污泥电脱水反应器研究进展

季雪元

【摘 要】本文针对污泥电脱水技术发展过程中出现的各类电脱水反应器类型进行了综述，发现污泥电脱水反应器的优化重点是装置内部的电场形式，通过变化施加电场方向来降低极板接触电阻，提高脱水效率。其中，水平电场脱水装置由于其结构简单更易获得推广。

【关键词】市政污泥；电脱水；反应器；研究进展

大量报道指出，脱水是污泥处置中费用最为昂贵的一步，已成为限制市政污水处理厂正常运营的关键步骤。高效而低成本的污泥脱水方法研究已成为水处理行业的热点问题。在此种背景下，污泥电脱水技术逐渐得到研究人员的关注。国内外学者在污泥电脱水原理、电脱水工艺参数以及电极材料方面进行了大量深入的研究。随着国内外学者对污泥电脱水技术的原理及存在问题的探讨以及电极材料优选，污泥电脱水反应装置的重要性开始为研究人员所重视。

污泥电脱水技术通常以直流电场为驱动力进行脱水，在电脱水初始阶段阳极附近污泥含水率迅速降低，脱水过程电极附近发生电化学反应而产生一些气体（O2和H2），上述现象均会导致接触电阻急剧增加，严重抑制污泥脱水效果的提高[1-2]。鉴于此，研究人员针对污泥脱水反应器的结构进行了各种尝试，研发了包括多级电脱水装置、简短电脱水装置、旋转阳极电脱水装置以及水平电场反应器在内的多种类型的电脱水装置。本文拟对各类污泥电脱水装置进行综述，以期对未来污泥电脱水反应器的研发提供新的思路。

1 多级电脱水装置

1993年Yoshida提出多级电脱水技术，即在反应装置内按指定间隔垂直安置3个穿孔电极板，如图1所示。在污泥电脱水初始阶段，将阳极板（1）及阴极板联入电路。随着脱水反应进行，阳极板（1）附近污泥饼的电阻急剧增加，电压几乎全部降在阳极附近的脱水层，使脱水驱动力减少。利用旋转开关断开原有电路，将阳极板（2）联入电路。待阳极板（2）附近污泥饼的电阻增加导致脱水驱动力减少后，再将阳极板（3）联入电路。实验结果表明通过多级电脱水技术可以降低系统能耗，提高污泥脱水效果[3]。2001年Watanabe提出在正极和负极中间插入第三个电极（栅极）模拟场效应晶体管进行污泥电脱水，该方法与Yoshida提出的多级脱水方法相类似。实验过程中将阳极、阴极接入10V的直流电压，栅极板外加-15V至15V电压。实验结果表明当栅极外加电压为正时能提高装置脱水能力，外加电压为负时则抑制脱水能力[4]。

2 交变电场污泥脱水装置

1999年Yoshida提出在交变电场条件下周期性改变电极方向的电脱水技术，其装置如图2所示。交变电场的应用，使电极间的水流方向周期性改变，减少了污泥床和电极板之间的接触电阻；并且通过电极的电性交换，使阴阳电极处由电化学反应引起的pH变化量减小（均成碱性），污泥脱水系统更均衡。因此在消耗相同能耗的情况下，以交变电场为驱动力进行污泥脱水，污泥的脱水效率更高[5]。

3 间断电场污泥脱水装置

Rabie等人提出相同能耗下采用间断电脱水技术能得到更高的脱水率。间断电脱水的方式有开路间断脱水和短路间断脱水两种。开路间断脱水是指在污泥电脱水过程中断开电源，短暂暂停电场应用[6]。开路间断脱水可以节省能耗，但对提高污泥脱水效率没有帮助。短路间断脱水是指在断开电源的情况下，在阴阳电极间接入一条导线，污泥床与电极板间产生与外加电场反向的电流，导致电极处的电化学反应倒置。并且由于污泥中含有金属离子，可生成金属氧化物沉淀，粘附于电极表面和过滤介质上，特别是呈碱性的阴极附近，不利于电脱水的进行。通过短路间断脱水，短暂反转交换电极的电性，电化学反应产生的酸性滤液可溶解去除沉淀 [7]。然而通过电极反转不能恢复过滤介质的堵塞。特别是当污泥中含有钙离子时会在短时间内堵塞过滤介质[8]。

4 旋转阳极电脱水装置

针对电脱水开始时接近阳极电极处的污泥含水率迅速降低，接触电阻急剧升高，电压几乎全部降在阳极附近的脱水层，使阴极附近的脱水驱动力减少的问题[9]。Ho和Chen提出采用旋转阳极可以抑制阳极处污泥饼的形成，从而降低该部分的电阻，增大电流，提高脱水能效（如图3所示）。Ho和Chen的实验结果表明采用旋转阳极进行污泥电脱水可以提高70%的固体含量[10]。

5 水平电场污泥脱水装置

电脱水技术常以垂直电场为驱动力进行污泥电脱水，并对阳极板施加压力，形成压力-电场联合脱水过程。然而采用垂直电场进行电脱水，随着脱水过程的进行，阳极附近的污泥含水率越来越低，电化学反应产生的气体也将聚集在污泥与阳极之间。这两个因素导致阳极附近的污泥饼的接触电阻增大，并消耗大部分电压降。周加祥等人采用水平方向电场为驱动力进行污泥脱水，这种电场施加方式降低了极板接触电阻，提高了脱水效率，简化了设备结构（如图4所示）[11]。

6 结论

针对污泥电脱水反应器的结构，研究人员进行了大量有益的尝试。总体而言，污泥电脱水反应器的优化重点是装置内部的电场形式，通过变化施加电场方向来降低极板接触电阻，提高脱水效率。上述脱水设备针对不同污泥进行的固液分离，由于泥浆理化性质的差异，难以系统比较反应器结构的优劣。但从目前应用来看，水平电场脱水装置由于其简化了设备结构，更易获得推广应用。

【参考文献】

[1]Weber K.， Stahl W. Improvement of filtration kinetics by pressure electro filtration [J]. Separation and Purification Technology， 2002， 26（1）：69-80.

[2]Mahmoud A， Olivier J， Vaxelaire J， et al. Electrical field： a historical review of its application and contributions in wastewater sludge dewatering[Z]. Water Research， 2010，44（8）：2381-2407.

[3]Yoshida H. Practical aspects of dewatering enhanced by electro-osmosis[J]. Drying Technology， 1993，11（4）：787-814.

[4]Watanabe S， Yamada Y， Hobo Y. A new method of analyzing electro-osmosis using FET models[J]. Journal of Electrostatics， 2001（51-52）：455-462.

[5]Yoshida H， Kitajyo K， Nakayama M. Electro-osmotic dewatering under A.C. electric field with periodic reversals of electrode polarity[J]. Drying Technology， 1999，17（3）：539-554.

[6]Rabie H R， Mujumdar A S， Weber M E. Interrupted electro-osmotic dewatering of clay suspension [J]. Separation Technology， 1994，4（1）：38-46.

[7]Kondoh S， Hiraoka M. Studies on the improving dewatering method of sewage sludge by the pressurized electro-osmotic dehydrator with injection of polyaluminum chloride [J]. World Filtration Congress， 1993：765-769.

[8]Kondoh S， Sano S. Method of electro-osmotically dehydrating sludge[P]. US Patent， 1994.

[9]Hunter R J. The Calculation of Zeta Potential[M]. Academic Press， 1981：59-124.

[10]Ho M Y， Chen G. Enhanced electro-osmotic dewatering of fine particle suspension using a rotating anode [J]. Industrial Engineering and Chemistry Research， 2001，40（8）：1859-1863.

[11]周加祥，余鹏，刘铮，等.水平电场污泥脱水过程[J].化工学报，2001，52（7）：635-638.

[责任编辑：汤静]