活性炭联合正弦波电场促进污泥脱水

2024-01-22屈园浩邓考义

当代化工研究 2024年2期

＊屈园浩邓考义

（东华大学环境科学与工程学院上海 201620）

城镇污泥是污水处理副产物，具有含水率高、体积大、成分复杂等特性[1-2]。传统机械压滤脱水仅能将污泥含水率降至80%左右，无法满足污泥的处置要求[3]。电渗透脱水作为一种低能耗污泥深度脱水技术[4-5]，通过在污泥上施加电场，可使污泥含水率降至60%以下。但脱水后期能耗大、阳极材料腐蚀等问题制约着电渗脱水技术在工业中的广泛应用[6-7]。周捷等[8]研究发现正弦波电场下，泥饼含水率可以进一步降低。活性炭具有良好的吸附性与导电性，作为调理剂可以改善污泥的脱水性[9-11]。

本文以活性炭为物理调理剂，投加量设置为污泥干重（DS）的0%、3%、5%三组（记为AC～0、AC～3、AC～5），占空比（DR）设置20%、40%、60%、80%、100%五组工况，研究活性炭联合正弦波脉冲电场对污泥电渗透脱水的影响。根据泥饼电流、温度和阴极滤液总有机碳值（TOC）、三维荧光光谱分析（3D-EEM）活性炭对污泥电渗脱水的强化机理。

1.实验部分

（1）实验材料。污泥来自于上海市某污水处理厂，性质如表1所示。活性炭比表面积为336m2/g，孔容为77.2cm3/g，活性炭粉末平均电阻率为1.38Ω·cm。滤布为750a丙纶材质、阳极为钛基钌铱钛涂层金属网板、不锈钢金属网作为阴极。

表1 污泥基本性质

（2）实验装置及方法。实验装置如图1a所示，将活性炭与污泥均匀混合后，取37.5g置于绝缘套筒中后压平（污泥厚度为10mm），放置在千斤顶支撑的底板上，设定正弦波的占空比（通电时间相对于总时间所占的比例）、频率等参数，图1（b）为占空比为100%与50%时的示意图。通电后，保持1MPa的机械压力，每分钟记录一次电流值、温度值、滤液质量和电压值，持续45分钟，实验结束后收集滤液和泥饼进一步测试分析。

图1 电渗透脱水装置（a）和正弦波波形图（b）

（3）分析仪器及方法。污泥含水率按照烘干法测定；采用电导率仪（FE38-Meter）对泥饼电导率进行测定；采用TOC分析仪（耶拿multi N/C 3100）测定滤液TOC浓度；采用三维荧光分光光度计（日立F7000）对滤液中的有机物组分进行定性分析。

2.实验结果与讨论

（1）实验后泥饼含水率变化。图2为不同占空比下，活性炭投加量分别为0% DS（AC～0）、3% DS（AC～3）、5% DS（AC～5），频率为50Hz，有效电压30V的泥饼含水率。结果表明，随着占空比增大，泥饼含水率逐渐降低，当占空比≥80%，泥饼含水率降低趋势放缓。当占空比为20%时，AC～0、AC～3、AC～5工况含水率分别为74.6%、72.0%和68.0%，含水率随活性炭投加量增加而降低；当占空比增至80%时，AC～0、AC～3、AC～5工况含水率分别降低为47.5%、45.0%和43.4%，含水率下降趋势逐渐变缓，表明脱水基本完成，因此认为占空比为80%、投加量5% DS为最佳工况。

图2 泥饼含水率曲线

（2）实验中泥饼电流变化。图3为不同工况下电流变化情况。电流峰值随着占空比与活性炭投加量的增加而变大，在AC～0条件下，20%、40%、60%、80%、100%占空比下的泥饼峰值电流分别为1.33A、2.01A、2.1A、2.44A和2.7A，每提升20% DR，峰值电流平均上升0.34A；在AC～3（AC～5）工况下，峰值电流分别为1.4A（1.77A）、2.06A（2.1A）、2.35A（2.4A）、2.51A（2.56A）和2.78A（2.9A）。在脱水开始的前5min内，峰值电流会从最大值迅速下降，主要原因是，占空比越大，污泥内部的电化学反应越剧烈，污泥水分脱除越快，导致泥饼电阻上升越迅速，电流降低越快；5～45min时，电流大小发生了逆转并且电流降低速度逐渐放缓，这是由于高占空比下污泥中的水分被大量排出，导致污泥电阻高于低占空比污泥电阻，并且占空比越大，带电离子的电迁移现象越明显，提升了污泥电阻，进一步降低了电流大小。

图3 泥饼电流的变化曲线

（3）实验中泥饼温度变化。电渗脱水过程中，电流会诱发焦耳热效应，导致泥饼温度上升。图4为泥饼温度随时间变化，在脱水早期，污泥温度会迅速上升，达到峰值后会逐渐下降，这与Mahmoud等[12]研究一致。温度峰值随着占空比与投加量的增大而变大。在无活性炭投加时，20%、40%、60%、80%、100%占空比下的泥饼峰值温度分别为41.5℃、45.9℃、51.5℃、54.2℃、67.2℃，当活性炭投加量提升至3%（5%）DS时，20%、40%、60%、80%、100%占空比下峰值温度分别为44.5℃（45.6℃）、48℃（54.4℃）、52.8℃（60.1℃）、64℃（65℃）和71.5℃（74.4℃）。

图4 泥饼温度的变化曲线

（4）滤液中TOC值变化。图5为阴极滤液TOC值，在20%占空比下，随着活性炭投加量的增加，TOC值逐渐降低，AC～0、AC～3、AC～5工况下TOC值分别为9996mg/L、9972mg/L和9372mg/L；随着占空比增加，电化学反应增强，强化了污泥内部有机物释放并随水分排出，但在100%占空比下，AC～0、AC～3、AC～5工况下TOC值分别降低为6732mg/L、6244mg/L和5024mg/L，原因可能是滤液的增多稀释了有机物浓度。在相同占空比下，加入活性炭后滤液TOC值都有所降低，表明含碳材料具有截留有机物的能力[13]。含碳材料的截留效应至少可以带来两个方面的益处：一方面可减少溶解性EPS堵塞阴极滤膜；另一方面可降低滤液后续处理成本。

图5 滤液TOC值的变化曲线

（5）阴极滤液3D-EEM分析。图6为阴极滤液3D-EEM谱图，结果表明，滤液主要有两类荧光峰：λEx/λEm=280nm/335nm对应色氨酸样蛋白（TPN），λEx/λEm=225nm/340nm对应芳香族蛋白（APN），TPN峰强度大于APN，并且峰强度随活性炭投加量的增多而降低。随着占空比增大，TPN与APN峰强度整体呈逐渐增大的趋势，在AC～0，20%、40%、60%、80%、100% DR下，TPN与APN的峰强度分别为4090、4097、4640、4875、4760与2155、1927、2222、2673、2708。电场强度的升高，强化了污泥胞外聚合物分解，导致更多的TPN、与APN释放到滤液。