董立文 ,汪誠文 ,張鶴清 ,王玉玨 * (.清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院,北京 00084；.西門子(中國)有限公司,北京000)

隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化水平的不斷提高,污水處理設(shè)施的數(shù)量也在快速增加,這些污水處理設(shè)施產(chǎn)生了大量的剩余污泥.據(jù)統(tǒng)計(jì),目前全國含水率為 80%的污泥的年產(chǎn)量很快將突破 3000萬 t[1],并且在“十二五”期間還會(huì)繼續(xù)快速增長.

現(xiàn)階段,我國城鎮(zhèn)污泥的處理處置方式主要有填埋、土地利用等[1].根據(jù)《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置-混合填埋用泥質(zhì)》(GB/T 23485-2009)[2]和《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置-農(nóng)用泥質(zhì)》(CJ/T 309-2009)[3]的規(guī)定,將污泥進(jìn)行填埋或者農(nóng)用時(shí),含水率必須降低至 60%以下[2-3],但是經(jīng)過常規(guī)的機(jī)械脫水后,污泥的含水率一般在80%左右[4-6],遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到這一要求.因此,在對污泥進(jìn)行處理處置前,必須對其進(jìn)行深度脫水.電滲透脫水技術(shù)是一種新興的污泥深度脫水技術(shù),其基本原理是對污泥施加電壓,在電場的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)污泥中泥水的分離,從而達(dá)到對污泥進(jìn)行深度脫水的目的.

由于不同污水處理廠的進(jìn)水水質(zhì)不同,所產(chǎn)生污泥的電導(dǎo)率等性質(zhì)也會(huì)有所差異.基于Helmholtz–Smoluchowski 理論,電滲透脫水速率主要由污泥的 zeta電位及所施加的電流密度等因素決定[7].污泥電導(dǎo)率對污泥的 zeta電位以及電滲透脫水過程中的電流密度具有重要影響,因此可能會(huì)對污泥的電滲透脫水效果產(chǎn)生影響.目前關(guān)于電導(dǎo)率對污泥電滲透脫水效果影響的研究很少,并且集中于對含水率為 97%～99%的稀污泥的研究[7-8].對經(jīng)過機(jī)械脫水后的污泥再進(jìn)行電滲透脫水可以最大限度地降低能耗[9],因此本研究采用經(jīng)過機(jī)械脫水后的含水率為 86%的污泥泥餅來研究電導(dǎo)率的變化對污泥電滲透脫水效果的影響.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用污泥取自北京某污水處理廠,為經(jīng)過帶式壓濾后的混合污泥脫水泥餅,取樣后將污泥放置在 4℃的冰箱中保存.試驗(yàn)開始前,將污泥取出,在室溫條件下放置一段時(shí)間,使其達(dá)到室溫.該污泥的基本性質(zhì)如表1所示:

表1 污泥的基本性質(zhì)Table 1 Properties of the sludge

1.2 試驗(yàn)裝置

圖1為電脫水的實(shí)驗(yàn)裝置.該裝置包括1個(gè)圓柱型反應(yīng)器、1個(gè)活塞、1個(gè)打孔鈦基釕銥涂層陽極、1個(gè)打孔不銹鋼陰極,1個(gè)穩(wěn)壓穩(wěn)流電源電源(WYK-120V/5A,上海意澤)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).圓柱形反應(yīng)器內(nèi)徑為 70mm,外徑為 90mm,高度為150mm.在實(shí)驗(yàn)中,將污泥放置在2個(gè)電極之間,上部的鈦基釕銥涂層陽極接正電、下部的不銹鋼陰極接負(fù)電.試驗(yàn)過程中的電流變化用萬用表(Fluke 287,美國福祿克)記錄.脫水過程中污泥泥餅溫度的變化用熱電阻測定,并由無紙記錄儀記錄.陽極上打有16個(gè)4mm的孔,以便能及時(shí)排出通電時(shí)電解水產(chǎn)生的氣體,陰極上有145個(gè)3mm的排水孔,使脫除掉的水分能及時(shí)流出.在陰極上部放有 48μm 孔徑的尼龍濾布,用來攔截污泥顆粒.反應(yīng)器下方放置有一個(gè)電子天平,記錄脫除水分的重量隨時(shí)間的變化,以計(jì)算污泥的含水率隨時(shí)間的變化情況.脫水過程中的機(jī)械壓力通過在活塞上方添加重物的方式提供.為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性,每個(gè)試驗(yàn)均重復(fù)1次,結(jié)果取平均值.

圖1 電滲透脫水實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Schematic representation of electro-osmotic dewatering

1.3 污泥性質(zhì)測定

污泥pH值和電導(dǎo)率的測定方法為:稱取10g污泥樣品于燒杯中,加入25mL的去離子水,用玻璃棒劇烈攪動(dòng)1～2min,然后靜置30min,用pH計(jì)和電導(dǎo)率儀測定上清液的 pH 值[10]和電導(dǎo)率.污泥含水率則通過稱取一定量的污泥在 105℃下烘干24 h后冷卻稱重測定.揮發(fā)性有機(jī)物通過將測完含水率的污泥樣本放置在馬弗爐里,在550℃下灼燒1h后冷卻稱重測定.Zeta電位通過將少量污泥在高純水中制成透明懸浮溶液,調(diào)節(jié)污泥的 pH值和電導(dǎo)率至原始污泥的數(shù)值后用Zeta電位儀測定.

1.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法

為了提高污泥的電導(dǎo)率,采用向污泥中添加Na2SO4溶液的方式:向50g污泥中加入5ml不同濃度的 Na2SO4溶液,使污泥中的 Na2SO4含量為7.1g/kg DS,14.2g/kg DS,21.3g/kg DS,28.4g/kg DS,此外,向50g污泥中加入5ml去離子水作為對比.未添加 Na2SO4以及添加了不同濃度的 Na2SO4溶液后的污泥的電導(dǎo)率分別為:(1003±7.79),(1407±11.67),(1751±12.81),(2233±33),(2575±15)μS/cm.

為降低泥中的電導(dǎo)率,采用去離子水清洗的方式:將一定質(zhì)量的污泥進(jìn)行高速離心,隨后取出上清液,加入等質(zhì)量的去離子水并混合均勻.未經(jīng)清洗的污泥以及將污泥分別清洗1遍,3遍,5遍,7遍后的污泥的電導(dǎo)率為(988±22.33), (722±7.67),(545±3.67), (399±13.5), (371±4.33) μS/cm.

在電滲透脫水過程中:機(jī)械壓力為 76kPa,電壓梯度為 30 V/cm,污泥厚度為 1.0cm,陽極為打孔的鈦基釕銥涂層(RuO2/Ir2O3-Ti)電極.

2 結(jié)果與分析

2.1 污泥zeta電位與電導(dǎo)率的關(guān)系

根據(jù)Helmholtz-Smoluchowski理論,電滲流速率的方程可以表示為[7-8]:

式中: D 為液體的介電常數(shù), F/m;μ為流體的黏度;ζ為污泥的Zeta電位, mV;i為脫水過程中的電流密度, A/m2;λ為污泥的電導(dǎo)率, μS/cm.

圖2 污泥的Zeta電位與電導(dǎo)率的變化關(guān)系Fig.2 Relationship between the conductivity and Zeta potential of sludge

污泥顆粒表面一般都帶有一定的負(fù)電荷,為了平衡這些電荷,顆粒表面就會(huì)吸附一些陽離子,構(gòu)成了污泥的雙電層系統(tǒng).當(dāng)污泥中的離子含量較高時(shí),會(huì)壓縮污泥顆粒的雙電層,使污泥Zeta電位的絕對值變低,反之,污泥的Zeta電位的絕對值則會(huì)升高[7].從圖2即可以看出這一趨勢變化.

2.2 電導(dǎo)率變化對污泥電滲透脫水效果的影響

圖3和圖4是在不同電導(dǎo)率下,污泥電滲透脫水過程中含水率隨時(shí)間的變化情況.可以看出,無論電導(dǎo)率如何變化,經(jīng)過 20min的電滲透脫水后,都能使污泥的含水率降至60%以下.

圖3 提高電導(dǎo)率時(shí)污泥電脫水過程中含水率隨時(shí)間的變化Fig.3 Effect of increasing the sludge conductivity by Na2SO4 addition on the electro-dewatering performance

圖4 降低電導(dǎo)率時(shí)污泥電脫水過程中含水率隨時(shí)間的變化Fig.4 Effect of decreasing the sludge conductivity by deionized water washing on the electro-dewatering performance

添加 Na2SO4使污泥的電導(dǎo)率升高,電滲透脫水 5～7min便可以使污泥的含水率降至 60%.經(jīng)過20min的脫水后,未添加Na2SO4的污泥的最終含水率為51.2%,當(dāng)加鹽的量為Na2SO4含量為7.1, 14.2, 21.3, 28.4 g/kg DS時(shí),污泥的最終含水率分別為 51.4%,47.4%、48.1%、45.7%,因此添加無機(jī)鹽對污泥的電滲透脫水效果有一定的促進(jìn)作用.對污泥清洗以降低污泥的電導(dǎo)率,電滲透脫水 7～8min后便可以使污泥的含水率降低至60%以下,經(jīng)過20min脫水后,未清洗的污泥的最終含水率為52.3%,分別經(jīng)過1、3、5、7次清洗后的污泥的最終含水率為52.3%、54.1%、52.4%、53.1%.因此,隨著污泥電導(dǎo)率的降低,污泥的脫水速率以及最終脫水效果也稍有下降.

從式(1)可以看出,影響電滲透脫水過程最重要的參數(shù)是污泥的Zeta電位和所施加的電流密度,此外,污泥的電導(dǎo)率及電解質(zhì)也發(fā)揮了一定的影響[7-8].當(dāng)污泥電導(dǎo)率升高時(shí),由于帶電離子增加,壓縮污泥的雙電層,使 Zeta電位降低,使污泥的電滲透脫水速率降低.但是電導(dǎo)率升高使脫水過程中通過的電流密度增加,這會(huì)提高污泥的電滲透脫水速率,因此,由于Zeta電位和電流密度的共同作用,使得污泥電導(dǎo)率升高時(shí),電滲透脫水效果會(huì)有所提高.與之相反,當(dāng)使用去離子水清洗的方式使污泥的電導(dǎo)率降低時(shí),污泥的Zeta電位有所提高并且污泥中液體的黏度(μ)降低,這都會(huì)提高電滲透脫水效果,但是通過污泥泥餅的電流密度將會(huì)下降,幾種因素的綜合作用導(dǎo)致污泥電滲透脫水效果的下降.不過從圖3和圖4中可以看出,電導(dǎo)率的變化對污泥的電滲透脫水效果的總體影響不大.

2.3 不同操作條件下污泥電流的變化

圖5和圖6是在不同電導(dǎo)率下,電滲透脫水過程中通過污泥的電流隨時(shí)間的變化情況.添加 Na2SO4使污泥的電導(dǎo)率升高,電滲透脫水過程的初始階段通過污泥的電流也隨之升高.采用清洗污泥的方式使電導(dǎo)率降低時(shí),隨著清洗強(qiáng)度的增大,電滲透脫水的初始階段通過污泥的電流也隨之降低.

無論污泥的電導(dǎo)率升高還是降低,電流曲線都會(huì)出現(xiàn)2個(gè)峰值.第1個(gè)峰值是在脫水的初始階段,由于機(jī)械壓力的作用,使得污泥被壓實(shí),污泥內(nèi)部的空隙被水分填滿,污泥電阻就會(huì)降低,電滲透脫水過程中通過污泥泥餅的電流升高[11].此外,由于在電滲透脫水的過程中,陽極和陰極附近都會(huì)發(fā)生電解水反應(yīng),陽極處會(huì)有H+和 O2產(chǎn)生,陰極處會(huì)有 OH-和 H2產(chǎn)生,因此,污泥中的離子濃度會(huì)提高, H+會(huì)在電場的作用下向陰極移動(dòng),OH-會(huì)在電場的作用下向陽極移動(dòng)[12],會(huì)對電滲透脫水過程中的電流產(chǎn)生一定的影響,并且可能是電流變化曲線中第 2個(gè)峰值產(chǎn)生的原因[13-14].此后,由于污泥中水分進(jìn)一步減少,污泥的電阻也迅速增大,因此通過污泥泥餅的電流也迅速減小,直至趨近于0 A.

圖5 提高電導(dǎo)率時(shí)電流隨時(shí)間的變化Fig.5 Effect of increasing the sludge conductivity by Na2SO4 addition on the current during electrodewatering

圖6 降低電導(dǎo)率時(shí)電流隨時(shí)間的變化Fig.6 Effect of decreasing the sludge conductivity by deionized water washing on the current during electro-dewatering

2.4 不同電導(dǎo)率下電脫水過程中溫度的變化

圖7和圖8是污泥的電導(dǎo)率變化時(shí),電滲透脫水過程中污泥泥餅溫度隨時(shí)間的變化情況.

圖7 提高電導(dǎo)率時(shí)脫水過程中污泥泥餅溫度隨時(shí)間的變化Fig.7 Effect of increasing the sludge conductivity by Na2SO4 addition on the temperature of sludge cake during electro-dewater

圖8 降低電導(dǎo)率時(shí)脫水過程中污泥泥餅溫度隨時(shí)間的變化Fig.8 Effect of decreasing the sludge conductivity by deionized water washing on the temperature of sludge cake during electro-dewatering

在電滲透脫水過程中,由于有電流通過污泥泥餅,因此會(huì)有部分電能以熱量的形式散發(fā)出去.散發(fā)出去的熱量與2/i λ成正比關(guān)系[7],因此,泥餅溫度的變化與通過的電流大小有密切的關(guān)系.所以添加 Na2SO4的量越高,在脫水過程的初始階段通過污泥泥餅的電流越大,溫度上升的速率越快,達(dá)到的最高溫度也越高.未添加 Na2SO4的污泥泥餅所能達(dá)到的最高溫度為59℃,當(dāng)污泥的電導(dǎo)率達(dá)到2575μS/cm時(shí),脫水過程中泥餅的最高溫度可以達(dá)到 72℃.此外,隨著清洗強(qiáng)度的增加,脫水過程的初始階段通過污泥泥餅的電流減小,因此溫度的上升速率也在變小,所能達(dá)到的最高溫度也在變低.未經(jīng)清洗的污泥的泥餅所能達(dá)到的最高溫度為65℃,而經(jīng)過7遍清洗后的污泥泥餅所能達(dá)到的最高溫度則為59℃.

溫度的變化對于污泥的電滲透脫水過程也有一定的影響.由于溫度升高,使得污泥中水分的黏度降低,根據(jù) Helmholtz-Smoluchowski理論,將有利于電滲透脫水的進(jìn)行[7,15].但是溫度的升高表明在電滲透脫水過程中,有一部分能量以熱能的形式散失掉,這也增加了脫水過程中的能耗.

2.5 不同電導(dǎo)率下脫水過程中能耗的變化

電脫水過程中的能耗通過下式計(jì)算[16]:

式中:E為脫除單位水分所需能耗, kW?h/kg去除水;m為脫除的水分的重量, kg;U為脫水過程中所加電壓,V;I(t)為脫水過程中的電流隨時(shí)間的變化,A;t為脫水時(shí)間, h.

表2和表3列出了在不同初始電導(dǎo)率下進(jìn)行20min的電滲透脫水后的污泥最終含水率以及含水率達(dá)到 60%時(shí)去除單位水分所需要的能耗.可以看出,當(dāng)使用加鹽調(diào)質(zhì),使污泥的電導(dǎo)率從1003μS/cm增加到2575μS/cm時(shí),去除單位質(zhì)量的水分所需要的能耗從 0.1380kW?h/kg去除水增加到0.2335kW?h/kg去除水,增加了 69.2%.當(dāng)使用去離子水清洗污泥7次,使污泥的電導(dǎo)率從987μS/cm降低到371μS/cm時(shí),去除單位水分所需要的能耗從0.1822 kW?h/kg去除水降低到 0.1385 kW?h/kg去除水,減少了 24%.由此可知,電導(dǎo)率的變化對污泥的電滲透脫水效果影響不明顯,但是卻能顯著影響脫水過程中的能耗.這也說明,將電滲透脫水技術(shù)應(yīng)用于電導(dǎo)率較低的污泥,可以在保證脫水效果的情況下最大限度地降低能耗.

表2 加鹽調(diào)質(zhì)下電脫水20min后污泥所能達(dá)到的含水率及所需能耗Table 2 Energy consumption and final moisture content after 20 min of electro-dewatering of saltpreconditioned sludge

表3 污泥清洗下電脫水20min后污泥最終含水率及所需能耗Table 3 Energy consumption and final moisture content after 20min of electro-dewatering of deionized water washed sludge

3 結(jié)論

3.1 電滲透脫水技術(shù)可以使污泥的含水率降低至 60%以下,達(dá)到國家規(guī)定的將污泥用于填埋和農(nóng)用時(shí)對含水率的要求.

3.2 電導(dǎo)率的變化對污泥電滲透脫水效果的影響有限,但是對脫水過程中的能耗有較為明顯的影響.當(dāng)使用添加 Na2SO4的方式使污泥的電導(dǎo)率從1003 μS/cm增加到2575μS/cm時(shí),電滲透脫水能耗增加了 69.2%.當(dāng)使用去離子水清洗的方式使污泥的電導(dǎo)率從 987μS/cm 降低到371μS/cm 時(shí),電滲透脫水能耗降低了 24%.因此,從節(jié)省能耗的角度出發(fā),電滲透法更適于對電導(dǎo)率較低的污泥進(jìn)行脫水.

[1]戴曉虎.我國城鎮(zhèn)污泥處理處置現(xiàn)狀及思考 [J].給水排水,2010,38(2):1-5.

[2]GB/T 23485-2009 城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置混合填埋泥質(zhì)[S].

[3]CJ/T 309-2009 城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置 農(nóng)用泥質(zhì) [S].

[4]Lee J K, Shin H S, Park C.Performance evaluation of electrodewatering system for sewage sludges [J].Korean J.Chem.Eng, 2002,19(1):41-45.

[5]邵立明,顧偉妹,徐華成,等.脫水污泥生物干化及產(chǎn)物農(nóng)用性質(zhì)評價(jià) [J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2011,30(11):2379-2383.

[6]姜瑞勛,李愛民,王偉云.脫水污泥薄層干燥特性及動(dòng)力學(xué)模型分析 [J].中國環(huán)境科學(xué), 2009,29(1):22-25.

[7]Citeau M, Larue O.Influence of salt, pH and polyelectrolyte on the pressure electro-dewatering of sewage sludge [J].Water Res.,2011,45(6):2167-2180.

[8]Chen Guohua, Lai Keith C K, Lo Irene M C.Behavior of Electro-osmotic Dewatering of Biological Sludge with Salinity [J].Separation Science and Technology, 2003,38(4):903-915.

[9]Saveyna Hans, Pauwelsb Geert, Timmerman Rik, et al.Effect of polyelectrolyte conditioning on the enhanced dewatering of activated sludge by application of an electric field during the expression phase [J].Water Research, 2005,39(13):3012-3020.

[10]GB 7895-87 森林土壤pH值測定 [S].

[11]Glendinning S, Mok C K, Kalumba D.Design framework for electrokinetically enhanced dewatering of sludge [J].J.Environ.Eng-Asce., 2010,136(4):417-426.

[12]彭桂群,田光明.采用電動(dòng)修復(fù)增強(qiáng)技術(shù)去除電鍍污泥中重金屬[J].中國環(huán)境科學(xué), 2010,30(3):349-356.

[13]Aziz A A A, Dixon D R, Usher S P, et al.Electrically enhanced dewatering (EED) of particulate suspensions [J].Colloids and Surfaces a-Physicochemical and Engineering Aspects, 2006,290(1-3):194-205.

[14]Mahmoud A, Olivier J, Vaxelaire J.Electrical field: A historical review of its application and contributions in wastewater sludge dewatering [J].Water Res., 2010,44(8):2381-2407.

[15]Weber K, Stahl W.Improvement of filtration kinetics by pressure electrofiltration [J].Separation and Purification Technology,2002,26(1):69-80.

[16]Yuan C, Weng C H.Sludge dewatering by electrokinetic technique: effect of processing time and potential gradient [J].Adv.Environ.Res., 2003,7(3):727-732.