對于電滲脫水過程中不同電場空間下，污泥性質(zhì)的變化及脫水后污泥水分形態(tài)分布(自由水/結(jié)合水)的變化鮮有報道。事實上，電滲脫水過程中伴隨著電滲析、電極兩端電解水發(fā)生氧化還原反應和電遷移等多種電作用，這些電作用會造成污泥絮體的破解。因此，探明電滲脫水過程中電場不同空間污泥性質(zhì)和水分形態(tài)的變化情況，對揭示電滲污泥脫水作用機制有一定的指導作用。
本研究以污水處理廠機械脫水后污泥為研究對象，采用外加電極構(gòu)成直流電場的方式，考察電滲處理后污泥理化性質(zhì)、自由水和結(jié)合水形態(tài)在電場中的分布變化情況。以探明電滲脫水作用機理和脫水后污泥理化性質(zhì)，為其后續(xù)利用提供參考。
1、材料與方法
1.1 實驗原料
本實驗中的污泥取自沈陽北部污水處理廠，受納污水主要為城市居民生活用污水。此次實驗采集污泥為機械脫水后污泥，取樣后置于4℃冰箱中貯存?zhèn)溆?。污泥含水率?0%~83%、pH為8.1、污泥初始總氮為41~45mg•g-1、總磷為15~17mg•g-1、有機質(zhì)含量為55%~59%、電導率為426μS•cm-1。
1.2 實驗裝置
本實驗裝置如圖1所示。裝置采用有機玻璃板制成，陽極材料為鈦基釕銥涂層電極，陰極材料為多孔純鈦。泥餅總質(zhì)量為1075.51g。為使?jié)B濾液順利流出，在實驗裝置的陰極側(cè)采用多孔玻璃隔板，隔板上每個小孔的直徑為5mm。滲出液出口下方放置一個電子天平(精度0.01g)，用來記錄脫除水質(zhì)量隨時間的變化。實驗裝置兩端放置正方形電極板，厚度為0.5mm。其中，陽極板選用鈦基釕銥涂層電極，陰極板選用多孔純鈦電極(小孔直徑約為5mm，共9個小孔)。為防止污泥顆粒隨滲濾液流出，陰極板側(cè)附耐熱尼龍濾布。本實驗電源選用RXN-605D-II型雙路穩(wěn)壓直流電源。
1.3 實驗方法
污泥室中裝入15cm高的脫水污泥，裝樣過程保證裝樣后沿電壓方向各段污泥性質(zhì)均一。電壓梯度為6V•cm-1，實驗過程中，每隔30min取陽極、陰極和中部污泥樣品，測量1次，整個實驗周期120min。污泥結(jié)合水取原泥和電滲處理后陽極、中部、陰極污泥樣品進行測量。為保證實驗結(jié)果的準確性，上述所有指標均平行測試3次，最后結(jié)果取平均值。
1.4 分析方法
電滲流量使用質(zhì)量差值法進行計算;含水率測定使用重量法；pH測定使用pH計；總氮測定使用堿性過硫酸鉀法；總磷測定使用鉬酸銨分光光度法；結(jié)合水含量采用美國TA公司生產(chǎn)的Q1000差示掃描量熱儀測定。
2、結(jié)果與討論
2.1 電滲脫水對污泥理化性質(zhì)的影響
2.1.1 污泥含水率時空分布變化
圖2為污泥含水率隨通電時間的變化。如圖2所示，實驗初始階段，陽極、中部、陰極3處污泥樣品的含水率基本相同。隨著電滲脫水實驗的進行，可看出陽極污泥含水率下降趨勢最為明顯，由開始的84.7%降至50.4%;而陰極污泥含水率在30min處由開始的84.1%升至88.4%，而后又呈現(xiàn)下降趨勢，直至實驗結(jié)束，下降到68.4%;中部污泥含水率則持續(xù)下降，由初始的84.3%降至71.8%。在實驗過程中，固體物料在與極性水相接觸的界面上，由于發(fā)生電離或離子吸附作用，使其表面帶有正電或負電，帶電質(zhì)點與液體中的反離子形成雙電層結(jié)構(gòu)。通常情況下，污泥顆粒帶負電荷而污泥中的水分帶正電荷，在電場力的作用下，水合陽離子會向陰極移動負載電流，并帶動周圍的自由水向陰極移動，帶負電的污泥顆粒向陽極移動。因此，陽極在電滲過程中會富集帶負電污泥顆粒，使其含固率快速升高，含水率逐漸下降。
實驗初期，在電場力的作用下，陽極處污泥的水分迅速流向陰極，此時陽極流向陰極的水分補給速率大于水分從陰極的流出速率，故陰極附近污泥含水率有短暫的升高。隨著實驗的進行，陽極附近含固率逐漸增加，可遷移水分逐漸減少，pH持續(xù)降低，電滲不斷衰減，使得陽極及中部水分不能迅速遷移到陰極，從而導致30min后陰極附近水分的流出速率超過其富集速率，導致陰極處含水率在實驗后期呈下降趨勢。中部污泥含水率從實驗開始到結(jié)束一直呈下降趨勢，說明中部附近水分持續(xù)在向陰極遷移。而在實驗后期，由于陰極處發(fā)生了電解水反應，使得pH升高。LELAND等研究發(fā)現(xiàn)，pH升高會提高污泥的電滲流量，使得陰極處脫水加快，所以中部污泥含水率超過陰極。
2.1.2 污泥pH時空分布變化
圖3為污泥pH時空分布的變化。如圖3所示，陽極附近污泥pH降低幅度最為明顯，由初始的8.1降至5.8;而陰極附近污泥的pH逐漸升高，由初始的8.1升至9.1；中部附近污泥pH變化不明顯，穩(wěn)定地維持在8~8.2。上述變化主要是由于在電滲脫水過程中，陽極和陰極附近會發(fā)生水電解反應。其中，陽極附近會發(fā)生氧化反應，產(chǎn)生一個酸性帶，使陽極附近pH迅速降低；在陰極附近則發(fā)生還原反應，產(chǎn)生一個堿性帶，使陰極附近pH升高。并且，在此過程中，部分H+和OH會在污泥中部發(fā)生中和反應，生成H2O。而且污泥本身還具有黏稠性質(zhì)，內(nèi)部的各種分子力較強，從而導致兩端電極對中部污泥影響較小，所以中部附近的污泥pH變化不大。
2.1.3 污泥總氮含量時空分布變化
圖4為實驗過程中污泥中總氮含量時空的變化。如圖4所示，陽極附近污泥中總氮含量呈下降趨勢，由初始43.1mg•g-1下降至17.9mg•g-1；而陰極和中部污泥中的總氮含量呈緩慢上升趨勢，中部污泥總氮含量由43.2mg•g-1逐漸上升至49.3mg•g-1，陰極污泥總氮含量由43.2mg•g-1逐漸上升至50.4mg•g-1。造成這種現(xiàn)象的原因可能是，隨著污泥電滲脫水實驗的進行，電極兩端發(fā)生的電解反應和電滲透作用使污泥絮體兩側(cè)富集不同電荷，正負電荷作用使污泥絮體破裂，同時污泥細胞結(jié)構(gòu)也遭到破壞，改變了污泥活性細胞膜的通透性，甚至造成細胞破壁，致使細胞內(nèi)部的蛋白質(zhì)及胞外蛋白等有機物質(zhì)溢出。同時，電滲脫水過程中伴隨電能向熱能的轉(zhuǎn)化過程，熱效應也對污泥細胞破解具有一定的貢獻作用。有研究[20]表明，當溫度超過40℃時，部分蛋白質(zhì)有可能受溫度影響而引起變性。本實驗過程中，在陽極、中間和陰極分別布設(shè)了溫度傳感器探頭，實時監(jiān)測實驗過程中系統(tǒng)溫度變化。監(jiān)測結(jié)果顯示，陽極溫度最高可達近90℃，因此，在電滲實驗過程中產(chǎn)生的熱效應也可能會將部分蛋白質(zhì)分解成氨基酸，隨電滲流向中部甚至向陰極附近遷移。同時，小分子氨基酸也會隨污泥中自由水的遷移向中部及陰極移動。張書廷研究表明，污泥電滲透脫水的濾液約有一半的TN以氨氮的形式存在。由此可以判斷，NH+4等帶正電的離子也會向陰極遷移，從而導致陽極總氮含量下降、中部和陰極附近污泥總氮升高。可見，隨著電滲脫水的進行，污泥中總氮含量由陽極向陰極逐漸升高。
2.1.4 污泥總磷含量時空分布變化
圖5為實驗過程中污泥中總磷含量隨時間的變化。如圖5所示，隨著實驗的進行，陽極附近污泥中總磷含量迅速升高，由16.3mg•g-1逐漸升至20.1mg•g-1;而中部污泥和陰極附近污泥中總磷含量則呈現(xiàn)下降趨勢，分別由16.3mg•g-1逐漸降至12.3mg•g-1、由16.2mg•g-1降至11.5mg•g-1。造成此現(xiàn)象的主要原因為，污泥中的磷主要是以PO3-4的形態(tài)存在，因此，在電滲脫水過程中，在電場的驅(qū)動下PO3-4由陰極逐漸向陽極移動，故陽極附近污泥總磷含量迅速上升，而中部和陰極附近污泥總磷含量下降，且陰極下降最快。
2.2 電滲脫水對污泥結(jié)合水含量的影響
各類污泥含水率與結(jié)合水含量分析見圖6。由圖6可知，經(jīng)過電滲處理后，污泥中結(jié)合水有所下降。由結(jié)合水與干物質(zhì)之比可看出陽極污泥結(jié)合水含量最少;而中部、陰極污泥結(jié)合水含量較陽極高。污泥中的結(jié)合水主要 >
綜上所述，在電場作用下，由于電化學反應和熱效應共同作用，可能會使污泥絮體和微生物細胞結(jié)構(gòu)遭到破壞，導致污泥中部分結(jié)合水被釋放，進而促進污泥脫水。而且，原泥、陰極污泥、中部污泥、陽極污泥中的結(jié)合水含量呈現(xiàn)不同的下降趨勢。其原因可能是，在電滲脫水過程中，陽極附近發(fā)生電氧化反應，破壞了污泥原有穩(wěn)定的絮體和細胞結(jié)構(gòu)，細胞間的EPS被破壞分解，污泥顆粒部分結(jié)合水被釋放的最多，而水分又得不到有效補充，所以結(jié)合水含量最低。而陰極發(fā)生的是電還原反應，所以陰極附近污泥結(jié)合水含量比陽極多。結(jié)合水含量表征了污泥的可脫水程度，相對自由水而言，其需要消耗較多的能量才能去除。由表1可知，隨著結(jié)合水含量的減少，污泥中剩余結(jié)合水所需的融化熱就會逐漸升高，這說明結(jié)合水含量越少，下一步脫水就越難進行。同時，如圖6所示，脫水后污泥所剩結(jié)合水含量越少，污泥的含水率也越低，即整體污泥的脫水效果越好。
3、結(jié)論
1)電滲處理后污泥陽極、中部、陰極污泥的含水率均呈現(xiàn)下降趨勢。陽極污泥含水率下降最快，從開始的84.7%下降到50.4%;而陰極污泥含水率先升高后降低，實驗結(jié)束降至68.4%;中部污泥含水率則一直呈緩慢下降趨勢，從84.3%下降到71.8%。結(jié)合水含量變化表現(xiàn)為：電滲處理組結(jié)合水含量<原泥結(jié)合水含量，其中原泥、陽極、中部、陰極污泥結(jié)合水與干物質(zhì)的質(zhì)量之比分別為2.67、0.76、1.07、1.08。電場不同空間結(jié)合水含量表現(xiàn)為由陰極向陽極逐漸降低的趨勢，結(jié)合水含量越少，污泥脫水越困難。
2)電滲處理后污泥陽極附近污泥pH降低幅度最大，低至5.8;而陰極附近污泥pH隨實驗進行逐漸升高，可升至9.1;中部附近污泥的pH變化較為穩(wěn)定，在8.0~8.2。
3)電滲處理后污泥陽極總氮含量降低;而陰極和中部污泥中的總氮含量呈逐漸升高趨勢。總磷含量的變化為陽極緩慢上升，而陰極和中部持續(xù)下降。( >
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