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        電絮凝法調(diào)理剩余污泥CST的影響因素分析

        2021-11-29 00:58:32劉宇川譚學(xué)才劉紹剛黃政邦
        化工技術(shù)與開發(fā) 2021年11期
        關(guān)鍵詞:影響

        施 欽,劉宇川,譚學(xué)才,劉紹剛,黃政邦,敬 康,李 楠

        (1.廣西民族大學(xué)材料與環(huán)境學(xué)院,廣西 南寧 530008;2. 廣西民族大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,廣西 南寧 530008;3.華鴻水務(wù)集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530000)

        活性污泥法是應(yīng)用極為廣泛的污水處理技術(shù),但在處理污水時會產(chǎn)生大量的剩余污泥。污泥的含水率高,體積龐大,會造成運(yùn)輸和處理上的極大困難,因此污泥脫水減量化是其無害化處理的關(guān)鍵步驟。當(dāng)前,發(fā)展污泥調(diào)理技術(shù),對污泥進(jìn)行預(yù)處理,改善污泥的脫水性能,是污泥脫水減量化的重要研究方向。國內(nèi)外學(xué)者研究較多的污泥調(diào)理技術(shù),有物理調(diào)理(熱處理、微波、超聲波、磁場等)、化學(xué)調(diào)理(絮凝劑、助凝劑、氧化劑等)、微生物絮凝劑及聯(lián)合調(diào)理[1-5]等。這些技術(shù)都有一定的局限性,例如成本較高、脫水效果差、會造成二次污染等。電絮凝是一種兼具化學(xué)絮凝和電化學(xué)技術(shù)特點(diǎn)的環(huán)境友好型技術(shù),因具有泥量少、裝置簡單易操作、無二次污染等特點(diǎn),已成為水處理工藝的研究熱點(diǎn)[6-10]。電絮凝過程通過外加電場而發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),在電化學(xué)氧化還原的作用下,胞外聚合物(EPS)和微生物細(xì)胞有機(jī)會被破解,釋放出毛細(xì)水和結(jié)合水,再通過絮凝作用,將泥和水進(jìn)行分離[11]。電絮凝在污泥調(diào)理領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景,是污泥脫水的新途徑和新方法,但是目前電絮凝在污泥調(diào)理方面的應(yīng)用研究接近空白。

        毛細(xì)吸水時間(CST)測試主要用于確定污泥絮凝之后的過濾性能[12],具有快速、簡單、能準(zhǔn)確反映污泥脫水性能變化等優(yōu)點(diǎn),是公認(rèn)的污泥脫水性能測試方法[13]。曾麗等人[14]以CST作為衡量污泥預(yù)處理中脫水性能的指標(biāo),研究了電解電壓、極板間距、電解質(zhì)種類、電解質(zhì)投加量等因素對電化學(xué)預(yù)處理市政污泥的影響。張洛紅等人[15]以CST作為污泥脫水性能的評價指標(biāo),對顯著影響污泥脫水性能的絮凝劑的添加條件進(jìn)行了優(yōu)化。Bień等人[16]以CST為污泥脫水性能指標(biāo),分析了不同的化學(xué)試劑對經(jīng)超聲處理的污泥的處理效果。依據(jù)CST,可在生產(chǎn)現(xiàn)場快速了解污泥性質(zhì)的變化,有助于操作人員根據(jù)實(shí)際測出的污泥脫水性能的變化情況,及時調(diào)整工藝參數(shù),從而發(fā)揮最佳效益。

        極板材料是電化學(xué)過程中最重要的影響因素[17]。本文以CST為指標(biāo),分別采用Fe電極和Al電極,探索電絮凝法處理剩余污泥的脫水效果,考察了極板間距、電解質(zhì)種類、電壓大小、曝氣情況等因素的作用效果并分析了機(jī)理。

        1 材料與方法

        1.1 實(shí)驗(yàn)材料

        實(shí)驗(yàn)所用污泥采自南寧市某污水處理工程A2/O工藝中的剩余活性污泥,含水率約99.1%。污泥取樣后2h內(nèi)運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室,置于4℃下保存?zhèn)溆?,存留時間少于 72 h。

        1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

        本實(shí)驗(yàn)采用的電絮凝反應(yīng)裝置是自制的矩形有機(jī)玻璃容器,容積為250mL。陰陽電極板選用1對Al電極板或Fe電極板,尺寸為48mm×9mm。電源采用DH1766-1型直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源,攪拌設(shè)備為JB-1型磁力攪拌器。CST測試儀為Triton 3048型圓筒形直通式CST測試儀。

        1.3 實(shí)驗(yàn)方法

        量取200mL剩余污泥放入反應(yīng)器中,插入電極板后接通電源,每隔一定時間取樣測試污泥的CST。研究不同的極板間距(1、2、3、4、5cm)、電解質(zhì)種類(NaCl、NaOH 和 Na2SO4)、電壓(5V、10V、15V、20V)、反應(yīng)時間等因素對CST的影響。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 極板間距的影響

        在電壓5V、不投加電解質(zhì)的條件下,考察極板間距對污泥CST的影響。由圖1可見,極板間距對污泥CST的影響較大,不同電極的極板間距對污泥CST的影響不同。總體來說,CST隨著電解時間的延長而變大,說明污泥中的水分含量減少。極板間距能夠影響電化學(xué)體系中的電場強(qiáng)度,進(jìn)而影響污泥的破解程度[18]。對于Al電極,極板間距為4cm和5cm時,電解時間40 min內(nèi),CST沒有太大的變化,說明極板間距較大時,電場強(qiáng)度較弱,不利于污泥的破解[19]。Al電極的極板間距較小時(1cm和2cm),CST先增大后減小,這是由于電解加劇了水的分解,使得CST增大,隨后菌膠團(tuán)持續(xù)被破解而釋放水分,使得CST減小,但是反應(yīng)過于劇烈,大量污泥被氣泡帶出,導(dǎo)致了污泥流失;而Al電極的極板間距為3cm時,反應(yīng)較為穩(wěn)定。圖1(b)中,CST值的變化很大,說明使用Fe電極時,反應(yīng)較為劇烈且不穩(wěn)定,當(dāng)極板間距為3cm時,F(xiàn)e電極在各個時間點(diǎn)的CST值均高于Al電極,說明Fe電極對污泥的調(diào)理效果并不理想,穩(wěn)定性較差。

        圖1 不同極板間距下電絮凝處理對污泥CST的影響

        2.2 電解質(zhì)種類的影響

        添加電解質(zhì)可增加污泥的導(dǎo)電率,從而提高處理速率。在電壓為10V、極板間距為3cm的條件下,研究了不同的電解質(zhì)(NaCl、NaOH和Na2SO4)對CST的影響。如圖2所示,投加等量的電解質(zhì)(0.1g·L-1)時,NaOH會使溶液呈堿性,從而促進(jìn)電絮凝反應(yīng)。Al電極和Fe電極的CST增大,說明產(chǎn)生了大量的絮體,反而增大了污泥的含水率。此外,偏酸條件不利于電絮凝過程的進(jìn)行[20],因此采用電絮凝調(diào)理污泥時無需調(diào)整pH。投加NaCl和Na2SO4之后,CST值的變化不大,說明NaCl和Na2SO4對CST的影響不大。NaCl廉價易得,因此選擇NaCl作為電解質(zhì)較為合適。

        圖2 不同的電解質(zhì)電絮凝處理對污泥CST的影響

        2.3 電壓的影響

        控制反應(yīng)時間為40min,極板間距為3cm,投加0.1 g·L-1的 NaCl,考察了不同的電壓(5、10、15、20 V)對CST的影響,結(jié)果如圖3所示。在所有電壓下,F(xiàn)e電極的CST值均隨電解時間的延長,呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。其中,電壓為20V時,F(xiàn)e電極的CST值下降至最低20.7s,可見在電壓較高的情況下,脫水性能得到了明顯改善。值得注意的是,電解時間大于30min后,Al電極的CST值(5V和10V)出現(xiàn)了大幅上升象,原因可能是污泥在電絮凝調(diào)理之后,釋放出的水分再被電解掉,使得污泥中自由水分的含量降低。當(dāng)電壓增大到15V和20V時,Al電極的CST值分別下降至18.5s和16.1s。但是20V的耗能高,并會產(chǎn)生大量氣泡溢出反應(yīng)器,因此,綜合考慮調(diào)理效果和穩(wěn)定性,最佳反應(yīng)電壓為15V。整個反應(yīng)過程中,在各個電壓下經(jīng)Al電極處理的污泥,均表現(xiàn)出更低的CST值,說明Al電極的污泥調(diào)理效果較好。

        圖3 不同電壓下電絮凝處理對污泥CST的影響

        2.4 反應(yīng)時間的影響

        為了進(jìn)一步分析電絮凝調(diào)理污泥的過程,研究了不同電極在長時間電解過程中的CST變化。由上述分析可知,CST升高的主要原因,是在電場的作用下,自由水被電解,從而使得污泥的含水率提高;CST降低則表明污泥中的自由水較多。在電絮凝過程中,CST降低,說明在電場作用下,污泥被破壞從而釋放出水分,經(jīng)過絮凝處理后使得CST降低。圖4是電壓為15V、極板間距為3cm、投加0.1 g·L-1NaCl的條件下,不同電極的CST變化情況。電解初期,部分自由水被電解,F(xiàn)e電極的CST快速升高至45.5s,隨后在30~180min內(nèi),在電場和電絮凝的作用下,內(nèi)部水被釋放出來,CST下降至19.7s,180min后,釋放出來的水分又被電解,使得污泥變得濃稠,CST值升高。由此可見,電絮凝調(diào)理污泥時釋放出來的水分是有限的,處理一定時間后,電場的主要作用轉(zhuǎn)為釋放出的水分的電解作用,從而升高了CST。對于Fe電極,直到180min釋放水分的過程才結(jié)束;而Al電極僅需60 min時就完成了水分釋放過程,此時的CST最低(13.5s),下降了57%,調(diào)理效果較好。210min后,Al電極的CST再次降低,說明水分被電解處理到一定程度后,仍會有頑固的內(nèi)部水被釋放出來。顯然,Al電極具有更佳的電絮凝污泥調(diào)理性能,60 min為最佳處理時間。

        圖4 反應(yīng)時間對CST的影響

        3 結(jié)論

        對剩余污泥進(jìn)行電絮凝實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)電絮凝能通過氧化作用和絮凝作用來調(diào)理污泥,改善其脫水性能。Al電極比Fe電極具有更佳的電絮凝污泥調(diào)理性能。在Al電極電絮凝調(diào)理污泥的前期,EPS和微生物細(xì)胞在電絮凝的氧化作用和絮凝作用下被破解,釋放出內(nèi)部水從而降低CST,實(shí)現(xiàn)污泥調(diào)理。極板間距和電壓對CST的影響較大。電解質(zhì)NaCl和Na2SO4對CST的影響不大。Al電極在最佳條件下電絮凝處理污泥60 min,CST下降到13.5s,說明Al電極能有效調(diào)理污泥,改善污泥的脫水性能。

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