污泥脫水在電化學(xué)處理是應用

剩余污泥是城市污水處理廠(chǎng)活性污泥法處理廢水的一種必然副產(chǎn)物，其有效處理已成為城市污水處理廠(chǎng)正常運行的保證． 剩余污泥含水率較高(一般高于99%)，脫水性能較差、固體回收較為困難，而污泥調理可有效提高污泥的脫水性能，是污泥脫水前的一種重要處理手段． 污泥調理有很多方法，目前廣泛使用的是化學(xué)調理方法，化學(xué)調理的實(shí)質(zhì)是利用各種凝聚劑使污泥顆粒絮凝，結構增強，以利于機械脫水，其中，采用聚電解質(zhì)調理是污泥化學(xué)調理中zui為常用的手段． 聚電解質(zhì)等化學(xué)藥劑能較大幅度地提高污泥脫水性能和污泥固體回收率，但其使用成本較高、藥劑隨污泥棄置后對環(huán)境潛在的二次污染問(wèn)題不容忽視． 因此，研發(fā)環(huán)保、、低運行成本的新型污泥調理技術(shù)十分迫切．
電化學(xué)處理是利用電化學(xué)的方法將難降解有機物或生物毒性污染物降解，廣泛應用于廢水處理當中，并在污泥中揮發(fā)性有機物(VSS)的降解方面開(kāi)始得到關(guān)注． 在污泥脫水方面，電化學(xué)處理技術(shù)亦有所應用。通過(guò)電化學(xué)預處理污泥后，當其表面活性劑CTAB添加量為2000 mg·L－1時(shí)污泥脫水性能得到改善． 本課題組前期研究表明，在21V，12min電化學(xué)處理條件下，采用Ti /RuO2網(wǎng)狀析氯電極，污泥的CST下降了18．8%，污泥脫水性能得到一定改善，然而，相關(guān)作用因素尚有待探討． 本文以銥/二氧化釕析氧電極板為陽(yáng)極、鈦/二氧化釕網(wǎng)狀極板為陰極，研究了電壓和電解時(shí)間與污泥調理效果之間的關(guān)系，并在此條件下，對電化學(xué)處理改善剩余污泥脫水性能的相關(guān)作用因素進(jìn)行了探討．
2、材料與方法
2．1實(shí)驗材料
實(shí)驗所采用的剩余污泥取自上海市閔行區水質(zhì)凈化廠(chǎng)二沉池，經(jīng)重力濃縮24h后4℃保藏備用． 整個(gè)實(shí)驗在48h內完成． 污泥基本性質(zhì)為:pH值為6.56，含固率為1.0%，VSS/TSS為69.7%．

圖1電化學(xué)實(shí)驗裝置示意圖( 1． 恒壓直流電源; 2． 反應器; 3．恒溫磁力攪拌器; 4． 鈦/二氧化釕陰極; 5． 銥/二氧化釕陽(yáng)極; 6． 電壓表; 7． 電流表)

2．2實(shí)驗裝置
電化學(xué)處理裝置為有機玻璃制作的圓柱形反應器，內徑為10cm，體積為1200mL．極板面積為100cm2．電源為GPS5010H穩壓直流電源; 攪拌設備為JB-3A型定時(shí)恒溫磁力攪拌器; 離心設備為飛鴿TDL-5-A型離心機．Ir /RuO2電極板為陽(yáng)極，Ti /RuO2網(wǎng)狀極板為陰極． 根據課題組前期研究結果( Yuan et al． ， 2010) ，選定板間距為4 cm攪拌速率為100 r·min － 1 作為本實(shí)驗條件． 實(shí)驗裝置如圖1所示．
2．3分析方法
pH 值采用pHS-3C 精密pH 計測定; 揮發(fā)性懸浮物質(zhì)(VSS) 、懸浮物質(zhì)(TSS) 采用標準稱(chēng)重法檢測; CST 采用圓柱型直槽式CST測定儀測定，濾紙采用Whatman17#型濾紙． 污泥上清液蛋白采用考馬斯亮藍G-250 染色法測定; 污泥上清液多糖采用蒽酮-硫酸法測定．污泥形態(tài)分析采用掃描電子顯微鏡。
3、實(shí)驗結果
3．1電化學(xué)處理對污泥脫水性能的影響
采用析氧電極，在攪拌速率100 r·min－1，板間距4cm條件下，電壓和電化學(xué)處理時(shí)間對污泥脫水性能均具有較大影響，實(shí)驗結果如圖2所示．

圖2 不同電壓、電化學(xué)處理時(shí)間下污泥CST 變化
圖2不同電壓、電化學(xué)處理時(shí)間下污泥CST 變化污泥的CST值在各個(gè)處理的不同處理階段都有一定下降． 低電壓(＜30V)作用下，污泥的CST在電化學(xué)處理初始階段呈下降趨勢，隨著(zhù)處理時(shí)間的延長(cháng)，CST保持穩定狀態(tài)． 當電壓大于20V時(shí)，污泥的CST呈現先減小后增大的趨勢． 在50V，5min處理條件下，污泥CST下降了25．5%，之后隨著(zhù)處理時(shí)間的延長(cháng)，CST快速增大，處理45min后，CST與對照相比增加了22．5%． 在30V處理電壓作用下，CST于30min 時(shí)達到zui低值，與對照相比下降了35．5%，之后隨處理時(shí)間的延長(cháng)而上升． 因此，在電壓為30V，電極板間距為4cm時(shí)，電化學(xué)處理30min，污泥脫水性得到較大改善，這與Yuan 等的研究結果相比，污泥脫水性能得到較大提高．
3．2電化學(xué)處理對污泥上清液EPS 濃度的影響
胞外聚合物(EPS) 普遍存在于剩余污泥內，其主要成分為糖類(lèi)和蛋白質(zhì)，兩者的TOC占整個(gè)EPS的70%～80%。 EPS分子可以從細胞表面伸展出來(lái)，阻礙細胞之間的親密接觸，形成密實(shí)的凝膠，阻止結合水從凝膠的微孔擠出，所以EPS的存在使脫水性變差．

圖3 不同電壓、電化學(xué)處理時(shí)間下污泥上清液EPS 濃度變化
圖3不同電壓、電化學(xué)處理時(shí)間下污泥上清液EPS濃度變化由圖3可知，低電壓(＜30V)處理作用下，污泥上清液的EPS濃度在處理過(guò)程中較為穩定; 在高電壓50V處理作用下，上清液的EPS濃度處理10min以后急劇增加，并于45min時(shí)達到zui大值，與對照相比增加了446．7%．而在30V處理電壓作用下，污泥上清液EPS濃度呈現先緩慢下降后上升的趨勢，并于30min達到zui低點(diǎn)，下降了17．4%，這與CST的變化趨勢相一致． 污泥電化學(xué)處理后EPS濃度降低，使得污泥脫水性能得到改善．
3．3電化學(xué)處理對污泥上清液蛋白濃度的影響
蛋白作為EPS 的重要組成部分，其含量增加會(huì )使脫水性能降低．污泥上清液蛋白濃度變化如圖4所示，其變化趨勢與EPS濃度相似． 在30V，30min的電化學(xué)處理條件下，EPS中蛋白濃度下降較為明顯，下降了30．2%，從圖2可知，此時(shí)CST的值也達到zui低，這也說(shuō)明蛋白濃度和CST呈一定的正相關(guān)關(guān)系． 而在高電壓50V作用下，隨著(zhù)污泥絮體結構的不斷破壞，EPS 濃度快速上升，蛋白濃度也隨之增加，和對照相比增加了495．5%，導致污泥脫水性能變差，污泥的CST也隨之升高． 因此，當電化學(xué)處理電壓為30V時(shí)，上清液中蛋白濃度降低，使污泥脫水性能得到改善; 在50V 電壓處理下，上清液蛋白濃度快速增加，使污泥脫水性能變差，研究結論相一致。

圖4 不同電壓、電化學(xué)處理時(shí)間下污泥上清液蛋白濃度變化

圖5 不同電壓、電化學(xué)處理時(shí)間下污泥上清液多糖濃度變化
3．4電化學(xué)處理對污泥上清液多糖濃度的影響
作為污泥EPS另一重要組分的多糖，因其含有羧基等親水性基團，對污泥脫水性能有負面影響．多糖濃度在污泥上清液中的變化如圖5 所示． 在電化學(xué)處理初始階段(＜5 min) ，多糖濃度與對照相比都有一定的下降． 在高電壓(＞20V) 處理作用下，下降較為明顯，zui高下降了27.0%，隨著(zhù)處理時(shí)間的延長(cháng)，大量有機物被降解同時(shí)污泥絮體結構被破解，絮體所含大量顆粒物、EPS被釋放，造成污泥上清液多糖濃度增加，尤其是50V電壓處理45min后，多糖濃度增加了204．5%，使2201污泥脫水性能變差． 而低電壓(＜30V) 作用下的多糖濃度則趨向穩定．
3．5電化學(xué)處理對污泥形態(tài)的影響
利用SEM電子顯微鏡高分辨率的特點(diǎn)，可揭示污泥顆粒內部超微結構特征，為研究胞外聚合物EPS等在污泥顆粒的形成，顆粒穩定性和顆粒脫水機理分析等方面提供有價(jià)值的形態(tài)學(xué)依據。
經(jīng)不同電化學(xué)處理后的污泥電鏡掃描(SEM)結果如圖6所示． 污泥電化學(xué)處理前菌膠團結構較為完整，LB-EPS大量包裹于菌膠團外部，對菌體起保護作用，并將大量自由水包裹于其內(圖6a)．在30V，30min的處理作用下，菌膠團結構遭到破損，處于表層的LB-EPS 被氧化并釋放出胞內自由水，污泥脫水性能得到改善(圖6b)． 高電壓50V處理30min后，結果顯示，污泥菌膠團結構嚴重破損，EPS被大量釋放到上清液中，同時(shí)，污泥顆粒變小，比表面積增加，造成其對污泥中水分的吸附能力增強，導致污泥脫水性能變差( 圖6c) ．
4 結論
1)以Ir /RuO2電極板為陽(yáng)極，Ti/RuO2網(wǎng)狀極板為陰極，極板間距為4cm，電壓為30V，攪拌速率100r·min－1條件下，電化學(xué)處理反應30min，CST下降35．5%，污泥脫水性能得到較大改善．
2)低電壓作用下污泥上清液EPS、蛋白濃度在電化學(xué)處理過(guò)程中較為穩定，對污泥脫水性能改善較?。?高電壓下的污泥上清液EPS、蛋白、多糖濃度隨處理時(shí)間延長(cháng)變化較大． 超過(guò)zui適電壓和處理時(shí)間，污泥上清液EPS，蛋白和多糖濃度急劇增加，導致污泥脫水性能變差，電壓較處理時(shí)間對其影響更大．
3)通過(guò)污泥電鏡分析，電化學(xué)處理前污泥菌膠團結構較為完整． 在30V，30min電化學(xué)處理作用下，污泥菌膠團結構遭受一定程度的破壞，包裹于其內的自由水被釋放出來(lái)，污泥脫水性能得到改善．50V，30min處理作用下，污泥菌膠團結構嚴重破碎，導致EPS濃度上升，污泥脫水性能變差．