電化學聯合酸法對污泥脫水性能的影響

李瑞玉，俞 強*，楊 震

（華北理工大學化學工程學院，河北 唐山 063210）

隨著經濟的發展和工業化的加速進程使得生活用水和工業用水量大幅度增加，從而污水處理廠超負荷運行，污泥產量越來越多[1]。截至2019年，全國污泥年產量約四千萬噸[2]，由于其含水量達到95%以上[3]且具有親水性，所以給污泥脫水過程造成了很大阻礙。剩余污泥如若處理不當很容易對環境造成二次污染[4]，因此如何能使污泥脫水效率提高成為污泥處理的首要問題。

目前已有的脫水技術研究有表面活性劑和酸處理的聯合調理、高鐵酸鉀和微波的協調作用、生石灰和超聲波的聯合使用和冷凍技術聯合化學調理等[5]。Marcin和Bien等人研究了電磁場和化學調理后污泥的脫水性能，結果顯示，兩者共同的作用效果比單獨作用要明顯，說明磁場對污泥脫水性能有改善[6-7]。李煥文等用超高溫好氧發酵處理技術，在最佳條件下污泥含水率由81.3%降至 29.7%[8]。

如今廣泛采用的脫水方法是機械脫水和調理劑相結合的工藝[9]，但該方法存在藥劑隨污泥棄置后潛在的二次污染問題，因此污泥脫水技術需要更新和發展。電化學處理技術降解污染物的效果十分顯著[10-11]。周貞英等用電化學處理法，在最優的工藝下CST下降了35.5%[12]。電化學處理技術有實用性好、靈敏度高、污染影響相對較低、可操作性強的優點，如果另外結合加酸對污泥的調理作用，兩種方法可以在原來的基礎上互補，實現優勢最大化。因此為污泥脫水技術提供了一個更有效的發展方向。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

本實驗的污泥來自河北唐山市南堡污水處理廠的二沉池回流污泥，取回污泥后待其穩定后測定脫水指標，結果為：污泥含水率96%、離心后含水率84.26%、毛細吸水時間380s。

1.2 實驗裝置

以圓柱形玻璃作為電化學處理裝置，反應器內徑20cm，高度20cm；兩個石墨極板（10cm×10cm） 通過切割處理的格尺固定于反應器內，然后將兩塊極板與電源（兆信 KXN-6020D穩壓直流電源）連接，組成整套實驗裝置。

1.3 試驗方法

實驗時，在圓柱形反應器中加入適當的污泥，然后加入硫酸調節pH，選取電壓開啟電源進行電解實驗，根據影響因素的改變進行多組實驗測定表征污泥性質的指標：污泥含水率（Wc）、毛細吸水時間（CST）。

2 實驗結果及分析

2.1 pH值對污泥脫水性能的影響

為了討論pH值對污泥脫水性能的影響，在實驗過程中，調節極板附近的pH值分別為2、3、4、5、6，使極板插入深度為6cm、極板間距為6cm，設置電解電壓為15V、電解時間為30min。對污泥進行電化學處理并測定含水率和毛細吸水時間，結果如圖1所示。

圖1 pH對污泥含水率和CST的影響

污泥含水率、CST都隨pH呈現先下降后上升的趨勢。當pH＜4時，酸性過強，不利于污泥胞外聚合物的瓦解，污泥脫水效果不是很好。pH＞4時，酸性變弱，在弱酸的外在液體環境中很難對污泥細胞產生作用，胞內聚合物難以釋放出來，污泥脫水效果不顯著。即pH=4時污泥脫水效果最好。

2.2 極板插入深度對污泥脫水性能的影響

為了討論極板插入深度對污泥脫水性能的影響，調節極板pH為4，改變極板插入深度分別為2cm、4cm、6cm、8cm、10cm，其他條件保持不變。對污泥進行電化學處理并測定含水率和毛細吸水時間，結果如圖2所示。

圖2 插入深度對污泥含水率和CST的影響

隨著極板插入深度不斷增加，含水率、CST均呈現先降低后升高的趨勢。當極板插入深度小于6cm時，兩個極板間相對面積較小，電化學作用條件下，污泥細胞被破解的程度小，隨之脫水性能變差。當其大于6cm時，兩極板之間接觸污泥較多，使得電路的電阻增加、電流減小，所以產生的自由基減少，脫水效果降低。即插入深度6cm是脫水的最好條件。

2.3 極板間距對污泥脫水性能的影響

為了討論極板間距對污泥脫水性能的影響，實驗設置pH為4，調節極板插入深度6cm，改變極板間距依次為 2cm、4cm、6cm、8cm、10cm，設置電解時間為30min、電解電壓為15V。對污泥進行電化學處理并測定相應指標，結果如圖3所示。

圖3 極板間距對污泥含水率和CST的影響

隨極板間距的增大，含水率、CST數值先下降后升高。當極板間距＞6cm時，由于隨著極板間距增加，極板間的電阻也增加，穿過污泥的電流變弱，單位時間內產生的自由基減少，導致污泥脫水性能變差。當極板間距＜6cm時，極板之間的污泥較少，電化學對污泥的破解作用較間距6cm時減弱，因此脫水效果不顯著。即最佳極板間距為6cm。

2.4 電解電壓對污泥脫水性能的影響

為了討論電解所用電壓對污泥脫水性能的影響，調節pH為4、極板插入深度6cm、極板間距6cm，設置電解時間為30min，改變電解電壓分別為5V、10V、15V、20V、25V，對污泥進行電化學處理并測定相應指標，結果如圖4所示。

圖4 電解電壓對污泥含水率和CST的影響

隨著電壓逐步升高，含水率和CST均呈現先下降后升高的趨勢。當電壓＜15V時，隨著電壓的增大，產生的中間體越來越多，從而破壞污泥結構使其表面水釋放，脫水效果越來越好。當電壓達到15V時，效果達到最優。電壓＞15 V時，自由基作用于污泥顆粒使其破解過度，隨之增大了污泥比表面積，水分子相互結合更充分，更不易脫去。即最佳電解電壓為15V。

2.5 電解時間對污泥脫水性能的影響

為了討論電解時間對污泥脫水性能的影響，實驗設置pH為4，極板插入深度、極板間距均為6cm，改變電解時間為10min、20min、30min、40min、50min，電解電壓為15V。對污泥進行電化學處理并測定污泥含水率和毛細吸水時間，結果如圖5所示。

圖5 電解時間對污泥含水率和CST的影響

隨著處理時間的增加，含水率和CST均先降低后升高。當電化學處理時間為30min時數值最小，分別為76.64%、218s，同原污泥相比含水率降低9.04%，CST減少了42.6%。電解時間與自由基含量成正相關，自由基會破壞污泥的絮體結構，從而使其水分易于脫去。當電解時間為30min時達到最優。之后自由基含量過多，導致污泥結構被破壞程度過大，從而脫水困難。即最佳電解時間為30min。

3 結論

利用單因素法得到電化學聯合酸對污泥脫水性能的最適宜條件是：極板間距6cm，極板插入深度6cm，電解時間30min，電解電壓15V，pH為4。在此條件下同原污泥相比含水率降低9.04%，CST下降了42.6%，電化學聯合酸法改善污泥的脫水性能的效果十分顯著。