劉陽 程潔紅

摘 要：城市污泥的產量隨城市污水處理率和處理深度的提高正在急劇增加。由于污泥中含有各種有機污染物、無機物，以及對人體有害的病原菌、重金屬元素等，因此，城市污泥需要穩(wěn)定化和無害化處理處置。電化學法具有效率高、污染少、操作簡單和占地小等優(yōu)點，應用于城市污泥。主要介紹了電化學法的主要操作參數，以及對城市污泥減量化處理、改善脫水性能和預處理等方面的應用。

關鍵詞：城市污泥；電化學；操作參數；應用

中圖分類號：X703文獻標識碼：A文章編號：2095-7394（2015）04-0036-04

0 引言

城市污泥是城鎮(zhèn)污水處理廠在處理城市污水時的副產物[1]，其產生量在不斷增長。污泥的主要成分是水，還存在不穩(wěn)定的有機物、無機鹽類、重金屬，以及少量的病源寄生蟲卵和病原菌[2-3]，因此，必須進行穩(wěn)定化和無害化處理。目前，城鎮(zhèn)污水廠在處理方面存在著普遍的“重水輕泥”現象，不經處理的城市污泥導致的二次污染已成為我國一個突出的環(huán)境問題。[4]通過電化學的氧化、還原等作用，對城市污泥進行預處理，有利于后續(xù)的穩(wěn)定化、無害化生物處理。目前，關于采用電化學法在城市污泥預處理和作用機理方面的研究較少，本文概括地論述了電化學法在城市污泥的減量化、脫水性能的改善，以及生物消化前的預處理方面的應用研究。

1 電化學法的原理及特點

電化學法就是污染物在外加電場的反應器中進行物理、化學等過程，從而使有機污染物去除的方法。[5]由于20世紀40年代以前的電力缺乏以及應用成本較高，因此電化學沒有在污水污泥處理中較快的投入使用。隨著現代發(fā)電技術的快速發(fā)展以及全球經濟的穩(wěn)定增長，具有獨特優(yōu)越性的電化學法也愈來愈被各國重視。[6]

1.1 原理

電化學法的基本原理就是通過電極的作用，使得有機污染物產生直接或者間接的氧化反應，將其分解成為無機小分子化合物的過程，并在此基礎上衍生出了多種方法。利用電化學法處理污泥，其原理主要包括：

（l）氧化作用。通過在陽極發(fā)生的直接氧化作用，或者通過陽極反應產物（如C12，ClO-，·OH，O2等）進行的間接氧化作用，都可以實現溶胞作用。電解時水中的OH-可以在陽極放電生成具有強氧化能力的氧：4OH--4e→2H2O+2[O]；電解過程中產生的氧化性極強的羥基自由基可以氧化細胞壁，達到溶胞效果。

（2）還原作用。電化學的還原作用也可以起到溶胞作用，利用陰極授予電子的能力，并且電解時在陰極的H+放電會產生有很強還原作用的氫：2H++2e→H2。

因此，污泥微生物的細胞壁在電解過程中產生的強氧化劑及還原劑共同作用下被破壞，細胞內固體狀態(tài)的COD變成溶解性的COD溶解到水中，最終達到溶胞作用，有利于后續(xù)的厭氧消化產氣。

1.2 特點

（1）廣泛性：電化學法可以用于處理有毒有害、難生物降解的物質，還可以用于處理工業(yè)廢水、生活廢水等，并能通過與其他處理方法相結合來對重金屬進行回收等；

（2）環(huán)保性：利用反應生成的氧化性、還原性物質去除污染物，反應快，無需額外加入化學物質從而再次造成污染；

（3）操作簡單：該方法在正常溫壓下即可進行操作，無特殊溫壓限制，并且具有反應設備小、較為簡單等優(yōu)點，相對于其他方法不會侵占太多資源。[6]

2 電化學操作參數

2.1 極板材料

極板材料是電化學去污過程中最重要的影響因素。常用的電極材料有不銹鋼電極、鋁電極、鐵電極、石墨電極以及網狀的RuO2/Ti（鈦涂釕）電極等。采用鐵電極和鋁電極的電化學法對污水中COD的降解處理效果較好，并且用鋁電極作陽極時其COD去除率比用鐵電極的高。[7]王麗等人[8]以Ti/RuO2為陽極材料的電化學法處理污泥，能有效實現活性污泥減量。王詩生等人[9]以石墨板為陰、陽電極板，利用電化學法對污泥脫水性能的參數進行了優(yōu)化。在國外，Qu等人[10-11]利用不同的電化學反應器以及電極材料將特殊的有機污染物降解為可生化降解的簡單有機物。Adams B等人[12]利用不同的氧化物電極對難降解有機污染物的去除率進行研究，最終發(fā)現以鈦為基底的氧化錫和氧化銥電極對有機污染物的去除率最高。

江蘇理工學院學報第21卷

第4期

劉 陽 程潔紅：電化學法對城市污泥處理的應用研究

利用電化學進行有機物的降解，主要是通過陽極發(fā)生的副反應，利用反應析出的氧降解有機物。析氧電位越高的陽極材料，反應析出的氧越多，有機物的降解越徹底。[13]

2.2 電壓

電壓是電化學去污過程重要的影響參數。在電化學法處理難降解有機物的研究中，工作電壓和電解質對有機物的去除影響較大。[14]在電化學法處理焦化廢水時，通過氧化作用將難降解有機物降解為可生化的小分子物質，并且當陽極極板電位是0.3V時，COD的去除率最大為45%[15]；而且陰陽極的電極電位對COD的去除影響很大。也有人發(fā)現污泥經電化學處理后，由于電壓的不同其形態(tài)有不同程度的變化，在50V的高壓下污泥經過電解作用，菌膠團結構嚴重破損，并且無法復原[16]；而在30V條件下，菌膠團結構只是輕微破裂，并且能夠氧化表面層松散附著的EPS（loosely bound EPS，LB-EPS），從而釋放出胞內自由水。利用電化學法改善污泥脫水性能的研究中發(fā)現，工作電壓為20V時對污泥脫水性能影響最大。[9]

電壓決定著電化學反應是否發(fā)生，也影響著反應速率的大小。總體上來說，加在電極上的電壓與電化學反應速率呈正相關性；但當電壓超過一定的范圍，由于產生的泥水分層現象，反應速率反而減小。

2.3 電解時間

電解時間是電化學去污過程中重要參數之一，國內有學者[17]利用電化學法對剩余污泥的穩(wěn)定性進行研究，在電解的前20min，污泥中VSS的去除率隨電解時間的增加而逐漸升高，且在20min時VSS最大去除率為35.4%。在電化學法對污泥沉降性能的研究[7]中，電解后污泥的沉降速率與未經處理的污泥相比有所增加，幷且泥水界面高度減?。晃勰喑两禃r間相同的情況下，泥水界面高度與電解時間呈負相關性；在一定的電解時間內，污泥沉降性能與電解時間呈正相關性。通過對活性污泥進行電解減量的實驗研究[8]，當間歇電解60min后，污泥有較好的溶胞效果并且活性污泥的表觀溶解效率為29.98%；同時，在電解作用下污泥上清液中COD（solluted chemical oxigen demand，SCOD）增加到最大。電化學法對污泥中NH+4-N的去除也有影響，隨著電解時間的增加，NH+4-N濃度呈現先下降再上升最后又下降的變化，并且在電解60min時NH+4-N濃度值達到最大。這說明污泥經過60min的電解后表觀溶解效率已達到最高，同時通過SCOD和NH+4-N的濃度變化說明了電化學法對SCOD和NH+4-N的強氧化作用，能夠實現去除有機物污染物的目的。

隨著電解時間的增加，在一定范圍內，污泥溶胞效率與反應生成的強氧化性物質呈正相關性，與溶胞釋放的還原性物質呈負相關性。

3 電化學法在處理城市污泥方面的應用

3.1 電化學法對污泥的減量化應用

電化學法可使城市污泥減量。經過一系列的電化學反應形成強氧化性·OH基團，利用它們將污泥胞外聚合物（EPS）氧化，從而破壞污泥菌膠團結構，使其溶胞破解，降低整個處理工藝過程的剩余污泥量，最終實現污泥減量化。[18]王麗等人[8]通過對活性污泥進行電解減量的研究，發(fā)現電化學法對污泥有明顯的溶胞效果。在最佳的氧化工藝參數下，活性污泥的表觀溶解效率為29.98%，電化學對污泥的溶胞效應顯著。經過電化學處理的污泥，其TN和TP的濃度有明顯的增加，SCOD和NH+4-N有一定的去除。這說明電化學對SCOD和NH+4-N有很強的氧化作用。

電化學法在污泥減量過程中一般無需加入額外的化學藥品，并且后續(xù)操作簡單方便、占地面積小，是具有高環(huán)保性的有機物處理方法。[19]

3.2 電化學法對城市污泥脫水的應用

污泥通過電化學法氧化LB-EPS，由于細胞壁的破裂將胞內自由水釋放出來，從而增加了胞外自由水的量，最終達到改善污泥脫水性能的目的。在最優(yōu)條件下將污泥進行電解可使毛細吸水時間（CST）下降35.5%，且脫水性能也得到改善。[16]王詩生等人[9]研究了電壓、極板間距、處理時間、插入深度對污泥脫水性能的影響。結果表明，電壓的影響最大，插入深度的影響最小，極板間距和處理時間影響居中。通過電化學處理，污泥的CST下降19.6%，泥餅含固率（DS）上升5.85%。

通過電化學法對污泥的溶胞作用，使處理后的污泥絮體結構變得松散，并且有較好的沉降性能。[8]

3.3 電化學法對城市污泥預處理的應用

國內學者采用電化學法作為污泥好氧消化的預處理工藝，從而提高MLVSS的去除效率。丁瑾等人[20]將污泥經電化學預處理后，其MLVSS去除率高達97%，再經9～16℃下14天的好氧消化，其MLVSS又可去除40.2%，總去除率達到41.44%，與未經電化學預處理只有好氧消化的污泥去除效果相比，去除率提高了8.2%。宋立杰等人[21]發(fā)現經電化學預處理的污泥，由于絮體結構的破壞其SCOD、NH+4-N、TN和TP等濃度含量都比未經電化學預處理的污泥高，其中SCOD增加量最為明顯，這些都體現了電化學法對污泥的溶胞作用。經過電化學預處理，污泥固體的熱穩(wěn)定性降低，并且污泥達到穩(wěn)定化的時間縮短。

通過電化學預處理對污泥的溶胞破解，使胞內有機物質釋放溶入液相中，提高了有機物可生物降解的比例，從而使污泥的好氧消化性能得到提高。

4 結語

電化學技術因其具有廣泛性、環(huán)保性以及操作簡單等特點被稱為“環(huán)境友好”技術。電化學法作為一種有效的去污方法，既能使部分有機物直接分解成無機化合物，還能去除部分常規(guī)生物法無法去除的難降解有機物，從而提高污泥的可生物降解性。利用電化學進行預處理，能使復雜的難降解的有機物降解成簡單的有機物，能夠提高厭氧微生物所能利用的底物含量，促進厭氧發(fā)酵。電化學預處理技術與其他傳統(tǒng)的預處理技術相比更有競爭潛力，其能耗不會引起二次污染、效率高、降解效果明顯等突出的優(yōu)點備受人們的關注，是一項很有前途的預處理技術。

參考文獻：

[1]李凱軍.淺談城市污泥處理處置與資源化技術[C].2010年全國給水排水技術信息網年暨技術交流會論文集，蘇州：[出版者不詳]，2010.

[2]丘錦榮，郭曉方，衛(wèi)澤斌，等.城市污泥農用資源化研究進展[J].農業(yè)環(huán)境科學學報，2010，29（S1）：300-304.

[3]韋小穎，肖細元，張瓏，等.城市污泥中重金屬和有機污染物的凈化與污泥土地利用[J].環(huán)境工程，2010，28（S1）：235-240.

[4]余杰，田寧寧，王凱軍，等.中國城市污水處理廠污泥處理處置問題探討分析[J].環(huán)境工程學報，2007，1（1）：82-86.

[5]馮玉杰，李曉巖，尤宏，等.電化學氧化技術在環(huán)境工程中的應用[M].北京：北京工業(yè)出版社，2002.

[6]李春梅.電化學氧化法對污泥減量的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2011.

[7]傅金祥，王冬，黃殿男，等.低壓直流電電解剩余活性污泥[J].化工環(huán)保，2014，34（5）：410-414.

[8]王麗，李春梅.電化學氧化活性污泥減量效能[J].哈爾濱工業(yè)大學學報，2012，44（2）：116-119.

[9]王詩生，李靜，盛廣宏.電化學處理改善污泥脫水性能的參數優(yōu)化[J].安徽工業(yè)大學學報，2014，31（2）：157-223.

[10]Qu X A，Tian M，Liao B Q，et al.Electrochemical oxidation of phenol for wastewater treatment using SnO2 anodes[J].Electrochimica Acta，2010，55（19）：5 367-5 374.

[11]Serikawa R M，Isaka M，Su Q，et al.Wet electrolytic oxidation of organic pollutants in wastewater treatment[J].Journal of applied electrochemistry，2010，30（7）：875-883.

[12]Adams B，Tian M，Chen A.Design and electrochemical study of SnO2-based mixed oxide electrodes [J].Electrochimica Acta，2009，54（5）：1 491-1 498.

[13]Yang X P，Zou R Y，Huo F，et al.Preparation and characterization of Ti/SnO2-Sb2O3-Nb2O5/PbO2 thin film as electrode material for the degradation of phenol[J].Journal of Hazardous Materials，2009，164（1）：367-373.

[14]程迪，趙馨.電化學氧化處理難降解廢水的研究進展[J].化學與生物工程，2011，28（4）：1-5.

[15]木拉力·烏拉孜汗.電化學方法對焦化廢水的前置處理研究[D].北京：北京大學，2010.

[16]周貞英，袁海平，朱南文，等.電化學處理改善剩余污泥脫水性能[J].環(huán)境科學報，2011，31（10）：2 199-2 203.

[17]尹炳奎，俞清，劉冬，等.剩余污泥的電化學穩(wěn)定實驗研究[J].環(huán)境科學與技術，2006，29（11）：34-36.

[18]漸明柱，李德生，薛敏濤，等.電化學預處理與MBR工藝聯合處理制膜廢水[J].廣州化工，2010，38（6）：175-180.

[19]姚明修，程麗華.剩余污泥減量化技術的研究進展[J].青島理工大學學報，2007，10：386-389.

[20]丁瑾.電化學預處理提高剩余污泥好氧消化性能研究[J].環(huán)境污染與防治，2010，32（5）：52-56.

[21]宋立杰.電化學預處理污泥的機制研究[J].環(huán)境污染與防治，2011，33（7）：32-35.Research of Electrochemical Pretreatment of Municipal Sewage Sludge

LIU Yang，CHENG Jie-hong

（School of Chemical and Environmental Engineering，Jiangsu University of Technology，Changzhou 213001，China）

Abstract：With the urban sewage treatment rate and depth of treatment increased，the sludge has increased dramatically.Due to the sludge contains a variety of heavy metals，pollutants and microbes，bacteria，inorganic and organic substances and so on，so it is important to deal with sludge.The electrochemical method has high efficiency，low pollution features，and simple operation，small footprint device.This paper introduces the main operating parameters of the electrochemical method，and the applications of the reduction of municipal sludge treatment and so on.

Key words：Municipal sludge；Electrochemistry；Operating parameters；Application

責任編輯 祁秀春