于曉艷，李 婧，楊曉霜，趙國琳，岳 玲

(太原工業(yè)學院 環(huán)境與安全工程系，山西 太原 030008)

1 引言

隨著城市化進程的加快，我國污水每年的排放量逐年增加，到2020年底，其排放量已達5713633萬m3/年，城市污水處理能力相應地也在不斷提高，其中日處理能力19267萬m3/d以上的污水處理廠達到2618座[1]。目前市政污水處理廠普遍采用活性污泥法進行污染物去除，但帶來的弊端是容易產(chǎn)生大量的剩余污泥。污水處理廠每日產(chǎn)生的大量污泥都需運輸及后續(xù)處理處置，其中污泥含水率的高低直接決定了污泥運輸成本及后續(xù)的資源化利用價值。由于污泥是呈膠狀的絮體結構，且其表面容易吸附大量的結合水，導致污泥脫水困難。雖經(jīng)機械脫水，但僅能實現(xiàn)70%～80%的含水率[2]，難以滿足污泥后續(xù)處置要求。因此污泥需要進行深度脫水。

目前對于污泥的深度脫水主要包括熱干化或強化污泥機械脫水前藥劑的調(diào)理，但這兩種方法均因能耗高或后續(xù)處理困難存在缺陷[3]。電滲透脫水技術作為一種以電場為驅(qū)動力的固液分離技術逐漸引起研究者的關注，該技術不僅可以脫除污泥中的重金屬和病原微生物[4-6]，而且當污泥含水率降到50%時其脫水能耗不足傳統(tǒng)熱干燥的50%[7]。如果將電滲透脫水后的污泥送入焚燒處置系統(tǒng)，則每噸干泥排放的溫室氣體可以減少至135 kg CO2-eq[8]。因此電滲透脫水有望成為高效、經(jīng)濟、安全的污泥處理技術。但電極材料的腐蝕以及能耗又制約了該技術的廣泛應用，本研究就是從降低電滲透脫水能耗，提高脫水效率的角度出發(fā)，考察陽極涂層及操作條件(電壓梯度、污泥厚度和脫水時間)對污泥電滲透脫水行為的影響，并對污泥電滲透脫水的操作參數(shù)進行優(yōu)化，以期為電滲透脫水技術的工業(yè)化應用提供有力支撐。

2 實驗部分

2.1 實驗裝置

污泥電滲透脫水的實驗裝置如圖1所示。脫水物料的裝填空間為一豎直放置的有機玻璃圓筒(內(nèi)徑70 mm)，陽極和陰極分別安放于脫水物料的上下兩側，電脫水過程中陽極上方提供7 kPa的壓力以保證陽極和污泥表面的密切接觸；陰極為不銹鋼網(wǎng)置于泥餅的下方，以便脫水過程中水分不斷從陰極下端排出，同時用一塊吸水材料吸收從陰極排出的濾液。外加電流通過直流電源進行輸送，并用電子天平稱量污泥在一定時間內(nèi)的脫水量。

1.支架 2.重物 3.有機玻璃筒 4.陽極 5.泥餅 6.陰極 7.吸水材料 8.電子天平 9.直流電源圖1 污泥電滲透脫水的實驗裝置

2.2 實驗材料

所用材料取自天津市某污水處理廠離心脫水后的污泥。該廠處理的污水對象為市政污水，在污水處理過程中產(chǎn)生的剩余污泥，經(jīng)過濃縮并加入一定量的陽離子絮凝劑，被運輸?shù)矫撍畽C房進行離心脫水。脫水后的泥餅被收集且其性質(zhì)為：pH為6.72～6.89，電導率為1.356 mS/cm～1.512 mS/cm，含水率為77.7%～84.4%，灰分為46.4%～47.2%。

2.3 實驗方法

2.3.1 不同涂層鈦陽極的制備

涂層鈦電極的制造工藝主要包括：鈦電極基體的去油污，鈦電極基體的酸蝕刻，涂液的配置，涂敷涂層這四個步驟[9]。其中所鍍涂層分別為釕錫、銥、錫銻、鈀鈦錫銻，具體涂液的配置、涂層的制備參照文獻方法[10-12]。

2.3.2 不同涂層鈦陽極下的污泥電滲透脫水

采用含水率為77.7%機械脫水后的新鮮污泥，將其布置成厚度為5 mm的餅狀，在電壓10 V且陰極為400目不銹鋼網(wǎng)下，分別對不同涂層的鈦陽極(釕錫、銥板、銥網(wǎng)、錫銻、鈀鈦錫銻)進行污泥電滲透脫水。

2.3.3 污泥電滲透脫水影響因素的優(yōu)化

陽極為銥涂層的鈦板，恒電壓模式下，采用響應曲面法來考察電壓強度、污泥厚度、脫水時間對污泥電滲透脫水效果的影響。利用Design-Expert 8.0.6 Trail軟件設計實驗，其中選取電壓強度值分別約為10 V、15 V、20 V，污泥厚度分別為5 mm、8 mm、10 mm，脫水時間分別為3 min、5 min、10 min，進行三因素三水平的最優(yōu)化擬合。應用響應曲面設計因素水平見表1。

表1 響應曲面實驗因素與水平

2.4 分析與測試指標

污泥的脫水率R，計算如下：

(1)

式中，ms是污泥的初始質(zhì)量，g；w0是污泥的初始含水率，%；mt是 t 時刻污泥脫除的水分，g。

污泥 t 時刻的含水率w，計算如下：

(2)

電滲透脫水能耗的計算：

(3)

式中，E是電滲透單位脫水量的能耗，kWh·kg-1；P 是總能耗，kWh；mt是t時刻污泥脫除的水量，kg；V是施加的電壓，V；I 是電流，A；t 是時間，h。

3 結果與討論

3.1 陽極材料對污泥電滲透脫水性能的影響

Lockhart等人描述了水溶液中的極板附近可能存在的主要電解反應[13，14]：

陽極：

(4)

(5)

陰極：

(6)

(7)

基于陽極腐蝕性及脫水污泥清潔性的考慮，采用在電解行業(yè)中應用廣泛的鈦電極做陽極[11，15]。其中鈦陽極由金屬基體和表面活性涂層組成。電極基體鈦起骨架和導電作用；而表面涂層具有化學反應活性。實驗分別考察了釕錫、銥、錫銻和鈀鈦錫銻不同活性涂層的鈦陽極對污泥電滲透脫水的影響(如圖2)。從圖上可以看到，鈀鈦錫銻涂層鈦陽極板的污泥電滲透脫水速率最慢且脫水程度最低，脫水12 min時，污泥的脫水率為56%；其次錫銻涂層的鈦陽極板脫水速率較慢，12 min時，污泥脫水率為62%；而釕錫和銥涂層的鈦陽極板的電滲透脫水速率和脫水程度相同，12 min時，污泥脫水率都為66%。

圖2 鈦陽極的涂層對污泥電滲透脫水的影響

實驗同時考察了相同銥涂層的鈦陽極板和鈦陽極網(wǎng)對污泥電滲透脫水的影響。從圖2看到，電滲透脫水前5 min，兩者脫水速率是一致的。但隨著脫水的進行，銥涂層的鈦陽極網(wǎng)電滲透脫水速率減慢，12 min時，銥涂層的鈦陽極板脫水率為68%；而銥涂層的鈦陽極網(wǎng)脫水率為62%，正好和錫銻涂層鈦陽極板的脫水程度相同。

之所以不同涂層的鈦陽極污泥電滲透脫水效率不同，主要歸因于不同涂層的極板電壓在總外加電壓所占的比例不同。不同涂層極板電壓大小的確定可以通過測定特定電解質(zhì)溶液的最小分解電壓來間接衡量。其中：

y1=88.98-1.13x1+0.9x2-1.41x3

(8)

式中，y1=88.98-1.13x1+0.9x2-1.41x3是電解質(zhì)實際分解電壓；y1=88.98-1.13x1+0.9x2-1.41x3是極板的標準電極電壓；y1=88.98-1.13x1+0.9x2-1.41x3是陽極產(chǎn)生的過電位；y1=88.98-1.13x1+0.9x2-1.41x3是陰極產(chǎn)生的過電位；y1=88.98-1.13x1+0.9x2-1.41x3是電池電阻(溶液)產(chǎn)生的電勢降。

測定電解質(zhì)分解電壓時，陽極分別使用不同涂層的鈦陽極，陰極使用不銹鋼板。每次測定時更換新的電解液，電解液使用自來水，這樣扣除掉電池電阻(溶液)對實際分解電壓的影響。通過作電流-電壓曲線圖求得不同涂層鈦陽極所對應的電解質(zhì)最小分解電壓，其結果如表2所示。從表上可以看到，釕錫和銥涂層的鈦陽極所對應的分解電壓較小且二者相差不大，這意味著當施加相同外加電壓時，發(fā)生在污泥層上的有效電壓降較大且二者大小近似相等；而錫銻和鈀鈦錫銻涂層的鈦陽極所對應的分解電壓依次增大，這樣發(fā)生在污泥層的有效電壓降依次減小，因而引起污泥電滲透脫水速率依次減小。

表2 不同涂層鈦陽極所對應電解質(zhì)的實際分解電壓

3.2 污泥電滲透脫水模型預測

以電滲透脫水泥餅的含水率和過程中消耗的電能為響應值，建立擬合因素與響應值之間的函數(shù)關系。利用Design Expert進行電壓強度、污泥厚度、脫水時間三因素組合，共17組，前12組為析因組；后5組為區(qū)域中心點，用以估計誤差，具體的實驗結果如表3所示。

表3 電滲透脫水操作參數(shù)組合及響應值

對電滲透脫水泥餅的含水率和能耗進行回歸擬合，得到其模型分別如式(9)和式(10)所示。

y1=88.98-1.13x1+0.9x2-1.41x3

(9)

(10)

污泥含水率和脫水能耗模型的方差分析結果如表4所示。脫水泥餅含水率的模型與擬合因素之間呈線性相關，且擬合因素對污泥含水率的影響均顯著。模型的決定系數(shù)R2為0.933，P<0.0001，顯著性F值為60.36，說明該模型可以解釋93.3%含水率變化的響應值；其模型的信噪比Adeq Precision為25.597，表明失擬項不顯著，誤差較小，因而含水率模型的擬合度和可信度較好。同理，脫水能耗模型的可信度也較高，其R2為0.9999，信噪比為226.879，且擬合因素之間的交互作用對能耗的影響較為顯著，其p值均< 0.0001，表明電壓強度、污泥厚度以及脫水時間之間的交互影響顯著。

表4 兩個模型的方差分析結果

3.3 操作參數(shù)的優(yōu)化及驗證

電場強度、污泥厚度對電滲透脫水泥餅含水率的影響如圖3所示。由圖可知，在電滲透脫水5.5 min時，當污泥厚度不變時，脫水后泥餅的含水率隨電壓強度的升高線性下降；當電壓強度不變時，隨著污泥厚度的減小，泥餅含水率呈線性下降的趨勢。同時電壓強度對泥餅含水率的影響要比污泥厚度的影響顯著。

圖3 電壓強度和污泥厚度對電滲透脫水后泥餅含水率的影響

圖4顯示電壓強度、污泥厚度以及脫水時間對污泥脫水能耗的影響。由圖4(a)可以看出，在電滲透脫水5.5 min時，當污泥厚度一定時，隨著電壓強度的增大，污泥的脫水能耗逐漸增大；當電壓強度一定時，隨著污泥厚度的增加，污泥的脫水能耗呈先增大后降低的趨勢，但總的變化趨勢較緩。

圖4 電壓強度、污泥厚度和脫水時間對污泥脫水能耗影響的響應曲面

由圖4(b)可知，在污泥厚度7.5 mm下，當電壓強度一定時，隨著脫水時間的延長，污泥的脫水能耗逐漸增加；當脫水時間一定時，隨著電壓強度的增加，污泥脫水能耗先緩慢減小之后急劇升高。圖4(c)顯示，在電壓強度15 V下，當污泥厚度一定時，隨著脫水時間的延長，污泥的脫水能耗逐漸增加；當脫水時間一定時，隨著污泥厚度的增加，污泥脫水能耗先緩慢上升之后又急劇增加。影響污泥脫水能耗顯著性的單一因素依次為脫水時間>電壓強度>污泥厚度，但兩因素之間交互影響的顯著性要大于單一因素的顯著性。

通過分析得到污泥適宜的電滲透脫水條件為：電壓強度15.98 V，污泥厚度5.85 mm，脫水時間8 min，此時模型預測的電滲透脫水后泥餅含水率為65%，脫水能耗為0.18 kWh/kh-H2O。在模型確定的最佳條件下進行實驗驗證，所獲得脫水后泥餅的含水率為63.9 %，脫水能耗為0.192 Wh/kh-H2O，與理論預測值基本吻合。

4 結論

(1)釕錫和銥涂層的鈦陽極污泥的電滲透脫水效果較好，且銥涂層的鈦陽極板要優(yōu)于銥涂層的鈦陽極網(wǎng)。

(2)通過響應曲面法對電壓強度、污泥厚度和脫水時間的優(yōu)化組合，發(fā)現(xiàn)電壓強度對泥餅含水率的影響較污泥厚度的影響顯著；而脫水能耗影響顯著性的單一因素依次為脫水時間>電壓強度>污泥厚度，同時兩因素之間的交互影響大于單一因素的影響。

(3)污泥適宜的電滲透脫水條件為電壓強度15.98 V，污泥厚度5.85 mm，脫水時間8 min，此時泥餅的含水率為65%，脫水能耗為0.18 kWh/kh-H2O。