污泥電動脫水技術研究

趙玉君，魏煒

（沈陽建筑大學 市政與環境工程學院， 遼寧 沈陽 110168）

截止2016年3月，我國每年約產生3 000萬t～4 000萬t市政污泥(含水率在80%)，預計到2020 年，我國的市政污泥產量將達到6 000萬t～9 000 萬t。污泥不僅含水率高，占地面積大，運輸費用高，而且污泥中還含有大量微生物、寄生蟲卵及重金屬等有毒有害物質，對環境造成二次污染，因此污泥處理已變得刻不容緩[1]。目前，污泥脫水技術主要有：機械脫水、熱干化、自然干化。

國內外經常使用的污泥脫水技術為機械脫水，機械脫水是通過對污泥施加機械壓力的方式來達到泥水分離，因其與熱干化技術相比能耗較低而被廣泛應用[2]。但目前國內污水處理廠采用的機械脫水方式僅能將污泥水分降至 80%左右[3]，然而國家規定污泥處置前含水率必須降到60%左右，因此機械脫水技術仍有待進一步改進。熱干化技術是通過加熱使污泥水分蒸發來達到泥水分離的目的，可將污泥含水率降至30%甚至更低，但因其費用非常昂貴而很少被應用在工程當中[4-6]。自然干化技術是利用自然蒸發或重力來去除污泥中的水分，可將含水率降至65%左右，但因其非常容易受當地天氣影響而不能被廣泛應用[7-8]。由此看來，開發一種的新技術十分重要。電動脫水技術因既能深度脫水又高效低能而逐漸被重視。

本文從污泥微觀結構方面歸納了電動脫水原理，并總結了近些年來污泥電動脫水的發展歷程以及該技術存在的問題，為污泥電動脫水技術未來的發展提供參考價值。

1 污泥電動脫水原理

1.1 污泥雙電層結構

圖1為污泥的絮體結構圖，污泥絮體顆粒主要是由細菌、胞外聚合物、無機粒子和二價陽離子這四種物質相互作用而形成的[10]。其中污泥中最主要的成分是胞外聚合物，它主要含有硫酸根、羧基等帶有負電的官能團[11]，因此污泥絮體顆粒整體就呈負電，故其表面就會吸附陽離子，這就構成了雙電層結構。

圖1 污泥絮體結構

1.2 電動脫水原理

由于污泥具有雙電層結構，污泥絮體顆粒本身帶呈負電，水分子帶正電，因此在電場條件下，帶負電的污泥顆粒向陽極移動，帶正電的水分子向陰極移動并排出，達到了泥水分離的目的。電動脫水過程中會發生以下幾種現象：

（1）電滲：帶正電的水分子由陽極向陰極移動的現象。

（2）電遷移：在電場作用下，陽離子向陰極移動，陰離子向陽極移動的現象。

（3）電泳：呈負電的污泥顆粒向陽極移動的現象。

（4）電化學：在電場條件下，電極板附近的污泥會發生電解水的反應，即陽極：2H2O-4e-=4H++O2.陰極：2H2O+2e-=2OH-+H2[12-14]。并且污泥中金屬單質會失電子形成金屬離子，污泥中的金屬離子也會得電子形成金屬單質。

2 電動脫水技術研究現狀

2.1 電動技術國內外研究現狀

1809年，Reuss在通電的黏土中最先發現了電滲現象。1879年，Helmholtz提出了電滲和電泳的計算公式。1903年，Smoluehowski第一個提出將電滲現象應用在脫水方面，主要用于對泥漿脫水，并在 1911年在其基礎上結合膠體化學的發展完善了對電動現象的闡述。1939年，Casagrande 最早將電滲法應用于鐵路挖方工程，從此，電滲法得到廣泛關注，開始經常被用于加固軟弱土等方面。與此同時，相關理論也不斷取得進展。如：1967 年，Gray提出了電滲效率原理；1968年，Esrig提出了一維的電滲固結的理論；Hideki建立了恒壓條件下電滲透脫水模型等等。近些年來，電動技術被廣泛應用在各個領域，如：食品、農業、紙漿產品、染料等[15]。1986年起 電動技術開始應用于對污水廠污泥脫水。

2.2 污泥電動脫水研究現狀

近年來對于電動脫水技術在污泥脫水方面的研究主要分為四類：

（1）電動脫水裝置的改良。如：Yoshida et al（1999）采用旋轉電極的方式解決了電動脫水過程中陽極處污泥電阻增大的問題。aveyn(2006)發現使用表面附著一層金屬氧化物（如Ir2O3)的鐵作為電極,可有效抑制電極腐蝕與電極電化學溶解現象的發生。

（2）電動脫水技術與其他脫水技術耦合。如：主要與機械力（如與帶式壓濾、真空過濾、隔膜壓濾等）和超聲波技術（Tarleton,1992；Wakeman and Smythe,2000)及絮凝劑相結合。

（3）電動脫水過程影響參數優化。Yu et al（2010）、Feng et al(2014)發現在恒定電壓中，電壓越大，電動脫水速率越快，脫水效果越好。Olivier et al（2015）發現在恒定電流中，電流越大，脫水速率越快，脫水效果越好。

（4）電動脫水技術理論的完善。蘇金強等（2004）給出了不同邊界條件下二維電滲固結的理論解答馮源（2012）通過建立污泥電動脫水多場耦合作用理論分析模型，得出了電流與電滲流量均隨時間逐漸衰減，電壓梯度越大，衰減越快。

3 存在問題

雖然電動脫水技術相比機械脫水等傳統脫水技術有很多優勢，但目前應用在實際工程中案例還是很少，原因是電動脫水過程中受很多因素影響，不能一直維持良好的脫水效率，它會隨著脫水的進行，脫水效率逐漸衰減。所以，目前很多研究人員致力于如何提高電動脫水效率，如何減緩電動脫水過程中脫水效率的衰減這兩方面研究。

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