活性炭聯合正弦波電場促進污泥脫水

＊屈園浩 鄧考義

（東華大學環境科學與工程學院 上海 201620）

城鎮污泥是污水處理副產物，具有含水率高、體積大、成分復雜等特性[1-2]。傳統機械壓濾脫水僅能將污泥含水率降至80%左右，無法滿足污泥的處置要求[3]。電滲透脫水作為一種低能耗污泥深度脫水技術[4-5]，通過在污泥上施加電場，可使污泥含水率降至60%以下。但脫水后期能耗大、陽極材料腐蝕等問題制約著電滲脫水技術在工業中的廣泛應用[6-7]。周捷等[8]研究發現正弦波電場下，泥餅含水率可以進一步降低?；钚蕴烤哂辛己玫奈叫耘c導電性，作為調理劑可以改善污泥的脫水性[9-11]。

本文以活性炭為物理調理劑，投加量設置為污泥干重（DS）的0%、3%、5%三組（記為AC～0、AC～3、AC～5），占空比（DR）設置20%、40%、60%、80%、100%五組工況，研究活性炭聯合正弦波脈沖電場對污泥電滲透脫水的影響。根據泥餅電流、溫度和陰極濾液總有機碳值（TOC）、三維熒光光譜分析（3D-EEM）活性炭對污泥電滲脫水的強化機理。

1.實驗部分

（1）實驗材料。污泥來自于上海市某污水處理廠，性質如表1所示。活性炭比表面積為336m2/g，孔容為77.2cm3/g，活性炭粉末平均電阻率為1.38Ω·cm。濾布為750a丙綸材質、陽極為鈦基釕銥鈦涂層金屬網板、不銹鋼金屬網作為陰極。

表1 污泥基本性質

（2）實驗裝置及方法。實驗裝置如圖1a所示，將活性炭與污泥均勻混合后，取37.5g置于絕緣套筒中后壓平（污泥厚度為10mm），放置在千斤頂支撐的底板上，設定正弦波的占空比（通電時間相對于總時間所占的比例）、頻率等參數，圖1（b）為占空比為100%與50%時的示意圖。通電后，保持1MPa的機械壓力，每分鐘記錄一次電流值、溫度值、濾液質量和電壓值，持續45分鐘，實驗結束后收集濾液和泥餅進一步測試分析。

圖1 電滲透脫水裝置（a）和正弦波波形圖（b）

（3）分析儀器及方法。污泥含水率按照烘干法測定；采用電導率儀（FE38-Meter）對泥餅電導率進行測定；采用TOC分析儀（耶拿multi N/C 3100）測定濾液TOC濃度；采用三維熒光分光光度計（日立F7000）對濾液中的有機物組分進行定性分析。

2.實驗結果與討論

（1）實驗后泥餅含水率變化。圖2為不同占空比下，活性炭投加量分別為0% DS（AC～0）、3% DS（AC～3）、5% DS（AC～5），頻率為50Hz，有效電壓30V的泥餅含水率。結果表明，隨著占空比增大，泥餅含水率逐漸降低，當占空比≥80%，泥餅含水率降低趨勢放緩。當占空比為20%時，AC～0、AC～3、AC～5工況含水率分別為74.6%、72.0%和68.0%，含水率隨活性炭投加量增加而降低；當占空比增至80%時，AC～0、AC～3、AC～5工況含水率分別降低為47.5%、45.0%和43.4%，含水率下降趨勢逐漸變緩，表明脫水基本完成，因此認為占空比為80%、投加量5% DS為最佳工況。

圖2 泥餅含水率曲線

（2）實驗中泥餅電流變化。圖3為不同工況下電流變化情況。電流峰值隨著占空比與活性炭投加量的增加而變大，在AC～0條件下，20%、40%、60%、80%、100%占空比下的泥餅峰值電流分別為1.33A、2.01A、2.1A、2.44A和2.7A，每提升20% DR，峰值電流平均上升0.34A；在AC～3（AC～5）工況下，峰值電流分別為1.4A（1.77A）、2.06A（2.1A）、2.35A（2.4A）、2.51A（2.56A）和2.78A（2.9A）。在脫水開始的前5min內，峰值電流會從最大值迅速下降，主要原因是，占空比越大，污泥內部的電化學反應越劇烈，污泥水分脫除越快，導致泥餅電阻上升越迅速，電流降低越快；5～45min時，電流大小發生了逆轉并且電流降低速度逐漸放緩，這是由于高占空比下污泥中的水分被大量排出，導致污泥電阻高于低占空比污泥電阻，并且占空比越大，帶電離子的電遷移現象越明顯，提升了污泥電阻，進一步降低了電流大小。

圖3 泥餅電流的變化曲線

（3）實驗中泥餅溫度變化。電滲脫水過程中，電流會誘發焦耳熱效應，導致泥餅溫度上升。圖4為泥餅溫度隨時間變化，在脫水早期，污泥溫度會迅速上升，達到峰值后會逐漸下降，這與Mahmoud等[12]研究一致。溫度峰值隨著占空比與投加量的增大而變大。在無活性炭投加時，20%、40%、60%、80%、100%占空比下的泥餅峰值溫度分別為41.5℃、45.9℃、51.5℃、54.2℃、67.2℃，當活性炭投加量提升至3%（5%）DS時，20%、40%、60%、80%、100%占空比下峰值溫度分別為44.5℃（45.6℃）、48℃（54.4℃）、52.8℃（60.1℃）、64℃（65℃）和71.5℃（74.4℃）。

圖4 泥餅溫度的變化曲線

（4）濾液中TOC值變化。圖5為陰極濾液TOC值，在20%占空比下，隨著活性炭投加量的增加，TOC值逐漸降低，AC～0、AC～3、AC～5工況下TOC值分別為9996mg/L、9972mg/L和9372mg/L；隨著占空比增加，電化學反應增強，強化了污泥內部有機物釋放并隨水分排出，但在100%占空比下，AC～0、AC～3、AC～5工況下TOC值分別降低為6732mg/L、6244mg/L和5024mg/L，原因可能是濾液的增多稀釋了有機物濃度。在相同占空比下，加入活性炭后濾液TOC值都有所降低，表明含碳材料具有截留有機物的能力[13]。含碳材料的截留效應至少可以帶來兩個方面的益處：一方面可減少溶解性EPS堵塞陰極濾膜；另一方面可降低濾液后續處理成本。

圖5 濾液TOC值的變化曲線

（5）陰極濾液3D-EEM分析。圖6為陰極濾液3D-EEM譜圖，結果表明，濾液主要有兩類熒光峰：λEx/λEm=280nm/335nm對應色氨酸樣蛋白（TPN），λEx/λEm=225nm/340nm對應芳香族蛋白（APN），TPN峰強度大于APN，并且峰強度隨活性炭投加量的增多而降低。隨著占空比增大，TPN與APN峰強度整體呈逐漸增大的趨勢，在AC～0，20%、40%、60%、80%、100% DR下，TPN與APN的峰強度分別為4090、4097、4640、4875、4760與2155、1927、2222、2673、2708。電場強度的升高，強化了污泥胞外聚合物分解，導致更多的TPN、與APN釋放到濾液。

圖6 陰極濾液3D-EEM分析

3.結論

本文利用活性炭聯合正弦波電場對污泥脫水展開實驗研究，得到了以下主要結論。

（1）隨著占空比與活性炭投加量的增大，泥餅含水率可進一步降低，活性炭可以提升污泥導電性，增強了污泥中的電化學反應。

（2）活性炭可以顯著降低濾液TOC值。