電化學(xué)強(qiáng)化污泥脫水效能研究進(jìn)展

韓清華， 周 品， 孫智毅， 王書博， 王玲玲， 張書萍， 周全法,

（1.江蘇理工學(xué)院資源與環(huán)境工程學(xué)院，江蘇常州 213000；2.常州工學(xué)院化工與材料學(xué)院，江蘇常州 213000）

0 引言

隨著工業(yè)化和城市化的快速發(fā)展， 污水處理過程中產(chǎn)生的過量污泥是污水處理廠和政府面對(duì)的挑戰(zhàn)之一。 2022 年， 中國(guó)的污泥產(chǎn)生量已達(dá)到8 909萬(wàn)t（含水率80%），污水污泥不僅含水率高、易腐爛、氣味強(qiáng)烈，而且含有大量的致病菌、寄生蟲卵等難以降解的重金屬[1]。 如果不采取合理的處理處置方式，將對(duì)生態(tài)環(huán)境造成不可逆的傷害[2]。

脫水作為污泥調(diào)理的重要步驟， 可顯著減少污泥體積，降低后續(xù)運(yùn)輸和處置成本[3]。 由于污泥具有特殊的膠粘性[4]，其污泥顆粒在水中形成穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)，如果只使用機(jī)械脫水處理，很難達(dá)到后期處置條件[5]。生物法（如酶催化）、化學(xué)法（如電化學(xué)、臭氧）和物理法（如微波、冷凍）等污泥處理已被廣泛研究。電化學(xué)處理污泥可以將污泥的含水量從約80%降低到40%以下，同時(shí)無需投加化學(xué)試劑就能夠消除污泥異味和病原體，從而顯著節(jié)省成本[6]。 由于其過程中化學(xué)試劑使用較少，反應(yīng)裝置面積占地少，易于安裝與操作等優(yōu)點(diǎn)[7]，是目前作為污泥脫水技術(shù)的主要處理方法。 電化學(xué)在污泥穩(wěn)定和資源回收方面的潛力已經(jīng)得到充分證明， 但以往的研究主要針對(duì)提高污泥脫水性能的方法和技術(shù)， 對(duì)于電化學(xué)聯(lián)合工藝處理污泥脫水技術(shù)存在的相關(guān)問題缺乏綜述概括， 旨在通過本文對(duì)于電化學(xué)及電化學(xué)聯(lián)合其他方法強(qiáng)化污泥脫水的應(yīng)用具有參考意義。

本文主要探討了電化學(xué)處理技術(shù)在污泥脫水工藝中的應(yīng)用現(xiàn)狀， 重點(diǎn)分析了電化學(xué)改善脫水效能的機(jī)理，闡述了電化學(xué)聯(lián)合處理工藝的潛在優(yōu)勢(shì)、限制及挑戰(zhàn)， 并對(duì)該工藝在實(shí)際中的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

1 電化學(xué)強(qiáng)化污泥脫水研究現(xiàn)狀

1.1 電化學(xué)處理污泥脫水機(jī)理

電化學(xué)法是陰陽(yáng)極間的電子連續(xù)性運(yùn)輸過程中所發(fā)生的電解水反應(yīng)，陽(yáng)極發(fā)生析氧反應(yīng)放出質(zhì)子，陰極發(fā)生析氫反應(yīng)形成羥基陰離子。 污泥中的膠體顆粒通常具有負(fù)電荷， 易被具有較高密度的正電荷層包圍。當(dāng)施加電場(chǎng)時(shí)，通常帶負(fù)電荷的粒子會(huì)向正電荷電極移動(dòng)。污泥中細(xì)胞間隙水易被驅(qū)趕至負(fù)極，陰離子和陽(yáng)離子根據(jù)其自身的離子遷移率進(jìn)行電遷移傳輸[8]，中和了污泥表面負(fù)電荷，降低絮凝體的粘附力，改善污泥的疏水性和絮凝性，從而促進(jìn)固液分離過程見圖1[9]。

電化學(xué)可以直接破壞污泥絮凝體， 引起細(xì)胞質(zhì)溶解[10]，細(xì)胞破裂，粘度降低，釋放間隙水和蛋白質(zhì)、多糖等物質(zhì)，從而提高污泥脫水性能[11]。 污泥表面結(jié)構(gòu)被破壞，菌膠團(tuán)內(nèi)的自由水被大量釋放，污泥脫水性能得到改善。

1.2 電化學(xué)處理污泥脫水研究現(xiàn)狀

電化學(xué)脫水技術(shù)能夠通過在污泥中施加電場(chǎng)，破解了污泥胞外聚合物（EPS），使得污泥絮體結(jié)構(gòu)破壞[12]，改變污泥中水分分布情況，并將結(jié)合水轉(zhuǎn)變成自由水使其更容易去除。 電化學(xué)及電化學(xué)聯(lián)合其他工藝改善污泥脫水性能的處理?xiàng)l件及脫水效果見表1。 在電壓為20 ～30 V，電解時(shí)間為20 ～120 min時(shí)，對(duì)污泥脫水效能的提高有正向作用，污泥毛細(xì)吸水時(shí)間（CST）下降19.6%～35.9%[9,12,13]。 電解引起的陽(yáng)極層和陰極層的酸化和堿化破壞了污泥的結(jié)構(gòu)，加速EPS 的降解，使結(jié)合水釋放[14]，改善了污泥脫水性能。電解導(dǎo)致的陽(yáng)極層酸化，使帶負(fù)電荷的官能團(tuán)質(zhì)子化，加速Zeta 電位的變化[15]。污泥顆粒之間的靜電排斥相互作用減弱，利于污泥顆粒聚集，污泥含水率可由83.1%降至53.1%[16]。污泥電脫水過程中存在較強(qiáng)的離子遷移現(xiàn)象， 導(dǎo)致電脫水后污泥各層細(xì)胞的電導(dǎo)率均顯著降低。 隨著電壓的增加[17]，陽(yáng)極層、中間層和陰極層污泥的電導(dǎo)率均不斷降低， 增強(qiáng)了電脫水過程中的離子遷移行為， 水分遷移行為與其密切相關(guān)。 存在于還原環(huán)境的原污泥氧化還原電位值接近-60 mV，經(jīng)電脫水后污泥的氧化還原電位值均為正[18]，且含水率降至60%。 在電壓從5 V 增加到25 V 時(shí)，CST 降低33.5%[9]。 超過20 V 時(shí)，對(duì)污泥的減量及反應(yīng)速率趨于平穩(wěn)。 污泥陽(yáng)極層和陰極層的氧化還原電位差增大， 陽(yáng)極氧化和陰極還原反應(yīng)的加劇。電解質(zhì)是電解處理的過程中的必要條件，添加電解質(zhì)能有效增強(qiáng)氧化自由基的生成，如在電解過程中添加氯化鈉，能產(chǎn)生氧化自由基同時(shí)形成大量的活性氯離子，氧化污泥細(xì)胞，有助于提高污泥脫水性能。添加量直接影響污泥脫水效率，不投加氯化鈉時(shí)，CST 減少32.6%， 在氯化鈉濃度為10 mmol/L時(shí)，CST 減少93.9%， 當(dāng)NaCl 濃度超過10 mmol/L 時(shí)，CST 減少則不明顯[19]。 氯化鈉濃度超過臨界值時(shí)，過度氧化的污泥細(xì)胞無定形增多反而不利于污泥脫水效能。

表1 電化學(xué)技術(shù)處理污泥脫水研究現(xiàn)狀

單一電化學(xué)處理污泥過程中形成的氧化物質(zhì)有限，對(duì)EPS 的降解和結(jié)合水釋放的影響不足以改善污泥脫水狀態(tài)， 且在電解過程中存在陽(yáng)極材料腐蝕嚴(yán)重、正極附近污泥含水率差異大、污泥泥餅含水率不均勻等問題， 現(xiàn)階段電化學(xué)聯(lián)合其他方法共同處理污泥來提高污泥脫水性能是目前研究熱點(diǎn)。

2 電化學(xué)聯(lián)合其他工藝對(duì)污泥脫水性能的影響

2.1 電化學(xué)聯(lián)合氧化工藝強(qiáng)化污泥脫水效能

電化學(xué)處理對(duì)提高污泥脫水性能具有正向作用， 但由于在電化學(xué)電解過程中形成的氧化活性物質(zhì)有限，對(duì)EPS 降解和結(jié)合水釋放的影響不足以改善壓濾過程中的脫水， 電化學(xué)與氧化工藝相結(jié)合來提高污泥脫水效能是目前研究的熱點(diǎn)之一。

電解活化過硫酸鹽氧化提高污泥脫水性能時(shí)，電壓裂解污泥細(xì)胞釋放胞內(nèi)多糖、蛋白質(zhì)、腐植酸等小分子物質(zhì)[20]，過硫酸鹽氧化破壞EPS 中的親水含氧官能團(tuán)。 細(xì)胞膜的破裂和親水物質(zhì)的降解[21]，致使污泥細(xì)胞內(nèi)部的結(jié)合水被釋放，見圖2 和圖3。

圖2 電化學(xué)聯(lián)合氧化工藝處理污泥過程

圖3 電化學(xué)聯(lián)合氧化工藝處理污泥效能分解

提高污泥的Zeta 電位，降低污泥絮體顆粒間的排斥力，污泥EPS 分解的過程中，蛋白質(zhì)的減少削弱了污泥中細(xì)胞聚合物的親水性[22]。 不穩(wěn)定顆粒相互碰撞、聚集、沉降，形成通道，利于結(jié)合水及間隙水的排出。 在電壓20 ～40 V，電解時(shí)間20 ～60 min，過硫酸鹽添加40 ～200 mg/g （以TS 計(jì)）時(shí)，有助于強(qiáng)化污泥脫水效能，污泥CST 下降71.4%～87.9%，含水率下降至68.3%～73.1%[20-22]。 相較于單獨(dú)的電化學(xué)處理污泥CST 降低52%。

過硫酸鹽的添加量直接影響污泥脫水效率，合適的添加量對(duì)處理?xiàng)l件有正向影響，例如，添加過硫酸鹽(PMS)能直接影響污泥脫水效率，當(dāng)添加PMS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為200 mg/g 時(shí)， 含水率和CST 分別下降14.4%和115.4 s， 但添加量增加至300 mg/g 時(shí)下降趨勢(shì)無明顯變化。電壓也同樣影響著污泥脫水效率，在電壓20 V 時(shí)， 污泥的含水率和CST 分別下降了6.3%和60.3%。 當(dāng)電壓高于20 V 時(shí)，含水率和CST的下降趨勢(shì)無明顯增加， 電壓的持續(xù)提高對(duì)污泥脫水性能的改善有限[22]。 電化學(xué)聯(lián)合氧化工藝增強(qiáng)了污泥中有機(jī)物的降解， 降低了濾液的毒性和重金屬的生物利用性， 氧化劑的添加量對(duì)電化學(xué)處理效果影響較大，且過度添加會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成二次污染。

2.2 電化學(xué)聯(lián)合骨架材料強(qiáng)化污泥脫水效能

電解電壓過高（＞30 V）或者電解時(shí)間過長(zhǎng)（＞30 min）導(dǎo)致污泥中蛋白質(zhì)、多糖和膠體顆粒等物質(zhì)的過量釋放[23]。 電極間距過小或者過大都能致使電解氧化污泥不均勻，阻礙污泥絮體的流動(dòng)，削弱污泥脫水的穩(wěn)定性，污泥的粘度的增加，降低了污泥的脫水性能[24]。 但在電化學(xué)處理污泥過程中加入生物炭類物質(zhì)作為骨架材料，增強(qiáng)污泥細(xì)胞的結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)污泥中的水分釋放，在電壓10 ～20 V，電解時(shí)間10～30 min，投加生物質(zhì)炭質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2 ～0.625 g/g 時(shí)，強(qiáng)化了污泥脫水效能，CST 下降54.8%～55.9%， 含水率下降至64.3%～65.3%[27-29]， 為細(xì)胞中水分流失創(chuàng)造更好的條件，有助于提高污泥脫水效率。具有豐富官能團(tuán)的活性炭和污泥炭等顆粒炭被稱為“第三電極”來增強(qiáng)電氧化能力。 電化學(xué)過程中，顆粒炭創(chuàng)造的通道允許污泥絮團(tuán)吸附到其表面或者內(nèi)部， 增強(qiáng)了裂解污泥細(xì)胞釋放的大分子有機(jī)物的吸附， 導(dǎo)致結(jié)合水通過分散體輸送[25]。 電場(chǎng)中極化形成的微電極可以作為替代電極加速破壞大分子， 降解成小分子。 除了電解過程中顆粒炭的吸附性和導(dǎo)電性的影響外[26]，顆粒炭形成的豐富的微電極有助于提高電流效率和縮短反應(yīng)物的遷移距離， 協(xié)同增強(qiáng)了污泥的脫水能力?；钚蕴靠勺鳛楣羌懿牧?，為污泥脫水過程中的出水提供通道， 進(jìn)而提高污泥的壓縮性和污泥泥餅的硬度[27]。 污泥基顆粒炭的介孔結(jié)構(gòu)有利于污泥顆粒的吸附和污泥絮凝體的團(tuán)聚， 表面富含羥基、羧基、羰基等含氧官能團(tuán)見圖4。 表明其具有親水性能， 且具有穩(wěn)定的表面電負(fù)性和豐富的化學(xué)反應(yīng)位點(diǎn)。

圖4 電解協(xié)同污泥基生物炭處理污泥及效能

生物質(zhì)炭的投加量與電壓影響著污泥脫水性能。 投加少量活性炭時(shí)，含水率下降到72.2%；當(dāng)投加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2 g/g （以DS 計(jì)）時(shí)，含水率下降至64.3%，當(dāng)投加過量時(shí)，影響污泥污泥的含固率，含水率不再下降反而有增加的趨勢(shì)；當(dāng)電壓升到20 V時(shí)，逐漸降低到64.2%；但當(dāng)電壓進(jìn)一步增加到25 V時(shí)，含水率則無進(jìn)一步降低[28]。 顆粒炭添加量也是污泥脫水效率影響的主要因素， 當(dāng)污泥基顆粒炭添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.625 g/g 時(shí)對(duì)污泥過濾性有積極作用，過量添加則降低了污泥的過濾性[29]。 污泥基顆粒炭表面豐富的含氧官能團(tuán)積累更多的負(fù)電荷， 增強(qiáng)電荷斥力，且持水能力還抑制水的釋放，從而削弱了污泥的脫水能力。

除了上述活性炭， 污泥基生物炭作為骨架材料之外，稻殼[30]、核桃殼[31]或其他生物質(zhì)中提取的高纖維或富炭顆粒等作為骨架材料調(diào)理污泥， 聯(lián)合電化學(xué)法處理后的脫水污泥餅焚燒產(chǎn)生更多的能量，有利于資源的利用。 在污泥處理過程中實(shí)現(xiàn)污泥的高值化，降低整個(gè)脫水處理成本[28]，是更清潔、更可持續(xù)的方法同時(shí)又有利于去除污泥中的水分。 但考慮到污泥實(shí)體中重金屬含量相對(duì)較高以及電解系統(tǒng)中電極的額外溶解， 重金屬對(duì)污泥電脫水性能的影響還需要進(jìn)一步研究。

2.3 電化學(xué)聯(lián)合電絮凝強(qiáng)化污泥脫水效能

電絮凝是電化學(xué)綜合了氧化和絮凝的處理方法。電化學(xué)通過氧化過程中，將污泥的結(jié)合水和有機(jī)組分釋放到污泥上清液中[32]，電絮凝則主要是由于三價(jià)陽(yáng)離子在反應(yīng)器中釋放，見圖5 和圖6。

圖5 電化學(xué)聯(lián)合電絮凝處理污泥過程

圖6 電化學(xué)聯(lián)合電絮凝處理污泥效能分解

通過形成更大、更密的絮凝體來控制EPS 濃度和去除細(xì)顆粒[33]，使得上清液中水分更快去除，污泥的脫水性能隨著污泥有機(jī)組分的分解而減弱。 在電壓15 V，電解時(shí)間20 ～60 min，極板間距在1 ～4 cm時(shí)，通過聯(lián)合絮凝工藝強(qiáng)化了污泥脫水效能，CST 下降55.4%～57%，含水率下降至42.3%～66%。 相較于單獨(dú)電化學(xué)處理，電壓與電解時(shí)間相應(yīng)減少40%～50%[35-37]。 在污泥中使用Fe 和Al 類陽(yáng)離子有助于上清液中膠體菌群絮凝團(tuán)聚，降低表面活性負(fù)荷[34]。當(dāng)電解和電絮凝聯(lián)合處理時(shí)， 電絮凝釋放的三價(jià)陽(yáng)離子產(chǎn)生較大的絮凝體陽(yáng)離子，可以團(tuán)聚電解時(shí)釋放的有機(jī)物[35]，三價(jià)陽(yáng)離子與EPS 結(jié)合，減少結(jié)合水的同時(shí)，還能清除細(xì)小顆粒，提高污泥的脫水能力[36]。

極板間距、 電壓和電解時(shí)間等因素直接影響電化學(xué)聯(lián)合電絮凝對(duì)污泥的脫水效能。 極板間距通過影響電場(chǎng)強(qiáng)度， 進(jìn)而影響污泥的破解程度， 如使用Al 電極，極板間距為4 ～5 cm 時(shí)，CST 沒有太大的變化， 極板間距較小為1 ～2 cm，CST 先增大后減小，而極板間距為3 cm 時(shí)，反應(yīng)較為穩(wěn)定。 當(dāng)電壓增大至15 和20 V 時(shí)，Al 電極的CST 分別下降至18.5 和16.1 s，但當(dāng)電壓超過20 V 時(shí)，耗能較高，并會(huì)產(chǎn)生大量氣泡溢出反應(yīng)器，調(diào)理效果不好且不穩(wěn)定；電解時(shí)間影響污泥中結(jié)合水的釋放效率，Al 電極在60 min 時(shí)大部分結(jié)合水得以的釋放， 此時(shí)的CST 下降了57%，調(diào)理效果較好。 隨著電解時(shí)間的增加，CST下降幅度較低[37]。 電化學(xué)聯(lián)合電絮凝處理污泥雖然操作簡(jiǎn)單，對(duì)環(huán)境無二次污染，但在電絮凝過程中電極易鈍化和極化， 運(yùn)行成本過高限制其發(fā)展導(dǎo)致目前只停留在實(shí)驗(yàn)研究階段， 在實(shí)際污泥脫水處理工程中得到應(yīng)用還需進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)研究。

3 結(jié)論和展望

電化學(xué)工藝處理因其處理工藝簡(jiǎn)單、 脫水效率高和二次污染少等優(yōu)點(diǎn)， 在資源回收中的應(yīng)用越來越受到重視。 雖然目前電化學(xué)處理對(duì)污泥脫水性能有效且易于控制， 但由于運(yùn)行成本高且產(chǎn)生鹵素副產(chǎn)物，目前仍局限于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模，在工業(yè)應(yīng)用上普及程度低。因此，將電化學(xué)工藝處理后的污泥轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的資源， 為污泥的處理和安全處置提供了新見解，是未來發(fā)展過程中主要的研究方向。電化學(xué)在實(shí)際應(yīng)用中存在各種挑戰(zhàn)，包括能源消耗、總成本、過程有效性和系統(tǒng)穩(wěn)定性， 但新型電極材料設(shè)計(jì)為電化學(xué)工藝在污泥處理和資源回收方面的未來應(yīng)用提供了前景。 為了在未來實(shí)現(xiàn)“水-廢物-能源聯(lián)結(jié)”、“可持續(xù)發(fā)展”和“碳中和”的共同目標(biāo)，需在污泥處理處置方面繼續(xù)進(jìn)行更高效資源回收方法。