低压直流电电解剩余活性污泥

傅金祥，王 冬，黄殿男，李 薇，宋秀强

（沈阳建筑大学 市政与环境工程学院，辽宁 沈阳 110168）

低压直流电电解剩余活性污泥

傅金祥，王 冬，黄殿男，李 薇，宋秀强

（沈阳建筑大学 市政与环境工程学院，辽宁 沈阳 110168）

［摘要］采用低压直流电电解剩余活性污泥，优化了支持电解质的种类、加入量及电压梯度等工艺条件，并考察了在最佳工艺条件下SS去除率、污泥中有机物的质量分数（以VSS/SS计）、污泥pH及污泥沉降性能随电解时间的变化情况。实验结果表明，低压直流电电解污泥的最佳工艺条件为：电压梯度7 V/cm；支持电解质Na2SO4加入量0.4.0 mmol/g（以每克干污泥计）。在最佳工艺条件下电解pH为5.8、SS=（7 850 ±200）mg/L、VSS=（6 150±150）mg/L、溶解性化学需氧量（SCOD）为（61.2 ±20）mg/L的污泥，电解60 min时污泥的SCOD最大，达393.3 mg/L，SS去除率达14.4%，VSS/SS为58.5%，污泥pH为3.1。电解后污泥中微生物的细胞结构已不完整，污泥絮体被严重破坏。电解时间越长，污泥的沉降速率越快。

［关键词］剩余活性污泥；支持电解质；电压梯度；低压直流电；电解；溶解性化学需氧量；沉降性能

活性污泥法被广泛应用于污水处理中，在有效处理污水的同时，会产生大量的剩余活性污泥，引起二次污染，影响生态环境［1］。近年来的研究表明，破坏污泥的絮体结构、溶解微生物细胞，可以改变污泥的性质，有利于污泥的后续处理［2］，或可实现污泥的原位减量［3］。电化学处理技术具有高效、设备简单、易于控制、不产生二次污染等优点［4］，被广泛应用于环境治理领域。但电化学处理技术主要用于污水处理和土壤污染修复等方面［5-7］，在污泥处理方面的应用研究还鲜见报道。有研究表明，施加适当强度的电流可以提高有机污染物的降解率，使微生物的活性降低甚至死亡［8-9］。

本工作采用低压直流电电解剩余活性污泥。以污泥的溶解性化学需氧量（SCOD）表征污泥的破解效果，优化了支持电解质的种类、加入量及电压梯度等电解条件，并考察了在最佳电解条件下SS去除率、污泥中有机物的质量分数（以VSS/SS计）、污泥pH以及污泥沉降性能随电解时间的变化情况。

1 实验部分

1.1 材料、试剂和仪器

剩余活性污泥取自稳定运行的SBR装置。污泥pH为5.8，SS=（7 850 ±200） mg/L，VSS=（6 150±150）mg/L，SCOD=（61.2 ±20）mg/L，污泥含水率为99% 。

NaHCO3和Na2SO4：分析纯。

HJ-6A型加热磁力搅拌器：江苏省金坛市医疗仪器厂；RXN-605D-II型双路稳压直流电源：广东兆信电子设备公司； Seveneasy S20型精密pH计：瑞士TOLEDO公司； BX43型生物显微镜：奥林巴斯（中国）有限公司。

1.2 实验装置和实验方法

电解实验装置为有机玻璃制成的圆柱形反应器，内径为10 cm，容积为1 000 mL。阳极为石墨碳棒（φ3 cm×16 cm），阴极为反应器内壁的筒状不锈钢网，直径为10 cm。电解实验装置见图1。

图1 电解实验装置

常温下向电解反应器中加入一定量的污泥及一定量的支持电解质，在一定的直流电压梯度下进行污泥电解实验，测定污泥的SCOD，以确定最佳的电解工艺条件。

在已确定的最佳电解工艺条件下，考察SS去除率、VSS/SS、污泥pH以及污泥沉降性能随电解时间的变化情况。

1.3 分析方法

采用pH计测定污泥的pH；采用生物显微镜观察污泥的微观结构；采用文献［10］的方法测定污泥的SS，VSS，SCOD等。

以不同时刻泥水界面在量筒中的高度衡量污泥沉降性能。

2 结果与讨论

2.1 电压梯度对污泥SCOD的影响

在支持电解质Na2SO4加入量为0.40 mmol/g（以每克干污泥计）的条件下，电压梯度对污泥SCOD的影响见图2。由图2可见：在4种电压梯度下，污泥的SCOD均随着电解时间的延长而升高，但升高的幅度不同；当电压梯度较低时，SCOD随电解时间的延长升高不明显；电压梯度为5 V/cm时，SCOD随电解时间的延长而显著升高；电压梯度为7 V/cm时，SCOD的变化幅度最大，电解60 min时SCOD最高，达393.3 mg/L。因为施加的电压梯度越大，污泥电解的电场强度越大，污泥的溶胞效果越显著［11］。本实验采用电压梯度为7 V/cm较适宜。

图2 电压梯度对污泥SCOD的影响

2.2 支持电解质种类对污泥SCOD的影响

向电化学体系中投加支持电解质，能提高系统的电导率，为电解过程提供氧化还原性物质，提高溶胞效率［12］。在电压梯度为7 V/cm的条件下，支持电解质种类（Na2SO4加入量为0.40 mmol/g，NaHCO3加入量为0.80 mmol/g）对污泥SCOD的影响见图3。由图3可见：投加支持电解质后，污泥的SCOD随电解时间的延长而升高的速率明显高于未加支持电解质的空白样，可见投加支持电解质可较大幅度地提高污泥的破解效果；在电解的前20 min内，投加NaHCO3的污泥的SCOD高于投加Na2SO4的污泥，因为NaHCO3为碱性电解质，使污泥显碱性，有助于破坏污泥中微生物的细胞壁和细胞膜的结构［13］，在促进电解反应的同时，加快胞内大分子有机物的溶出，故SCOD较高；电解20 min后，投加Na2SO4的污泥的SCOD高于投加NaHCO3的污泥，这是因为HCO3-会与电极产生的·OH发生反应［14］，·OH不断被消耗，导致电化学氧化作用减弱，SCOD上升幅度减小。电解60 min后，投加Na2SO4的污泥的SCOD最高，达393.3 mg/L 。故本实验选择Na2SO4作为支持电解质。

图3 支持电解质种类对污泥SCOD的影响

2.3 Na2SO4加入量对污泥SCOD的影响

在电压梯度为7 V/cm、Na2SO4为支持电解质的条件下，Na2SO4加入量对污泥SCOD的影响见图4。由图4可见：随Na2SO4加入量的增加，污泥的SCOD逐渐增大；当Na2SO4加入量为0.40 mmol/g时，电解60 min后污泥的SCOD最大，达393.3 mg/ L。本实验选择Na2SO4加入量为0.40 mmol/g。

图4 Na2SO4加入量对污泥SCOD的影响

2.4 SS去除率和VSS/SS随电解时间的变化

在电压梯度为7 V/cm、支持电解质Na2SO4加入量为0.40 mmol/g的最佳电解条件下，SS去除率和VSS/SS随电解时间的变化见图5。由图5可见：随电解时间的延长，SS去除率逐渐增大；电解60 min时，SS去除率达14.4%，表现出良好的污泥减量效果； 随电解时间的延长， VSS/SS逐渐下降；电解60 min时，VSS/SS为58.5%。因为电化学氧化作用使污泥中的大分子有机物转化成小分子物质溶解于上清液中，或直接转化为CO2和H2O，使污泥总的固体含量下降。

图5 SS去除率和VSS/SS随电解时间的变化

2.5 污泥pH随电解时间的变化

在电压梯度为7 V/cm、支持电解质Na2SO4加入量为0.40 mmol/g的最佳电解条件下，污泥pH随电解时间的变化见图6。由图6可见：随电解时间的延长，污泥pH下降；电解前30 min，污泥pH快速下降；电解30 min后，污泥pH下降趋势变缓；电解60 min时，污泥pH最低，为3.1。

图6 污泥pH随电解时间的变化

受低压直流电作用时，污泥絮体和污泥中微生物的细胞结构被破坏，絮体间的和细胞内部的大分子有机物 （如蛋白质和多糖等）被氧化分解成小分子的氨基酸、挥发性脂肪酸和小分子糖类，使得污泥pH持续下降，系统呈酸性［15］。在酸性条件下，又反过来促进了大分子糖类的水解，加快了污泥的破解进程。

2.6 污泥的显微镜照片

图7 电解前后污泥的显微镜照片

电解前后污泥的显微镜照片见图7。由图7a可见，未电解的污泥中存在着较大的菌胶团，且在菌胶团之间有大量的胞外物质，可以观察到微生物完整的细胞结构。由图7b可见，电解10 min时，菌胶团结构被破坏，菌胶团中的物质扩散。由图7c可见，电解30 min时，污泥絮体更加稀疏，微生物的细胞结构已经破碎。由图7d可见，电解60 min时，微生物的细胞结构已不完整，污泥絮体被严重破坏，原有的团状物质被打破。

2.7 电解前后污泥的沉降性能

电解前后污泥的沉降性能见图8。由图8可见：电解后污泥的沉降速率加快，且泥水界面高度下降；电解时间越长，相同沉降时间的泥水界面高度越低；未电解污泥沉降90 min时泥水界面高度为30 cm， 电解60 min的污泥沉降90 min时的泥水界面高度仅为9 cm。

图8 电解前后污泥的沉降性能

电解10 min污泥的沉降性能比电解60 min的污泥的沉降性能略差，但能耗显著下降，综合考虑，实际工程应用时污泥电解10 min更适宜。

3 结论

a） 采用低压直流电电解剩余活性污泥的最佳工艺条件为：电压梯度7 V/cm，支持电解质Na2SO4加入量0.40 mmol/g。在此最佳电解条件下电解60 min时污泥的SCOD最大，达393.3 mg/L，SS去除率达14.4%，VSS/SS为58.5%，污泥pH为3.1。

b） 电解后污泥的微观形态发生了变化，污泥中微生物的细胞结构已不完整，污泥絮体被严重破坏，原有的团状物质被打破。

c） 电解后污泥的沉降速率加快，且泥水界面高度下降；电解时间越长，相同沉降时间的泥水界面高度越低；电解10 min污泥的沉降性能比电解60 min的污泥的沉降性能略差，但能耗显著下降，实际工程应用时污泥电解10 min更适宜。

参考文献

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（编辑 祖国红）

［中图分类号］X703

［文献标志码］A

［文章编号］1006 - 1878（2014）05 - 0410 - 05

［收稿日期］2013 - 11 - 22；

［修订日期］2014 - 04 - 27。

［作者简介］傅金祥（1955—），男，辽宁省沈阳市人，博士后，教授, 主要研究方向为污泥处理处置。电话 13066624531，电邮fujinxiang@sina.com。联系人：王冬，电话 13674238910，电邮0502wd@136.com。

［基金项目］国家水体污染控制与治理科技重大专项（2014ZX0 7202-011）。

Electrolysis of Residual Activated Sludge with Low Voltage Direct Current

Fu Jinxiang，Wang Dong，Huang Diannan，Li Wei，Song Xiuqiang
（School of Municipal and Environmental Engineering， Shenyang Jianzhu University， Shenyang Liaoning 110168， China）

Abstract:The residual activated sludge was electrolyzed with low voltage direct current. The process conditions such as supporting electrolyte species，supporting electrolyte dosage and voltage gradient were optimized，and the changes of SS removal rate，mass fraction of organic matter in the sludge (VSS/SS)，sludge pH，and sludge settling properties with the electrolysis time under these conditions were investigated. The experimental results show that the optimum process conditions are as follows：voltage gradient 7 V/ cm and supporting electrolyte Na2SO4dosage 0.40 mmol/g (dry sludge). When the sludge with pH 5.8，SS (7 850 ±200) mg/L，VSS (6 150±150) mg/L and soluble chemical oxygen demand (SCOD) (61.2 ±20) mg/L is electrolyzed under the optimum process for 60 min， the SCOD is the highest of 393.3 mg/L，the SS removal rate is 14.4%， the VSS/SS is 58.5%，and the sludge pH is 3.1. After electrolyzed，the sludge microbial cell structure is not in its integrity，and the sludge floc is severely damaged. The longer the electrolysis time is，the quicker the settling rate of the sludge is.

Key words:residual activated sludge；supporting electrolyte；voltage gradient；low voltage direct current；electrolysis；soluble chemical oxygen demand；settling property