电絮凝法调理剩余污泥CST的影响因素分析

施 钦，刘宇川，谭学才，刘绍刚，黄政邦，敬 康，李 楠

（1.广西民族大学材料与环境学院，广西 南宁 530008；2. 广西民族大学化学化工学院，广西 南宁 530008；3.华鸿水务集团有限公司，广西 南宁 530000）

活性污泥法是应用极为广泛的污水处理技术，但在处理污水时会产生大量的剩余污泥。污泥的含水率高，体积庞大，会造成运输和处理上的极大困难，因此污泥脱水减量化是其无害化处理的关键步骤。当前，发展污泥调理技术，对污泥进行预处理，改善污泥的脱水性能，是污泥脱水减量化的重要研究方向。国内外学者研究较多的污泥调理技术，有物理调理（热处理、微波、超声波、磁场等）、化学调理（絮凝剂、助凝剂、氧化剂等）、微生物絮凝剂及联合调理[1-5]等。这些技术都有一定的局限性，例如成本较高、脱水效果差、会造成二次污染等。电絮凝是一种兼具化学絮凝和电化学技术特点的环境友好型技术，因具有泥量少、装置简单易操作、无二次污染等特点，已成为水处理工艺的研究热点[6-10]。电絮凝过程通过外加电场而发生电化学反应，在电化学氧化还原的作用下，胞外聚合物（EPS）和微生物细胞有机会被破解，释放出毛细水和结合水，再通过絮凝作用，将泥和水进行分离[11]。电絮凝在污泥调理领域有着广泛的应用前景，是污泥脱水的新途径和新方法，但是目前电絮凝在污泥调理方面的应用研究接近空白。

毛细吸水时间（CST）测试主要用于确定污泥絮凝之后的过滤性能[12]，具有快速、简单、能准确反映污泥脱水性能变化等优点，是公认的污泥脱水性能测试方法[13]。曾丽等人[14]以CST作为衡量污泥预处理中脱水性能的指标，研究了电解电压、极板间距、电解质种类、电解质投加量等因素对电化学预处理市政污泥的影响。张洛红等人[15]以CST作为污泥脱水性能的评价指标，对显著影响污泥脱水性能的絮凝剂的添加条件进行了优化。Bień等人[16]以CST为污泥脱水性能指标，分析了不同的化学试剂对经超声处理的污泥的处理效果。依据CST，可在生产现场快速了解污泥性质的变化，有助于操作人员根据实际测出的污泥脱水性能的变化情况，及时调整工艺参数，从而发挥最佳效益。

极板材料是电化学过程中最重要的影响因素[17]。本文以CST为指标，分别采用Fe电极和Al电极，探索电絮凝法处理剩余污泥的脱水效果，考察了极板间距、电解质种类、电压大小、曝气情况等因素的作用效果并分析了机理。

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验所用污泥采自南宁市某污水处理工程A2/O工艺中的剩余活性污泥，含水率约99.1%。污泥取样后2h内运回实验室，置于4℃下保存备用，存留时间少于 72 h。

1.2 实验装置

本实验采用的电絮凝反应装置是自制的矩形有机玻璃容器，容积为250mL。阴阳电极板选用1对Al电极板或Fe电极板，尺寸为48mm×9mm。电源采用DH1766-1型直流稳压稳流电源，搅拌设备为JB-1型磁力搅拌器。CST测试仪为Triton 3048型圆筒形直通式CST测试仪。

1.3 实验方法

量取200mL剩余污泥放入反应器中，插入电极板后接通电源，每隔一定时间取样测试污泥的CST。研究不同的极板间距（1、2、3、4、5cm）、电解质种类（NaCl、NaOH 和 Na2SO4）、电压（5V、10V、15V、20V）、反应时间等因素对CST的影响。

2 结果与分析

2.1 极板间距的影响

在电压5V、不投加电解质的条件下，考察极板间距对污泥CST的影响。由图1可见，极板间距对污泥CST的影响较大，不同电极的极板间距对污泥CST的影响不同。总体来说，CST随着电解时间的延长而变大，说明污泥中的水分含量减少。极板间距能够影响电化学体系中的电场强度，进而影响污泥的破解程度[18]。对于Al电极，极板间距为4cm和5cm时，电解时间40 min内，CST没有太大的变化，说明极板间距较大时，电场强度较弱，不利于污泥的破解[19]。Al电极的极板间距较小时（1cm和2cm），CST先增大后减小，这是由于电解加剧了水的分解，使得CST增大，随后菌胶团持续被破解而释放水分，使得CST减小，但是反应过于剧烈，大量污泥被气泡带出，导致了污泥流失；而Al电极的极板间距为3cm时，反应较为稳定。图1(b)中，CST值的变化很大，说明使用Fe电极时，反应较为剧烈且不稳定，当极板间距为3cm时，Fe电极在各个时间点的CST值均高于Al电极，说明Fe电极对污泥的调理效果并不理想，稳定性较差。

图1 不同极板间距下电絮凝处理对污泥CST的影响

2.2 电解质种类的影响

添加电解质可增加污泥的导电率，从而提高处理速率。在电压为10V、极板间距为3cm的条件下，研究了不同的电解质（NaCl、NaOH和Na2SO4）对CST的影响。如图2所示，投加等量的电解质（0.1g·L-1）时，NaOH会使溶液呈碱性，从而促进电絮凝反应。Al电极和Fe电极的CST增大，说明产生了大量的絮体，反而增大了污泥的含水率。此外，偏酸条件不利于电絮凝过程的进行[20]，因此采用电絮凝调理污泥时无需调整pH。投加NaCl和Na2SO4之后，CST值的变化不大，说明NaCl和Na2SO4对CST的影响不大。NaCl廉价易得，因此选择NaCl作为电解质较为合适。

图2 不同的电解质电絮凝处理对污泥CST的影响

2.3 电压的影响

控制反应时间为40min，极板间距为3cm，投加0.1 g·L-1的 NaCl，考察了不同的电压（5、10、15、20 V）对CST的影响，结果如图3所示。在所有电压下，Fe电极的CST值均随电解时间的延长，呈现先上升后下降的趋势。其中，电压为20V时，Fe电极的CST值下降至最低20.7s，可见在电压较高的情况下，脱水性能得到了明显改善。值得注意的是，电解时间大于30min后，Al电极的CST值（5V和10V）出现了大幅上升象，原因可能是污泥在电絮凝调理之后，释放出的水分再被电解掉，使得污泥中自由水分的含量降低。当电压增大到15V和20V时，Al电极的CST值分别下降至18.5s和16.1s。但是20V的耗能高，并会产生大量气泡溢出反应器，因此，综合考虑调理效果和稳定性，最佳反应电压为15V。整个反应过程中，在各个电压下经Al电极处理的污泥，均表现出更低的CST值，说明Al电极的污泥调理效果较好。

图3 不同电压下电絮凝处理对污泥CST的影响

2.4 反应时间的影响

为了进一步分析电絮凝调理污泥的过程，研究了不同电极在长时间电解过程中的CST变化。由上述分析可知，CST升高的主要原因，是在电场的作用下，自由水被电解，从而使得污泥的含水率提高；CST降低则表明污泥中的自由水较多。在电絮凝过程中，CST降低，说明在电场作用下，污泥被破坏从而释放出水分，经过絮凝处理后使得CST降低。图4是电压为15V、极板间距为3cm、投加0.1 g·L-1NaCl的条件下，不同电极的CST变化情况。电解初期，部分自由水被电解，Fe电极的CST快速升高至45.5s，随后在30～180min内，在电场和电絮凝的作用下，内部水被释放出来，CST下降至19.7s，180min后，释放出来的水分又被电解，使得污泥变得浓稠，CST值升高。由此可见，电絮凝调理污泥时释放出来的水分是有限的，处理一定时间后，电场的主要作用转为释放出的水分的电解作用，从而升高了CST。对于Fe电极，直到180min释放水分的过程才结束；而Al电极仅需60 min时就完成了水分释放过程，此时的CST最低（13.5s），下降了57%，调理效果较好。210min后，Al电极的CST再次降低，说明水分被电解处理到一定程度后，仍会有顽固的内部水被释放出来。显然，Al电极具有更佳的电絮凝污泥调理性能，60 min为最佳处理时间。

图4 反应时间对CST的影响

3 结论

对剩余污泥进行电絮凝实验，发现电絮凝能通过氧化作用和絮凝作用来调理污泥，改善其脱水性能。Al电极比Fe电极具有更佳的电絮凝污泥调理性能。在Al电极电絮凝调理污泥的前期，EPS和微生物细胞在电絮凝的氧化作用和絮凝作用下被破解，释放出内部水从而降低CST，实现污泥调理。极板间距和电压对CST的影响较大。电解质NaCl和Na2SO4对CST的影响不大。Al电极在最佳条件下电絮凝处理污泥60 min，CST下降到13.5s，说明Al电极能有效调理污泥，改善污泥的脱水性能。