董立文 ,汪诚文 ,张鹤清 ,王玉珏 * (.清华大学环境学院,北京 00084；.西门子(中国)有限公司,北京000)

随着中国经济的快速发展和城镇化水平的不断提高,污水处理设施的数量也在快速增加,这些污水处理设施产生了大量的剩余污泥.据统计,目前全国含水率为 80%的污泥的年产量很快将突破 3000万 t[1],并且在“十二五”期间还会继续快速增长.

现阶段,我国城镇污泥的处理处置方式主要有填埋、土地利用等[1].根据《城镇污水处理厂污泥处置-混合填埋用泥质》(GB/T 23485-2009)[2]和《城镇污水处理厂污泥处置-农用泥质》(CJ/T 309-2009)[3]的规定,将污泥进行填埋或者农用时,含水率必须降低至 60%以下[2-3],但是经过常规的机械脱水后,污泥的含水率一般在80%左右[4-6],远远达不到这一要求.因此,在对污泥进行处理处置前,必须对其进行深度脱水.电渗透脱水技术是一种新兴的污泥深度脱水技术,其基本原理是对污泥施加电压,在电场的驱动下实现污泥中泥水的分离,从而达到对污泥进行深度脱水的目的.

由于不同污水处理厂的进水水质不同,所产生污泥的电导率等性质也会有所差异.基于Helmholtz–Smoluchowski 理论,电渗透脱水速率主要由污泥的 zeta电位及所施加的电流密度等因素决定[7].污泥电导率对污泥的 zeta电位以及电渗透脱水过程中的电流密度具有重要影响,因此可能会对污泥的电渗透脱水效果产生影响.目前关于电导率对污泥电渗透脱水效果影响的研究很少,并且集中于对含水率为 97%～99%的稀污泥的研究[7-8].对经过机械脱水后的污泥再进行电渗透脱水可以最大限度地降低能耗[9],因此本研究采用经过机械脱水后的含水率为 86%的污泥泥饼来研究电导率的变化对污泥电渗透脱水效果的影响.

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用污泥取自北京某污水处理厂,为经过带式压滤后的混合污泥脱水泥饼,取样后将污泥放置在 4℃的冰箱中保存.试验开始前,将污泥取出,在室温条件下放置一段时间,使其达到室温.该污泥的基本性质如表1所示:

表1 污泥的基本性质Table 1 Properties of the sludge

1.2 试验装置

图1为电脱水的实验装置.该装置包括1个圆柱型反应器、1个活塞、1个打孔钛基钌铱涂层阳极、1个打孔不锈钢阴极,1个稳压稳流电源电源(WYK-120V/5A,上海意泽)和数据采集系统.圆柱形反应器内径为 70mm,外径为 90mm,高度为150mm.在实验中,将污泥放置在2个电极之间,上部的钛基钌铱涂层阳极接正电、下部的不锈钢阴极接负电.试验过程中的电流变化用万用表(Fluke 287,美国福禄克)记录.脱水过程中污泥泥饼温度的变化用热电阻测定,并由无纸记录仪记录.阳极上打有16个4mm的孔,以便能及时排出通电时电解水产生的气体,阴极上有145个3mm的排水孔,使脱除掉的水分能及时流出.在阴极上部放有 48μm 孔径的尼龙滤布,用来拦截污泥颗粒.反应器下方放置有一个电子天平,记录脱除水分的重量随时间的变化,以计算污泥的含水率随时间的变化情况.脱水过程中的机械压力通过在活塞上方添加重物的方式提供.为保证实验结果的准确性,每个试验均重复1次,结果取平均值.

图1 电渗透脱水实验装置Fig.1 Schematic representation of electro-osmotic dewatering

1.3 污泥性质测定

污泥pH值和电导率的测定方法为:称取10g污泥样品于烧杯中,加入25mL的去离子水,用玻璃棒剧烈搅动1～2min,然后静置30min,用pH计和电导率仪测定上清液的 pH 值[10]和电导率.污泥含水率则通过称取一定量的污泥在 105℃下烘干24 h后冷却称重测定.挥发性有机物通过将测完含水率的污泥样本放置在马弗炉里,在550℃下灼烧1h后冷却称重测定.Zeta电位通过将少量污泥在高纯水中制成透明悬浮溶液,调节污泥的 pH值和电导率至原始污泥的数值后用Zeta电位仪测定.

1.4 试验设计方法

为了提高污泥的电导率,采用向污泥中添加Na2SO4溶液的方式:向50g污泥中加入5ml不同浓度的 Na2SO4溶液,使污泥中的 Na2SO4含量为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去离子水作为对比.未添加 Na2SO4以及添加了不同浓度的 Na2SO4溶液后的污泥的电导率分别为:(1003±7.79),(1407±11.67),(1751±12.81),(2233±33),(2575±15)µS/cm.

为降低泥中的电导率,采用去离子水清洗的方式:将一定质量的污泥进行高速离心,随后取出上清液,加入等质量的去离子水并混合均匀.未经清洗的污泥以及将污泥分别清洗1遍,3遍,5遍,7遍后的污泥的电导率为(988±22.33), (722±7.67),(545±3.67), (399±13.5), (371±4.33) µS/cm.

在电渗透脱水过程中:机械压力为 76kPa,电压梯度为 30 V/cm,污泥厚度为 1.0cm,阳极为打孔的钛基钌铱涂层(RuO2/Ir2O3-Ti)电极.

2 结果与分析

2.1 污泥zeta电位与电导率的关系

根据Helmholtz-Smoluchowski理论,电渗流速率的方程可以表示为[7-8]:

式中: D 为液体的介电常数, F/m;μ为流体的黏度;ζ为污泥的Zeta电位, mV;i为脱水过程中的电流密度, A/m2;λ为污泥的电导率, µS/cm.

图2 污泥的Zeta电位与电导率的变化关系Fig.2 Relationship between the conductivity and Zeta potential of sludge

污泥颗粒表面一般都带有一定的负电荷,为了平衡这些电荷,颗粒表面就会吸附一些阳离子,构成了污泥的双电层系统.当污泥中的离子含量较高时,会压缩污泥颗粒的双电层,使污泥Zeta电位的绝对值变低,反之,污泥的Zeta电位的绝对值则会升高[7].从图2即可以看出这一趋势变化.

2.2 电导率变化对污泥电渗透脱水效果的影响

图3和图4是在不同电导率下,污泥电渗透脱水过程中含水率随时间的变化情况.可以看出,无论电导率如何变化,经过 20min的电渗透脱水后,都能使污泥的含水率降至60%以下.

图3 提高电导率时污泥电脱水过程中含水率随时间的变化Fig.3 Effect of increasing the sludge conductivity by Na2SO4 addition on the electro-dewatering performance

图4 降低电导率时污泥电脱水过程中含水率随时间的变化Fig.4 Effect of decreasing the sludge conductivity by deionized water washing on the electro-dewatering performance

添加 Na2SO4使污泥的电导率升高,电渗透脱水 5～7min便可以使污泥的含水率降至 60%.经过20min的脱水后,未添加Na2SO4的污泥的最终含水率为51.2%,当加盐的量为Na2SO4含量为7.1, 14.2, 21.3, 28.4 g/kg DS时,污泥的最终含水率分别为 51.4%,47.4%、48.1%、45.7%,因此添加无机盐对污泥的电渗透脱水效果有一定的促进作用.对污泥清洗以降低污泥的电导率,电渗透脱水 7～8min后便可以使污泥的含水率降低至60%以下,经过20min脱水后,未清洗的污泥的最终含水率为52.3%,分别经过1、3、5、7次清洗后的污泥的最终含水率为52.3%、54.1%、52.4%、53.1%.因此,随着污泥电导率的降低,污泥的脱水速率以及最终脱水效果也稍有下降.

从式(1)可以看出,影响电渗透脱水过程最重要的参数是污泥的Zeta电位和所施加的电流密度,此外,污泥的电导率及电解质也发挥了一定的影响[7-8].当污泥电导率升高时,由于带电离子增加,压缩污泥的双电层,使 Zeta电位降低,使污泥的电渗透脱水速率降低.但是电导率升高使脱水过程中通过的电流密度增加,这会提高污泥的电渗透脱水速率,因此,由于Zeta电位和电流密度的共同作用,使得污泥电导率升高时,电渗透脱水效果会有所提高.与之相反,当使用去离子水清洗的方式使污泥的电导率降低时,污泥的Zeta电位有所提高并且污泥中液体的黏度(μ)降低,这都会提高电渗透脱水效果,但是通过污泥泥饼的电流密度将会下降,几种因素的综合作用导致污泥电渗透脱水效果的下降.不过从图3和图4中可以看出,电导率的变化对污泥的电渗透脱水效果的总体影响不大.

2.3 不同操作条件下污泥电流的变化

图5和图6是在不同电导率下,电渗透脱水过程中通过污泥的电流随时间的变化情况.添加 Na2SO4使污泥的电导率升高,电渗透脱水过程的初始阶段通过污泥的电流也随之升高.采用清洗污泥的方式使电导率降低时,随着清洗强度的增大,电渗透脱水的初始阶段通过污泥的电流也随之降低.

无论污泥的电导率升高还是降低,电流曲线都会出现2个峰值.第1个峰值是在脱水的初始阶段,由于机械压力的作用,使得污泥被压实,污泥内部的空隙被水分填满,污泥电阻就会降低,电渗透脱水过程中通过污泥泥饼的电流升高[11].此外,由于在电渗透脱水的过程中,阳极和阴极附近都会发生电解水反应,阳极处会有H+和 O2产生,阴极处会有 OH-和 H2产生,因此,污泥中的离子浓度会提高, H+会在电场的作用下向阴极移动,OH-会在电场的作用下向阳极移动[12],会对电渗透脱水过程中的电流产生一定的影响,并且可能是电流变化曲线中第 2个峰值产生的原因[13-14].此后,由于污泥中水分进一步减少,污泥的电阻也迅速增大,因此通过污泥泥饼的电流也迅速减小,直至趋近于0 A.

图5 提高电导率时电流随时间的变化Fig.5 Effect of increasing the sludge conductivity by Na2SO4 addition on the current during electrodewatering

图6 降低电导率时电流随时间的变化Fig.6 Effect of decreasing the sludge conductivity by deionized water washing on the current during electro-dewatering

2.4 不同电导率下电脱水过程中温度的变化

图7和图8是污泥的电导率变化时,电渗透脱水过程中污泥泥饼温度随时间的变化情况.

图7 提高电导率时脱水过程中污泥泥饼温度随时间的变化Fig.7 Effect of increasing the sludge conductivity by Na2SO4 addition on the temperature of sludge cake during electro-dewater

图8 降低电导率时脱水过程中污泥泥饼温度随时间的变化Fig.8 Effect of decreasing the sludge conductivity by deionized water washing on the temperature of sludge cake during electro-dewatering

在电渗透脱水过程中,由于有电流通过污泥泥饼,因此会有部分电能以热量的形式散发出去.散发出去的热量与2/i λ成正比关系[7],因此,泥饼温度的变化与通过的电流大小有密切的关系.所以添加 Na2SO4的量越高,在脱水过程的初始阶段通过污泥泥饼的电流越大,温度上升的速率越快,达到的最高温度也越高.未添加 Na2SO4的污泥泥饼所能达到的最高温度为59℃,当污泥的电导率达到2575µS/cm时,脱水过程中泥饼的最高温度可以达到 72℃.此外,随着清洗强度的增加,脱水过程的初始阶段通过污泥泥饼的电流减小,因此温度的上升速率也在变小,所能达到的最高温度也在变低.未经清洗的污泥的泥饼所能达到的最高温度为65℃,而经过7遍清洗后的污泥泥饼所能达到的最高温度则为59℃.

温度的变化对于污泥的电渗透脱水过程也有一定的影响.由于温度升高,使得污泥中水分的黏度降低,根据 Helmholtz-Smoluchowski理论,将有利于电渗透脱水的进行[7,15].但是温度的升高表明在电渗透脱水过程中,有一部分能量以热能的形式散失掉,这也增加了脱水过程中的能耗.

2.5 不同电导率下脱水过程中能耗的变化

电脱水过程中的能耗通过下式计算[16]:

式中:E为脱除单位水分所需能耗, kW⋅h/kg去除水;m为脱除的水分的重量, kg;U为脱水过程中所加电压,V;I(t)为脱水过程中的电流随时间的变化,A;t为脱水时间, h.

表2和表3列出了在不同初始电导率下进行20min的电渗透脱水后的污泥最终含水率以及含水率达到 60%时去除单位水分所需要的能耗.可以看出,当使用加盐调质,使污泥的电导率从1003µS/cm增加到2575µS/cm时,去除单位质量的水分所需要的能耗从 0.1380kW⋅h/kg去除水增加到0.2335kW⋅h/kg去除水,增加了 69.2%.当使用去离子水清洗污泥7次,使污泥的电导率从987µS/cm降低到371µS/cm时,去除单位水分所需要的能耗从0.1822 kW⋅h/kg去除水降低到 0.1385 kW⋅h/kg去除水,减少了 24%.由此可知,电导率的变化对污泥的电渗透脱水效果影响不明显,但是却能显著影响脱水过程中的能耗.这也说明,将电渗透脱水技术应用于电导率较低的污泥,可以在保证脱水效果的情况下最大限度地降低能耗.

表2 加盐调质下电脱水20min后污泥所能达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 污泥清洗下电脱水20min后污泥最终含水率及所需能耗Table 3 Energy consumption and final moisture content after 20min of electro-dewatering of deionized water washed sludge

3 结论

3.1 电渗透脱水技术可以使污泥的含水率降低至 60%以下,达到国家规定的将污泥用于填埋和农用时对含水率的要求.

3.2 电导率的变化对污泥电渗透脱水效果的影响有限,但是对脱水过程中的能耗有较为明显的影响.当使用添加 Na2SO4的方式使污泥的电导率从1003 µS/cm增加到2575µS/cm时,电渗透脱水能耗增加了 69.2%.当使用去离子水清洗的方式使污泥的电导率从 987µS/cm 降低到371µS/cm 时,电渗透脱水能耗降低了 24%.因此,从节省能耗的角度出发,电渗透法更适于对电导率较低的污泥进行脱水.

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