吸附分离辅助下污水污泥的电脱水技术

马德刚，裴杨安，赵 娴，朱红敏

(天津大学环境科学与工程学院，天津 300072)

吸附分离辅助下污水污泥的电脱水技术

马德刚，裴杨安，赵 娴，朱红敏

(天津大学环境科学与工程学院，天津 300072)

电脱水(EDW)技术是一种污水污泥深度脱水技术，有利于降低干化过程中的热能消耗．以电脱水阴极侧水分的分离方式为研究重点，通过添加吸水材料，将水分由重力分离转变为吸附分离来提高脱水效率．同时，考察了电压和机械压力等操作条件的影响，并给出了不同工况组合的脱水效果．结果表明，添加吸水材料后，污泥最终含水率及脱水能耗明显降低，且选择合适的电压、机械压力及阴极形式对电脱水有利．在50,V、21,kPa条件下对于阴极58,μm(250目)不锈钢网，电脱水90,s可将污泥含水率由82.7%降至56.10%．

污水污泥；电脱水；吸水材料；电脱水

污水处理厂产生的污水污泥通常被称为生物污泥．由于污泥体积很大且含水率很高，同时国家对污泥处理的规定越来越严格，因此污泥的处理费用越来越高昂．另外，不断增长的污泥量也使其运输越来越困难，所以需要对污泥进行减量处理．通常污泥减量化的方法包括浓缩、脱水[1]、热干燥[2-3]、焚烧[4]等．经过浓缩处理，可获得含水率95%～97%的污泥．脱水之后，污泥含水率可以降至50%～80%．常用的污泥脱水方法有冻融[5-6]、离心脱水、机械脱水和电渗透脱水[7-12]等．冻融方法能将污泥含水率减至50%～ 60%，但是高能耗制约了其应用．作为国内污水厂常用的两种污泥脱水方法，离心脱水和机械脱水可以将污泥含水率减至65%～85%，但是这两种方法不能有效去除污泥中的结合水．热干燥可以对污泥进行更深层次的脱水，但是其能源消耗太大．

电渗透(一种界面电动现象)可用来提高固-液混合物(如胶体物质)脱水的效果．电脱水(electrodewatering，EDW)技术指的是在污泥上通以外加直流电源，电场力作用下污泥中的固体颗粒定向移动，带动污泥中的水分运动达到脱水的目的[13]．与传统的机械脱水相比，电脱水技术有很多优势，对那些应用机械方法很难脱水的极细颗粒污泥、胶状物质和生物污泥等十分有效．经过电脱水，污泥中更多的间隙水和表面吸附水被脱出[14-16]．通过向污泥中添加聚合电解质，在机械压力的辅助下，Barton等[17]应用电脱水技术将污泥含水率降至54%～65%．

电脱水效率高，并且脱水之后污泥含水率很低，但是较高的能耗制约了其在脱水领域的广泛应用．人们做了大量的研究来提高电脱水效率并降低脱水能耗，例如脱水过程中的电势梯度和脱水时间[14]，交流或者脉冲电场[15,18]，或者应用水平电场[16]进行脱水等．Ho等[19]发现，运用旋转阳极进行电脱水，脱水效果十分明显且脱水能耗很低．但是如何有效提高效率仍是电脱水技术的一个挑战．

在电脱水过程中，脱出的水分都是经过自行凝结聚集，然后依靠水自身的重力分离．水分在落下之前会在阴极部分吸附聚集，这将严重阻碍污泥中水分的脱出速率．针对此问题，笔者提出了吸附电脱水的技术方法，即在阴极侧添加吸水材料来改变水分的分离方式，实现电脱水中脱出水分的及时转移，进而提高脱水率并降低电能消耗．

1 实验材料与装置

1.1 污 泥

实验所用污泥取自天津纪庄子污水处理厂，为初沉池污泥和二沉池污泥的混合物．污泥先后经过浓缩、絮凝、离心脱水后，泥饼颜色为黑色，有臭味，pH值为7.2，含水率为82%～83%，挥发性固体含量为50%～55%．

1.2 吸水材料选择

从市场上选取不同软发泡工艺、不同材料的工业海绵，测试其吸水量(M)及脱水率(R)．其中吸水量是指单位质量吸水材料的吸水质量，脱水率即吸水材料在500,N压力下一定时间内脱水质量与其吸水质量的比值．实验结果如表1所示．

表1 吸水材料实验结果Tab.1 Experimental result of absorbent materials

经过比较，编号为7的材料吸水量及脱水率均较高，最终选它作为实验用吸水材料．该吸水材料产自河南濮阳，由密胺泡沫塑料制成，成白色块状，密度为8.8,kg/m3，且质地柔软，吸水性强，再生性强．

1.3 实验装置

实验装置如图1所示．污泥在70,mm内径的有机玻璃筒中被布置成厚度为5,mm的饼状，上下表面分别水平安放有不锈钢网电极，其中阳极为830,µm (20目)不锈钢网．阳极紧密接触污泥的上表面，并保证脱水过程中阳极和污泥表面的密切接触．阴极为3,350,µm(6目)的时候，实验中添加薄滤布；58,µm(250目)的时候无滤布操作．脱水过程中水分从阴极下端排出，吸水材料与阴极紧密接触来吸收阴极脱出的水分．直流电源的正负极分别与电场阳极和阴极相连接，并可输出额定电压．机械压力通过添加重物来实现．电脱水时间设定为1,min、3,min、5,min．实验中电压、电流、质量的测量精度分别为1,V、0.001,A、0.01,g．实验数据的重现性控制在10%.

图1 实验装置示意Fig.1 Sketch of electro-dewatering apparatus

2 结果与讨论

2.1 吸水材料对吸附电脱水的影响

为了考察吸水材料对吸附电脱水的影响，进行了有无吸水材料的对比实验，结果如图2和图3所示．由图2可见，吸水材料有助于污泥的深层脱水，且在不同电压情况下，添加吸水材料的污泥含水率要明显偏低．由图3可以看出，在0～10,s内，添加吸水材料的污泥中通过的电流稍高于不添加吸水材料，这是由于实验开始时，污泥受一定的机械压力，使污泥中一部分水被吸水材料吸走，使污泥电阻变小，电流增大；在10～60,s内，添加吸水材料后，污泥中通过的电流稍低于不添加吸水材料的电流；由图4可以看出，80～240,s内，两者电流基本相同．实验使用的电源为直流稳压电源，外加电压为定值，因此实验中电能消耗可由图3中曲线面积表示．由图3可以看出，添加吸水材料后的电流曲线所围成的面积要小于不添加吸水材料的面积，因此电能消耗较低．通过积分的方法计算出各自电脱水能耗，然后换算成1,t污泥时的情况，添加吸水材料的电脱水过程要大概省电10,(kW·h)/t．

图2 吸水材料对污泥最终含水率的影响(p=12,kPa，t= 5,min，3,350,µm(6目)阴极)Fig.2 Effect of absorbent material on final water content of sludge(p=12,kPa，t=5,min，3,350,µm (6,mesh)cathode)

图3 电脱水过程中电流变化(0～60,s，U=50,V，p= 12,kPa，3,350,µm(6目)阴极)Fig.3 Variation of current during EDW(0～60,s，U= 50,V，p=12,kPa，3,350,µm(6,mesh)cathode)

图4 电脱水过程中电流变化(80～240,s，U=50,V，p= 12,kPa，3,350,µm(6目)阴极)Fig.4 Variation of current during EDW(80～240,s，U= 50,V，p=12,kPa，3,350,µm(6,mesh)cathode)

2.2 电压对吸附电脱水的影响

图5为不同外加电压条件下，电脱水1,min、3,min、5,min后污泥的最终含水率．从图中可以看出，随着脱水时间的增加，污泥最终含水率总体呈现减小的趋势．从最终含水率看，1～3,min污泥含水率有明显的减小，但是3～5,min污泥含水率降低趋势减弱．这是因为在通电的最初一段时间内，污泥中水分快速减少，阳极附近污泥电阻急剧增加，导致污泥中通过的电流急剧衰减，后续水分的脱除越来越困难．因此，过长的脱水时间对污泥脱水影响不大，更多的能量将会产生焦耳热．

从电压对污泥含水率的影响可以看出，增加电场电压可提高污泥脱水率，但增加到一定值时对提高脱水率的影响不大，反而增加了电场电能的消耗．从本实验结果可以看出，针对5,mm的泥饼厚度而言，电压为40～50,V较为合适．

图5 不同电压下污泥的最终含水率 (p=12,kPa，3,350 ,µm(6目)阴极)Fig.5Final water content of sludge under different voltages(p=12,kPa，3,350,µm(6,mesh)cathode)

2.3 阴极形式对吸附电脱水的影响

电场阴极是维持电场、水分转移和产氢副反应的关键部位，对脱水效果有着直接的影响．实验分别选用3,350,µm(6目)和58,µm(250目)的不锈钢网作为阴极，对比实验结果见图6．

图6 不同阴极下污泥最终含水率(p=12,kPa，t=1,min)Fig.6Final water content of sludge for different cathodes(p=12,kPa，t=1,min)

从图6中可以看出，阴极为58,µm(250目)不锈钢网时，污泥电脱水的效果较好．这是因为在电脱水过程中，由于外加电压是定值，因此电极污泥的有效接触面积越大，污泥脱水效果越好．有效接触面积与阴阳极的开孔率有关，即与阴阳极网孔的密度有关.本实验中阴极为变量，相同面积条件下，58,µm(250目)的阴极网孔孔径较小、孔数较多，因此有效接触面积较大，电脱水效果较好．此外，该阴极下可以取消滤布，直接完成对水分的过滤．

2.4 压强对吸附电脱水的影响

机械压力也是影响电脱水效果的重要因素，对提高脱水率、缩短脱水时间具有重要影响．本文对此进行了实验验证，结果见图7．

由图7可以看出，随着机械压力的不断增大，污泥的最终含水率呈现先减小后增大的趋势．这是因为，一方面，机械压力通过压实污泥使水分分布更加均匀，维持了电场的连续，进而提高脱水率和脱水速度；另一方面，污泥颗粒被压实后水分迁移运动的阻力增加，压力越大阻力越大．因此，存在一个最佳机械压力．从本实验结果可以得出，在压强为21,kPa的情况下，污泥的电脱水效果最好．从图中还可以看出，当外加电压为0，即不通电的情况下，污泥脱水率要远远低于通电的情况，因此，虽然压力能使污泥脱水，但是效果要弱于机械脱水与电脱水结合的情况．

图7 压强对电脱水的影响(58,µm(250目)阴极)Fig.7 Effect of pressure on EDW(58,µm(250,mesh)cathode)

2.5 吸附电脱水操作工况的选择

通过电压、压强和脱水时间等操作条件的不同组合，本实验获得了吸附电脱水的不同脱水效果，如表2所示．

从表2可以看出，较高的外加电压可以降低污泥最终含水率并缩短脱水时间，同时能耗相对增加．在50,V、21,kPa条件下，90,s内可以轻易将污泥含水率由82.7%降至56.10%，污泥体积将少60.59%．

Barton等[17]做过关于污泥电脱水的实验，实验采用电脱水与压滤脱水相结合的方法，从其实验相关数据中截取作为参考．在100,V、300,kPa下，污泥含水率由83%降至68%，大约需要10.5,min，而耗电量大约为116,(kW·h)/t，耗电量及脱水时间要远远大于本文40,V、9,kPa下的结果．

于晓艳[20]的电脱水实验中，在12,V、7,kPa条件下，污泥含水率由79%降至60.3%，耗电量大约为35.6,(kW·h)/t，而所需时间为5,min．虽然耗电量小于本文的结果，但是脱水时间较长．

表2 污泥电脱水的工况组合(830,µm(20目)阳极，58,µm (250目)阴极)Tab.2Operation conditions of sludge’s EDW(830,µm (20,mesh)anode，58,µm(250,mesh)cathode)

3 结 语

在电脱水过程中，采用吸水材料及时分离阴极侧脱出的水分，有助于提高脱水率，并降低电能消耗，吸水材料应具有吸水能力强、可反复使用的特点；吸附电脱水中，机械压力和电场电压的适当增大，有助于改善电脱水效果，但均存在最佳值；阴极形式对电脱水有很大影响，高网孔密度(本实验为58,µm(250目))的阴极可以取代滤布，实际应用中建议选择网孔密度较高的阴极；吸附电脱水对污泥减量化效果显著，在50,V、21,kPa条件下，吸附电脱水90,s污泥含水率可由82.7%降至56.10%，体积减少60.59%．而且通过与前人实验的对比，可以发现本实验在缩短脱水时间及降低脱水能耗方面具有可行性.

［1］ Wakeman R J. Separation technologies for sludge dewatering[J]. Journal of Hazardous Materials，2007，144(3):614-619.

［2］ Chen G H，Yue P L，Mujumdar A S. Sludge dewatering and drying[J]. Drying Technology，2002，20(4/5): 883-916.

［3］ Ma D G，Zhang S T，Li Z Y. Control of sludge-to-wall adhesion by applying a polarized electric field[J]. DryingTechnology，2007，25(4/5/6):639-643.

［4］ Werther J，Ogada T. Sewage sludge combustion[J]. Progress in Energy and Combustion Science，1999，25(1):55-116.

［5］ Knocke W R，Trahern P. Freeze-thaw conditioning of chemical and biological sludge[J]. Water Research，1989，23(1):35-42.

［6］ Tuan P A，Sillanpaa M. Effect of freeze/thaw conditions，polyelectrolyte addition，and sludge loading on sludge electro-dewatering process [J]. Chemical Engineering Journal，2010，164(1):85-91.

［7］ Pham A T，Sillanpaa M，Virkutyte J. Sludge dewatering by sand-drying bed coupled with electro-dewatering at various potentials [J]. International Journal of Mining Reclamation and Environment，2010，24(2):151-162.

［8］ Iwata M，Jami M S，Sato M. Analysis of constantcurrent electro-osmotic dewatering of various solid-liquid systems by considering the creep deformation [J]. Separation and Purification Technology，2007，58(2): 274-281.

［9］ Yang G C C，Chen M C，Yeh C F. Dewatering of a biological industrial sludge by electrokinetics-assisted filter press[J]. Separation and Purification Technology，2011，79(2):177-182.

［10］ Liu J Y，Zhao G F，Duan C，et al. Effective improvement of activated sludge dewaterability conditioning with seawater and brine [J]. Chemical Engineering Journal，2011，168(3):1112-1119.

［11］ Choi Y G，Kim S H，Kim H J，et al. Effects of current density and electrode material on the dewaterability of the thickened activated sludge by electro-flotation[J]. Journal of Chemical Technology and Biotechnology，2009，84(10):1493-1498.

［12］ Mahmoud A，Olivier J，Vaxelaire J，et al. Electrical field:A historical review of its application and contributions in wastewater sludge dewatering [J]. Water Research，2010，44(8):2381-2407.

［13］ Smollen M，Kafaar A. Electroosmotically enhanced sludge dewatering:Pilot-plant study [J]. Water Science and Technology，1994，30(8):159-168.

［14］ Yuan C，Weng C H. Sludge dewatering by electrokinetic technique:Effect of processing time and potential gradient [J]. Advances in Environmental Research，2003，7(3):727-732.

［15］ Yoshida H，Kitajyo K，Nakayama M. Electroosmotic dewatering under A. C. electric field with periodic reversals of electrode polarity[J]. Drying Technology，1999，17(3):539-554.

［16］ Zhou J X，Liu Z，She P，et al. Water removal from sludge in a horizontal electric field [J]. Drying Technology，2001，19(3/4):627-638.

［17］ Barton W A，Miller S A，Veal C J. The electrodewatering of sewage sludges [J]. Drying Technology，1999，17(3):497-522.

［18］ 李修渠，李里特，植村邦彦，等. 不同电场下豆渣的电渗透脱水[J]. 农业工程学报，2000，16(3):100-103.

Li Xiuqu，Li Lite，Kunihiko U，et al. Electroosmotic dewatering of okara in different electric fields [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2000，16(3):100-103 (in Chinese).

［19］ Ho M Y，Chen G H. Enhanced electro-osmotic dewatering of fine particle suspension using a rotating anode [J]. Industrial & Engineering Chemistry Research，2001，40(8):1859-1863.

［20］ 于晓艳. 生物污泥的电渗透高干脱水[D]. 天津:天津大学环境科学与工程学院，2010.

Yu Xiaoyan. Deeper Dewatering by Electroosmosis for Biological Sludge [D]. Tianjin:School of Environmental Science and Engineering，Tianjin University，2010(in Chinese).

Electro-Dewatering of Sewage Sludge Assisted by Adsorbent Material

Ma Degang，Pei Yang’an，Zhao Xian，Zhu Hongmin
(School of Environmental Science and Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

The electro-dewatering(EDW)is helpful to cut down heat consumption of sludge drying process by decreasing deeply water content of sewage sludge. The study focused on the way of water’s separation near the cathode，and converted the gravity separation into adsorption separation by adding absorbent material beneath the cathode to improve the efficiency of dehydration. Meanwhile，the influence of some operating conditions was investigated，such as voltage and mechanical pressure，through the electro-dewatering and provided dehydration effect under different operating conditions. It showed that adsorbent material is obviously helpful to decrease the final water content of sewage sludge and reduce the power consumption，and suitable voltage，proper pressure and cathode were helpful to sludge deeply dewatering. On the condition of 50,V，21,kPa，stainless steel net of 58,µm(250,mesh)as cathode，the water content of sludge can be easily reduced from 82.7% to 56.10% in 90 seconds.

sewage sludge；electro-dewatering；absorbent material；electro-dewatering(EDW)

X705

A

0493-2137(2013)12-1101-05

DOI 10.11784/tdxb20131208

2012-05-24；

2012-09-10.

国家自然科学基金资助项目(51278334).

马德刚（1975— ），男，博士，副教授.

马德刚，dgma@tju.edu.cn.