厲炯慧 喻 濤 陳 英 張孝寧

（1.浙江工商大學環(huán)境科學與工程，310000；2.浙江省工業(yè)環(huán)保設(shè)計研究院有限公司，310005：杭州）

隨著我國城市化進程的加快，城市污水處理率逐年提高，但隨之而來產(chǎn)生了大量二次污染物——剩余污泥。目前污泥減量化處理以厭氧消化為主，運行成本低、安全可靠而被廣泛應(yīng)用。但其處理時間長、設(shè)施占地大、產(chǎn)氣率及產(chǎn)氣量較低等瓶頸嚴重抑制其進一步發(fā)展[1]。此外，也有報道采用物理、化學、生物以及其聯(lián)用的方法用于污泥減量[2-11]。但是，物理、化學技術(shù)高昂的處理成本亦嚴重限制該技術(shù)的實際應(yīng)用[2]。因此，急需尋求一種經(jīng)濟、高效、環(huán)保的污泥減量化技術(shù)。

近幾年，在生物處理系統(tǒng)中引入電化學技術(shù)進行產(chǎn)電、產(chǎn)氫和污染物降解等方面的研究逐漸成為環(huán)境與能源領(lǐng)域的一個新熱點[12-14]。本研究通過構(gòu)建剩余污泥電輔助厭氧消化反應(yīng)器，優(yōu)化電極材料與空間布置，獲得優(yōu)化污泥電化學預處理調(diào)控策略，并對減量機理進行了初步探討。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

實驗所用活性污泥取自杭州某污水廠，基本參數(shù)：pH為6.6，固體質(zhì)量分數(shù)0.7%，電導率110mS/cm。

1.2 實驗裝置

電化學裝置為有機玻璃制作的矩形反應(yīng)器，反應(yīng)器容積為1.5 L，電極正對面積為75 cm2，板間距為6 cm；實驗所用電源為直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源，攪拌設(shè)備為恒溫磁力攪拌器。

1.3 分析方法

pH采用精密pH計測定，混合液懸浮固體（MLSS）含量采用標準稱量法檢測，溶解性化學需氧量（SCOD）采用COD儀快速測定法檢測；S420掃描/透射電鏡（SEM）觀察污泥表面，多通道CHI1040C電化學工作站測定伏安特性曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 剩余污泥減量效果

MLSS單位電壓溶出率S表明了MLSS的溶解的速度和程度，計算方法：

式中，ρ0和ρt分別為MLSS原始和反應(yīng)某時刻MLSS的質(zhì)量濃度，U為電壓。

圖1為剩余污泥在6 V電壓下的碳源轉(zhuǎn)變過程。

由圖1可知，0～7 h時MLSS含量呈下降趨勢，SCOD呈上升趨勢；而7 h以后SCOD和MLSS含量均呈下降趨勢，直至7 h時SCOD達到最高。原因是電化學氧化高效作用于細胞破裂，以及SCOD（胞液）降解，7 h之前細胞溶出速度快于有機物礦化速率，導致SCOD持續(xù)上升；7 h之后由于污泥中大部分細胞已經(jīng)破裂溶解，氧化有機物速率開始高于細胞溶出速率，SCOD開始下降。

圖1 生物污泥電化學降解過程Fig1 The electrochemical degradation process of biological sludge

2.2 電化學作用機理分析

圖2為原始和經(jīng)過電化學作用后污泥的SEM照片。

圖2 掃描電鏡圖（8 000倍）Fig 2 Photo of SEM(×8 000)

由圖2可知，原始剩余污泥細胞表現(xiàn)為完整、飽滿，而經(jīng)過電化學作用后基本已經(jīng)不存在完整的細胞結(jié)構(gòu)，并且混有少量石墨碎屑，由此進一步證明電化學作用對細胞破裂溶出具有顯著作用。

圖3為電化學作用前及作用后的線性伏安特性曲線，用于電極表面反應(yīng)過程。

由圖3可知，在電化學作用前細胞形態(tài)完整，與電解液完全分離，此時電極表面沒有發(fā)現(xiàn)任何氧化還原過程，由此說明細胞破裂溶出、破壞結(jié)構(gòu)之后開始氧化細胞內(nèi)的有機物。經(jīng)過電化學作用后，電極表面出現(xiàn)大量氧化還原峰，且氧化還原面積顯著擴大，這充分說明水體中含有大量的細胞溶出有機物進行氧化反應(yīng)進行降解。綜上可知，電化學作用先對細胞進行破碎直至細胞液溶出，然后開始作用于溶出有機物的降解礦化。

圖3 電化學作用前后伏安特性曲線Fig 3 Characteristic curve of volt-ampere before and after electrochemical

2.3 電化學作用條件優(yōu)化

由上述可知，7 h之前污泥細胞溶出速度快于有機物礦化速率，該過程成本較高，且不利于后續(xù)污泥發(fā)酵處理，因此電化學時間停留在7 h以前。電化學主要影響因素有電壓、電極材料、電場方向和攪拌速度。

2.3.1 電壓

圖4和圖5分別為不同電壓對MLSS含量和SCOD的影響。

圖4 電壓對MLSS含量的影響Fig 4 Effect of voltage on MLSS content

圖5 電壓對SCOD的影響Fig 5 Effect of voltage on SCOD

圖4和圖5可知，電壓對MLSS含量和SCOD影響很大，隨著電壓的增大（2～10 V），細胞破裂速率顯然加快，MLSS的溶解速率和SCOD的生成速率均有明顯的提高。電壓達到6 V及以上后，SCOD在4 h以后反而呈下降的趨勢，原因是在外加6 V以上電壓之后，細胞MLSS的質(zhì)量濃度低于2 g/L，導致細胞破裂后產(chǎn)生得SCOD速度慢于SCOD氧化速率。從SCOD增加量的角度來看，6～12 V電壓條件下差距并不明顯，所以實驗的適宜的電壓是6 V。

2.3.2 攪拌

攪拌可以使剩余污泥在反應(yīng)器內(nèi)均勻分布，并加大接觸電極表面的幾率從而增大氧化還原過程的場所。圖6為剩余污泥在pH為7.0、電壓為6 V的條件下，MLSS含量和SCOD在不同攪拌轉(zhuǎn)速下的降解過程。

圖6 不同攪拌強度對MLSS含量和SCOD的影響Fig 6 Effect of agitation rate on MLSS contentand SCOD

由圖6可知，不同攪拌強度對MLSS含量和SCOD的影響很大，MLSS的溶解速率和SCOD的生成速率均有明顯的提高，且攪拌轉(zhuǎn)速在0～120 r/min時，MLSS的溶解速率和SCOD的生成速率隨著攪拌轉(zhuǎn)速的增加而增大。攪拌時電解質(zhì)分布均勻，電解表面積增大，電解速率增加；但是，當攪拌轉(zhuǎn)速分別為120 r/min和240 r/min時，2者相差并不明顯，原因是在轉(zhuǎn)速達到120 r/min左右時溶液內(nèi)電解質(zhì)分布已經(jīng)足夠均勻。所以從節(jié)約能源的角度出發(fā)，適宜攪拌速度為120 r/min。

2.3.3 電極材料

電極材料是反應(yīng)器最主要的組成，電極影響效果的作用體現(xiàn)在電極內(nèi)阻、表面積以及生物兼容性，符合這3項性能的電極可以有效提高電極與微生物之間的反應(yīng)。圖7為剩余污泥在pH為7.0、電壓為6 V的條件下，MLSS含量和SCOD在不同電極材料中的降解過程。

圖7 不同電極材料對MLSS含量和SCOD的影響Fig 7 Effect of differentelectrodematerial on MLSS contentand SCOD

不同電極材料的導電性能排列依次為鈦/二氧化鉛＞石墨＞二氧化鈦＞不銹鋼。由圖7可知，以鈦/二氧化鉛作為電極材料時，在4 h以后SCOD反而下降，原因是4 h后鈦/二氧化鉛電極的反應(yīng)器內(nèi)開始以氧化溶解性有機物為主，而其他3種電極材料的反應(yīng)器仍是以污泥細胞溶解為主。這說明鈦/二氧化鉛導電性能最好，反應(yīng)速率最快；但是從SCOD增加量的角度來看，鈦/二氧化鉛電極與石墨電極相差并不明顯，所以從經(jīng)濟的角度出發(fā)，適宜的電極材料是石墨電極。

2.3.4 電場

圖8為在pH為7.0、電壓為6 V的條件下，MLSS含量和SCOD在不同電場布置下的降解過程。

圖8 水平電場和垂直電場對MLSS含量和SCOD的影響Fig 8 Effect of horizontal electric field and vertical electric field on MLSS contentand SCOD

由圖8可知，MLSS含量隨電解時間的增加呈總體下降的趨勢，而SCOD則呈總體上升的趨勢。這說明在外加電壓條件下污泥細胞不斷破碎溶出，使得可溶性有機物不斷增加；而不同電場布置（水平電場或者豎直電場）對MLSS含量和SCOD的影響并不明顯，原因是重力對電解速率的大小并無明顯影響。

3 結(jié)論

1)電化學預處理污泥減量效果顯著。剩余污泥在電化學氧化還原作用下細胞迅速破碎，細胞液溶出，SCOD急速上升，同時電化學作用對SCOD具有高效降解能力。

2)剩余污泥細胞結(jié)構(gòu)首先在電化學作用被完全破壞，細胞液流出致使溶液電解液電導率急速上升，而后電化學開始作用于溶出有機物的降解。

3)電化學處理優(yōu)化電壓為6 V、攪拌轉(zhuǎn)速為120 r/min，陰陽電極均選取石墨作為基底材料。在此優(yōu)化條件下，經(jīng)7 h反應(yīng)后，MLSS的質(zhì)量濃度下降83.3%，SCOD提高至2.7 g/L，有利于污泥生物減量化效率的進一步提高。

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