污泥电动脱水技术研究

赵玉君，魏炜

（沈阳建筑大学 市政与环境工程学院， 辽宁 沈阳 110168）

截止2016年3月，我国每年约产生3 000万t～4 000万t市政污泥(含水率在80%)，预计到2020 年，我国的市政污泥产量将达到6 000万t～9 000 万t。污泥不仅含水率高，占地面积大，运输费用高，而且污泥中还含有大量微生物、寄生虫卵及重金属等有毒有害物质，对环境造成二次污染，因此污泥处理已变得刻不容缓[1]。目前，污泥脱水技术主要有：机械脱水、热干化、自然干化。

国内外经常使用的污泥脱水技术为机械脱水，机械脱水是通过对污泥施加机械压力的方式来达到泥水分离，因其与热干化技术相比能耗较低而被广泛应用[2]。但目前国内污水处理厂采用的机械脱水方式仅能将污泥水分降至 80%左右[3]，然而国家规定污泥处置前含水率必须降到60%左右，因此机械脱水技术仍有待进一步改进。热干化技术是通过加热使污泥水分蒸发来达到泥水分离的目的，可将污泥含水率降至30%甚至更低，但因其费用非常昂贵而很少被应用在工程当中[4-6]。自然干化技术是利用自然蒸发或重力来去除污泥中的水分，可将含水率降至65%左右，但因其非常容易受当地天气影响而不能被广泛应用[7-8]。由此看来，开发一种的新技术十分重要。电动脱水技术因既能深度脱水又高效低能而逐渐被重视。

本文从污泥微观结构方面归纳了电动脱水原理，并总结了近些年来污泥电动脱水的发展历程以及该技术存在的问题，为污泥电动脱水技术未来的发展提供参考价值。

1 污泥电动脱水原理

1.1 污泥双电层结构

图1为污泥的絮体结构图，污泥絮体颗粒主要是由细菌、胞外聚合物、无机粒子和二价阳离子这四种物质相互作用而形成的[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、羧基等带有负电的官能团[11]，因此污泥絮体颗粒整体就呈负电，故其表面就会吸附阳离子，这就构成了双电层结构。

图1 污泥絮体结构

1.2 电动脱水原理

由于污泥具有双电层结构，污泥絮体颗粒本身带呈负电，水分子带正电，因此在电场条件下，带负电的污泥颗粒向阳极移动，带正电的水分子向阴极移动并排出，达到了泥水分离的目的。电动脱水过程中会发生以下几种现象：

（1）电渗：带正电的水分子由阳极向阴极移动的现象。

（2）电迁移：在电场作用下，阳离子向阴极移动，阴离子向阳极移动的现象。

（3）电泳：呈负电的污泥颗粒向阳极移动的现象。

（4）电化学：在电场条件下，电极板附近的污泥会发生电解水的反应，即阳极：2H2O-4e-=4H++O2.阴极：2H2O+2e-=2OH-+H2[12-14]。并且污泥中金属单质会失电子形成金属离子，污泥中的金属离子也会得电子形成金属单质。

2 电动脱水技术研究现状

2.1 电动技术国内外研究现状

1809年，Reuss在通电的黏土中最先发现了电渗现象。1879年，Helmholtz提出了电渗和电泳的计算公式。1903年，Smoluehowski第一个提出将电渗现象应用在脱水方面，主要用于对泥浆脱水，并在 1911年在其基础上结合胶体化学的发展完善了对电动现象的阐述。1939年，Casagrande 最早将电渗法应用于铁路挖方工程，从此，电渗法得到广泛关注，开始经常被用于加固软弱土等方面。与此同时，相关理论也不断取得进展。如：1967 年，Gray提出了电渗效率原理；1968年，Esrig提出了一维的电渗固结的理论；Hideki建立了恒压条件下电渗透脱水模型等等。近些年来，电动技术被广泛应用在各个领域，如：食品、农业、纸浆产品、染料等[15]。1986年起 电动技术开始应用于对污水厂污泥脱水。

2.2 污泥电动脱水研究现状

近年来对于电动脱水技术在污泥脱水方面的研究主要分为四类：

（1）电动脱水装置的改良。如：Yoshida et al（1999）采用旋转电极的方式解决了电动脱水过程中阳极处污泥电阻增大的问题。aveyn(2006)发现使用表面附着一层金属氧化物（如Ir2O3)的铁作为电极,可有效抑制电极腐蚀与电极电化学溶解现象的发生。

（2）电动脱水技术与其他脱水技术耦合。如：主要与机械力（如与带式压滤、真空过滤、隔膜压滤等）和超声波技术（Tarleton,1992；Wakeman and Smythe,2000)及絮凝剂相结合。

（3）电动脱水过程影响参数优化。Yu et al（2010）、Feng et al(2014)发现在恒定电压中，电压越大，电动脱水速率越快，脱水效果越好。Olivier et al（2015）发现在恒定电流中，电流越大，脱水速率越快，脱水效果越好。

（4）电动脱水技术理论的完善。苏金强等（2004）给出了不同边界条件下二维电渗固结的理论解答冯源（2012）通过建立污泥电动脱水多场耦合作用理论分析模型，得出了电流与电渗流量均随时间逐渐衰减，电压梯度越大，衰减越快。

3 存在问题

虽然电动脱水技术相比机械脱水等传统脱水技术有很多优势，但目前应用在实际工程中案例还是很少，原因是电动脱水过程中受很多因素影响，不能一直维持良好的脱水效率，它会随着脱水的进行，脱水效率逐渐衰减。所以，目前很多研究人员致力于如何提高电动脱水效率，如何减缓电动脱水过程中脱水效率的衰减这两方面研究。

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