凝處理對污泥CST的影響

2.3 電壓的影響

控制反應時間為40min，極板間距為3cm，投加0.1 g·L-1的 NaCl，考察了不同的電壓（5、10、15、20 V）對CST的影響，結果如圖3所示。在所有電壓下，F(xiàn)e電極的CST值均隨電解時間的延長，呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。其中，電壓為20V時，F(xiàn)e電極的CST值下降至最低20.7s，可見在電壓較高的情況下，脫水性能得到了明顯改善。值得注意的是，電解時間大于30min后，Al電極的CST值（5V和10V）出現(xiàn)了大幅上升象，原因可能是污泥在電絮凝調理之后，釋放出的水分再被電解掉，使得污泥中自由水分的含量降低。當電壓增大到15V和20V時，Al電極的CST值分別下降至18.5s和16.1s。但是20V的耗能高，并會產生大量氣泡溢出反應器，因此，綜合考慮調理效果和穩(wěn)定性，最佳反應電壓為15V。整個反應過程中，在各個電壓下經Al電極處理的污泥，均表現(xiàn)出更低的CST值，說明Al電極的污泥調理效果較好。

圖3 不同電壓下電絮凝處理對污泥CST的影響

2.4 反應時間的影響

為了進一步分析電絮凝調理污泥的過程，研究了不同電極在長時間電解過程中的CST變化。由上述分析可知，CST升高的主要原因，是在電場的作用下，自由水被電解，從而使得污泥的含水率提高；CST降低則表明污泥中的自由水較多。在電絮凝過程中，CST降低，說明在電場作用下，污泥被破壞從而釋放出水分，經過絮凝處理后使得CST降低。圖4是電壓為15V、極板間距為3cm、投加0.1 g·L-1NaCl的條件下，不同電極的CST變化情況。電解初期，部分自由水被電解，F(xiàn)e電極的CST快速升高至45.5s，隨后在30～180min內，在電場和電絮凝的作用下，內部水被釋放出來，CST下降至19.7s，180min后，釋放出來的水分又被電解，使得污泥變得濃稠，CST值升高。由此可見，電絮凝調理污泥時釋放出來的水分是有限的，處理一定時間后，電場的主要作用轉為釋放出的水分的電解作用，從而升高了CST。對于Fe電極，直到180min釋放水分的過程才結束；而Al電極僅需60 min時就完成了水分釋放過程，此時的CST最低（13.5s），下降了57%，調理效果較好。210min后，Al電極的CST再次降低，說明水分被電解處理到一定程度后，仍會有頑固的內部水被釋放出來。顯然，Al電極具有更佳的電絮凝污泥調理性能，60 min為最佳處理時間。

圖4 反應時間對CST的影響

3 結論

對剩余污泥進行電絮凝實驗，發(fā)現(xiàn)電絮凝能通過氧化作用和絮凝作用來調理污泥，改善其脫水性能。Al電極比Fe電極具有更佳的電絮凝污泥調理性能。在Al電極電絮凝調理污泥的前期，EPS和微生物細胞在電絮凝的氧化作用和絮凝作用下被破解，釋放出內部水從而降低CST，實現(xiàn)污泥調理。極板間距和電壓對CST的影響較大。電解質NaCl和Na2SO4對CST的影響不大。Al電極在最佳條件下電絮凝處理污泥60 min，CST下降到13.5s，說明Al電極能有效調理污泥，改善污泥的脫水性能。