城市污泥电渗脱水实验研究

第32卷第5期2012年5月环　境　科　学　学　报　ActaScientiaeCircumstantiaeVol.32,No.5May,2012作者简介:冯源(1984—),男,博士研究生,E-mail:[e-mail];∗通讯作者(责任作者),E-mail:[e-mail]:FENGYuan(1984—),male,Ph.D.candidate,E-mail:[e-mail];∗Correspondingauthor,E-mail:[e-mail]冯源,詹良通,陈云敏.2012.城市污泥电渗脱水实验研究[J].环境科学学报,32(5):1081-1087FengY,ZhanLT,ChenYM.2012.Laboratorystudyonelectroosmosisdewateringofsewagesludge[J].ActaScientiaeCircumstantiae,32(5):1081-1087城市污泥电渗脱水实验研究冯源,詹良通∗,陈云敏浙江大学,软弱土与环境土工教育部重点实验室,杭州310058收稿日期:2011-06-22　　　修回日期:2011-10-27　　　录用日期:2011-10-31摘要:电渗脱水是一种能有效去除污泥中水分以实现减量的处理方法.本文采用自制电渗脱水装置进行了城市污泥的电渗脱水实验.通过监测脱水过程中电渗流量、电压梯度与剩余含水率的变化,考察了电压梯度、电极间距和处理时间的影响,并进一步分析了电渗处理过程中脱水效果变化的原因.处理中随着脱水效果由阳极向阴极发展,污泥可划分为已脱水污泥与未脱水污泥,已脱水污泥内电渗停止,电渗与水分的脱除发生在未脱水污泥内,并由未脱水污泥的电压梯度决定.已脱水污泥阻值上升,使未脱水污泥电压梯度逐渐降低,造成了电渗流量与脱水效果的衰减,并使得污泥剩余含水率由阳极至阴极逐渐增加.电渗脱水的整体效果随加载电压的增加而提高,脱水能耗亦随之增加,选取较小的电极间距时电渗脱水能效较高.关键词:污泥;电渗脱水;电渗流量;脱水效果;电压梯度;剩余含水率文章编号:0253-2468(2012)05-1081-07　　　中图分类号:X703　　　文献标识码:ALaboratorystudyonelectroosmosisdewateringofsewagesludgeFENGYuan,ZHANLiangtong∗,CHENYunminMOEKeyLaboratoryofSoftSoilsandGeoenvironmentalEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058Received22June2011;　　　receivedinrevisedform27October2011;　　　accepted31October2011Abstract:Electroosmosisdewateringisamethodwhichcanremovewaterinsludgeeffectivelytoachievevolumereduction.Thispaperpresentedalaboratorystudyonelectroosmosisdewateringofsludgewithpurposely-designedapparatuses.Duringthedewateringtests,thechangesofelectroosmoticflowrate,voltagegradientandresidualwatercontentweremeasured.Onthebasisofthemeasurements,theinfluencesofvoltagegradient,electrodedistanceandtreatingtimeonthedewateringprocesswereanalyzed,andtheattenuationmechanisminthedewateringeffectwasexplained.Itwasfoundthattheelectroosmosisdewateringgraduallyextendedfromtheanodetocathode,andafteracertaintimethedewateringceasedinthedewateredsectionandtransitedtothesubsequentundewateredsection.Electricalresistanceofthedewateredsectiongraduallyincreased,andinresponsethevoltageleftfortheundewateredsectiondecreased.Boththeelectroosmoticflowrateanddewateringeffectweredeterminedbythevoltagegradientoftheundewateredsludge.Thephenomenonresultedinsignificantattenuationinelectroosmoticflowanddewateringeffectovertimeandnon-uniformdistributionofresidualwatercontentalongthedewateringdirection.Theoveralldewateringeffectandthecorrespondingenergyconsumptionincreasedwithanincreaseintheappliedvoltage.Thedewateringefficiencywouldbeimprovedwithashorterelectrodedistance.Keywords:sludge;electroosmosisdewatering;electroosmoticflowrate;dewateringeffect;voltagegradient;residualwatercontent1　引言(Introduction)城市污水污泥是污水处理的副产品,2010年我国污水厂产泥约2170万t(含水率80%),大量污泥的无害化处理处置日益成为环保领域的一大难题.污泥含水率高,脱水是减少其体积以实现减量,降低处置和再利用成本的关键.污泥含有大量粒径小于10-4m的有机颗粒(Brendan,2006),孔隙小水力渗透系数低,目前常用的机械脱水方法可有效脱除污泥中的自由水,但难以从其孔隙中脱除毛细及吸附水(Glendinningetal.,2007).电渗脱水是通过加载直流电压,利用电渗现象对污泥进行脱水的方法.电渗是颗粒表面扩散双电层中的反离子在电场力作用下迁移并带动水分子由阳极移向阴极产生的渗流,其发生在颗粒间的毛细孔道内,故电渗脱水能脱除污泥中含毛细与吸附水在内的水分.一定电压梯度下的电渗流速ve在Helmholyz-Smoluchowski理论中可表达为(Hunter,1981):环　　境　　科　　学　　学　　报32卷ve=εζiη(1)式中,ve为电渗流速(m·s-1),ε为试样的介电常数(F·m-1),ζ为颗粒的Zeta电势(V),η为液体粘滞系数(Pa·s),i为加载的电压梯度(V·m-1).则被处理试样中的电渗流量qe(m3·s-1)可表达为:qe=venA=εζnηiA=keiA(2)式中,n为试样孔隙率,A为试样截面积(m2),ke定义为试样的电渗系数(m2·V-1·s-1),为衡量试样电渗性能的重要参数.电渗脱水的可行性已在室内实验(Mahmoudetal.,2011;YuanandWeng,2003;Yangetal.,2005)及现场测试(Fourieetal.,2007;Glendinningetal.,2007;Raatsetal.,2002)中被广泛验证,被处理试样在电渗作用下获得了明显的脱水效果,然而电渗脱水处理的性能并不稳定,研究表明电渗流量在处理过程中逐渐降低(Hamiretal.,2001;Yangetal.,2005),脱水后污泥的剩余含水率由阳极至阴极不断增加、脱水效果递减(Yuanetal.,2003).电渗处理过程中电渗流量与脱水效果存在明显的衰减,其对处理效果有着显著的影响,而已有研究尚未对脱水过程中这些变化的规律及原因做出详细的解释.本文的目的是通过污泥电渗脱水模型实验,分析电渗流量与脱水效果变化的机理与影响因素,从而更好地了解电渗脱水过程,并对污泥电渗脱水处理的效果作出探讨.2　材料与方法(Materialsandmethods)2.1　材料与装置实验用试样为杭州市四堡生活污水处理厂经机械脱水后的污泥,其基本特性如表1所示.实验装置见图1,为有机玻璃制小套筒和中套筒各1个(直径为38mm和76mm,长度为8cm和16cm),套筒一端设集液管用于导出脱除水.使用1mm厚、与套筒截面面积相等的开孔不锈钢片作为电极,通过包漆导线将其与电源连接.电极外侧附200g·m-2土工织物起反滤排水作用.中套筒的阴极电极板可安插在套筒内的不同位置以实现电极间距的调节,其筒壁安装有五个铜制电压测点用于测量电压分布,各测点间距离见表2.表1　污泥的基本特性Table1　Maincharacteristicsofthesludge含水率有机质密度/(g·cm-3)pH82.1%28.72%1.056.42　　注:pH测定方法见NY/T1377—2077.图1　电渗脱水实验装置Fig.1　Experimentalapparatusforelectroosmosisdewatering表2　中套筒电压测点间距离Table2　Distancesamongvoltagemeasuringprobesofthemiddlesizecell　距离/cmS1S2S3S4S5S63.22.42.72.52.72.52.2　实验方法　　实验方案如表3所示分为12组,以比较不同表3　实验方案Table3　Theexperimentalscheme实验装置实验条件实验编号电极间距/cm加载电压梯度/(V·cm-1)处理时间/min小套筒T182160T284140T386100T488100T58240T68440中套筒T7164100T8166100T91415T101615T1116430T121647028015期冯源等:城市污泥电渗脱水实验研究电压梯度、处理时间及电极间距对电渗脱水的影响.采用直流稳压电源对污泥试样加载恒定电压进行电渗脱水,每2min记录电源数显窗口显示的电流值I;使用放置在电子天平(精度0.01g)上的量筒收集集液管导出的脱除水,每2min测量记录脱除水的质量增量以计算电渗流量qe;T7、T8中另测量记录S1—S6各段电压梯度i.实验结束选取不同剖面取样测量污泥剩余含水率w.3　结果(Results)3.1　电流与电渗流量T1—T4脱水时间超过100min,在qe降低至0．05mL·min-1后因流量过小而停止实验,电流I与电渗流量qe随时间变化情况见图2.实验中qe与I以相同趋势随时间衰减,加载电压梯度越大,其衰减越为剧烈,T1中I、qe衰减幅度小于50%,在T4中则衰减超过80%.取各实验初始qe值、由式(2)计算可得污泥ke值为7.18×10-5cm2·V-1·s-1,与已有污泥电渗实验所测得的(0.24~1.38)×10-5cm2·V-1·s-1(Yuanetal.,2003)、1.5×10-5cm2·V-1·s-1(Glendinningetal.,2007)在同一量级.若代入各时刻的qe值,根据式(2),污泥的ke值随时间逐渐降低.图2　T1—T4电流与电渗流量随时间变化Fig.2　Changesofelectricalcurrentandflow