污泥脱水在电化学处理是应用

1、引言
剩余污泥是城市污水处理厂活性污泥法处理废水的一种必然副产物，其有效处理已成为城市污水处理厂正常运行的保证． 剩余污泥含水率较高(一般高于99%)，脱水性能较差、固体回收较为困难，而污泥调理可有效提高污泥的脱水性能，是污泥脱水前的一种重要处理手段． 污泥调理有很多方法，目前广泛使用的是化学调理方法，化学调理的实质是利用各种凝聚剂使污泥颗粒絮凝，结构增强，以利于机械脱水，其中，采用聚电解质调理是污泥化学调理中最为常用的手段． 聚电解质等化学药剂能较大幅度地提高污泥脱水性能和污泥固体回收率，但其使用成本较高、药剂随污泥弃置后对环境潜在的二次污染问题不容忽视． 因此，研发环保、高效、低运行成本的新型污泥调理技术十分迫切．
电化学处理是利用电化学的方法将难降解有机物或生物毒性污染物降解，广泛应用于废水处理当中，并在污泥中挥发性有机物(VSS)的降解方面开始得到关注． 在污泥脱水方面，电化学处理技术亦有所应用。通过电化学预处理污泥后，当其表面活性剂CTAB添加量为2000 mg·L－1时污泥脱水性能得到改善． 本课题组前期研究表明，在21V，12min电化学处理条件下，采用Ti /RuO2网状析氯电极，污泥的CST下降了18．8%，污泥脱水性能得到一定改善，然而，相关作用因素尚有待探讨． 本文以铱/二氧化钌析氧电极板为阳极、钛/二氧化钌网状极板为阴极，研究了电压和电解时间与污泥调理效果之间的关系，并在此条件下，对电化学处理改善剩余污泥脱水性能的相关作用因素进行了探讨．
2、材料与方法
2．1实验材料
实验所采用的剩余污泥取自上海市闵行区水质净化厂二沉池，经重力浓缩24h后4℃保藏备用． 整个实验在48h内完成． 污泥基本性质为:pH值为6.56，含固率为1.0%，VSS/TSS为69.7%． 2．2实验装置
电化学处理装置为有机玻璃制作的圆柱形反应器，内径为10cm，体积为1200mL．极板面积为100cm2．电源为GPS5010H稳压直流电源; 搅拌设备为JB-3A型定时恒温磁力搅拌器; 离心设备为飞鸽TDL-5-A型离心机．Ir /RuO2电极板为阳极，Ti /RuO2网状极板为阴极． 根据课题组前期研究结果( Yuan et al． ， 2010) ，选定板间距为4 cm搅拌速率为100 r·min － 1 作为本实验条件． 实验装置如图1所示．
2．3分析方法
pH 值采用pHS-3C 精密pH 计测定; 挥发性悬浮物质(VSS) 、悬浮物质(TSS) 采用标准称重法检测; CST 采用圆柱型直槽式CST测定仪测定，滤纸采用Whatman17#型滤纸． 污泥上清液蛋白采用考马斯亮蓝G-250 染色法测定; 污泥上清液多糖采用蒽酮-硫酸法测定．污泥形态分析采用扫描电子显微镜。
3、实验结果
3．1电化学处理对污泥脱水性能的影响
采用析氧电极，在搅拌速率100 r·min－1，板间距4cm条件下，电压和电化学处理时间对污泥脱水性能均具有较大影响，实验结果如图2所示．

图2 不同电压、电化学处理时间下污泥CST 变化
图2不同电压、电化学处理时间下污泥CST 变化污泥的CST值在各个处理的不同处理阶段都有一定下降． 低电压(＜30V)作用下，污泥的CST在电化学处理初始阶段呈下降趋势，随着处理时间的延长，CST保持稳定状态． 当电压大于20V时，污泥的CST呈现先减小后增大的趋势． 在50V，5min处理条件下，污泥CST下降了25．5%，之后随着处理时间的延长，CST快速增大，处理45min后，CST与对照相比增加了22．5%． 在30V处理电压作用下，CST于30min 时达到最低值，与对照相比下降了35．5%，之后随处理时间的延长而上升． 因此，在电压为30V，电极板间距为4cm时，电化学处理30min，污泥脱水性得到较大改善，这与Yuan 等的研究结果相比，污泥脱水性能得到较大提高．
3．2电化学处理对污泥上清液EPS 浓度的影响
胞外聚合物(EPS) 普遍存在于剩余污泥内，其主要成分为糖类和蛋白质，两者的TOC占整个EPS的70%～80%。 EPS分子可以从细胞表面伸展出来，阻碍细胞之间的亲密接触，形成密实的凝胶，阻止结合水从凝胶的微孔挤出，所以EPS的存在使脱水性变差．

图3 不同电压、电化学处理时间下污泥上清液EPS 浓度变化
图3不同电压、电化学处理时间下污泥上清液EPS浓度变化由图3可知，低电压(＜30V)处理作用下，污泥上清液的EPS浓度在处理过程中较为稳定; 在高电压50V处理作用下，上清液的EPS浓度处理10min以后急剧增加，并于45min时达到最大值，与对照相比增加了446．7%．而在30V处理电压作用下，污泥上清液EPS浓度呈现先缓慢下降后上升的趋势，并于30min达到最低点，下降了17．4%，这与CST的变化趋势相一致． 污泥电化学处理后EPS浓度降低，使得污泥脱水性能得到改善．
3．3电化学处理对污泥上清液蛋白浓度的影响
蛋白作为EPS 的重要组成部分，其含量增加会使脱水性能降低．污泥上清液蛋白浓度变化如图4所示，其变化趋势与EPS浓度相似． 在30V，30min的电化学处理条件下，EPS中蛋白浓度下降较为明显，下降了30．2%，从图2可知，此时CST的值也达到最低，这也说明蛋白浓度和CST呈一定的正相关关系． 而在高电压50V作用下，随着污泥絮体结构的不断破坏，EPS 浓度快速上升，蛋白浓度也随之增加，和对照相比增加了495．5%，导致污泥脱水性能变差，污泥的CST也随之升高． 因此，当电化学处理电压为30V时，上清液中蛋白浓度降低，使污泥脱水性能得到改善; 在50V 电压处理下，上清液蛋白浓度快速增加，使污泥脱水性能变差，研究结论相一致。

图4 不同电压、电化学处理时间下污泥上清液蛋白浓度变化

图5 不同电压、电化学处理时间下污泥上清液多糖浓度变化
3．4电化学处理对污泥上清液多糖浓度的影响
作为污泥EPS另一重要组分的多糖，因其含有羧基等亲水性基团，对污泥脱水性能有负面影响．多糖浓度在污泥上清液中的变化如图5 所示． 在电化学处理初始阶段(＜5 min) ，多糖浓度与对照相比都有一定的下降． 在高电压(＞20V) 处理作用下，下降较为明显，最高下降了27.0%，随着处理时间的延长，大量有机物被降解同时污泥絮体结构被破解，絮体所含大量颗粒物、EPS被释放，造成污泥上清液多糖浓度增加，尤其是50V电压处理45min后，多糖浓度增加了204．5%，使2201污泥脱水性能变差． 而低电压(＜30V) 作用下的多糖浓度则趋向稳定．
3．5电化学处理对污泥形态的影响
利用SEM电子显微镜高分辨率的特点，可揭示污泥颗粒内部超微结构特征，为研究胞外聚合物EPS等在污泥颗粒的形成，颗粒稳定性和颗粒脱水机理分析等方面提供有价值的形态学依据。
经不同电化学处理后的污泥电镜扫描(SEM)结果如图6所示． 污泥电化学处理前菌胶团结构较为完整，LB-EPS大量包裹于菌胶团外部，对菌体起保护作用，并将大量自由水包裹于其内(图6a)．在30V，30min的处理作用下，菌胶团结构遭到破损，处于表层的LB-EPS 被氧化并释放出胞内自由水，污泥脱水性能得到改善(图6b)． 高电压50V处理30min后，结果显示，污泥菌胶团结构严重破损，EPS被大量释放到上清液中，同时，污泥颗粒变小，比表面积增加，造成其对污泥中水分的吸附能力增强，导致污泥脱水性能变差( 图6c) ．
4 结论
1)以Ir /RuO2电极板为阳极，Ti/RuO2网状极板为阴极，极板间距为4cm，电压为30V，搅拌速率100r·min－1条件下，电化学处理反应30min，CST下降35．5%，污泥脱水性能得到较大改善．
2)低电压作用下污泥上清液EPS、蛋白浓度在电化学处理过程中较为稳定，对污泥脱水性能改善较小． 高电压下的污泥上清液EPS、蛋白、多糖浓度随处理时间延长变化较大． 超过最适电压和处理时间，污泥上清液EPS，蛋白和多糖浓度急剧增加，导致污泥脱水性能变差，电压较处理时间对其影响更大．
3)通过污泥电镜分析，电化学处理前污泥菌胶团结构较为完整． 在30V，30min电化学处理作用下，污泥菌胶团结构遭受一定程度的破坏，包裹于其内的自由水被释放出来，污泥脱水性能得到改善．50V，30min处理作用下，污泥菌胶团结构严重破碎，导致EPS浓度上升，污泥脱水性能变差．