污泥的弱超声电渗透脱水技术的分析

崔 建，鲁 伟，吴费强，熊智勇

（浙江欧可美科技股份有限公司，杭州 310051）

污泥处理是对污水处理过程中产生的污泥残余物进行减量化、稳定化以及无害化处理的过程。在现代化的污水处理厂中，污泥的处理以及处置逐渐成为污水处理系统中最为复杂的一环，污泥是由污水中的固体物质、处理中产生的固体物质共同组成的，成分十分复杂。

1 常见污泥处理方法

1.1 污泥机械脱水

我国污水厂的传统工作流程是：剩余污泥→储泥池→浓缩池→机械脱水→泥饼→污泥最终处置。在世界范围内，各国普遍采取的污泥脱水方式是污泥机械脱水。机械脱水的处理原理是利用过滤介质两侧产生的压力差，将其作为推动力，使污泥水分经过过滤介质形成滤液，固体颗粒就被截流在介质上，形成了滤饼，从而实现污泥的脱水。在机械脱水环节，压力差的形成极为重要，一是可以通过污泥本身重力的静压力产生压力差，二是利用过滤介质的一面造成负压，三是在污泥介质上作用正压，四是通过离心的过程造成离心力。

污泥脱水处理技术最主要的机械设施包括有带式脱水机、离心脱水机以及板框压滤机，其中带式脱水机应用最为广泛。带式脱水机的特点是可调节性能较强，对于不同的工作环境、工作需求都有极高的适应能力，但是它是一种半封闭机械，所以在处理过程中污泥产生的气味较大，工作环境较为恶劣。离心脱水机具有工作环境整洁、状态密封、防止污泥气味扩散等优点，却极易受到污泥负荷的影响，运行成本较高，对工作人员的技术水平也有一定要求。板框压滤机在构造上十分简单，工作质量较高，但是运行时间太长，工作效率较低。

1.2 污泥干化技术

污泥处理方法主要分为卫生填埋、焚烧、土地利用等方式，机械脱水后污泥的含水量仍高达80%左右，还需要进一步的脱水处理才能满足处理要求。采用卫生填埋方式时，污泥含水量必须控制在50%以下，进行土地利用的污泥则需要将含水率控制在40%以下。所以，在进行脱水处理后，还需要开展进一步的干化处理。污泥干化技术主要有热干化、微波加热干化、超声波干化、生物干化、太阳能干化等，其中应用最为普遍的是热干化技术。

顾名思义，热干化技术就是利用加热的方法，水解污泥中含有的黏性有机物，通过破坏污泥的絮体结构来实现污泥脱水性能、厌氧消化性能的改善。污泥热干化通过污泥表面水分汽化和内部水分扩散来进行，这两种过程交替存在，从而实现污泥热干。污泥与热介质的接触方式分为三种，使得污泥热干化也分为三类。

一是直接加热式，其将污泥和热介质混合在一起，直接进行加热。这种加热方式可以简化热干污泥的速度，同时却造成热介质的污染。其间产生的废水、废气需要经过净化才能排放，无形中增加了污泥处理成本。二是间接加热式，指的是将燃烧炉产生的热气通过热介质加热容器壁，从而使内部的污泥介质得到加热。这种方式的最大优点就是介质无污染化，可以多次循环使用，成本较低，但是容器壁阻碍了热传输，降低了效率和挥发速率，所以它也存在缺陷。三是直接-间接联合式，它是一种对流与传导热干化技术相结合的技术。热干化技术作为污泥处理的主要方式，不断跟随科技的发展得到进步。

2 电渗透污泥脱水技术

2.1 电渗透污泥脱水技术原理

电渗透污泥脱水技术的原理是利用电场的作用对原有的传统脱水技术进行改造，从而实现污泥脱水处理效果的改善、工作成本降低、工作速度提升等。电渗透污泥脱水技术是一种复合技术，这种技术处理后的污泥含水量可以控制在50%～60%，相较于传统的热干化技术，每去除1 m3水，可以节省60～460 kW·h的电能。

直流电场经过污泥介质时，污泥内部会产生电动力学现象，如电渗析、电泳、电迁移和电化学反应。电渗析是指各种杂质颗粒的双电子层中，电场力与毛细管力的一种动态平衡。而电泳作用就是在污泥杂质受到电场作用时，其中带有负电荷的颗粒由阳极流向阴极的作用。电迁移则是指污泥介质中各种离子的运动，这种运动与离子本身特点相关。电化学反应的发生主要依赖的是电极材料与介质中存在的离子[1]。

2.2 电渗透污泥脱水技术研究现状

目前，电渗透污泥脱水技术取得了一定的成就与突破。董立文把电渗透脱水技术应用于造纸污泥的处理分解中，分别改变电压的梯度、泥饼的实际厚度以及机械压力强度，经过20 min的试验后，得出了脱水的最优条件[2]。根据试验条件和脱水对象的不同，人们发现，污泥性质与污泥脱水技术存在较强的关联性。

2.3 电渗透污泥脱水技术存在的问题分析

在电渗透污泥脱水技术应用中，目前仍存在一些问题，影响污泥脱水的效果。有些情况下，没有达到预期含水率，脱水就会突然终止。影响电渗透污泥脱水技术因素主要有以下几点。首先，在脱水工作中，阳极接近的污泥介质含水率会迅速降低，出现不饱和层。这部分电阻由于污泥介质的破裂而增加，消耗更多的电量。这就导致在阴极附近进行物理反应的污泥介质电场强度逐渐减小，引发脱水故障。增加的电阻不仅增加耗电量，还产生许多无用功，浪费资源，提升成本。其次，在污泥介质受电影响后，电极附近会产生电化学反应，生成导致污泥内部连通介质损毁的气体。这也会造成电阻增大，导致能量浪费，同时阻碍脱水过程。多种原因的综合作用，导致电渗透脱水技术不能有效降低应用成本，反而造成能源损耗。综上，污泥内部的电渗透作用会快速衰减，含水率无法达到要求效果，从阳极到阴极逐渐增加，用更多的电能却无法产生更好的效果，这就是电渗透脱水技术虽然十分先进但无法大范围推广的原因。为此，人们不断进行探索，寻求解决措施。

3 超声波污泥处理技术

3.1 超声波污泥处理技术原理

超声波指的是一种在20 kHz～10 MHz频率范围内的声波，这种声波具有一定的能量，被广泛应用在洗涤、切割、钻孔等工业活动中，如污泥处理。在污泥处理中，超声波的使用方式主要有以下几种：一是利用污泥絮体之间存在的空隙进行作用，这种空隙中存在大量水分和气泡，在超声波的影响下，气泡会逐渐长大，使得水分被挤出，产生脱水效果。二是声波产生了空化作用，在超声波影响下，污泥内部局部出现拉应力形成负压，原本融在水中的气体就会在压力作用下溢出，产生大量小气泡。三是利用超声波将溶解对象内部部分胞外聚合物释放出来，进而实现脱水的效果。在应用中，最适合进行污泥脱水净化处理的声波是20～100 kHz的低频超声波，这种声波不仅可以把污泥内部的水分排出，还可以提升污泥的沉降性，使污泥在处理后仍可以保持较大的颗粒[3]。但是，一旦处理时间过长，就会使污泥菌胶团彻底被破坏，导致细菌细胞壁破裂，这样不仅不能有效脱水，还会使得其颗粒变小而吸收更多水分。因此，在开展超声波污泥脱水处理工作时，必须计算好适宜的声波强度、声波频率和处理时长，从而实现有效脱水，避免脱水困难。

3.2 超声波污泥处理技术研究现状与问题

运用超声波进行污泥处理时，具体结果会受到超声波使用方法的影响。超声波处理污泥时，能量低、时间少，虽然有助于脱水工作，却由于强度不够导致细胞没有被充分分解，使得污泥的可生化性没有得到改善。污泥的毛细吸水时间在不同的超声波作用下不尽相同，研究表明，污泥毛细吸水时间越小，则代表污泥的脱水性能越好，反之则代表脱水性能较差[4]。污泥中结合水具体含量也与污泥脱水性能具有潜在的关系，污泥的脱水性能与结合水含量也呈现出负相关，结合水含量越少，脱水容易程度越高。相关试验表明，在高强度的超声波作用下，污泥颗粒尺寸降低，增加表面积和结合水含量，导致脱水性能降低。一般来说，在污泥的毛细吸水时间小于20 s时，这时的效果接近于最佳脱水性能。最适宜污泥脱水工作的超声频率在10～20 kHz，当能量超出合理范围时，污泥毛细吸水时间增加，影响脱水工作的正常进行。

4 结论

污泥处理的高效便捷，会使得污水处理整体过程实现质量的提升。在经济、技术不断发展的当代，人们应该研制更为先进的污泥处理技术，不仅要做到污泥处理速度快，还要做到对各种污泥杂质进行有效处理。电渗透脱水后的污泥含固率高，容量和体积都大大降低，为污水厂处理处置工作提供了安全经济的方案。

参考文献

1 马德刚，翟 君，柯 忱.超声辅助对污泥电脱水的特性改性研究[J].环境工程学报，2015，9（8）：3991-3996.

2 董立文，张鹤清，汪诚文.造纸污泥的电渗透脱水效果[J].环境工程学报，2012，6（11）：4185-4190

2 马德刚，柯 忱，翟 君.环状固定电场对市政污泥的电脱水特性[J].中国给水排水，2014，30（13）：42-45.

3 冯 源，詹良通，陈云敏.城市污泥电渗脱水实验研究[J].环境科学学报，2012，32（5）：1081-1087.