电化学法对城市污泥处理的应用研究

刘阳 程洁红

摘 要：城市污泥的产量随城市污水处理率和处理深度的提高正在急剧增加。由于污泥中含有各种有机污染物、无机物，以及对人体有害的病原菌、重金属元素等，因此，城市污泥需要稳定化和无害化处理处置。电化学法具有效率高、污染少、操作简单和占地小等优点，应用于城市污泥。主要介绍了电化学法的主要操作参数，以及对城市污泥减量化处理、改善脱水性能和预处理等方面的应用。

关键词：城市污泥；电化学；操作参数；应用

中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：2095-7394（2015）04-0036-04

0 引言

城市污泥是城镇污水处理厂在处理城市污水时的副产物[1]，其产生量在不断增长。污泥的主要成分是水，还存在不稳定的有机物、无机盐类、重金属，以及少量的病源寄生虫卵和病原菌[2-3]，因此，必须进行稳定化和无害化处理。目前，城镇污水厂在处理方面存在着普遍的“重水轻泥”现象，不经处理的城市污泥导致的二次污染已成为我国一个突出的环境问题。[4]通过电化学的氧化、还原等作用，对城市污泥进行预处理，有利于后续的稳定化、无害化生物处理。目前，关于采用电化学法在城市污泥预处理和作用机理方面的研究较少，本文概括地论述了电化学法在城市污泥的减量化、脱水性能的改善，以及生物消化前的预处理方面的应用研究。

1 電化学法的原理及特点

电化学法就是污染物在外加电场的反应器中进行物理、化学等过程，从而使有机污染物去除的方法。[5]由于20世纪40年代以前的电力缺乏以及应用成本较高，因此电化学没有在污水污泥处理中较快的投入使用。随着现代发电技术的快速发展以及全球经济的稳定增长，具有独特优越性的电化学法也愈来愈被各国重视。[6]

1.1 原理

电化学法的基本原理就是通过电极的作用，使得有机污染物产生直接或者间接的氧化反应，将其分解成为无机小分子化合物的过程，并在此基础上衍生出了多种方法。利用电化学法处理污泥，其原理主要包括：

（l）氧化作用。通过在阳极发生的直接氧化作用，或者通过阳极反应产物（如C12，ClO-，·OH，O2等）进行的间接氧化作用，都可以实现溶胞作用。电解时水中的OH-可以在阳极放电生成具有强氧化能力的氧：4OH--4e→2H2O+2[O]；电解过程中产生的氧化性极强的羟基自由基可以氧化细胞壁，达到溶胞效果。

（2）还原作用。电化学的还原作用也可以起到溶胞作用，利用阴极授予电子的能力，并且电解时在阴极的H+放电会产生有很强还原作用的氢：2H++2e→H2。

因此，污泥微生物的细胞壁在电解过程中产生的强氧化剂及还原剂共同作用下被破坏，细胞内固体状态的COD变成溶解性的COD溶解到水中，最终达到溶胞作用，有利于后续的厌氧消化产气。

1.2 特点

（1）广泛性：电化学法可以用于处理有毒有害、难生物降解的物质，还可以用于处理工业废水、生活废水等，并能通过与其他处理方法相结合来对重金属进行回收等；

（2）环保性：利用反应生成的氧化性、还原性物质去除污染物，反应快，无需额外加入化学物质从而再次造成污染；

（3）操作简单：该方法在正常温压下即可进行操作，无特殊温压限制，并且具有反应设备小、较为简单等优点，相对于其他方法不会侵占太多资源。[6]

2 电化学操作参数

2.1 极板材料

极板材料是电化学去污过程中最重要的影响因素。常用的电极材料有不锈钢电极、铝电极、铁电极、石墨电极以及网状的RuO2/Ti（钛涂钌）电极等。采用铁电极和铝电极的电化学法对污水中COD的降解处理效果较好，并且用铝电极作阳极时其COD去除率比用铁电极的高。[7]王丽等人[8]以Ti/RuO2为阳极材料的电化学法处理污泥，能有效实现活性污泥减量。王诗生等人[9]以石墨板为阴、阳电极板，利用电化学法对污泥脱水性能的参数进行了优化。在国外，Qu等人[10-11]利用不同的电化学反应器以及电极材料将特殊的有机污染物降解为可生化降解的简单有机物。Adams B等人[12]利用不同的氧化物电极对难降解有机污染物的去除率进行研究，最终发现以钛为基底的氧化锡和氧化铱电极对有机污染物的去除率最高。

江苏理工学院学报第21卷

第4期

刘 阳 程洁红：电化学法对城市污泥处理的应用研究

利用电化学进行有机物的降解，主要是通过阳极发生的副反应，利用反应析出的氧降解有机物。析氧电位越高的阳极材料，反应析出的氧越多，有机物的降解越彻底。[13]

2.2 电压

电压是电化学去污过程重要的影响参数。在电化学法处理难降解有机物的研究中，工作电压和电解质对有机物的去除影响较大。[14]在电化学法处理焦化废水时，通过氧化作用将难降解有机物降解为可生化的小分子物质，并且当阳极极板电位是0.3V时，COD的去除率最大为45%[15]；而且阴阳极的电极电位对COD的去除影响很大。也有人发现污泥经电化学处理后，由于电压的不同其形态有不同程度的变化，在50V的高压下污泥经过电解作用，菌胶团结构严重破损，并且无法复原[16]；而在30V条件下，菌胶团结构只是轻微破裂，并且能够氧化表面层松散附着的EPS（loosely bound EPS，LB-EPS），从而释放出胞内自由水。利用电化学法改善污泥脱水性能的研究中发现，工作电压为20V时对污泥脱水性能影响最大。[9]

电压决定着电化学反应是否发生，也影响着反应速率的大小。总体上来说，加在电极上的电压与电化学反应速率呈正相关性；但当电压超过一定的范围，由于产生的泥水分层现象，反应速率反而减小。

2.3 电解时间

电解时间是电化学去污过程中重要参数之一，国内有学者[17]利用电化学法对剩余污泥的稳定性进行研究，在电解的前20min，污泥中VSS的去除率随电解时间的增加而逐渐升高，且在20min时VSS最大去除率为35.4%。在电化学法对污泥沉降性能的研究[7]中，电解后污泥的沉降速率与未经处理的污泥相比有所增加，幷且泥水界面高度减小；污泥沉降时间相同的情况下，泥水界面高度与电解时间呈负相关性；在一定的电解时间内，污泥沉降性能与电解时间呈正相关性。通过对活性污泥进行电解减量的实验研究[8]，当间歇电解60min后，污泥有较好的溶胞效果并且活性污泥的表观溶解效率为29.98%；同时，在电解作用下污泥上清液中COD（solluted chemical oxigen demand，SCOD）增加到最大。电化学法对污泥中NH+4-N的去除也有影响，随着电解时间的增加，NH+4-N浓度呈现先下降再上升最后又下降的变化，并且在电解60min时NH+4-N浓度值达到最大。这说明污泥经过60min的电解后表观溶解效率已达到最高，同时通过SCOD和NH+4-N的浓度变化说明了电化学法对SCOD和NH+4-N的强氧化作用，能够实现去除有机物污染物的目的。

随着电解时间的增加，在一定范围内，污泥溶胞效率与反应生成的强氧化性物质呈正相关性，与溶胞释放的还原性物质呈负相关性。

3 电化学法在处理城市污泥方面的应用

3.1 电化学法对污泥的减量化应用

电化学法可使城市污泥减量。经过一系列的电化学反应形成强氧化性·OH基团，利用它们将污泥胞外聚合物（EPS）氧化，从而破坏污泥菌胶团结构，使其溶胞破解，降低整个处理工艺过程的剩余污泥量，最终实现污泥减量化。[18]王丽等人[8]通过对活性污泥进行电解减量的研究，发现电化学法对污泥有明显的溶胞效果。在最佳的氧化工艺参数下，活性污泥的表观溶解效率为29.98%，电化学对污泥的溶胞效应显著。经过电化学处理的污泥，其TN和TP的浓度有明显的增加，SCOD和NH+4-N有一定的去除。这说明电化学对SCOD和NH+4-N有很强的氧化作用。

电化学法在污泥减量过程中一般无需加入额外的化学药品，并且后续操作简单方便、占地面积小，是具有高环保性的有机物处理方法。[19]

3.2 电化学法对城市污泥脱水的应用

污泥通过电化学法氧化LB-EPS，由于细胞壁的破裂将胞内自由水释放出来，从而增加了胞外自由水的量，最终达到改善污泥脱水性能的目的。在最优条件下将污泥进行电解可使毛细吸水时间（CST）下降35.5%，且脱水性能也得到改善。[16]王诗生等人[9]研究了电压、极板间距、处理时间、插入深度对污泥脱水性能的影响。结果表明，电压的影响最大，插入深度的影响最小，极板间距和处理时间影响居中。通过电化学处理，污泥的CST下降19.6%，泥饼含固率（DS）上升5.85%。

通过电化学法对污泥的溶胞作用，使处理后的污泥絮体结构变得松散，并且有较好的沉降性能。[8]

3.3 电化学法对城市污泥预处理的应用

国内学者采用电化学法作为污泥好氧消化的预处理工艺，从而提高MLVSS的去除效率。丁瑾等人[20]将污泥经电化学预处理后，其MLVSS去除率高达97%，再经9～16℃下14天的好氧消化，其MLVSS又可去除40.2%，总去除率达到41.44%，与未经电化学预处理只有好氧消化的污泥去除效果相比，去除率提高了8.2%。宋立杰等人[21]发现经电化学预处理的污泥，由于絮体结构的破坏其SCOD、NH+4-N、TN和TP等浓度含量都比未经电化学预处理的污泥高，其中SCOD增加量最为明显，这些都体现了电化学法对污泥的溶胞作用。经过电化学预处理，污泥固体的热稳定性降低，并且污泥达到稳定化的时间缩短。

通过电化学预处理对污泥的溶胞破解，使胞内有机物质释放溶入液相中，提高了有机物可生物降解的比例，从而使污泥的好氧消化性能得到提高。

4 结语

电化学技术因其具有广泛性、环保性以及操作简单等特点被称为“环境友好”技术。电化学法作为一种有效的去污方法，既能使部分有机物直接分解成无机化合物，还能去除部分常规生物法无法去除的难降解有机物，从而提高污泥的可生物降解性。利用电化学进行预处理，能使复杂的难降解的有机物降解成简单的有机物，能够提高厌氧微生物所能利用的底物含量，促进厌氧发酵。电化学预处理技术与其他传统的预处理技术相比更有竞争潜力，其能耗不会引起二次污染、效率高、降解效果明顯等突出的优点备受人们的关注，是一项很有前途的预处理技术。

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LIU Yang，CHENG Jie-hong

（School of Chemical and Environmental Engineering，Jiangsu University of Technology，Changzhou 213001，China）

Abstract：With the urban sewage treatment rate and depth of treatment increased，the sludge has increased dramatically.Due to the sludge contains a variety of heavy metals，pollutants and microbes，bacteria，inorganic and organic substances and so on，so it is important to deal with sludge.The electrochemical method has high efficiency，low pollution features，and simple operation，small footprint device.This paper introduces the main operating parameters of the electrochemical method，and the applications of the reduction of municipal sludge treatment and so on.

Key words：Municipal sludge；Electrochemistry；Operating parameters；Application

責任编辑 祁秀春