电化学处理改善污泥脱水性能的参数优化

王诗生，李静，盛广宏

（安徽工业大学能环学院，安徽马鞍山243032）

电化学处理改善污泥脱水性能的参数优化

王诗生，李静，盛广宏

（安徽工业大学能环学院，安徽马鞍山243032）

以毛细吸水时间（CST）及泥饼含固率（DS）作为污泥脱水性能指标，以石墨板为阴、阳电极板对污泥进行电化学处理。采用L9（34）正交试验法对电压、极板间距、处理时间、插入深度等4个因素进行优化研究。结果表明，4个因素对污泥脱水性能影响大小顺序为：电压＞极板间距＞处理时间＞插入深度。最优条件为电压20V，极板间距2 cm，处理时间20min，插入深度6 cm，与原污泥相比，此时污泥CST下降19.6%，DS上升5.85%。

污泥;脱水性能;电化学处理;毛细吸水时间;泥饼含固率

根据每年公布的《中国城市建设统计年鉴》统计数据，截止到2011年底全国城镇污水处理厂湿污泥（含水率80%～85%）年产量达到1 400万t。污泥含水率高，脱水性能较差，给后续的储运带来了较大困难，而污泥调理可以有效地提高污泥脱水性能，是污泥脱水前的一种重要的、有效的处理手段。污泥调理有很多方法，如加酸[1]、加碱[2]、超声[3-4]、高温[5]、冷冻[6]、化学调理[7-13]等。目前广泛使用的是化学调理方法（如聚电解质调理等），其成本较高，且化学药剂的残留会对环境造成二次污染。因此，研发环保、高效、低成本的污泥调理技术十分迫切。

电化学处理是利用电化学的方法去除有毒有害或难降解的物质，已被广泛应用于废水处理[14-21]及污泥中重金属去除[22-26]等两个方面。近年来，在污泥脱水方面有所涉及。Yuan等[27]采用钛/二氧化钌网状析氯电极为阴阳电极，研究电压、极板间距、处理时间、插入深度等4个因素对污泥脱水性能的影响。结果表明在电压21 V，极板间距5 cm，处理时间12m in时，污泥的脱水性能最好。Zhou等[28]采用铱/二氧化钌电极板为阳极，钛/二氧化钌网状极板为阴极，研究电压、极板间距、处理时间、插入深度等4个因素对污泥脱水性能的影响。结果表明在电压30 V、极板间距为4 cm、处理时间为30m in、插入深度7 cm条件下，污泥的脱水性能最好。Yuan等[27]和Zhou等[28]均是在电压、极板间距、处理时间、插入深度等4个因素条件下，研究电化学对污泥脱水性能影响。由此可知，影响电化学处理污泥脱水性能的主要因素是电压、极板间距、处理时间和插入深度等4个因素。但是Yuan等[27]和Zhou等[28]并没有确定4个因素对污泥脱水性能影响的大小顺序。其次，以往研究者为了使污泥处于混匀状态，采用磁力搅拌器。然而，笔者在预实验中发现，磁力搅拌并不能使污泥处于混匀的状态，污泥仍然发生分层，导致电极和污泥之间的接触面积减小，可能会降低电化学处理效果。

鉴于此，本文采用圆形曝气盘作为搅拌混匀装置，同时考虑到极板导电性以及损耗，则以石墨板为阴、阳极板，采用正交试验及单因素实验，确定电化学处理的电压、极板间距、处理时间、插入深度等4个因素对污泥脱水性能影响的大小顺序以及对参数进行优化研究。以期为电化学处理污泥改善脱水性能提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

剩余污泥取自马鞍山市某污水处理厂二沉池回流污泥。由于污泥是非均相体系，直接取样误差较大，因此取回的污泥经离心分离（离心力1190 g），离心15m in后，将离心后污泥于4℃下保存备用，且保存时间不超过72 h。临前配置供试污泥，配置方法为先称取200 g离心污泥，再加入1800m L离心上清液混合均匀。供试污泥pH为6.86，含固率为1.5%，总化学需氧量（TCOD）、溶解性化学需氧量（SCOD）、挥发性固体（VS）、总固体（TS）、挥发性固体与总固体比（VS/TS）分别为8200mg/L，13.44mg/L，6.83mg/L， 12.81mg/L，53.32%。

1.2 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20 cm，高度为15 cm。以石墨板为阴、阳极板，接通稳压直流电源对污泥预处理。极板面积为16 cm×8 cm。电源为兆信KXN-6020D稳压直流电源。圆形曝气盘采用白钢玉，炭化硅高温烧结气盘，直径为15 cm。空气泵为森森电磁式ACO-003增氧机；具体实验装置见图1。

1.3 分析方法

pH值采用便携式pH计测定（PHBJ-260，上海精科）。CST采用圆柱形直槽式CST仪测定（304B，Triton，UK），滤纸采用Whatman17#型滤纸。DS，TCOD，SCOD，VS，TS均采用国家标准方法测定[29]。

图1 电化学实验装置示意图Fig.1 Electrolysis pretreatmentstructure

2 结果与分析

2.1 对照试验

本文采用圆形曝气盘对污泥进行曝气，可以使污泥在容器中达到完全混匀，污泥絮体处于悬浮状态，从而使污泥与电极板更好的接触。但是在曝气过程中温度会有所升高，且曝气对污泥脱水性能是否存在影响，现有文献中未曾见到，因此做了对照试验来说明曝气对污泥脱水性能的影响。通过对照试验，发现单独曝气对污泥脱水性能没有影响。试验结果见表1。

表1 曝气对照实验结果Tab.1 Resultof aeration experiment

在曝气过程中，对污泥的温度进行了测定，发现在连续曝气60m in后，污泥的温度由原来的22.4℃上升到了23.7℃，仅上升了1.3℃。数据如表2所示。数据表示曝气对污泥脱水性能没有影响，在实验过程中可以忽略曝气对污泥脱水性能的影响。

2.2 对污泥脱水性能的优化研究

2.2.1 电压以CST、DS作为污泥脱水性能的指标（以下实验中同）。在极板间距2 cm，插入深度6 cm，处理20m in的条件下，研究电压U对污泥脱水性能的影响，结果见图2。由图2可知，随着电压升高，CST呈现先降低后升高的趋势。在电压20 V时，CST最小，为29.6 s，比原污泥降低19.6%。表明此电压下污泥脱水性能最好。这可能是由于在较低电压(≤20V)时，随着电压升高，污泥被电化学作用产生的自由基（如·OH等）氧化破解，释放其内部水分，使得污泥脱水性能提高[28]。但是，在较高电压（＞20 V）时，随着电压升高，污泥被自由基破解成更细小的颗粒，使污泥比表面积增大，与更多水分子结合在一起，导致污泥脱水性能变差[29]。另外，DS变化趋势与CST变化趋势恰恰相反，在20 V时，DS最大，比原污泥DS增加5.85%。结果亦表明，电压为20V时，污泥的脱水脱水性能最优。故在以下实验中电压均采用20V。

2.2.2 极板间距在电压20 V，插入深度6 cm，处理20m in条件下，研究极板间距对污泥脱水性能的影响，结果见图3。由图3可知，当极板间距为2 cm时，CST最小，为29.6 s，比原污泥下降19.6%。结果表明极板间距2 cm时，污泥的脱水性能最好。之后随着极板间距增加，CST逐渐增加。这是由于随着极板间距增加，极板间的电阻增加，通过的电流变小，在单位时间内产生的自由基减少，对污泥的破解效果降低，导致污泥脱水性能变差。而DS变化趋势与CST趋势恰恰相反。在2 cm时，DS最大，比原污泥DS增加5.85%。说明在极板间距为2 cm时，电化学处理效果最好。在以下实验中极板距离均采用2 cm。

2.2.3 处理时间在电压20 V，极板间距2 cm，插入深度6 cm条件下，研究电化学处理时间对污泥脱水性能影响，结果见图4。

图2 电压对污泥脱水性能的影响Fig.2 Effectof voltageon sludge dewaterability

表2 温度对照实验结果Tab.2 Resultof temperatureexperiment

图3 极板间距与污泥脱水性能的关系Fig.3 Influenceof p late spacing on sludge dewaterability

图4 处理时间对污泥脱水性能的影响Fig.4 Influenceof timeon sludge dewaterability

由图4可知，随着处理时间的增加，CST呈现先降低后升高的趋势。当电化学处理时间为20min时，CST最小，为29.6 s，同原污泥相比下降19.6%。表明当处理时间20m in时，污泥的脱水性能最好。这可能是由于反应体系中自由基浓度随处理时间的延长而增加，污泥先被自由基破解成细小颗粒，续而破解成更细小的颗粒，从而导致污泥脱水性能先变好再变差[27]。同时，当电解处理20m in时，DS最大，比原污泥增加5.85%，此时亦说明脱水性能最好。故以下实验中电化学处理时间均采用20m in。

2.2.4插入深度在电压20 V，极板间距2 cm，处理20min条件下，研究插入深度对污泥脱水性能影响，结果见图5。由图5可知，随着极板插入深度增加，CST呈现先降低后升高的趋势。当6 cm时，CST最小，为29.6 s，同原污泥相比降低19.6%。表明插入深度6 cm时，脱水性能最好。可能的原因是当极板插入深度小于6 cm时，阴、阳极板之间的正对面积较小，电化学对污泥的破解作用小。而且在曝气搅拌的条件下，极板与污泥的接触面积小，因此脱水性能未提高。当阴、阳极板插入深度大于6 cm时，极板之间所接触的污泥增多，增加了整个电路的电阻，导致电流变小，产生的自由基减少，从而使污泥脱水性能增加的幅度小于当极板插入深度为6 cm时脱水性能增加的幅度[31]。而DS的趋势与CST恰恰相反，在6 cm时，DS最高，污泥脱水性能最好。

2.3 电化学4因素对污泥脱水性能影响大小

根据正交试验方法，以电化学处理污泥后的含水率作为衡量污泥脱水性能的指标，对电压、极板间距、插入深度和处理时间4个因素，采用L9（34）正交试验法对电化学处理污泥脱水性能的影响大小进行研究。

电化学处理对污泥脱水性能影响因素水平见表3，正交试验与极差分析结果见表4。表4中Ki＝最后一列中数字与“i”对应的指标值之和。ki＝Ki的平均值。R是极差，R＝各列中ki的最大值与最小值之差。由表4可知，根据极差大小判断电化学4个因素对污泥脱水性能影响的大小顺序为：电压＞极板间距＞处理时间＞插入深度。

3 结论

1）由单因素实验得出，电化学处理污泥脱水性能得到显著改善的4个影响因素的最优值为电压20 V，极板间距2 cm，处理时间20m in，极板插入深度6 cm。此时CST最小，为29.6 s，与原污泥相比下降19.6%，DS上升5.85%。

图5 极板插入深度与污泥脱水性能的关系Fig.5 Plate insert depth and sludge dewatering performance relationship

表3 正交试验因素水平Tab.3 Im pacting factorsof orthogonalexperiments

表4 正交试验与极差分析结果Tab.4 Resultsof orthogonalexperimentsand R-analysis

2）通过正交试验得到电化学处理4个因素对污泥脱水性能影响的大小顺序为：电压＞极板间距＞处理时间＞插入深度。

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责任编辑：丁吉海

Optim ization of RelevantParametersof Electrochemical Pretreatment for Improving Sludge Dewaterability

WANG Shisheng,LIJing,SHENG Guanghong
(Schoolof Energy and Environment,AnhuiUniversity of Technology,Ma'anshan 243032,China)

Capillary Suction Time(CST)and Dry Solid(DS)weremeasured asametric of the sludge dewaterability. Sludgehad been treated by electrochemicalmethodswith anodeand cathode thatweremadeofgraphiteplates in the electrolysis facilities.The factors contained voltage,electrode distance,electrolysis time and electrode insertdepth and so on.The optimalparametersof these factorswere determ ined by orthogonal test(L9(34)).The results showed that the order of the influence on dewatering performancewas voltage＞electrode distance＞electrolysis time＞electrode insertdepth.Moreover,theoptimalparameterswerevoltageof20V,electrodedistanceof2 cm,electrolysis timeof20min,electrode insertdepth of6 cm,respectively.Meanwhile,theCSTof sludgehasdecreased significantly by 19.6%,DShas increased by 5.85%than thatofuntreated sludge.

sludge;dewaterability;electrolysispretreatment;CST;DS

X705

A

10.3969/j.issn.1671-77872.2014.02.012

1671-7872(2014)02-0157-05

2013-08-05

安徽省高校自然科学研究重点项目（KJ2010A049）

王诗生（1975-），男，安徽巢湖市人，博士，副教授，研究方向为固体废物资源化利用。