pH 酸碱调质对污水厂污泥电渗脱水技术的研究

pHpH酸碱调质对污水厂污泥电渗脱水技术的研究酸碱调质对污水厂污泥电渗脱水技术的研究引言活性污泥法污水处理工艺产生的剩余污泥，体量大、含水率高。由菌胶团产生的独特絮体结构，以及由大分子聚合物产生的网络结构，导致剩余污泥中的水分难以被轻易去除［1］。剩余污泥中的水分主要包括自由水、空隙水(毛细水)、吸附水(结合水)和内部水4种存在形式。机械脱水法能够有效去除污泥中的自由水，但对其余水分的去除效果不佳［2］。因此，机械脱水后的剩余污泥含水率仍然较大，难以满足污泥土地利用和填埋的处置要求，而通过化学调质、冻融、热解、超声波及电渗透等手段强化机械脱水是目前剩余污泥深度脱水的主流研究方向［3-5］。目前，针对pH(酸碱调质)对城市污水处理厂剩余污泥脱水性能影响的研究很多，但大多是将酸碱调质和重力浓缩、离心浓缩等方法联合使用。本试验以污水处理厂剩余污泥为对象，着重研究了pH对污泥电渗深度脱水的影响，以期为生产实践提供指导。1试验材料与装置试验所用污泥取自武汉市某污水处理厂，经机械脱水后含水率达到70%～85%，挥发性有机物含量为40%～55%(质量比)，电导率为8500～9500μS/cm。试验中酸调质采用稀硫酸，碱调质采用NaOH溶液。试验装置如图1所示:反应器有效截面尺寸为10cm×10cm;阳极和阴极均采用紫铜板，阴极板上均匀开设12×12个直径为5mm的圆孔，以便于水分的快速排除;阴极滤布采用土工织物。试验中，泥饼的初始厚度为2.0cm，电场梯度为25V/cm。此外，为了确保电极板能够与泥饼紧密接触，在阳极板上施加一恒定压力，在试验过程中对泥饼可产生7.5kPa的挤压作用。试验中各指标的测定，均严格按照国家标准方法执行。1试验材料与装置试验所用污泥取自武汉市某污水处理厂，经机械脱水后含水率达到70%～85%，挥发性有机物含量为40%～55%(质量比)，电导率为8500～9500μS/cm。试验中酸调质采用稀硫酸，碱调质采用NaOH溶液。试验装置如图1所示:反应器有效截面尺寸为10cm×10cm;阳极和阴极均采用紫铜板，阴极板上均匀开设12×12个直径为5mm的圆孔，以便于水分的快速排除;阴极滤布采用土工织物。试验中，泥饼的初始厚度为2.0cm，电场梯度为25V/cm。此外，为了确保电极板能够与泥饼紧密接触，在阳极板上施加一恒定压力，在试验过程中对泥饼可产生7.5kPa的挤压作用。试验中各指标的测定，均严格按照国家标准方法执行。2结果与讨论2.1pH对含水率的影响酸碱调质后，电渗脱水过程中污泥含水率随时间的变化如图2所示，其中pH=6作为空白对照组。可知:当污泥初始pH为1、2、3、4、5、6和9时，脱水结束后所得泥饼的含水率分别为44.1%、38.6%、36.2%、37.9%、32.5%、42.2%和49.0%，显著低于原污泥含水率。当污泥初始pH为1和9时，脱水效果差于对照组且脱水进度滞后;当污泥初始pH为2时，脱水效果优于对照组而脱水进度略微加快;当污泥初始pH为3、4和5时，不仅脱水效果得到明显改善，脱水进度也大大加快。此外，与对照组相比，酸调质后脱水所得泥饼中阳极区和中部区的含水率比较接近(图3)，即酸调质后泥饼中低含水率泥层的占比增大，且微酸调质时效果最好;碱调质后泥饼中阳极区含水率较低，而中部区域和阴极区含水率都比较高，即碱调质后泥饼中高含水率泥层的占比增大。其可能原因:一方面微酸处理使污泥表面的胞外聚合物脱落，破坏了其密实的絮体结构和复杂的网络结构;另一方面酸处理使胞内水和吸附水得以释放，自由水增多［6-7］。强酸、强碱处理会导致污泥的电导率增大(图4)，胶粒的双电层结构被压缩、Zeta电位减小，因此其电渗脱水效果变差。从图2中不难发现:泥饼含水率的变化先快后慢，试验前30min内脱水速度极快，随后则迅速减缓，60min内基本上可完成脱水进度的90%以上。分析认为，30min后含水率下降速度减慢，是因为被“剥夺”了水分的污泥从饱和状态转入非饱和状态。在非饱和状态下，空隙水压降为负值，在污泥内形成与水分迁移方向相反的水力梯度［8］。此外，电渗作用对污泥中的结合水和内部水作用有限，因此在自由水和空隙水被大量去除后，脱水量减少、脱水速度减缓［8］。Matlab软件对试验点据的拟合结果表明，指数函数和高斯函数较为有效(表1)。由图2和表1可知:酸性条件下，高斯函数(二维)与试验结果的吻合度明显优于指数函数;中性和碱性条件下二者与试验结果的吻合度都很高，但前者的略低于后者的。由此可见，高斯函数(二维)更适于描述电渗脱水过程中含水率随时间的变化。2.2pH对电流的影响由图4可知:接通电源时对照组的瞬时电流在4A左右，而试验组的瞬时电流都明显高于该值。但是，酸调质后电流的衰减速度慢于对照组，碱调质后电流的衰减速度快于对照组，所以同