剩余污泥電解氧化減量化性能研究

厲炯慧 喻 濤 陳 英 張孝寧

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

隨著我國(guó)城市化進(jìn)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(yùn)行成本低、安全可靠而被廣泛應(yīng)用。但其處理時(shí)間長(zhǎng)、設(shè)施占地大、產(chǎn)氣率及產(chǎn)氣量較低等瓶頸嚴(yán)重抑制其進(jìn)一步發(fā)展[1]。此外，也有報(bào)道采用物理、化學(xué)、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(xué)技術(shù)高昂的處理成本亦嚴(yán)重限制該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用[2]。因此，急需尋求一種經(jīng)濟(jì)、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(xué)技術(shù)進(jìn)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(gè)新熱點(diǎn)[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(xué)預(yù)處理調(diào)控策略，并對(duì)減量機(jī)理進(jìn)行了初步探討。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)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?jǐn)?shù)0.7%，電導(dǎo)率110mS/cm。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

電化學(xué)裝置為有機(jī)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(duì)面積為75 cm2，板間距為6 cm；實(shí)驗(yàn)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(jì)測(cè)定，混合液懸浮固體（MLSS）含量采用標(biāo)準(zhǔn)稱量法檢測(cè)，溶解性化學(xué)需氧量（SCOD）采用COD儀快速測(cè)定法檢測(cè)；S420掃描/透射電鏡（SEM）觀察污泥表面，多通道CHI1040C電化學(xué)工作站測(cè)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(jì)算方法：

式中，ρ0和ρt分別為MLSS原始和反應(yīng)某時(shí)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(shí)MLSS含量呈下降趨勢(shì)，SCOD呈上升趨勢(shì)；而7 h以后SCOD和MLSS含量均呈下降趨勢(shì)，直至7 h時(shí)SCOD達(dá)到最高。原因是電化學(xué)氧化高效作用于細(xì)胞破裂，以及SCOD（胞液）降解，7 h之前細(xì)胞溶出速度快于有機(jī)物礦化速率，導(dǎo)致SCOD持續(xù)上升；7 h之后由于污泥中大部分細(xì)胞已經(jīng)破裂溶解，氧化有機(jī)物速率開始高于細(xì)胞溶出速率，SCOD開始下降。

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

2.2 電化學(xué)作用機(jī)理分析

圖2為原始和經(jīng)過電化學(xué)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(xì)胞表現(xiàn)為完整、飽滿，而經(jīng)過電化學(xué)作用后基本已經(jīng)不存在完整的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，并且混有少量石墨碎屑，由此進(jìn)一步證明電化學(xué)作用對(duì)細(xì)胞破裂溶出具有顯著作用。

圖3為電化學(xué)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(xué)作用前細(xì)胞形態(tài)完整，與電解液完全分離，此時(shí)電極表面沒有發(fā)現(xiàn)任何氧化還原過程，由此說明細(xì)胞破裂溶出、破壞結(jié)構(gòu)之后開始氧化細(xì)胞內(nèi)的有機(jī)物。經(jīng)過電化學(xué)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(kuò)大，這充分說明水體中含有大量的細(xì)胞溶出有機(jī)物進(jìn)行氧化反應(yīng)進(jìn)行降解。綜上可知，電化學(xué)作用先對(duì)細(xì)胞進(jìn)行破碎直至細(xì)胞液溶出，然后開始作用于溶出有機(jī)物的降解礦化。

圖3 電化學(xué)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(xué)作用條件優(yōu)化

由上述可知，7 h之前污泥細(xì)胞溶出速度快于有機(jī)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(xué)時(shí)間停留在7 h以前。電化學(xué)主要影響因素有電壓、電極材料、電場(chǎng)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(duì)MLSS含量和SCOD的影響。

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

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

圖4和圖5可知，電壓對(duì)MLSS含量和SCOD影響很大，隨著電壓的增大（2～10 V），細(xì)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(dá)到6 V及以上后，SCOD在4 h以后反而呈下降的趨勢(shì)，原因是在外加6 V以上電壓之后，細(xì)胞MLSS的質(zhì)量濃度低于2 g/L，導(dǎo)致細(xì)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(shí)驗(yàn)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(chǎng)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(qiáng)度對(duì)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(qiáng)度對(duì)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(shí)，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(shí)電解質(zhì)分布均勻，電解表面積增大，電解速率增加；但是，當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速分別為120 r/min和240 r/min時(shí)，2者相差并不明顯，原因是在轉(zhuǎn)速達(dá)到120 r/min左右時(shí)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(xiàng)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(duì)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(dǎo)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(shí)，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(jī)物為主，而其他3種電極材料的反應(yīng)器仍是以污泥細(xì)胞溶解為主。這說明鈦/二氧化鉛導(dǎo)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(jì)的角度出發(fā)，適宜的電極材料是石墨電極。

2.3.4 電場(chǎng)

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(chǎng)布置下的降解過程。

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

3 結(jié)論

1)電化學(xué)預(yù)處理污泥減量效果顯著。剩余污泥在電化學(xué)氧化還原作用下細(xì)胞迅速破碎，細(xì)胞液溶出，SCOD急速上升，同時(shí)電化學(xué)作用對(duì)SCOD具有高效降解能力。

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

3)電化學(xué)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(jìn)一步提高。

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