污泥脫水在電化學處理是應用

剩余污泥是城市污水處理廠活性污泥法處理廢水的一種必然副產物，其有效處理已成為城市污水處理廠正常運行的保證． 剩余污泥含水率較高(一般高于99%)，脫水性能較差、固體回收較為困難，而污泥調理可有效提高污泥的脫水性能，是污泥脫水前的一種重要處理手段． 污泥調理有很多方法，目前廣泛使用的是化學調理方法，化學調理的實質是利用各種凝聚劑使污泥顆粒絮凝，結構增強，以利于機械脫水，其中，采用聚電解質調理是污泥化學調理中zui為常用的手段． 聚電解質等化學藥劑能較大幅度地提高污泥脫水性能和污泥固體回收率，但其使用成本較高、藥劑隨污泥棄置后對環境潛在的二次污染問題不容忽視． 因此，研發環保、、低運行成本的新型污泥調理技術十分迫切．
電化學處理是利用電化學的方法將難降解有機物或生物毒性污染物降解，廣泛應用于廢水處理當中，并在污泥中揮發性有機物(VSS)的降解方面開始得到關注． 在污泥脫水方面，電化學處理技術亦有所應用。通過電化學預處理污泥后，當其表面活性劑CTAB添加量為2000 mg·L－1時污泥脫水性能得到改善． 本課題組前期研究表明，在21V，12min電化學處理條件下，采用Ti /RuO2網狀析氯電極，污泥的CST下降了18．8%，污泥脫水性能得到一定改善，然而，相關作用因素尚有待探討． 本文以銥/二氧化釕析氧電極板為陽極、鈦/二氧化釕網狀極板為陰極，研究了電壓和電解時間與污泥調理效果之間的關系，并在此條件下，對電化學處理改善剩余污泥脫水性能的相關作用因素進行了探討．
2、材料與方法
2．1實驗材料
實驗所采用的剩余污泥取自上海市閔行區水質凈化廠二沉池，經重力濃縮24h后4℃保藏備用． 整個實驗在48h內完成． 污泥基本性質為:pH值為6.56，含固率為1.0%，VSS/TSS為69.7%．

圖1電化學實驗裝置示意圖( 1． 恒壓直流電源; 2． 反應器; 3．恒溫磁力攪拌器; 4． 鈦/二氧化釕陰極; 5． 銥/二氧化釕陽極; 6． 電壓表; 7． 電流表)

2．2實驗裝置
電化學處理裝置為有機玻璃制作的圓柱形反應器，內徑為10cm，體積為1200mL．極板面積為100cm2．電源為GPS5010H穩壓直流電源; 攪拌設備為JB-3A型定時恒溫磁力攪拌器; 離心設備為飛鴿TDL-5-A型離心機．Ir /RuO2電極板為陽極，Ti /RuO2網狀極板為陰極． 根據課題組前期研究結果( Yuan et al． ， 2010) ，選定板間距為4 cm攪拌速率為100 r·min － 1 作為本實驗條件． 實驗裝置如圖1所示．
2．3分析方法
pH 值采用pHS-3C 精密pH 計測定; 揮發性懸浮物質(VSS) 、懸浮物質(TSS) 采用標準稱重法檢測; CST 采用圓柱型直槽式CST測定儀測定，濾紙采用Whatman17#型濾紙． 污泥上清液蛋白采用考馬斯亮藍G-250 染色法測定; 污泥上清液多糖采用蒽酮-硫酸法測定．污泥形態分析采用掃描電子顯微鏡。
3、實驗結果
3．1電化學處理對污泥脫水性能的影響
采用析氧電極，在攪拌速率100 r·min－1，板間距4cm條件下，電壓和電化學處理時間對污泥脫水性能均具有較大影響，實驗結果如圖2所示．

圖2 不同電壓、電化學處理時間下污泥CST 變化
圖2不同電壓、電化學處理時間下污泥CST 變化污泥的CST值在各個處理的不同處理階段都有一定下降． 低電壓(＜30V)作用下，污泥的CST在電化學處理初始階段呈下降趨勢，隨著處理時間的延長，CST保持穩定狀態． 當電壓大于20V時，污泥的CST呈現先減小后增大的趨勢． 在50V，5min處理條件下，污泥CST下降了25．5%，之后隨著處理時間的延長，CST快速增大，處理45min后，CST與對照相比增加了22．5%． 在30V處理電壓作用下，CST于30min 時達到zui低值，與對照相比下降了35．5%，之后隨處理時間的延長而上升． 因此，在電壓為30V，電極板間距為4cm時，電化學處理30min，污泥脫水性得到較大改善，這與Yuan 等的研究結果相比，污泥脫水性能得到較大提高．
3．2電化學處理對污泥上清液EPS 濃度的影響
胞外聚合物(EPS) 普遍存在于剩余污泥內，其主要成分為糖類和蛋白質，兩者的TOC占整個EPS的70%～80%。 EPS分子可以從細胞表面伸展出來，阻礙細胞之間的親密接觸，形成密實的凝膠，阻止結合水從凝膠的微孔擠出，所以EPS的存在使脫水性變差．

圖3 不同電壓、電化學處理時間下污泥上清液EPS 濃度變化
圖3不同電壓、電化學處理時間下污泥上清液EPS濃度變化由圖3可知，低電壓(＜30V)處理作用下，污泥上清液的EPS濃度在處理過程中較為穩定; 在高電壓50V處理作用下，上清液的EPS濃度處理10min以后急劇增加，并于45min時達到zui大值，與對照相比增加了446．7%．而在30V處理電壓作用下，污泥上清液EPS濃度呈現先緩慢下降后上升的趨勢，并于30min達到zui低點，下降了17．4%，這與CST的變化趨勢相一致． 污泥電化學處理后EPS濃度降低，使得污泥脫水性能得到改善．
3．3電化學處理對污泥上清液蛋白濃度的影響
蛋白作為EPS 的重要組成部分，其含量增加會使脫水性能降低．污泥上清液蛋白濃度變化如圖4所示，其變化趨勢與EPS濃度相似． 在30V，30min的電化學處理條件下，EPS中蛋白濃度下降較為明顯，下降了30．2%，從圖2可知，此時CST的值也達到zui低，這也說明蛋白濃度和CST呈一定的正相關關系． 而在高電壓50V作用下，隨著污泥絮體結構的不斷破壞，EPS 濃度快速上升，蛋白濃度也隨之增加，和對照相比增加了495．5%，導致污泥脫水性能變差，污泥的CST也隨之升高． 因此，當電化學處理電壓為30V時，上清液中蛋白濃度降低，使污泥脫水性能得到改善; 在50V 電壓處理下，上清液蛋白濃度快速增加，使污泥脫水性能變差，研究結論相一致。

圖4 不同電壓、電化學處理時間下污泥上清液蛋白濃度變化

圖5 不同電壓、電化學處理時間下污泥上清液多糖濃度變化
3．4電化學處理對污泥上清液多糖濃度的影響
作為污泥EPS另一重要組分的多糖，因其含有羧基等親水性基團，對污泥脫水性能有負面影響．多糖濃度在污泥上清液中的變化如圖5 所示． 在電化學處理初始階段(＜5 min) ，多糖濃度與對照相比都有一定的下降． 在高電壓(＞20V) 處理作用下，下降較為明顯，zui高下降了27.0%，隨著處理時間的延長，大量有機物被降解同時污泥絮體結構被破解，絮體所含大量顆粒物、EPS被釋放，造成污泥上清液多糖濃度增加，尤其是50V電壓處理45min后，多糖濃度增加了204．5%，使2201污泥脫水性能變差． 而低電壓(＜30V) 作用下的多糖濃度則趨向穩定．
3．5電化學處理對污泥形態的影響
利用SEM電子顯微鏡高分辨率的特點，可揭示污泥顆粒內部超微結構特征，為研究胞外聚合物EPS等在污泥顆粒的形成，顆粒穩定性和顆粒脫水機理分析等方面提供有價值的形態學依據。
經不同電化學處理后的污泥電鏡掃描(SEM)結果如圖6所示． 污泥電化學處理前菌膠團結構較為完整，LB-EPS大量包裹于菌膠團外部，對菌體起保護作用，并將大量自由水包裹于其內(圖6a)．在30V，30min的處理作用下，菌膠團結構遭到破損，處于表層的LB-EPS 被氧化并釋放出胞內自由水，污泥脫水性能得到改善(圖6b)． 高電壓50V處理30min后，結果顯示，污泥菌膠團結構嚴重破損，EPS被大量釋放到上清液中，同時，污泥顆粒變小，比表面積增加，造成其對污泥中水分的吸附能力增強，導致污泥脫水性能變差( 圖6c) ．
4 結論
1)以Ir /RuO2電極板為陽極，Ti/RuO2網狀極板為陰極，極板間距為4cm，電壓為30V，攪拌速率100r·min－1條件下，電化學處理反應30min，CST下降35．5%，污泥脫水性能得到較大改善．
2)低電壓作用下污泥上清液EPS、蛋白濃度在電化學處理過程中較為穩定，對污泥脫水性能改善較?。?高電壓下的污泥上清液EPS、蛋白、多糖濃度隨處理時間延長變化較大． 超過zui適電壓和處理時間，污泥上清液EPS，蛋白和多糖濃度急劇增加，導致污泥脫水性能變差，電壓較處理時間對其影響更大．
3)通過污泥電鏡分析，電化學處理前污泥菌膠團結構較為完整． 在30V，30min電化學處理作用下，污泥菌膠團結構遭受一定程度的破壞，包裹于其內的自由水被釋放出來，污泥脫水性能得到改善．50V，30min處理作用下，污泥菌膠團結構嚴重破碎，導致EPS濃度上升，污泥脫水性能變差．