江南,电压强度对污泥电脱水效能及滤液有机物特征的影响 鲁 子烨 1, 张 堯 2, 徐 硕 3,* , 杨 帆 4 1.中国海洋大学环境科学与工程学院，青岛 266100 2.华北水利水电大学环境与市政工程
时间：2023-11-16
焦点提醒：电压强度对污泥电脱水效能和滤液无机物特点的影响鲁 子烨 1, 张 堯 2, 徐 硕 3,* , 杨 帆 41.中国海洋年夜学情况科学与项目学院，青岛 2661002.华北水利水电年夜学情况与市政项目学院，郑州 4500453.中国科学院生态情况研究中间，北京 1000854.天津农学院项目手艺学院，天津 300384
情况项目学报, 12(12): 3333-3340
DOI10.12030/j.cjee.201809016 中图分类号 X703 文献标识码 A
鲁子烨, 张堯, 徐硕, 等. 电压强度对污泥电脱水效能和滤液无机物特点的影响[J]. 情况项目学报,2018,12(12):3333-3340.LU Ziye, ZHANG Yao, XU Shuo, et al. Effect of voltage intensity on sludge electro-dewatering efficiency and characteristics of organic matters in filtrate [J]. Chinese Journal of Environmental Engineering,2018,12(12):3333-3340.电压强度对污泥电脱水效能和滤液无机物特点的影响鲁 子烨1, 张 堯2, 徐 硕3,*, 杨 帆41.中国海洋年夜学情况科学与项目学院，青岛 2661002.华北水利水电年夜学情况与市政项目学院，郑州 4500453.中国科学院生态情况研究中间，北京 1000854.天津农学院项目手艺学院，天津 300384第一作者：鲁子烨(1997—)，女，本科生，研究标的目的：情况污染节制。E-mail：tiffany835234947@163.com*通讯作者，E-mail：ncwuxushuo1002@126.com收稿日期: 2018-09-03； 录用日期: 2018-09-13基金项目: 国度天然科学基金帮助项目（51308392）
摘 要 为优化污泥电脱水进程节制和明白其要害影响身分，考查了分歧电压强度（0、15、35和55 V）对污泥电脱水结果的影响，并基在三维荧光光谱和份子质量散布的阐发，研究了阴阳南北极滤液中消融性无机物的含量和组分转变。研究成果注解，跟着电压强度增添，污泥脱水结果获得晋升，在55 V电压强度下，阳极脱除滤液量相较在无电压感化下的48 mL增添到60 mL，阴极滤液量由对比的90 mL增添到102 mL。电场的感化可以使污泥絮体中卵白质类年夜份子无机物向阴极迁徙。是以，电场辅助具有晋升机器压滤脱水结果的感化，这类感化与电场感化下污泥絮体中卵白质类无机物的迁徙相关，而且，电压越强，这类感化越显著。而卵白质的迁徙致使其对水份子的束厄局促和絮体间的静电均衡的改变，多是污泥机器脱水效力获得晋升的主要缘由。要害词 污泥;电渗入;脱水机能;无机物Effect of voltage intensity on sludge electro-dewatering efficiency and characteristics of organic matters in filtrateLU Ziye1, ZHANG Yao2, XU Shuo3,*, YANG Fan41. College of Environmental Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100,China2. Institute of Environmental and Municipal Engineering, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China3. Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085,China4. Institute of Engineering and Technology, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300384,China*Corresponding author，E-mail：ncwuxushuo1002@126.comAbstract To optimize the electro-dewatering process and clarify the key factors related to dewatering efficiency. This study investigated the effects of different voltage intensities (0, 15, 35 and 55 V) on sludge electro-dewatering efficiency. And the concentration and composition of dissolved organic matter in the filtrate of both anode and cathode were also investigated according to 3D-EEM and molecule weight distribution analysis. The results showed that with the increase of voltage intensity, the dewatering efficiency increased. At voltage intensity of 55 V, the amount of dewatered filtrate increased from 48 mL to 60 mL at anode, and 90 mL to 102 mL at cathode compared with mechanical pressure filtration dewatering. Electric field can make the proteins in sludge flocs migrate to cathode. Thus, an assisted electric field is benefit for enhancing sludge mechanical dewatering. And this effect is related to the migration of proteins in sludge flocs under an electric field. The stronger the voltage was, the more obvious this effect was. It was concluded that the reducing hydration with proteins and breakage of the electrostatic balance between sludge flocs may result in the improved efficiency of sludge mechanical-dewatering.keywords sludge;electro-osmotic dewatering;dewaterability;organic matters污泥作为污水生物处置进程发生的副产品，其因复杂的絮体布局和水的散布，具有高的含水率并难以被机器脱水，常规的污泥机器脱水装备常常使污泥含水率下降到80%，难以知足后续处置要求，而较年夜的污泥体积，使污泥的运输费用高，污泥运输难度年夜，占用年夜量的地盘资本[1]。是以，开辟高效的污泥脱水手艺是今朝该范畴的主要研究内容。污泥是一种高度可紧缩的亲水性流体，污泥中水的具有形态包罗游离水（约占70%）、间隙水（约占20%）、吸附水（约占7%）和连系水（约占3%）[2]，保守机器脱水体例对污泥脱水感化无限，最近几年来，在机器脱水的根本上施加电场，辅助脱水，能够实现深度脱水结果[3]。污泥絮体概况带负电荷，在其外层集聚集一层较高密度的正电荷构成双电层，当有外在电场具有时，带负电的污泥絮体味朝阳极标的目的迁徙，同化在污泥絮体中的水则会向阴极渗入，在这个进程中陪伴着电泳、电迁徙和电渗入等动电现象[3-4]。MAHMOUD等[3]研究注解，污泥机器-电脱水进程能够分为5个进程，起首是机器压滤使污泥中年夜部门游离水脱出，然后污泥絮体朝阳极迁徙，当泥饼构成后污泥絮体将住手迁徙，随后电极长进行的电化学反映使得污泥系统保持电荷均衡从而脱水状况继续保持，最初当水份不再是持续相时，全部系统电阻升高发生年夜量的欧姆热，全部脱水进程竣事。CHU等[5]从污泥微不雅形态、孔隙率等角度阐发认为，在程度电场零丁电脱水初始阶段，阳极四周有较着的污泥堆积现象，而水份则因电渗感化在阴极年夜量堆积，随后从阴极排出，实现脱水。另外，CITEAU等[6]比力研究了单侧排水和两侧排水2种程度电场电脱水工艺，发觉两侧排水工艺可在80 A·m−2电流密度前提下与机器压力连系，使污泥含水率降至60%摆布。污泥系统中胞外聚合物（extracellular polymeric substances，EPS）占到污泥中无机物的60%~80%[3]，而EPS散布和构成对污泥脱水机能的影响较为显著[7-11]。是以，研究污泥电脱水进程中EPS的转变，对理解电脱水进程和机制尤其主要。PHAM等[12]认为污泥中含有年夜量带负电荷的无机物，是以，在电脱水进程中，这些无机物会随污泥朝阳极挪动，导致阳极污泥无机物多在阴极。QIAN等[13]对污泥磁粉调度-程度电脱水工艺进程中EPS的转变进行了研究，发觉在调度阶段污泥中EPS含量显著下降，无机物由固相向液相中进行迁徙，而在电脱水阶段，污泥絮体破解，无机物释放，EPS含量升高。GUO等[14]提出了一种活性污泥Mn（Ⅲ）调度-程度电场电脱水工艺，在电脱水进程中，pH和温度的改变使得污泥细胞破裂，束厄局促层和疏松层EPS迁徙至污泥外层，束厄局促水获得释放，污泥脱水机能提高。除此以外，LI等[15]研究发觉，电脱水进程中束厄局促层EPS中高份子质量（>5 000 Da）的无机物延续削减，而疏松层中则呈现了份子质量为43 000 Da的无机化合物，申明电脱水进程会使一部门高份子质量的无机物释放随后降解。明白电脱水进程污泥絮体EPS的迁徙转化特点和其与水份脱除的关系，对深切熟悉污泥电脱水进程，晋升电脱水效力意义严重。电脱水进程影响脱水结果的主要身分包罗电脱水电压、时候、电极板间距和污泥特点等[16-18]。是以，本研究选用经常使用的电压强度作为节制身分对污泥电脱水结果和阴阳南北极EPS含量的区域化散布进行了阐发，以期为理解污泥电脱水进程机制、开辟新型工艺供给参考。1 尝试部门尝试材料。残剩污泥取自北京市北小河污水处置厂，该水厂的处置范围为10万m3·d−1，采取UCT与MBR组合工艺和MBR与RO组合工艺。残剩污泥根基特点如表1所示。
表1污泥的根基性质Table 1Characteristics of sludge本研究所用电脱水装配如图1所示，该装配参考CITEAU等[19]的尝试装配所设想。首要由一个圆柱活塞压滤腔室（横截面积25 cm2, 容量62.5 cm3）、直流稳压电源（MAISHENG-603, 0~3 A; 0~60 V）、温度计和2个精准天平构成。电极选用的是镀钌钛电极，滤布孔径为50 mm。本研究所用机器压力为0.5 MPa，电压为55 V，压滤时候为1 h。
图1电渗入脱水装配Fig. 1Electro-osmosis dewatering device污泥理化性质测定。因为污泥自己电导率较低，在进行电脱水尝试之前需向污泥中插手适当Na2SO4进行调度，然后用干法改性活性炭材料[20]别离调度污泥：取200 mL污泥在烧杯中，炭材料按干污泥量的百分比0.08 g·g−1进行投加，放置好烧杯，启动磁力搅拌装配，以900 r·min−1搅拌20 min后静置，将调度好的污泥进行电渗入尝试，搜集泥饼和阴阳极滤液。在本尝试中，搜集阴阳南北极的滤液，将滤液过0.45 μm的滤膜，所获得的溶液为污泥中的消融性无机物（dissolved organic matter, DOM）。DOM总量采取Torch 燃烧主动进样阐发仪（Teledyne Tekmar，USA）测定。pH采取pHS-3C（中国上海）pH 计测定。经由过程三维荧光光谱和份子质量散布特点来进一步表征滤液中消融性无机物的特点。三维荧光光谱采取荧光光度计（Hitachi F-4500，Japan）测定。激起波长区间为200~400 nm，波长间距为10 nm，发射波长区间为220~550 nm，波长间距亦为10 nm。光谱的扫描速度为12 000 nm·min−1。荧光峰的位置、强度和分歧荧光峰的强度比例均不会遭到离子强度的影响[21]。份子质量散布经由过程高效体积排阻色谱（HPSEC）测定。由Waters2487双波长接收检测器、Waters1525泵构成。分手所用色谱柱为Shodex KW 802.5 柱。活动相为用 Milli Q 水配制的5 mmol·L−1的磷酸盐缓冲液和0.01 mol·L−1NaCl 溶液，配制后用0.22 μm的膜过滤，然后超声波脱气15 min。活动相流速为0.8 mL·min−1，进样量为200 μL。聚苯乙烯磺酸钠（PSS）作为份子质量的尺度物资，标线中所用的PSS份子质量别离为1.8、4.2、6.5和32 kDa[22-23]。2 成果与会商2.1 电场强度对污泥电渗入脱水结果的影响图2为电渗入脱水进程中电场强度对脱水结果的影响。在分歧的电场强度（0、15、35和55 V）下，污泥的脱水速度遭到较着的影响，而且阴极滤液多在阳极滤液，跟着电压增添，污泥的脱水速度变快，终究脱出的滤液量增加。如在55 V电压强度下，阳极脱除滤液量相较在无电压感化下的48 mL增添到60 mL，这首要是由于，电压感化下，耽误了到达最年夜滤液脱除量的时候，使污泥获得更进一步的脱水。一样地，阴极滤液量由对比的90 mL增添到102 mL。与阳极分歧，55 V的电压强度下，阴极脱水速度也获得了晋升。按照MAHMOUD等[3]研究，电脱水进程中电渗入的速度与污泥导电性和电场强度呈正相干，跟着电压加强，电脱水结果可获得加强。其关系如式（1）所示。 v⇀eo=Dζ4πμ∇Φ （1） 式中：v⇀eo是电渗入速度；D是污泥系统的介电常数；μ是动力黏度系数；ζ是Zeta电势；▽Φ是加在介质中的电压。
图2分歧电压对污泥电渗入脱水结果的影响Fig. 2Effect of different voltage on sludge electro-osmotic dewatering2.2 污泥电渗入滤液DOM特点2.2.1 阴阳南北极滤液DOM含量图3是阴阳南北极滤液中DOM含量，跟着电压强度的增添，阴阳南北极的DOM含量均增添，阴极滤液中DOM含量高在阳极，在未施加电压时阴阳南北极滤液DOM含量别离为22.5 mg·L−1和22.6 mg·L−1，差别较小。当电压增添到55 V时，阴阳南北极滤液DOM含量别离为31.8 mg·L−1和35 mg·L−1。在电脱水进程中阴阳南北极产生电化学反映，阴极发生OH−，阳极发生H+，按照ZHANG等[24]的研究，酸碱性感化城市使EPS消融，并且碱性情况相较在酸性情况更能促使EPS的溶出，跟着电压强度的增添，电化学反映强度加强，阴阳南北极pH梯度差别增年夜，从而使得南北极滤液DOM含量增添，电压的增添也会使得阴极的碱化感化加强，使得阴极的EPS年夜量的溶出。是以，跟着电压的增添，阴极滤液的DOM含量增添，并且增添幅度年夜在阳极。据在晓艳等[25]研究注解，跟着污泥EPS总量的下降和卵白质/多糖比例的增添，污泥的脱水机能可以或许获得改良，响应地，电渗入脱水的结果较着晋升。而本研究中，电压强度的提高致使更多的EPS溶出，这多是污泥脱水机能获得改良的缘由之一。
图3阴阳南北极滤液DOM浓度Fig. 3DOM concentration of filtrate2.2.2 阴阳南北极滤液DOM组分阐发如图4所示，按照三维荧光光谱阐发，污泥滤液中无机物含有色氨酸类卵白（&l����APPambda;ex/λem=280 nm/335 nm，Peak A）、芬芳类卵白（λex/λem=225 nm/340 nm，Peak B）、腐殖酸（λex/λem=330 nm/410 nm，Peak C）和富里酸（λex/λem=275 nm/425 nm，Peak D）[26]。而且，阳极滤液中卵白质类无机物的含量低在阴极滤液，当电压为0 V时，阳极和阴极滤液的4个荧光峰Peak A、Peak B、Peak C和Peak D的峰值别离为530.4、282.3、242.8、190.5和531.6、397.0、258.7、231.0，当电压为55 V时阳极和阴极的荧光峰别离为601.9、342.6、249.0、185.1和850.2、618.2、268.6、256.9，阴极荧光峰值升高超显，这是由于阴极的电解反映使阴极区域偏碱性，碱性前提会使污泥中的胞外聚合物EPS年夜量消融，所以阴极滤液的无机物含量比阳极滤液高，另外阳极还会有氧化感化，会使卵白质和腐殖酸类物资分化。
图4分歧电压强度对南北极滤液组分的影响Fig. 4Effects of voltage intensity on the composition of two polar filtrateDOM中消融性无机物的份子质量散布阐发注解，脱水滤液中无机物的份子质量分为3个部门：年夜份子无机物（份子质量>5 000 Da），如卵白质和多糖；平分子质量组分（1 000~5 000 Da），首要为腐殖酸类无机物；低份子质量组分（<1 000 Da），为份子骨架物资[27]，从图5中能够看出，污泥滤液中首要是平分子质量和年夜份子质量物资，即腐殖酸和卵白质类无机物，阴极中卵白质类份子质量峰更多、峰值更高，申明阴极滤液中的卵白质类物资含量更高，而平分子质量物资峰值阴阳两级滤液并没有表示出太年夜的差别。此中，跟着电压增添，阳极滤液年夜平分子质量峰3 600 Da和3 000 Da消逝，这首要是由于阳极的氧化感化将平分子质量物资分化，这与三维荧光的成果分歧。是以，电渗入在污泥脱水中的感化，不单单是致使水份子的定向迁徙，也对污泥絮体特殊是卵白质类无机物的散布发生了影响。李亚林等[28]研究注解，电渗入对污泥中的胞外聚合物有较着的粉碎感化，对疏松附着性EPS和粘液层EPS粉碎较着，而EPS与污泥脱水、絮凝效能的相干性显著，首要归因在胞外卵白质。电渗入对EPS中卵白质的影响，对污泥脱水效能的晋升具有主要意义。
图5分歧电压强度对阴阳南北极滤液份子质量的影响Fig. 5Effect of voltage intensity on molecular weight of filtrate at anode and cathode污泥中无机物特殊是卵白质类年夜份子无机物与污泥的脱水机能关系紧密亲密。在污水处置厂现实污泥机器脱水进程中，常常冬季污泥相较在夏日更难在脱水，其可能与冬季污泥中无机质含量较高有着间接关系[29]。这首要是由于，污泥无机物组分中约40%为卵白质类，而卵白质含有羧基、氨基等官能团，具有带电特征，易与水产生水合感化[30]。是以，污泥中卵白质类无机物的含量和其散布的转变与污泥脱水机能间接相干。上述三维荧光、份子质量散布特点的成果注解，电脱水进程电压强度对污泥中卵白质的散布发生较着的影响，电压强度增添，阴极将有更多的卵白质类无机物具有，污泥絮体中卵白质类无机物得以消融释放。经由过程电场的感化，不单使水份子产生定向迁徙，带电荷的消融性卵白质类无机物也产生反标的目的迁徙，一方面，下降了卵白质对水份子的水合感化，另外一方面，卵白质类无机物概况电荷在电场感化下迁徙，打破了污泥原本的双电层布局，使水份更轻易被挤压脱除。3 结论1）电场辅助具有晋升污泥机器压滤可脱水水平的感化，跟着电压强度的增添，阴阳极脱水滤液量都较着增添，在55 V电压强度下，阳极脱除滤液量相较在无电压感化下的48 mL增添到60 mL，阴极滤液量由对比的90 mL增添到102 mL。阳极表示为脱水时候的耽误、可脱水水平的提高，而阴极表示为脱水速度和可脱水水平的同时晋升。2）电场的辅助强化污泥机器压滤脱水感化，与污泥絮体和滤液中卵白质类无机物的迁徙相干。电场的感化可以使污泥絮体中卵白质类年夜份子无机物向阴极迁徙，而且，电压越强，这类感化越显著。而卵白质类无机物与污泥脱水机能紧密亲密相干，猜测电场感化下卵白质类年夜份子无机物在从污泥絮体中释放和向阴极迁徙，从而下降水合感化并打破污泥絮体间的静电均衡，这多是电场辅助强化脱水的主要缘由。参考文献 - 张强，刘欢，刘鹏，等. 调度剂对深度脱水污泥热解特征的影响[J]. 化工学报,2014,65(4):1396-1402.
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