0 引 言

　　活性污泥法污水處理工藝產生的剩余污泥，體量大、含水率高。由菌膠團產生的獨特絮體結構，以及由大分子聚合物產生的網絡結構，導致剩余污泥中的水分難以被輕易去除[1]。剩余污泥中的水分主要包括自由水、空隙水( 毛細水) 、吸附水( 結合水) 和內部水 4 種存在形式。機械脫水法能夠有效去除污泥中的自由水，但對其余水分的去除效果不佳[2]。因此，機械脫水后的剩余污泥含水率仍然較大，難以滿足污泥土地利用和填埋的處置要求，而通過化學調質、凍融、熱解、超聲波及電滲透等手段強化機械脫水是目前剩余污泥深度脫水的主流研究方向[3-5]。目前，針對 pH( 酸堿調質) 對城市污水處理廠剩余污泥脫水性能影響的研究很多，但大多是將酸堿調質和重力濃縮、離心濃縮等方法聯合使用。本試驗以污水處理廠剩余污泥為對象，著重研究了 pH 對污泥電滲深度脫水的影響，以期為生產實踐提供指導。

　　1 試驗材料與裝置

　　試驗所用污泥取自武漢市某污水處理廠，經機械脫水后含水率達到 70% ～ 85%，揮發性有機物含量為40% ～ 55%( 質量比) ，電導率為 8500 ～ 9500 μS / cm。試驗中酸調質采用稀硫酸，堿調質采用 NaOH 溶液。試驗裝置如圖 1 所示: 反應器有效截面尺寸為10 cm× 10 cm; 陽極和陰極均采用紫銅板，陰極板上均勻開設12×12 個直徑為 5 mm 的圓孔，以便于水分的快速排除; 陰極濾布采用土工織物。試驗中，泥餅的初始厚度為 2. 0 cm，電場梯度為 25 V / cm。此外，為了確保電極板能夠與泥餅緊密接觸，在陽極板上施加一恒定壓力，在試驗過程中對泥餅可產生 7. 5 kPa 的擠壓作用。試驗中各指標的測定，均嚴格按照國家標準方法執行。

　　2 結果與討論

　　2. 1 pH 對含水率的影響

　　酸堿調質后，電滲脫水過程中污泥含水率隨時間的變化如圖 2 所示，其中 pH = 6 作為空白對照組。可知: 當污泥初始pH 為 1、2、3、4、5、6 和 9 時，脫水結束后所得泥餅的含水率分別為 44. 1%、38. 6%、36. 2%、 37. 9%、32. 5%、42. 2%和 49. 0%，顯著低于原污泥含水率。當污泥初始 pH 為 1 和 9 時，脫水效果差于對照組且脫水進度滯后; 當污泥初始 pH 為 2 時，脫水效果優于對照組而脫水進度略微加快; 當污泥初始pH 為 3、4 和 5 時，不僅脫水效果得到明顯改善，脫水進度也大大加快。此外，與對照組相比，酸調質后脫水所得泥餅中陽極區和中部區的含水率比較接近( 圖 3) ，即酸調質后泥餅中低含水率泥層的占比增大，且微酸調質時效果最好; 堿調質后泥餅中陽極區含水率較低，而中部區域和陰極區含水率都比較高，即堿調質后泥餅中高含水率泥層的占比增大。其可能原因: 一方面微酸處理使污泥表面的胞外聚合物脫落，破壞了其密實的絮體結構和復雜的網絡結構; 另一方面酸處理使胞內水和吸附水得以釋放，自由水增多[6-7]。強酸、強堿處理會導致污泥的電導率增大( 圖 4) ，膠粒的雙電層結構被壓縮、Zeta 電位減小，因此其電滲脫水效果變差。

　　從圖 2 中不難發現: 泥餅含水率的變化先快后慢，試驗前 30 min 內脫水速度極快，隨后則迅速減緩，60 min 內基本上可完成脫水進度的 90% 以上。分析認為，30 min 后含水率下降速度減慢，是因為被“剝奪”了水分的污泥從飽和狀態轉入非飽和狀態。在非飽和狀態下，空隙水壓降為負值，在污泥內形成與水分遷移方向相反的水力梯度[8]。此外，電滲作用對污泥中的結合水和內部水作用有限，因此在自由水和空隙水被大量去除后，脫水量減少、脫水速度減緩[8]。Matlab 軟件對試驗點據的擬合結果表明，指數函數和高斯函數較為有效( 表 1) 。由圖 2 和表 1 可知: 酸性條件下，高斯函數( 二維) 與試驗結果的吻合度明顯優于指數函數; 中性和堿性條件下二者與試驗結果的吻合度都很高，但前者的略低于后者的。由此可見，高斯函數( 二維) 更適于描述電滲脫水過程中含水率隨時間的變化。

　　2. 2 pH 對電流的影響

　　由圖 4 可知: 接通電源時對照組的瞬時電流在 4 A左右，而試驗組的瞬時電流都明顯高于該值。但是，酸調質后電流的衰減速度慢于對照組，堿調質后電流的衰減速度快于對照組，所以同一時刻前者的電流總高于對照組，而后者的總低于對照組。由此可見，酸調質后通過泥餅的電流密度增大，這可能與污泥的電導率增大有關( 圖 5) 。由圖 5 可知: 對照組 ( pH = 6) 污泥的電導率僅為 8897 μS / cm; 當污泥初始pH 為 1、2、3、4 和 5 時，其電導率分別為 21420， 20675，17738，15264，12720 μS / cm。雖然 pH 為 7 時污泥的電導率高達 23580 μS / cm，但是這主要歸因于Na+ 和 OH- 的增多，因此其僅增大了電滲脫水過程早期回路中的電流，而到了后期多余 OH- 的電解反而會導致耗電量的增加( 圖 7) ，進而削弱泥餅中離子的遷移[9]。總之，酸堿調質會改變原污泥的電導率，而且污泥性質改變明顯，其電導率變化越大，這可能是因為在調質過程中污泥膠體顆粒的 Zeta 電位發生改變，與現有研究結果一致[9-10]。

　　2. 3 pH 對能耗的影響

　　如圖 6 所示，電滲過程會造成泥餅發熱，且溫度隨時間的變化與電流隨時間的變化趨勢一致。由圖 7可知: 酸堿調質后電滲脫水過程的耗電量和腐蝕量均隨 pH 的增大先減小后增大，且在 pH = 5 時降至最低，分別為 201. 7 ( kW·h) / t，20. 1 kg / t。pH = 9 時。

　　腐蝕量低于對照組，這可能與此時脫水過程的迅速終止有關。陽極板的腐蝕，是因為在外界電流的強制作用下 Cu 失去電子變成 Cu2+。此外，電滲脫水所得滲濾液呈強堿性，不同初始 pH 的原污泥所得滲濾液pH 依 次 為 11. 9、12. 5、12. 7、12. 7、12. 7、12. 7 和13. 1。脫除水堿性增強是因為在陽極發生 H + 的還原反應，增加了污泥堿度[8，11] 。由此可見，電能的消耗除了被用于驅使離子運動，還會被用于產熱和電化學反應上[12-13] 。總之，雖然水分的電解隨污泥 pH 的增大而加劇，但陽極板的氧化反應卻在減弱，因此酸調質后電能的利用率隨著污泥 pH 的增大而增大[12] 。

　　3 結 論

　　1) 污泥電滲脫水工藝的技術可行性得到了驗證，所得泥餅的含水率可降至 50% 以下，且脫水迅速，基本在 60 min 內可完成。2) 經酸調質所得泥餅中低含水率泥層占比增大，堿調質所得泥餅中高含水率泥層占比增大，研究結果表明微酸性環境調質效果明顯。3) 初始 pH 在 5 左右時，脫水所得泥餅的含水率最低、能耗最低，為最佳調質條件。具體聯系污水寶或參見http://www.jianfeilema.cn更多相關技術文檔。

　　但是，目前電滲脫水工藝在市政污泥處理處置領域應用仍相對較少，其理論研究亟待完善、相關設備研發急需開展。在今后的研究中，耐腐蝕電極材料的研發與應用，以及該工藝在水體整治工程底泥處理領域的應用應予以高度重視并盡快開展。（來源：內蒙古建筑職業技術學院）