馬德剛，裴楊安，趙 嫻，朱紅敏

(天津大學環(huán)境科學與工程學院，天津 300072)

吸附分離輔助下污水污泥的電脫水技術(shù)

馬德剛，裴楊安，趙 嫻，朱紅敏

(天津大學環(huán)境科學與工程學院，天津 300072)

電脫水(EDW)技術(shù)是一種污水污泥深度脫水技術(shù)，有利于降低干化過程中的熱能消耗．以電脫水陰極側(cè)水分的分離方式為研究重點，通過添加吸水材料，將水分由重力分離轉(zhuǎn)變?yōu)槲椒蛛x來提高脫水效率．同時，考察了電壓和機械壓力等操作條件的影響，并給出了不同工況組合的脫水效果．結(jié)果表明，添加吸水材料后，污泥最終含水率及脫水能耗明顯降低，且選擇合適的電壓、機械壓力及陰極形式對電脫水有利．在50,V、21,kPa條件下對于陰極58,μm(250目)不銹鋼網(wǎng)，電脫水90,s可將污泥含水率由82.7%降至56.10%．

污水污泥；電脫水；吸水材料；電脫水

污水處理廠產(chǎn)生的污水污泥通常被稱為生物污泥．由于污泥體積很大且含水率很高，同時國家對污泥處理的規(guī)定越來越嚴格，因此污泥的處理費用越來越高昂．另外，不斷增長的污泥量也使其運輸越來越困難，所以需要對污泥進行減量處理．通常污泥減量化的方法包括濃縮、脫水[1]、熱干燥[2-3]、焚燒[4]等．經(jīng)過濃縮處理，可獲得含水率95%～97%的污泥．脫水之后，污泥含水率可以降至50%～80%．常用的污泥脫水方法有凍融[5-6]、離心脫水、機械脫水和電滲透脫水[7-12]等．凍融方法能將污泥含水率減至50%～ 60%，但是高能耗制約了其應(yīng)用．作為國內(nèi)污水廠常用的兩種污泥脫水方法，離心脫水和機械脫水可以將污泥含水率減至65%～85%，但是這兩種方法不能有效去除污泥中的結(jié)合水．熱干燥可以對污泥進行更深層次的脫水，但是其能源消耗太大．

電滲透(一種界面電動現(xiàn)象)可用來提高固-液混合物(如膠體物質(zhì))脫水的效果．電脫水(electrodewatering，EDW)技術(shù)指的是在污泥上通以外加直流電源，電場力作用下污泥中的固體顆粒定向移動，帶動污泥中的水分運動達到脫水的目的[13]．與傳統(tǒng)的機械脫水相比，電脫水技術(shù)有很多優(yōu)勢，對那些應(yīng)用機械方法很難脫水的極細顆粒污泥、膠狀物質(zhì)和生物污泥等十分有效．經(jīng)過電脫水，污泥中更多的間隙水和表面吸附水被脫出[14-16]．通過向污泥中添加聚合電解質(zhì)，在機械壓力的輔助下，Barton等[17]應(yīng)用電脫水技術(shù)將污泥含水率降至54%～65%．

電脫水效率高，并且脫水之后污泥含水率很低，但是較高的能耗制約了其在脫水領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用．人們做了大量的研究來提高電脫水效率并降低脫水能耗，例如脫水過程中的電勢梯度和脫水時間[14]，交流或者脈沖電場[15,18]，或者應(yīng)用水平電場[16]進行脫水等．Ho等[19]發(fā)現(xiàn)，運用旋轉(zhuǎn)陽極進行電脫水，脫水效果十分明顯且脫水能耗很低．但是如何有效提高效率仍是電脫水技術(shù)的一個挑戰(zhàn)．

在電脫水過程中，脫出的水分都是經(jīng)過自行凝結(jié)聚集，然后依靠水自身的重力分離．水分在落下之前會在陰極部分吸附聚集，這將嚴重阻礙污泥中水分的脫出速率．針對此問題，筆者提出了吸附電脫水的技術(shù)方法，即在陰極側(cè)添加吸水材料來改變水分的分離方式，實現(xiàn)電脫水中脫出水分的及時轉(zhuǎn)移，進而提高脫水率并降低電能消耗．

1 實驗材料與裝置

1.1 污 泥

實驗所用污泥取自天津紀莊子污水處理廠，為初沉池污泥和二沉池污泥的混合物．污泥先后經(jīng)過濃縮、絮凝、離心脫水后，泥餅顏色為黑色，有臭味，pH值為7.2，含水率為82%～83%，揮發(fā)性固體含量為50%～55%．

1.2 吸水材料選擇

從市場上選取不同軟發(fā)泡工藝、不同材料的工業(yè)海綿，測試其吸水量(M)及脫水率(R)．其中吸水量是指單位質(zhì)量吸水材料的吸水質(zhì)量，脫水率即吸水材料在500,N壓力下一定時間內(nèi)脫水質(zhì)量與其吸水質(zhì)量的比值．實驗結(jié)果如表1所示．

表1 吸水材料實驗結(jié)果Tab.1 Experimental result of absorbent materials

經(jīng)過比較，編號為7的材料吸水量及脫水率均較高，最終選它作為實驗用吸水材料．該吸水材料產(chǎn)自河南濮陽，由密胺泡沫塑料制成，成白色塊狀，密度為8.8,kg/m3，且質(zhì)地柔軟，吸水性強，再生性強．

1.3 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示．污泥在70,mm內(nèi)徑的有機玻璃筒中被布置成厚度為5,mm的餅狀，上下表面分別水平安放有不銹鋼網(wǎng)電極，其中陽極為830,μm (20目)不銹鋼網(wǎng)．陽極緊密接觸污泥的上表面，并保證脫水過程中陽極和污泥表面的密切接觸．陰極為3,350,μm(6目)的時候，實驗中添加薄濾布；58,μm(250目)的時候無濾布操作．脫水過程中水分從陰極下端排出，吸水材料與陰極緊密接觸來吸收陰極脫出的水分．直流電源的正負極分別與電場陽極和陰極相連接，并可輸出額定電壓．機械壓力通過添加重物來實現(xiàn)．電脫水時間設(shè)定為1,min、3,min、5,min．實驗中電壓、電流、質(zhì)量的測量精度分別為1,V、0.001,A、0.01,g．實驗數(shù)據(jù)的重現(xiàn)性控制在10%.

圖1 實驗裝置示意Fig.1 Sketch of electro-dewatering apparatus

2 結(jié)果與討論

2.1 吸水材料對吸附電脫水的影響

為了考察吸水材料對吸附電脫水的影響，進行了有無吸水材料的對比實驗，結(jié)果如圖2和圖3所示．由圖2可見，吸水材料有助于污泥的深層脫水，且在不同電壓情況下，添加吸水材料的污泥含水率要明顯偏低．由圖3可以看出，在0～10,s內(nèi)，添加吸水材料的污泥中通過的電流稍高于不添加吸水材料，這是由于實驗開始時，污泥受一定的機械壓力，使污泥中一部分水被吸水材料吸走，使污泥電阻變小，電流增大；在10～60,s內(nèi)，添加吸水材料后，污泥中通過的電流稍低于不添加吸水材料的電流；由圖4可以看出，80～240,s內(nèi)，兩者電流基本相同．實驗使用的電源為直流穩(wěn)壓電源，外加電壓為定值，因此實驗中電能消耗可由圖3中曲線面積表示．由圖3可以看出，添加吸水材料后的電流曲線所圍成的面積要小于不添加吸水材料的面積，因此電能消耗較低．通過積分的方法計算出各自電脫水能耗，然后換算成1,t污泥時的情況，添加吸水材料的電脫水過程要大概省電10,(kW·h)/t．

圖2 吸水材料對污泥最終含水率的影響(p=12,kPa，t= 5,min，3,350,μm(6目)陰極)Fig.2 Effect of absorbent material on final water content of sludge(p=12,kPa，t=5,min，3,350,μm (6,mesh)cathode)

圖3 電脫水過程中電流變化(0～60,s，U=50,V，p= 12,kPa，3,350,μm(6目)陰極)Fig.3 Variation of current during EDW(0～60,s，U= 50,V，p=12,kPa，3,350,μm(6,mesh)cathode)

圖4 電脫水過程中電流變化(80～240,s，U=50,V，p= 12,kPa，3,350,μm(6目)陰極)Fig.4 Variation of current during EDW(80～240,s，U= 50,V，p=12,kPa，3,350,μm(6,mesh)cathode)

2.2 電壓對吸附電脫水的影響

圖5為不同外加電壓條件下，電脫水1,min、3,min、5,min后污泥的最終含水率．從圖中可以看出，隨著脫水時間的增加，污泥最終含水率總體呈現(xiàn)減小的趨勢．從最終含水率看，1～3,min污泥含水率有明顯的減小，但是3～5,min污泥含水率降低趨勢減弱．這是因為在通電的最初一段時間內(nèi)，污泥中水分快速減少，陽極附近污泥電阻急劇增加，導致污泥中通過的電流急劇衰減，后續(xù)水分的脫除越來越困難．因此，過長的脫水時間對污泥脫水影響不大，更多的能量將會產(chǎn)生焦耳熱．

從電壓對污泥含水率的影響可以看出，增加電場電壓可提高污泥脫水率，但增加到一定值時對提高脫水率的影響不大，反而增加了電場電能的消耗．從本實驗結(jié)果可以看出，針對5,mm的泥餅厚度而言，電壓為40～50,V較為合適．

圖5 不同電壓下污泥的最終含水率 (p=12,kPa，3,350 ,μm(6目)陰極)Fig.5Final water content of sludge under different voltages(p=12,kPa，3,350,μm(6,mesh)cathode)

2.3 陰極形式對吸附電脫水的影響

電場陰極是維持電場、水分轉(zhuǎn)移和產(chǎn)氫副反應(yīng)的關(guān)鍵部位，對脫水效果有著直接的影響．實驗分別選用3,350,μm(6目)和58,μm(250目)的不銹鋼網(wǎng)作為陰極，對比實驗結(jié)果見圖6．

圖6 不同陰極下污泥最終含水率(p=12,kPa，t=1,min)Fig.6Final water content of sludge for different cathodes(p=12,kPa，t=1,min)

從圖6中可以看出，陰極為58,μm(250目)不銹鋼網(wǎng)時，污泥電脫水的效果較好．這是因為在電脫水過程中，由于外加電壓是定值，因此電極污泥的有效接觸面積越大，污泥脫水效果越好．有效接觸面積與陰陽極的開孔率有關(guān)，即與陰陽極網(wǎng)孔的密度有關(guān).本實驗中陰極為變量，相同面積條件下，58,μm(250目)的陰極網(wǎng)孔孔徑較小、孔數(shù)較多，因此有效接觸面積較大，電脫水效果較好．此外，該陰極下可以取消濾布，直接完成對水分的過濾．

2.4 壓強對吸附電脫水的影響

機械壓力也是影響電脫水效果的重要因素，對提高脫水率、縮短脫水時間具有重要影響．本文對此進行了實驗驗證，結(jié)果見圖7．

由圖7可以看出，隨著機械壓力的不斷增大，污泥的最終含水率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢．這是因為，一方面，機械壓力通過壓實污泥使水分分布更加均勻，維持了電場的連續(xù)，進而提高脫水率和脫水速度；另一方面，污泥顆粒被壓實后水分遷移運動的阻力增加，壓力越大阻力越大．因此，存在一個最佳機械壓力．從本實驗結(jié)果可以得出，在壓強為21,kPa的情況下，污泥的電脫水效果最好．從圖中還可以看出，當外加電壓為0，即不通電的情況下，污泥脫水率要遠遠低于通電的情況，因此，雖然壓力能使污泥脫水，但是效果要弱于機械脫水與電脫水結(jié)合的情況．

圖7 壓強對電脫水的影響(58,μm(250目)陰極)Fig.7 Effect of pressure on EDW(58,μm(250,mesh)cathode)

2.5 吸附電脫水操作工況的選擇

通過電壓、壓強和脫水時間等操作條件的不同組合，本實驗獲得了吸附電脫水的不同脫水效果，如表2所示．

從表2可以看出，較高的外加電壓可以降低污泥最終含水率并縮短脫水時間，同時能耗相對增加．在50,V、21,kPa條件下，90,s內(nèi)可以輕易將污泥含水率由82.7%降至56.10%，污泥體積將少60.59%．

Barton等[17]做過關(guān)于污泥電脫水的實驗，實驗采用電脫水與壓濾脫水相結(jié)合的方法，從其實驗相關(guān)數(shù)據(jù)中截取作為參考．在100,V、300,kPa下，污泥含水率由83%降至68%，大約需要10.5,min，而耗電量大約為116,(kW·h)/t，耗電量及脫水時間要遠遠大于本文40,V、9,kPa下的結(jié)果．

于曉艷[20]的電脫水實驗中，在12,V、7,kPa條件下，污泥含水率由79%降至60.3%，耗電量大約為35.6,(kW·h)/t，而所需時間為5,min．雖然耗電量小于本文的結(jié)果，但是脫水時間較長．

表2 污泥電脫水的工況組合(830,μm(20目)陽極，58,μm (250目)陰極)Tab.2Operation conditions of sludge’s EDW(830,μm (20,mesh)anode，58,μm(250,mesh)cathode)

3 結(jié) 語

在電脫水過程中，采用吸水材料及時分離陰極側(cè)脫出的水分，有助于提高脫水率，并降低電能消耗，吸水材料應(yīng)具有吸水能力強、可反復使用的特點；吸附電脫水中，機械壓力和電場電壓的適當增大，有助于改善電脫水效果，但均存在最佳值；陰極形式對電脫水有很大影響，高網(wǎng)孔密度(本實驗為58,μm(250目))的陰極可以取代濾布，實際應(yīng)用中建議選擇網(wǎng)孔密度較高的陰極；吸附電脫水對污泥減量化效果顯著，在50,V、21,kPa條件下，吸附電脫水90,s污泥含水率可由82.7%降至56.10%，體積減少60.59%．而且通過與前人實驗的對比，可以發(fā)現(xiàn)本實驗在縮短脫水時間及降低脫水能耗方面具有可行性.

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Electro-Dewatering of Sewage Sludge Assisted by Adsorbent Material

Ma Degang，Pei Yang’an，Zhao Xian，Zhu Hongmin
(School of Environmental Science and Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

The electro-dewatering(EDW)is helpful to cut down heat consumption of sludge drying process by decreasing deeply water content of sewage sludge. The study focused on the way of water’s separation near the cathode，and converted the gravity separation into adsorption separation by adding absorbent material beneath the cathode to improve the efficiency of dehydration. Meanwhile，the influence of some operating conditions was investigated，such as voltage and mechanical pressure，through the electro-dewatering and provided dehydration effect under different operating conditions. It showed that adsorbent material is obviously helpful to decrease the final water content of sewage sludge and reduce the power consumption，and suitable voltage，proper pressure and cathode were helpful to sludge deeply dewatering. On the condition of 50,V，21,kPa，stainless steel net of 58,μm(250,mesh)as cathode，the water content of sludge can be easily reduced from 82.7% to 56.10% in 90 seconds.

sewage sludge；electro-dewatering；absorbent material；electro-dewatering(EDW)

X705

A

0493-2137(2013)12-1101-05

DOI 10.11784/tdxb20131208

2012-05-24；

2012-09-10.

國家自然科學基金資助項目(51278334).

馬德剛（1975— ），男，博士，副教授.

馬德剛，dgma@tju.edu.cn.