真空电渗给水污泥脱水机理的研究

谭林立， 许 航， 刘 珊， 崔建峰， 申昆仑， 丁明梅

（1.江苏圣泰环境科技股份有限公司， 江苏 南京 210007；2.河海大学环境学院， 江苏 南京 210098；3.河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室， 江苏 南京 210098）

0 引言

近几十年来，随着城市自来水厂的数量和规模不断增加和扩大，给水污泥量快速增加。给水污泥的高含水率严重阻碍了给水污泥的综合利用和最终处理[1-2]。传统的污泥处理方法有：填埋，为了达到处理效果通常会投加石灰进行后续处理，但污泥产生的滤液会造成地下水的污染；焚烧，将能量回收用于供热或发电[3-4]，不过焚烧尾气会造成二次污染；排入水体消纳则会造成江河上、下游及不同区域之间形成“先排出，后吸入”的恶性循环[5]。为实现给水污泥的减量化，走可持续发展道路，发展新型给水污泥资源化利用方式，对污泥处理与处置方法的研究成为新的热点。

目前，常用的机械脱水方法可有效的去除污泥中的自由水，但难以去除毛细管水[6]。电渗是在电场的作用下，使吸附极性水分子的带电颗粒定向移动而产生电渗透现象，从而达到加固软土地基的目的。电渗法最初用于增强土壤的稳定性和抗剪强度，后用于土壤的固结和加固[7]。近年来，一部分学者致力于将真空电渗技术应用于污泥脱水处理，并取得了一系列试验成果[8]。

本实验采用的真空电渗处理是通过真空－电渗的联合作用来进一步降低处理成本和提高污泥中水分去除率的一种技术。现有的研究大多数是关于真空电渗技术脱水效果影响因素的分析，而鲜有对其脱水机理的研究。为了深入阐述真空电渗技术固化给水污泥的机理，本实验通过给水污泥粒径、电导率随电势梯度的变化趋势，解释不同电势梯度下产生不同脱水效果的原因。通过对比不同电势梯度下污泥中结合水、邻位水、毛细管水和自由水的含量变化阐述电势梯度对真空电渗的影响。并进一步对比原污泥和真空电渗后污泥中结合水、邻位水、毛细管水和自由水的含量变化阐述真空电渗脱水的机理。

1 实验材料及方法

1.1 实验材料

试验所用给水污泥取自某自来水厂沉淀池，污泥基本性质见表1。

表1 给水污泥基本性质

1.2 实验装置

图1 真空电渗试验装置示意

真空电渗脱水的实验装置见图1。

试验装置包括3个矩形电渗污泥槽、9个打孔拉缝（宽度3 mm）不锈钢管阴极电极、9个不拉缝不锈钢阳极电极、3个圆柱形真空槽及1个高频直流电源（RDX高频开关电源PWH100A－36V－F）。 矩形电渗污泥槽为有机玻璃制（长×宽×高为400 mm×300 mm×250 mm）。实验初期污泥的pH值由pH计（PHS－25）测得。在实验中，电极竖直固定在污泥槽上部间距为200 mm的卡槽，不锈钢管（管径Φ=40 mm）阳极电极接正电，不锈钢管阴极接负电。电极上拉缝用于排除电解气体和水分，并在其表面包裹孔径为5μm的土工布，用来拦截污泥颗粒。实验过程中用真空泵（循环水式真空泵SHZ－Ⅲ）抽吸流向电极的电解质溶液和电解产生的气体，并通过真空压力开关（MD－S800V）来控制真空抽吸时间。

1.3 实验设计

3组泥样在相同真空压力（0.04～0.05 MPa）和相同真空时间（24 h）下测定污泥的含水率以及水分组成，并比较5组泥样不同电势梯度和不同电渗时间后的电渗脱水效果。采用直流高频电流对污泥试样进行恒电压电渗脱水，分别在电势梯度3.0，1.5，1.0 V/cm条件下电渗90 h，记录电源数显窗口显示的电流值I，读取电渗泥槽中泥样高度，真空槽中水样高度，泥样pH值、电导率和zeta电位值，实验结束后选取泥槽中间点泥样测定污泥最终含水率以及水分组成。

2 结果与讨论

2.1 不同电势梯度与含水率的关系

污泥表面带负电荷，由于静电引力，在水溶液中会吸引水中的阳离子吸附到污泥表面上，在静电引力和热运动的扩散作用下，污泥表面的负电荷与受污泥表面影响的反离子层形成双电层，在电渗电流的作用下，水合阳离子会向阴极移动负载电流，并带动周围的自由水向阴极移动[9]。在真空24 h后，电过程中渗含水率随时间变化见图2。

图2 污泥含水率随时间变化

由图2可知，随着电势梯度增大，污泥中的水分去除得更快，达到相同含水率的时间减少。电渗后期由于阳极的水向阴极移动，阳极附近的泥样硬化干涸形成导电性很差的物质，使污泥的电阻增大，后期含水率去除很慢。同时电极附近产生气体，电极与污泥的接触不好，电渗对于含水率的去除效果变差。电渗前期水分去除速率较快，故而电渗后期水分去除速率变缓，同时电渗大部分去除自由水和毛细管水，因此电渗最终含水率近似相同[10]。

2.2 电导率与含水率的影响

电导率随时间变化见图3。电渗过程中，在电势差的作用下，阴阳离子向相反电极方向移动，即阴离子向阳极移动，阳离子向阴极移动[11]。而当阳离子向阴极移动的同时会拖曳水，使水向阴极移动。阴离子移动时也会带动水的移动，但是污泥颗粒带负电，则水中阳离子含量比较高，故水分主要向阴极移动。当电导率增大时，则污泥中水化阳离子含量比较高，电渗能力比较强，水分子移动比较快[12]。当电势梯度为3 V/cm时，水化分子移动较快，离子去除量增多，电导率下降速度快，污泥水分去除更完全，有利于固化给水污泥。

图3 电导率随时间变化

2.3 污泥粒径的影响

原污泥和真空电渗所得污泥样品在扫描电子显微镜下观察，可以看出在含水率降低时，污泥中絮体破坏，粒径变小，使得部分金属离子溶出，水合阳离子增加，在电渗作用下，拖曳更多水，使得污泥水分减少。给水污泥电镜图像见图4。图4（a）为原给水污泥电镜图像，污泥絮体较大，结构比较疏松，水分含量大；图4（b）为电渗结束后给水污泥的电镜图像，由于污泥中毛细管水被去除，絮体结构紧密，表明电渗能够有效固化给水污泥。

图4 给水污泥电镜图像

2.4 水分组成的影响

污泥絮凝体中含有大量的水，根据水在絮凝体中的位置和功能不同，可将其划分为结合水、邻位水、毛细管水和自由水[13]。结合水参与形成污泥中生物量；邻位水紧贴污泥颗粒表面；毛细管水存在于污泥絮凝体的毛细结构中；自由水分布在污泥颗粒之间。在真空抽吸作用下，污泥受到当量的轴向压力，污泥颗粒之间的空隙减小，又由于絮体的机构稳定性，污泥中的絮体被部分压缩，使得真空后自由水和毛细管水减少[14]。而真空所产生的轴向压力，不能影响污泥颗粒的电荷量，由电分子引力作用存在于污泥表面的邻位水和结合水不能减少。而电渗为污泥提供了稳定电场，使得污泥中水合离子在电场作用下向电极移动，在粘滞力下同时下同时带动周边的自由水，使得最终含水率降低。不同样品的水分分布见图5。

图5 不同样品的水分分布

3 结论

本实验表明，真空和电渗主要去除的水分类型不同：真空去除的主要是自由水，而电渗主要去除的是毛细管水和邻位水。由于真空抽吸时易导致孔洞的堵塞，脱水效果并不理想。污泥具有负电性，其表面吸附水层带正电，在电场作用下由于离子的定向移动带动水的迁移，使得脱水效果提高。结果表明，不同电势梯度下电渗去除的水分类型不变，经过长时间的电渗能达到相同的含水率，而电势梯度越高下达到相同含水率的时间越短。