電滲法在污泥脫水領域應用的影響因素

王晗

（河北國惠環保科技有限公司，石家莊 052300）

近年來，我國不斷加大對城鎮污水處理設施的投資力度，污泥的機械脫水方式只能將污泥含水量降低到80%左右，但是目前污泥的填埋、堆肥、燃燒等利用方式都要求其含水量在60%以下，污泥深度脫水已成為污泥處置的先決條件。板框壓濾機是污泥深度脫水的主要設備之一，污泥經過板框壓濾機處理后形成泥餅，體積可以減少50%—80%，但是污泥脫水后會出現污泥與濾布和機器黏附的現象，對設備連續生產運行會產生不利影響，影響脫水效率和設備的使用壽命。電滲脫水技術由于具有高效性且不易堵塞濾布的優點，可應用于污泥深度脫水。

1 電滲脫水的原理

1809 年，Reuss 在試驗中首次觀察到電滲現象，在電壓存在于有水的土介質兩側時，陰極水位上升，陽極水位下降；斷電后，水流停止。德國首次在鐵路路基開挖工程中運用電滲排水加固地基，此后電滲排水法逐漸應用于建筑工程中[1,2]。

近年來，隨著電滲技術研究的推進，電滲法越來越多地被用于污泥脫水領域。在電場的作用下，帶電顆粒向陽極運動，處于擴散層的反離子攜帶水向陰極運動，形成電滲透現象[3]。

污泥處理處置的原則是減量化、無害化、穩定化，并在此基礎上實現資源化。根據污泥中所含水的位置和與污泥的結合方式，可將其分為結合水、鄰位水、毛細水和自由水[4]。

結合水又稱內部水，通過化學鍵與污泥中顆粒或微生物結合，形成不易流動的水，約占總水量的3%；鄰位水表面張力大，附著在污泥顆粒表面，約占總水量的7%；毛細水由于毛細現象而產生，存在于污泥細小顆粒周圍，是一層結合壓力大、結合緊密的多層水分子，約占總水量的20%；自由水又稱間隙水，大量分布在污泥顆粒之間，約占總水量的70%，自由水與污泥顆粒的相互作用力決定污泥脫水的難易程度。帶式壓濾、離心分離、真空等機械方式只能脫除自由水，熱干化能脫除結合水，電滲脫水能去除毛細水和自由水。電滲脫水和機械脫水的差別在于電滲可以作用于污泥顆粒的內外表面，使顆粒密度均勻增加，而機械脫水只能脫除自由水，脫水能力有限[5]。

2 電滲法應用于污泥脫水領域中的優點和缺點

電滲法應用于污泥脫水領域中的優點：（1）電滲法一般需要的電壓為30—160V，采用低電壓可以降低能耗；（2）在污泥通電時存在發熱現象，會蒸發部分水分，使含水量進一步降低，可以將污泥含水量降低到30%以下，比廣泛應用的污泥機械脫水法脫除結合水的效率更高；（3）操作靈活，可以通過操作條件組合優化的方式，降低能耗。

電滲法應用于污泥脫水領域中的缺點為：（1）現階段電滲法處理污泥的費用較高，由于電滲法使用直流電進行，設備必須配置交流直流轉換裝置，耗電量高；（2）當采用金屬電極時，脫水反應產生的鐵離子、鋁離子等會進入到濾液中引起濾液污染；（3）當采用金屬電極時，電化學反應會導致電極腐蝕，在金屬電極表面形成金屬氧化物，阻礙電勢滲透進污泥層，不利于電滲進行，導致效率降低，耗電量增大；（4）在電滲進行時，陽極附近會產生氧氣，陰極附近會產生氫氣，隨著通電時間的延長，氣體會逐漸阻礙電極與污泥的接觸，形成電絕緣層，影響電滲效率[6]。

3 電滲法脫水的主要研究方向

3.1 通電方式

3.1.1 優化通電方式

控制電源主要有控制電壓和控制電流兩種方式。Hamir 的試驗表明兩種電源控制方式并無本質差異。

3.1.2 逐級加壓

從一開始就施加高電壓，后期會產生明顯的電流衰減，后期電滲效率低，而逐級加壓能緩解后期電流強度衰減的趨勢，從而提高電滲后期的效率，提升整體脫水效率。高電壓在早期排水效率很高，但是衰減也較快，整體能耗較高，逐級加壓雖然早期效率不高，但是后期排水速率降低的趨勢較緩，保證了整體脫水效率比較平衡，降低了單位體積排水量的能耗[7]。

3.2 電極布置

排列布置優于環形布置，梅花形布置優于長方形布置[8,9]。

3.3 電極材料性能

電極材料性能是影響電滲過程的關鍵因素，對電滲效果影響巨大。電極一般應具有良好的化學穩定性、電化學穩定性、導電性能、機械性能等。目前的電滲透裝置中，電極一般選用鐵、鋁、銅和石墨等，關于此類材料的研究成果也較多。

不同電極材料的電勢損失不同，生成的離子種類不同，離子的遷移過程不同，水的遷移過程也不同，所以電滲效率也千差萬別。鐵、銅、石墨和鋁電極的電滲試驗結果表明，陽極鈍化及電極腐蝕引起的電勢損失是導致電滲效果差的主要原因[10]。

排水量從大到小依次為：鐵＞石墨＞銅＞鋁；電勢損失從大到小依次為：鋁＞銅＞石墨＞鐵。電勢損失導致實際有效電勢小于電源電勢，同時電勢損失隨著電源電壓的提高而增大。電極表面氧化是決定電勢損失大小的關鍵因素，這也是不同電極電勢損失不同的主要原因。鐵離子和銅離子的遷移能力差，大多聚集在陽極處無法遷移，鋁離子的遷移能力強，大多隨陰極脫水排出[10]。

能耗從大到小依次為：鐵＞石墨＞銅＞鋁。電滲過程中陽極反應會因陽極材料不同而不同，陰極反應一般不受陰極材料影響，對電滲起到主導作用的是陽極材料。實際工程中，陰、陽電極可使用不同的材料，陰極可視工程條件采用耐用、經濟且易獲取的材料，以降低成本。銅電極效率比較低可能是因為銅陽極發生了電化學鈍化，而且電勢梯度越高銅越容易放生鈍化。另外，銅的價格較為昂貴，一般在工程中也較少單獨使用。

石墨是一種惰性電極，不參與電極反應，不受電勢梯度影響，不發生鈍化，電滲效果優于銅和鐵，但在較低的電勢梯度下，石墨排水量不如鐵。鋁電極排水量小，能耗大，表現最差。鐵電極在各項試驗中表現最好，在沒有特殊要求的條件下，優先考慮采用鐵電極[11,12]。

3.4 電滲法與其他方式聯合脫水

電滲法與傳統的機械方式聯合脫水：在電滲脫水過程中，施加的機械壓力可以使污泥內部水分布均勻，電場的加入提高了脫水效率，縮短了脫水時間。壓力越大，污泥顆粒間距越小，逐漸被壓實后會增加水遷移的阻力。所以機械壓力不是越大越好，而是存在一個最佳機械壓力[13]。

電勢梯度越大，污泥中水脫除越快，達到相同含水量的時間越短。電滲后期由于陽極附近的污泥含水量減少，電極附近產生氣體，導電性變差，脫水效率變低。在含水量降低時，污泥絮體被破壞，粒徑變小，電滲法去除了污泥中的毛細水，顆粒之間間距變小，絮體結構緊密[14]。

試驗后期電極與污泥，尤其是陽極與污泥脫開嚴重，加壓可使其與污泥接觸良好，電路中電流會明顯上升。電滲后期電極與污泥不能有效接觸，可能是導致電滲效率隨時間的延長而降低的主要因素之一，若能改善電極板與污泥接觸界面性狀，會大大提高電滲效率[12]。

采用真空預壓加電滲法聯合脫水的效果更明顯。真空預壓主要是機械作用，電滲法主要是電化學作用。污泥的高含鹽量會導致電滲能耗過大且電極腐蝕速度快，在前期真空預壓的排水效果優于電滲排水，而當平均含水量小于85%之后，電滲的排水效果優于真空預壓。使用真空預壓加電滲法聯合脫水，可采用間歇通電方式，根據含水量變化延長電滲時間[15]。

3.5 電滲法與污泥性質的關系

污泥的含水量、含鹽量、pH 值、顆粒粒徑等性質也會影響電滲效果。適合電滲排水的含水量為60%—100%，高含鹽量污泥電滲排水效率低，較高pH 值有利于電滲脫水。

含水量降低時，污泥顆粒被破壞，加速金屬離子溶出，水合陽離子會拖曳更多水到陰極排出，污泥水分減少。污泥絮體越大，結構越疏松。污泥含水量越大，當電滲去除毛細水和自由水后，其絮體結構越緊密[14]。

高含鹽量的污泥電滲脫水效率低，而且鋰離子、鈉離子、鉀離子對排水速度的影響相同。電滲過程會改變污泥pH 值，pH 值也會影響電滲排水速度。無論是強電解質還是弱電解質，電滲速度與pH 值呈線性關系，pH 值越大電滲速率越快[16]。

3.6 外加劑的影響

添加緩沖劑或絮凝劑等外加劑可以提高電滲效果。聚氯化鋁等絮凝劑的加入可以避免產生污泥顆粒堵塞排水的現象，有利于提高電滲法的排水效率；表面活性劑和陰離子聚合物有利于提高脫水效率；應用于污泥機械脫水的外加劑同樣有利于電滲脫水[17]。

目前電滲法在污泥脫水領域的試驗研究領先于理論研究，工程應用由小規模向中等規模逐步推進。

4 電滲法在污泥脫水領域的趨勢預測

電滲排水在建筑工程領域有大量應用案例，在污泥脫水領域也有大量研究，但電滲技術專用于污泥深度脫水的研究上尚處于初級階段，有必要結合污泥特征，研發出技術含量高、經濟性能好、安全高效的電滲透污泥脫水工藝設備。隨著“雙碳”目標的提出，低耗高效的污泥處置技術將被快速推廣，低能耗電滲脫水會成為未來污泥脫水的發展方向。