2018, Vol. 38
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随着经济的快速发展，我国的污水排放量和处理量逐年上升，据统计，我国污泥年产生量达到约3000~4000×104 t(含水量按80%计)，随着“十三五”的到来，污泥产生量还会增加，预计到2020年，我国的污泥年产量将超过6000×104 t(Qian et al., 2016).而我国传统污水处理厂的污泥通过机械脱水后含水率只能降至80%，无法达到后续处理工艺的要求(Zhan et al., 2014)，因此，亟需寻找新的污泥脱水技术来满足对污泥含水率的要求.
电渗透脱水作为深度处理工艺，可以有效地将污泥含水率降至60%以下，而且具有低能耗、可去除病原体及降低运输成本等优点(Pham-Anh et al., 2012)，因而被推荐为污泥机械脱水的补充工艺(Citeau et al., 2011；Citeau et al., 2012).目前，国外关于污泥电渗透脱水的研究主要侧重于高含水率(95%~99%)的污泥.例如，Mahmoud等(2016)对含水率为99.5%的污泥先过滤再电渗透脱水，结果表明，在低水平电场下，增加压力对脱水速率具有较为显著的影响，在高水平的电场下，仅需要较小的压力(4~6 bar，1 bar=105 Pa)即可改善极板和污泥之间的接触，从而降低能耗.Olivier等(2014)研究发现，电渗透脱水后污泥的最终含水率和总能耗与施加的电压有非常强的相关性.Conrardy等(2016)的研究结果表明，电渗透脱水整个系统中的电阻取决于污泥的最终含水率，当含水率低于55%时，污泥的电阻急剧增加.
国内关于污泥电渗透脱水的研究相对较少，主要集中在恒电压模式下.例如，李亚林等(2017)对含水率为85%左右的污泥在恒电压模式下进行电渗透脱水，结果表明，当电压梯度为60 V·cm-1，机械压力为18.83 kPa，污泥厚度为1.13 cm时污泥的含水率可降至50%以下.季雪元等(2012)以水平电场为驱动力进行脱水，结果表明，电场强度和其应用时间的增加有利于提高电渗透脱水效果，电极间距过大或过小均不利于电渗透脱水.王诗生等(2014)通过响应面法得出污泥在初始污泥含固率为8.58%，初始电压梯度为20.88 V·cm-1，初始污泥厚度为2.25 cm条件下电渗透脱水的最终含固率为48.82%.
综上所述，目前关于恒电流模式下污泥脱水性能的研究相对较少，而且主要是研究高含水率的污泥.研究表明，对机械脱水后的污泥进行电渗透脱水可以有效地减少能耗(Saveyn et al., 2005).因此，本研究采用机械脱水后的污泥(含水率为81.5%)，在恒电流模式下进行电渗透脱水，通过改变电流密度、机械压力、污泥厚度及初始含水率，探讨各操作因素对污泥电渗透脱水效率及能耗的影响.
2 材料和方法(Materials and methods) 2.1 实验材料实验污泥取自广州某污水处理厂经离心脱水后的新鲜污泥，该污泥的基本性质如表 1所示.新鲜污泥取回后于4 ℃冰箱保存备用，实验开始前取出并恢复至室温后使用.
| 表 1 脱水污泥的基本性质 Table 1 Characteristics of dewatered sludge |
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电渗透脱水装置如图 1所示，该装置的主体包括1个圆柱形反应器和1个活塞，圆柱形反应器的内径为100 mm，高度为150 mm.反应器底部为阴极，阴极板采用2.1 mm(50目)的不锈钢丝网，同时在上面放置300目的钢丝网来拦截污泥颗粒；活塞的底部为阳极，阳极板采用厚度为8 mm的不锈钢板，阳极电解产生的气体通过17个直径8 mm的孔来排出，脱水过程中的机械压力通过在活塞上部的重物来提供，并使污泥与电极充分接触.实验通过稳压稳流直流电源(LPS606D，深圳市乐达精密工具有限公司)供电，用2个万用表(VICTOR 86E，深圳市胜利高电子科技有限公司)分别记录电压和电流，污泥饼的温度采用热电阻测定，并由无纸记录仪实时记录，反应器的下方布置电子天平，记录脱除水分的质量.为验证实验的重现性，每组实验至少重复两次.
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| 图 1 电渗透脱水装置 Fig. 1 Electro-dewatering reactor |
污泥电渗透脱水过程中理论含水率通过污泥初始含水率和电子天平实时记录的脱水量计算得到，具体计算方法如式(1)所示.
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(1) |
式中，W为电渗透脱水过程中污泥的理论含水率；W0为脱水污泥的初始含水率；M为脱水污泥的初始质量(g)；m为电子天平实时记录的脱水量(g).
脱水过程中的含水率降低速率通过式(2)计算得出，为保证数据的代表性，分别取3次不同时间点计算得到平均值.
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(2) |
式中，Rw为含水率降低速率(min-1)；W1和W2为取样时间t1和t2对应的理论含水率.
2.3.2 污泥性质测定方法污泥的pH值和电导率测定方法：取污泥样品5 g置于150 mL具塞磨口锥形瓶中，加入50 mL无CO2蒸馏水浸泡，密封，于室温下振荡4 h后离心5 min，取上清液测定pH值(中华人民共和国建设部, 2005)和电导率.污泥的含水率和有机质含量通过重量法测定(中华人民共和国建设部, 2005)；化学需氧量(COD)采用快速密闭催化消解法测定(国家环境保护总局, 2002).
3 结果与讨论(Results and discussion) 3.1 单因素实验分析 3.1.1 电流密度对污泥电渗透脱水效果的影响准确称取75.0 g实验污泥，控制电流密度分别为127.3、152.8、178.3、203.7 A·m-2，机械压力为25.5 kPa，当电压超过60 V时结束实验，记录出水量并计算污泥的实时含水率和含水率降低速率，实验结果如图 2所示.
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| 图 2 电流密度对电渗透脱水效果的影响(a.含水率，b.含水率降低速率和最终含水率，不同大(小)写字母表示差异显著，下同) Fig. 2 Effect of electric current density on electro-dewatering |
由图 2a可以看出，在某一恒定的电流密度下，电渗透脱水过程中含水率的降低速率保持恒定，而且对于不同的操作电流，当设定了最终的电压限值，污泥电渗透脱水后的最终含水率基本一致，随着电流密度的增加，脱水后的最终含水率分别为56.0%、56.9%、56.2%、59.4%，均低于60%.图 2b给出了不同电流密度条件下污泥电渗透脱水的含水率降低速率和脱水后的最终含水率.结果表明，含水率降低速率随着电流密度的增加呈显著性增加，电流密度每增加25 A·m-2，含水率降低速率分别提高0.5%、0.8%、1.0% min-1，脱水后污泥的最终含水率随着电流密度的增加差异并不显著.因此，对恒电流模式下的电渗透脱水，增加操作电流可以显著提高含水率降低速率，缩短脱水时间，但对于污泥的最终含水率没有显著影响.
通过电渗透脱水过程中污泥电阻的变化(图 3)可以看出，不同电流密度条件下污泥脱水前期电阻基本相同，而污泥的电阻是由其组成和理化性质共同决定的，这说明不同电流密度条件下电渗透脱水前期污泥性质的变化趋势相同，污泥含水率降低速率的变化主要取决于电流密度.根据Helmholtz-Smoluchowski理论，电渗透脱水的出水速率与电流成正比(Citeau et al., 2011；董立文等, 2013)，这一方面是因为在均匀电场中，当电阻相同时(图 3)，电场强度E随电流密度的增大而增大；另一方面是因为在较高的电流密度下污泥中的带电离子更加活跃，在电场力的作用下，带负电荷的污泥颗粒和带正电荷的水分子向两极迁移的速度加快(冯源等, 2012)，提高了污泥的脱水速率，因此，在恒电流模式下，污泥含水率降低速率随着电流密度的增加而增加.随着脱水的进行，当污泥的含水率降至60%左右，污泥的电阻急剧升高(图 2a和图 3)，此时污泥的含水率降低速率取决于电流密度和污泥本身性质，这与Olivie等(2015)的研究结果一致.
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| 图 3 电渗透脱水过程中污泥电阻的变化 Fig. 3 Changes of sludge resistance on electro-dewatering |
准确称取75.0 g实验污泥，通过活塞上重物控制机械压力分别为13.7、19.6、25.5、31.4 kPa，电流密度为178.3 A·m-2，当电压超过60 V时结束实验，记录出水量并计算污泥的实时含水率和含水率降低速率，实验结果如图 4所示.
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| 图 4 机械压力对电渗透脱水效果的影响(a.含水率，b.含水率降低速率和最终含水率) Fig. 4 Effect of mechanical pressure on electro-dewatering |
由图 4a可知，增大机械压力对污泥含水率降低速率总体影响不大，机械压力每增加6 kPa，含水率降低速率平均增加0.1% min-1，但对污泥脱水后的最终含水率有显著性降低(图 4b)，当机械压力大于19.6 kPa时，最终含水率可降到60%以下.随着机械压力的增加，脱水后的最终含水率从62.1%降至52.8%，污泥实际减重约20%，大大减少了污泥的体积.但对于脱水过程中的含水率降低速率，增加机械压力虽然有显著性差异，但实际值差别并不大，范围在4.0%~4.5% min-1之间.
实验结果发现，当脱水时间相同时，不同机械压力下污泥的含水率基本相同，但脱水后的最终含水率差异显著.这可能是因为污泥是高度可压缩材料(Manhmoud et al., 2016)，对于干污泥，在传统机械压力脱水后，污泥颗粒已被充分压实，所以在污泥承受的压力阈值内增加压力，对污泥电渗透脱水的含水率降低速率的提高并没有显著影响，但由于脱水过程中污泥水分的去除，为保证剩余水分的重新分布及污泥与电极之间的紧密接触，应提供足够的机械压力.在电场力的作用下，污泥内水分部分被脱除，剩余水分在污泥内形成自阳极向阴极递减的浓度梯度，当达到脱水极限时，较高的机械压力有助于促进污泥内尽可能多的水分重新分布，延长了脱水时间，因此，污泥的最终含水率随着机械压力的增加而降低.
3.1.3 污泥厚度对污泥电渗透脱水效果的影响分别称取67.5、75.0、82.5、90.0 g实验污泥，对应的厚度分别为0.8、1.0、1.2、1.4 cm，控制电流密度为178.3 A·m-2，机械压力为25.5 kPa，当电压超过60 V时结束实验，记录出水量并计算污泥的实时含水率和含水率降低速率，实验结果如图 5所示.
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| 图 5 污泥厚度对电渗透脱水效果的影响(a.含水率，b.含水率降低速率和最终含水率) Fig. 5 Effect of sludge thickness on electro-dewatering |
从图 5a可以看出，污泥含水率降低速率随着污泥厚度的增加而降低，最终含水率随着污泥厚度的增加有明显的升高.当污泥厚度低于1.2 cm时，污泥的最终含水率可降至60%以下.结合图 5b可知，增加污泥厚度对减小含水率降低速率和提高最终含水率均有显著影响，当污泥厚度每增加0.2 cm时，污泥的含水率降低速率减少约0.5% min-1，最终含水率提高约3%.
分析原因一方面是因为污泥厚度的增加使其内部阻力增大，阻碍了带负电荷的污泥颗粒和带正电荷的水分子向两极的迁移速度，污泥的含水率降低速率因水分子电渗作用和污泥颗粒电泳作用的减弱而降低；另一方面是因为污泥电渗透脱水过程中，阳极板附近污泥的水分最先被脱除，污泥电阻增大，而阴极附近污泥的含水率相对较高，污泥电阻较低(Ho et al., 2001)，因此，导致含水率较高的阴极侧污泥的局部电压小于含水率低的阳极侧污泥(Saveyn et al., 2006)，限制了电渗透脱水进程.当增加污泥的厚度，含水率较低的污泥量也会有所增加，因此，污泥出水速率更慢(李亚林等, 2017).污泥厚度的增加使总体水分含量也增加，提高了污泥的电渗透脱水总负荷，同时由于脱水速率的下降，导致越厚污泥的最终含水率也就越高.
3.1.4 初始含水率对污泥电渗透脱水效果的影响通过自然风干控制污泥的初始含水率分别为76.1%、79.4%、81.5%，并各称取75.0 g置于反应器中，控制电流密度为178.3 A·m-2，机械压力为25.5 kPa，当电压超过60 V时结束实验，记录出水量并计算污泥的实时含水率和含水率降低速率，实验结果如图 6所示.
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| 图 6 初始含水率对电渗透脱水效果的影响(a.含水率，b.含水率降低速率和最终含水率) Fig. 6 Effect of initial water content on electro-dewatering |
由图 6a可以看出，污泥含水率降低速率随着初始含水率的增加而增加，虽然初始含水率高的污泥水分含量较高，但通过电渗透脱水后，初始含水率高的污泥比初始含水率低的污泥的最终含水率更低.结合图 6b可知，随着初始含水率的增加，污泥的含水率降低速率和最终含水率差异显著，含水率降低速率分别提高0.8%和0.9% min-1，最终含水率分别降低3.3%和2.7%.由实验结果可知，当初始含水率为76.1%，污泥通过电渗透作用，含水率可下降10%；当初始含水率为81.5%时含水率可下降25%，初始含水率较高的污泥电渗透脱水性能显著提高.
这是因为含水率较高时，污泥内间隙水与表面水相对含量较高，降低了污泥的黏度和电阻，提高了污泥的导电性能，使电渗和电泳作用更加明显(Manhmoud et al., 2010).因此，在电场力的作用下，带负电荷的污泥颗粒和带正电荷的水分子更容易迁移运动，提高污泥的含水率降低速率.虽然初始含水率较高的污泥内的总体水分含量有所增加，但与增加污泥厚度相比，因污泥量不变(75.0 g)，其总水分增加量很少，电渗透脱水的总负荷基本不变；同时由于污泥电阻的降低，初始含水率较高的污泥比初始含水率低的污泥达到电压限值(60 V)的时间更长，综合作用使初始含水率较高污泥的最终含水率显著降低.
3.2 不同操作条件下污泥电渗透脱水能耗的分析根据不同操作条件下污泥电渗透脱水结果，通过式(3)计算脱水过程中的能耗.
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(3) |
式中，E为脱除单位水分所需能耗(kW·h·kg-1)；P为脱水过程中的总能耗(kW·h)；m为电子天平实时记录的脱水量(g)；U(t)为脱水过程中电压随时间的变化(V)；I为脱水过程中的恒定电流(A).
表 2列出了在不同操作条件下污泥进行电渗透脱水后，当电压达到60 V时污泥最终含水率及去除单位水分所需要的能耗.从表 2可以看出，当污泥初始含水率为76.1%~81.5%时，在恒电流模式下，电压达到60 V所需时间为310~770 s，污泥电渗透脱水后的最终含水率通过调整操作条件可降至60%以下，此时脱水的单位能耗范围为0.135~0.269 kW·h·kg-1.
| 表 2 不同操作条件下电渗透脱水电压达60 V时污泥的含水率及所需能耗 Table 2 Water content and energy consumption when the electro-dewatering voltage reaches 60 V under different operating conditions |
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增加电流密度，污泥脱水能耗呈先增加后降低的趋势，这是由于污泥脱水时间缩短和热能损失提高的共同作用.当电流密度较高时，水分可以较快地从污泥中脱除，根据欧姆定律，污泥电压会更容易达到限定值(60 V)，从而有效地缩短脱水时间，降低脱水的总能耗；同时根据焦耳定律，热能的产生与电流的平方成正比，污泥脱水中的热能损耗随电流的增加而增加.当电流密度较低时(< 152.8 A·m-2)，欧姆热对总能耗影响较大，当电流密度较高时，脱水时间对总能耗的影响占主要作用，因此，应控制脱水过程中的电流密度以保证能耗与脱水时间之间的平衡.
污泥电渗透脱水前的初始含水率对最终脱水能耗具有显著影响，当初始含水率为76.1%时，降低14%含水率的能耗为0.269 kW·h·kg-1，而初始含水率为81.5%时污泥降低25%含水率的能耗为0.158 kW·h·kg-1，说明恒电流模式下，污泥电渗透脱水应保持较高的初始含水率以降低脱水的能耗.
机械压力和污泥厚度对电渗透脱水的能耗影响效果不明显，机械压力为13.7 kPa和31.4 kPa时脱水能耗仅相差2.5%.增加污泥厚度导致的能耗变化是污泥电阻增加和最终含水率降低共同作用的结果.但机械压力对污泥电渗透脱水后最终含水率影响显著，因此，在实际工程应用时应考虑脱水后的含水率，同时结合脱水污泥的厚度来控制所需的机械压力.
3.3 正交实验及结果 3.3.1 正交实验设计根据单因素实验的结果，对电流密度、机械压力、污泥厚度和初始含水率4个因素设计三水平的正交实验，对恒电流模式下污泥电渗透效果进行优化.表 3为正交实验的因素和水平，表 4为正交实验的结果.
| 表 3 正交实验因素和水平 Table 3 Factors and levels of orthogonal experiments |
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| 表 4 正交实验结果 Table 4 Results of orthogonal experimental |
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对正交实验结果通过SPSS 22.0软件进行多因素方差分析，结果如表 5所示.由表 5可知，对于含水率降低速率和最终含水率，修正后的模型F值分别为710.678、125.549，p值均小于0.001(p < 0.05即可视为模型显著)，说明模型总体具有显著性(王雅辉等, 2017).同时，模型的决定系数R2分别为0.998、0.991，调整决定系数Radj2分别为0.997、0.983，R2-Radj2均小于0.2，说明模型的可信度和精密度较高.
| 表 5 多因素方差分析结果 Table 5 Results of multivariate variance analysis |
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对于含水率降低速率，各因素按对其影响大小的顺序依次为：电流密度 > 初始含水率 > 污泥厚度，机械压力则无显著性影响.而各因素对污泥最终含水率的影响大小顺序依次为：初始含水率 > 机械压力 > 污泥厚度，电流密度对其则无显著性影响，这与单因素实验结果相符.综合脱水后的能耗，恒电流模式下污泥电渗透脱水的最佳参数是电流密度为178.3 A·m-2，机械压力为31.4 kPa，污泥厚度为0.8 cm，初始含水率为81.5%，在此参数下进行3次重复实验，污泥最终含水降至51.3%.
污泥的实时含固率与各因素之间存在如式(4)的关系(Olivier et al., 2015).
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(4) |
式中，S为污泥的实时含固率；Ki为取决于污泥性质的经验常数；S0为污泥电渗透脱水前的初始含固率；MDS为污泥电渗透脱水前的干固体含量(g)；I为脱水过程中的恒定电流(A)；t为电渗透脱水时间(s).通过式(4)对时间求导数，并将式(5)带入，最终可以得出式(6).
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(5) |
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(6) |
式中，A为电极板的面积(m2)；L0为污泥电渗透脱水前的初始厚度(cm)；W为污泥的实时含水率；W0为污泥电渗透脱水前的初始含水率；J为电流密度(A·m-2).由式(6)可知，污泥的含水率降低速率与电流密度呈线性正比关系，与污泥厚度和初始含固率呈线性负比例关系，这为污泥电渗透脱水的可操作性提供了量化依据.
4 结论(Conclusions)1) 恒电流模式下，当设定电压限值为60 V，通过调整工艺参数，污泥电渗透脱水的最终含水率可降至60%以下，满足我国污泥后续处置的要求.最终含水率随着机械压力和初始含水率的增加及污泥厚度的降低而降低，电流密度对其影响效果较小.
2) 在恒电流模式下，脱水过程中污泥含水率的降低速率保持恒定，增加电流密度和初始含水率及降低污泥厚度对污泥电渗透脱水速率有促进作用，机械压力对其影响不明显，且各影响参数之间保持定量的比例关系.
3) 污泥电渗透脱水在恒电流模式下的最佳工艺参数是电流密度为178.3 A·m-2，机械压力为31.4 kPa，污泥厚度为0.8 cm，初始含水率为81.5%，脱水后污泥最终含水率降至51.3%.
4) 电渗透脱水在恒电流模式下的单位能耗范围为0.135~0.269 kW·h·kg-1，污泥初始含水率对电渗透脱水能耗影响最大，初始含水率每增加2%，单位能耗平均降低0.05 kW·h·kg-1.而电流密度对其能耗的影响在1.0~1.6 A·m-2之间呈现先增大后减小的趋势，机械压力与污泥厚度对污泥电渗透脱能耗的影响最小.
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