污水處理廠機(jī)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(jī)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(shí)驗(yàn)原料

　　本實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)采集污泥為機(jī)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(jī)質(zhì)含量為55%~59%、電導(dǎo)率為426μS?cm-1。

　　1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

　　本實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。裝置采用有機(jī)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(shí)驗(yàn)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g)，用來記錄脫除水質(zhì)量隨時間的變化。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)電源選用RXN-605D-II型雙路穩(wěn)壓直流電源。

　　1.3 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jìn)行測量。為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，上述所有指標(biāo)均平行測試3次，后結(jié)果取平均值。

　　1.4 分析方法

　　電滲liuliang使用質(zhì)量差值法進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，可看出陽極污泥含水率下降趨勢為明顯，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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(fù)電，帶電質(zhì)點(diǎn)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(fù)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(fù)載電流，并帶動周圍的自由水向陰極移動，帶負(fù)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(fù)電污泥顆粒，使其含固率快速升高，含水率逐漸下降。

　　實(shí)驗(yàn)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(bǔ)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(shí)驗(yàn)的進(jìn)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(dǎo)致30min后陰極附近水分的流出速率超過其富集速率，導(dǎo)致陰極處含水率在實(shí)驗(yàn)后期呈下降趨勢。中部污泥含水率從實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)后期，由于陰極處發(fā)生了電解水反應(yīng)，使得pH升高。LELAND等研究發(fā)現(xiàn)，pH升高會tigao污泥的電滲liuliang，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(yīng)。其中，陽極附近會發(fā)生氧化反應(yīng)，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(yīng)，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(yīng)，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(qiáng)，從而導(dǎo)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，電極兩端發(fā)生的電解反應(yīng)和電滲透作用使污泥絮體兩側(cè)富集不同電荷，正負(fù)電荷作用使污泥絮體破裂，同時污泥細(xì)胞結(jié)構(gòu)也遭到破壞，改變了污泥活性細(xì)胞膜的通透性，甚至造成細(xì)胞破壁，致使細(xì)胞內(nèi)部的蛋白質(zhì)及胞外蛋白等有機(jī)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(yīng)也對污泥細(xì)胞破解具有一定的貢獻(xiàn)作用。有研究[20]表明，當(dāng)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(shí)驗(yàn)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(shí)時監(jiān)測實(shí)驗(yàn)過程中系統(tǒng)溫度變化。監(jiān)測結(jié)果顯示，陽極溫度高可達(dá)近90℃，因此，在電滲實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的熱效應(yīng)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(dǎo)致陽極總氮含量下降、中部和陰極附近污泥總氮升高?？梢?，隨著電滲脫水的進(jìn)行，污泥中總氮含量由陽極向陰極逐漸升高。