赵学雷，霍志保，，蔡 俊

（1.上海交通大学 环境科学与工程学院，上海 200240；2.上海海洋大学 海洋生态与环境学院，上海 201306）

1 概述

随着我国经济的发展以及人民生活水平的日益提高，每年会产生大量的污水，而在污水处理的各个阶段都会产生大量含水率在95%～99.9%的不同性质的污泥。目前污泥的主要处理技术有土地填埋、堆肥及土地利用、污泥焚烧等。我国污泥处理方式主要以填埋为主，部分污泥也会用于农业生产，因此，我国污泥处置相关标准要求当污泥含水率在60%以下时才能进行后续处置利用，但是经机械脱水处理后仅能将污泥含水率控制在80 %左右，远达不到我国污泥处置要求，因此，需要进一步对污泥进行深度脱水。目前普遍采用化学、物理等方法对污泥进行预处理以改善其脱水性能，如投加大量高分子脱水絮凝剂利用其吸附、架桥等作用改善污泥沉降性能，施加一定机械压力脱除部分自由水等，但是脱水效果依然不理想，且会增加脱水成本和能耗，产生二次污染等问题。现急需开发一种新型污泥脱水技术，在尽量节省资源和费用的前提下达到较高的脱水率。

电渗透技术始于1809年Reuss 发现的电渗透现象，该技术最开始是应用于土壤的原位修复中，除去土壤中的重金属和有机污染物。由于电渗透脱水技术具有安全、高效、环保、无二次污染、脱水率高等特点，在合适的条件下均能使污泥含水率降低到60%以下，因此电渗透脱水技术近几十年来逐渐成为众多学者研究的热点。

2 电渗透脱水原理

根据水在污泥絮体中的位置和功能可将水分为结合水、邻位水、毛细管水和自由水。结合水参与形成污泥中生物量，通过氢键等化学键与污泥颗粒紧密结合，很难采用机械方法脱除，邻位水紧贴污泥颗粒表面，毛细管水存在于污泥絮凝体的毛细结构中，自由水分布在污泥颗粒之间，可在污泥颗粒间流动，通过离心、压滤等机械手段较易脱除。

在一定环境下污泥颗粒表面会形成一种非水溶性的高分子聚合物，称为胞外聚合物 （EPS），其组成较复杂，主要为多糖和蛋白质，约占其总量的70%～80%，多糖富含亲水性基团，而蛋白质富含疏水性基团，当污泥中蛋白质/多糖比值较大时更利于污泥脱水。EPS 中含有羧基、羟基、磷酸基等带负电的官能团，使污泥絮体带有一定的负电荷，在静电引力和离子热运动的共同作用下会吸引附近溶液带相反电荷的离子而形成双电层（Stern 电层），内外电子层之间的电势之差被称为Stern 电位，常认为Stern 电位等于Zeta 电位。当施加一定电压时会在污泥中形成电场，在电场力作用下负电离子向阳极移动，双电层内的反离子携带水分通过电渗作用向阴极移动，从而使水分向阴极迁移并排出，达到泥水分离的目的。

3 电渗透脱水的主要影响因素

污泥电渗透脱水是一个复杂的电化学过程，其对污泥脱水的效果受多方面因素共同影响，主要有常规因素、污泥本身性质和其他因素等十几种因素共同影响。

3.1 常规因素

3.1.1 电压梯度

电压是影响污泥电脱水的最主要因素之一，同时也是整个电化学脱水过程的驱动力。随着电压梯度的增加，电场变强，电渗透脱水驱动力增加，因此在适当的电压梯度下污泥脱水速率随电压增加而加快，脱水率也相应得到提高，但当电压过大时，电流增大，产生的欧姆热使系统温度升高，阳极端水分加速向阴极移动导致污泥迅速干化，电阻增加，消耗了大部分压降致使阴极区域电压降低，电场减弱，脱水驱动力减小，恶化脱水性能。鲁子烨等研究了电压强度对污泥电脱水效能的影响，说明一定范围内，污泥脱水性能随电压的增大而提高。韩潇冉等利用脉冲电场代替恒定电场对污泥进行电渗脱水的研究，当脉冲信号占空比为50%左右时，脱水后污泥含水率在60%以下，且能节约能耗28.1%左右。Chen 等的研究表明，在一定电压梯度范围内，污泥脱水效果与电压呈正相关，随着电压梯度的增加脱水效果提高，但Yang 等利用动电技术对含油污泥脱水实验中表明，在同等极板间距下电压从20V 增加到30V 时污泥脱水率仅从51.9%提高到56.3%，但能耗却增加1.5倍，因此从经济方面考虑不宜增加电压，电压梯度的增加对脱水效果影响不大。

3.1.2 极板间距

极板间距增大会使电场减弱，增加自由水的迁移时间而抑制电脱水效果，若极板间距过小，污泥中掺杂有导电固体，易造成阴阳极短路。马德刚等指出极板间距的增大或减小均会降低污泥脱水效果，使底端污泥吸附更多水分而不利于电化学脱水。

3.1.3 机械压力

电渗透脱水过程中适当的机械压力有助于脱水效果提升，可以压缩污泥颗粒，排除颗粒间自由水，有效降低能耗提升脱水性能。若压力过大，污泥颗粒间隙急剧缩小，减少水分子迁移通道并增大运动阻力，最终影响污泥的脱水效果。Lee等的研究显示，对于含水率较高的污泥，预先采用机械压力脱除部分自由水，适当降低污泥含水率，不仅能提高后续电渗脱水效果，而且能最大限度减少电力能耗，并通过实验说明最合适的压力为75kPa 左右。

3.1.4 污泥厚度

若污泥厚度过小，会导致阳极区域污泥迅速干化而导致电极与污泥间的有效接触面积减小，使接触电阻增加，脱水效果变差，而厚度过大，不仅加大了离子迁移的路程和阻力，而且也会加大污泥电阻，降低电流，最终导致污泥脱水率大大降低。尹协东等对电化学脱水影响因素的研究表明，污泥厚度减小，有利于脱水，一般情况下，被处理的污泥厚度不宜超过30mm。

3.1.5 电流密度

电流密度增加时，会加剧电极附近的电化学反应，提高污泥中离子传输速度，提高脱水效率，但是随着电流密度的增加，系统能耗也会随之提高，因此必须根据实际情况确定合适的电流密度。Asheh 等研究表明，电脱水初期保持电流密度不变，水分去除速率呈线性规律增加，但后期脱水速率会有所降低。钱旭等在恒压模式下对污泥进行电脱水的实验显示，虽然增大电流密度能适当提高污泥脱水率，但较大的电流也会使系统能耗大幅增加且在过程产生的欧姆热会造成热能浪费。程银等通过对电渗脱水的研究将电脱水过程中电流分为有效电流和无效电流，有效电流为水分子向阴极迁移提供驱动力，无效电流无助于水分子的迁移，因此恒定电流下增大有效电流比例将有助于提高污泥脱水率。

3.2 污泥本身性质

3.2.1 电导率

污泥电导率增大会在电场力的作用下挤压污泥颗粒双电子层，降低Zeta 电位，抑制电脱水效果，但是电导率增加同时也会加大电流，促进电渗透脱水。Citeau 等的研究表明，活性污泥中随着含盐量的增加会使电脱水效果变差并产生抑制作用，证实了电导率过大会抑制污泥脱水性能这一结论。董立文等采用在污泥中添加Na2SO4以及用去离子水清洗等方式改变污泥电导率，研究了电导率对污泥脱水性能的影响，结果表明电导率对污泥脱水率影响有限，但却能使能耗降低24%左右，并得出对于电导率低的污泥采用电渗透法脱水是比较经济的结论。

3.2.2 污泥pH

在电渗透脱水过程中，pH 的改变都会使污泥Zeta 电位的绝对值降低，降低电渗流量，使电脱水效果变差。Yeung 的研究显示，阳极附近pH 降低会使Zeta 电位降低，甚至变为正值，导致电渗流反转，促进水分向阳极移动。季雪元等研究发现，在偏酸或偏碱条件下污泥的电脱水率均有所下降，而当污泥pH 为中性时，电渗透脱水效果最好。另外，电脱水过程中由于水的电解会产大量H+和OH-，也会使污泥的pH 改变。

3.2.3 污泥初始含水率

污泥含水率与电渗透相互影响，含水率高时，电化学反应强烈，脱水率较好，随着反应的进行，水分逐渐减少，污泥干化导致电阻增加，产生的欧姆热也会加剧水分蒸发，导致脱水效果降低，且能耗也大幅增加。

3.2.4 Zeta电位

污泥的pH、离子浓度等因素都能影响污泥的Zeta 电位，Zeta 电位的增加会促进污泥电渗透脱水效果，反之则会抑制污泥的电渗透脱水效果。Gazbar 等研究发现，污泥Zeta 电位随电导率的减小而增大，电极反应引起的pH 变化以及溶液中过高的离子浓度都会降低污泥颗粒的Zeta 电位进而影响脱水效果。

3.3 其他因素

除了主要的常规因素和污泥本身性质影响污泥脱水效果外，其他因素对电化学脱水性能的影响也有着不可忽略的作用，如絮凝剂、电极材料、产生的气体、欧姆热、滤布材料等。

3.3.1 絮凝剂的添加

絮凝剂分有机高分子絮凝剂和无机高分子絮凝剂两大类，无机高分子絮凝剂主要是中和污泥中带负电的胶体，压缩双电层，增强污泥微粒的凝聚性能，使微粒脱稳凝聚而释放结合水，实现固液分离，但投加量且大效果不佳。有机高分子絮凝剂对污泥颗粒起到吸附、架桥、交联的作用，使污泥絮体体积凝聚变大，改善污泥沉降性能，提高污泥脱水效果。研究表明，在相同条件下，投加絮凝剂相比于不投加絮凝剂能够大幅缩短达到相同脱水效果的时间，但是不能提高脱水效果。季雪元等研究了絮凝剂对污泥脱水性能的影响，絮凝剂的添加能增强污泥絮体的沉降能力，缩短沉降时间，改善脱水效果，也证明了以上结论。

3.3.2 电极材料

电化学处理过程中会在阳极发生电化学腐蚀现象，所以要求阳极材料具有低电阻、耐压、不易破损、无重金属溶出的材料。阴极不会发生腐蚀现象，使用导电性能优良的金属材质即可。研究表明，不锈钢和碳素钢电极以及用钛基金属氧化物对电极表面进行涂层具有较好的实用性。董立文[7]将钛电极和不锈钢电极与钛涂层电极做了比较，表明钛金属涂层对于抗腐蚀作用表现出更为优越的性能。刘阳等通过对电极材料的研究表明，常用的电极材料包括钢、铝、铁等常规金属，还有石墨以及网状的RuO2/Ti（钛涂钌）等也是理想的电极材料。王诗生等以石墨板为电极材料进行电化学脱水，表明石墨电极也能对污泥电化学脱水起到良好的促进作用。饶炜等设计了由绝缘材料包覆金属板的新型绝缘性复合材料（PP/不锈钢复合电极板）作为污泥电渗透脱水阴阳电极，在最佳工艺下，污泥含水率降至60%以下。

除此之外还有电解时间、产生气体、欧姆热、滤布材料、电极插入深度、污泥中离子种类等影响因素，但影响较小。王诗生和李佳欣等通过对电化学脱水的研究实验得出了影响因素的强弱顺序为：电压梯度＞极板间距＞处理时间＞插入深度。李亚林等对电脱水的研究显示，污泥厚度和絮凝剂的投加对污泥脱水率影响较为明显，而机械压力相较于两者影响较小。杨涛等对污泥电渗透脱水技术的常规因素和污泥自身因素进行了研究，结果和上述结果一致。藤辰亮等研究表明，在机械压力较大、电压较高以及污泥厚度较小时污泥脱水效果较好，在最优条件时污泥含水率从83.5 %降低到58.7 %。也有研究表明，随着电解时间的增长，电解电压的增加，插入深度的增加，污泥比阻（SRF）值呈下降趋势。

4 电化学联合法污泥脱水技术

由于传统污泥脱水技术不能将污泥的含水率控制在较为理想水平，因此，将电渗透技术和其他方法联合来强化污泥脱水效果近年来也成为研究热点。

4.1 电化学联合化学法

Gharibi 等利用电凝和电解技术同时对污泥进行脱水的研究表明，电凝有助于污泥絮体达到更高程度的崩解，同时保持较高的污泥脱水性。李亚林等采用电渗透联合高级氧化工艺对污泥进行脱水实验，能将污泥含水率降低40%以上，且脱水后的泥饼较均匀，有利于后续处理。伍远辉利用高分子复合絮凝剂——聚丙烯酰胺和壳聚糖联合电渗透技术对污泥进行脱水研究，污泥的毛细吸水时间（CST）降至19.6s，污泥含水率降至68.4 %。黄殿男利用Ca（OH）2和电化学联合法对污泥进行脱水处理，在Ca（OH）2投加量15mmol/L，电解时间60min，电压梯度5V/cm 下污泥含水率降至72.5 %。徐文迪利用电芬-顿联合技术对污泥脱水进行研究，芬顿通过产生强氧化剂·OH，破坏污泥结构，释放更多胞内水，在pH为3，曝气量为500mL/min，电压梯度为2V/cm，处理时间为60min 条件下污泥含水率降到68%。傅金祥等通过投加碱对污泥进行预处理研究预碱解-电化学法处理后污泥脱水性能的变化，在NaOH 投加16mL 时，污泥絮体结构被氧化破解，胞内物质包括水分被释放出来，从而提高污泥脱水率。卢宁等研究了NaNO3-电渗透结合法对污泥脱水的影响，NaNO3可增大污泥电导率，增大电渗电流，促进水分子向阴极迁移，缩短了污泥脱水时间，提高了污泥脱水率。

4.2 电化学联合物理法

Mahmoud 等将电渗透与机械压滤相结合发现，在适当的条件下当机械压力在200～1200kPa 时，能将污泥脱水率提高45%左右。李里特等通过比较单独电渗脱水、单独机械压力脱水和电渗透-机械联合脱水法对污泥脱水的效果，表明联合法相比于另外两种单独方法不仅显著降低污泥含水率，而且能缩短污泥脱水时间。饶炜等利用电渗透-压滤法相结合法在高压脉冲电场下对污泥进行脱水实验，脉冲电场和机械压力对污泥脱水具有协同作用，能将污泥含水率控制在60%以下，并能去除污泥中部分汞、铜、铬等重金属。藤辰亮[33]利用电渗透-负压微波联合技术对含油污泥进行深度脱水实验，真空度越高，微波功率越大，污泥干化效果越好，且微波能大幅缩短污泥干化时间，在最优条件下能将污泥含水率降低到58.7%，相比于传统热干化工艺能大幅降低处理成本。谭林立将电渗脱水置于真空下能有效去除污泥中自由水和毛细管水，两者联合能够提高电渗脱水性能。

4.3 电化学联合生物法

目前关于电渗透联合生物法污泥脱水的研究相对较少，这可能与生物法周期长、处理效果不佳、影响因素较多有关。闫晓彤将生物干化耦合和电渗透脱水技术结合起来对污泥进行脱水研究，利用微生物高温好氧呼吸作用产生的生物热能蒸发电脱水后污泥剩余的水分，并通风将剩余水分进一步去除，结果表明，选取中薄滤布，电压梯度为20V/cm，脱水时间为9min，污泥含水率在65%左右。

5 电渗透脱水技术存在的问题及解决方案

目前电渗透脱水中普遍采用的是垂直电场外加机械压力的电化学脱水模式，但是在垂直电场电渗透脱水过程中，接近上部电极附近污泥含水量初期迅速降低，污泥含水率快速降低，极板有效接触面积减小，电阻升高，而且电解过程中由于电解水会在阳极产生H2，阴极产生O2，气体附着在极板之上形成空气层进一步减小污泥和极板接触面积，产生接触电阻，导致电压大部分被分配到阳极，而阴极端电压减小，污泥脱水驱动力减小，脱水效果下降甚至停止脱水，进而影响污泥整体脱水效果。电渗透过程中由于电流作用会产生欧姆热，使系统温度上升蒸发部分水分，加剧污泥干化，降低污泥导电能力导致脱水停止。由于电渗透脱水发生电化学反应，会造成阳极材料腐蚀而消耗阳极材料，电解水产生的H+会降低阳极pH，也会加剧阳极材料腐蚀，使电脱水成本提高。为了缓解这些问题，研究者大多采用交变电场、多段电极脱水、调节污泥性质以及电化学联合其他方法等措施，利用交变电流产生交变电场，水平电场代替垂直电场，物理化学法预处理改变污泥性质等来改善或避免以上问题。

肖秀梅等利用动电技术对污泥脱水时，在阳极板开有小孔来配合采用FA 法（阳极固定，随污泥床的移动向阴极靠近）和AA 法（处理每隔一定时间，将阳极抽出并向阴极逼近）对污泥脱水，可将污泥含水率降低到55%左右。周加祥等采用水平电场对污泥进行电脱水，能避免产生的气体附着在极板之上产生接触电阻，能显著提高污泥脱水效率。马德刚采用两个同心圆电极板作为阴阳极产生环状电场代替平板电场对污泥进行电脱水实验，结果表明，环状电场较平板电场能更有效对污泥进行脱水，在脱水时间为9min、外加电压为40V的条件下污泥含水率由84.5%降至68.1%，污泥体积缩小一半。

6 电化学处理后对污泥形态的影响

为研究电化学脱水后污泥颗粒的结构变化，利用SEM 电子显微镜等对处理前后污泥颗粒进行了扫描，观察到电化学脱水前污泥颗粒有着较为完整的菌胶团结构，外部EPS 包裹着大量自由水，而电化学处理后，菌胶团和EPS 结构被破坏，使得污泥脱水性能得到改善，当电压过大时，EPS 和污泥颗粒被破碎成具有更大比表面积的细小颗粒，更容易与水结合，使污泥脱水性能恶化。藤辰亮和曾丽等分别利用电镜和原子力显微镜（AFM）观察电渗透处理后含油污泥，也观察到相同现象。

7 结束语

电渗透脱水工艺较传统脱水工艺具有低能耗、高效率、无二次污染等天然独特的优势，被称为环境友好型污泥脱水技术，在我国未来经济发展中有着广阔的发展前景和市场；但是我国对于电化学脱水工艺的研究并不多，大多停留在理论研究阶段，还没有进行工业应用，因此，未来的发展应着重于电化学脱水的应用研究，综合国内外的研究成果和技术经验，开发研究相关设备，开发出适合我国国情的技术路线和设备。