农村一体污水处理一体化设备

污水处理厂机械脱水后污泥为研究对象，采用外加电极构成直流电场的方式，考察电渗处理后污泥理化性质、自由水和结合水形态在电场中的分布变化情况。以探明电渗脱水作用机理和脱水后污泥理化性质，为其后续利用提供参考。

　　1、材料与方法

　　1.1 实验原料

　　本实验中的污泥取自沈阳北部污水处理厂，受纳污水主要为城市居民生活用污水。此次实验采集污泥为机械脱水后污泥，取样后置于4℃冰箱中贮存备用。污泥含水率为80%~83%、ph为8.1、污泥初始总氮为41~45mg•g-1、总磷为15~17mg•g-1、有机质含量为55%~59%、电导率为426μs•cm-1。

　　1.2 实验装置

　　本实验装置如图1所示。装置采用有机玻璃板制成，阳极材料为钛基钌铱涂层电极，阴极材料为多孔纯钛。泥饼总质量为1075.51g。为使渗滤液顺利流出，在实验装置的阴极侧采用多孔玻璃隔板，隔板上每个小孔的直径为5mm。渗出液出口下方放置一个电子天平(精度g)，用来记录脱除水质量随时间的变化。实验装置两端放置正方形电极板，厚度为0.5mm。其中，阳极板选用钛基钌铱涂层电极，阴极板选用多孔纯钛电极(小孔直径约为5mm，共9个小孔)。为防止污泥颗粒随渗滤液流出，阴极板侧附耐热尼龙滤布。本实验电源选用rxn-605d-ii型双路稳压直流电源。

　　1.3 实验方法

　　污泥室中装入15cm高的脱水污泥，装样过程保证装样后沿电压方向各段污泥性质均一。电压梯度为6v•cm-1，实验过程中，每隔30min取阳极、阴极和中部污泥样品，测量1次，整个实验周期120min。污泥结合水取原泥和电渗处理后阳极、中部、阴极污泥样品进行测量。为保证实验结果的准确性，上述所有指标均平行测试3次，后结果取平均值。

　　1.4 分析方法

　　电渗liuliang使用质量差值法进行计算;含水率测定使用重量法；ph测定使用ph计；总氮测定使用碱性过硫酸钾法；总磷测定使用钼酸铵分光光度法；结合水含量采用美国ta公司生产的q1000差示扫描量热仪测定。

　　2、结果与讨论

　　2.1 电渗脱水对污泥理化性质的影响

　　2.1.1 污泥含水率时空分布变化

　　图2为污泥含水率随通电时间的变化。如图2所示，实验初始阶段，阳极、中部、阴极3处污泥样品的含水率基本相同。随着电渗脱水实验的进行，可看出阳极污泥含水率下降趋势为明显，由开始的84.7%降至50.4%;而阴极污泥含水率在30min处由开始的84.1%升至88.4%，而后又呈现下降趋势，直至实验结束，下降到68.4%;中部污泥含水率则持续下降，由初始的84.3%降至71.8%。在实验过程中，固体物料在与极性水相接触的界面上，由于发生电离或离子吸附作用，使其表面带有正电或负电，带电质点与液体中的反离子形成双电层结构。通常情况下，污泥颗粒带负电荷而污泥中的水分带正电荷，在电场力的作用下，水合阳离子会向阴极移动负载电流，并带动周围的自由水向阴极移动，带负电的污泥颗粒向阳极移动。因此，阳极在电渗过程中会富集带负电污泥颗粒，使其含固率快速升高，含水率逐渐下降。

　　实验初期，在电场力的作用下，阳极处污泥的水分迅速流向阴极，此时阳极流向阴极的水分补给速率大于水分从阴极的流出速率，故阴极附近污泥含水率有短暂的升高。随着实验的进行，阳极附近含固率逐渐增加，可迁移水分逐渐减少，ph持续降低，电渗不断衰减，使得阳极及中部水分不能迅速迁移到阴极，从而导致30min后阴极附近水分的流出速率超过其富集速率，导致阴极处含水率在实验后期呈下降趋势。中部污泥含水率从实验开始到结束一直呈下降趋势，说明中部附近水分持续在向阴极迁移。而在实验后期，由于阴极处发生了电解水反应，使得ph升高。leland等研究发现，ph升高会tigao污泥的电渗liuliang，使得阴极处脱水加快，所以中部污泥含水率超过阴极。

　　2.1.2 污泥ph时空分布变化

　　图3为污泥ph时空分布的变化。如图3所示，阳极附近污泥ph降低幅度为明显，由初始的8.1降至5.8;而阴极附近污泥的ph逐渐升高，由初始的8.1升至9.1；中部附近污泥ph变化不明显，稳定地维持在8~8.2。上述变化主要是由于在电渗脱水过程中，阳极和阴极附近会发生水电解反应。其中，阳极附近会发生氧化反应，产生一个酸性带，使阳极附近ph迅速降低；在阴极附近则发生还原反应，产生一个碱性带，使阴极附近ph升高。并且，在此过程中，部分h+和oh会在污泥中部发生中和反应，生成h2o。而且污泥本身还具有黏稠性质，内部的各种分子力较强，从而导致两端电极对中部污泥影响较小，所以中部附近的污泥ph变化不大。

　　2.1.3 污泥总氮含量时空分布变化

　　图4为实验过程中污泥中总氮含量时空的变化。如图4所示，阳极附近污泥中总氮含量呈下降趋势，由初始43.1mg•g-1下降至17.9mg•g-1；而阴极和中部污泥中的总氮含量呈缓慢上升趋势，中部污泥总氮含量由43.2mg•g-1逐渐上升至49.3mg•g-1，阴极污泥总氮含量由43.2mg•g-1逐渐上升至50.4mg•g-1。造成这种现象的原因可能是，随着污泥电渗脱水实验的进行，电极两端发生的电解反应和电渗透作用使污泥絮体两侧富集不同电荷，正负电荷作用使污泥絮体破裂，同时污泥细胞结构也遭到破坏，改变了污泥活性细胞膜的通透性，甚至造成细胞破壁，致使细胞内部的蛋白质及胞外蛋白等有机物质溢出。同时，电渗脱水过程中伴随电能向热能的转化过程，热效应也对污泥细胞破解具有一定的贡献作用。有研究[20]表明，当温度超过40℃时，部分蛋白质有可能受温度影响而引起变性。本实验过程中，在阳极、中间和阴极分别布设了温度传感器探头，实时监测实验过程中系统温度变化。监测结果显示，阳极温度高可达近90℃，因此，在电渗实验过程中产生的热效应也可能会将部分蛋白质分解成氨基酸，随电渗流向中部甚至向阴极附近迁移。同时，小分子氨基酸也会随污泥中自由水的迁移向中部及阴极移动。张书廷研究表明，污泥电渗透脱水的滤液约有一半的tn以氨氮的形式存在。由此可以判断，nh+4等带正电的离子也会向阴极迁移，从而导致阳极总氮含量下降、中部和阴极附近污泥总氮升高。可见，随着电渗脱水的进行，污泥中总氮含量由阳极向阴极逐渐升高。