摘要：通过电絮凝电压、极板间距、污泥初始pH及阳极材料等操作参数对污泥机械脱水效果影响进行考察，结果得出，相比原泥，当电压16 V、电絮凝20 min时，脱水后污泥含水率和比阻（SRF）分别降低了15%和1.74×1013 m/kg；极板间距为40 mm且阳极材料采用铁板时污泥的脱水性能更佳。污泥初始pH值为3~5时，污泥脱水后泥饼的含水率降低了约7.79%，SRF降低了1.54×1013 m/kg。通过响应曲面法电絮凝法操作参数的优化，得出当污泥pH为3.03，电压为16.22 V和电絮凝18.61 min时，污泥脱水性能较好，此时脱水后污泥的含水率为57.86%，SRF为5.5×1011 m/kg，较单因素实验中的最佳含水率与SRF各降低了2.16%、7.7×1012 m/kg。

　　关键词：污泥；脱水；电絮凝；响应曲面法

　　0引言

　　污泥脱水单元是污水处理工程中的关键环节，其脱水效率直接关系着处理成本及污泥后续的资源化利用程度。由于污泥本身的胶粒特性及胞外聚合物EPS对水分子很强的亲和性，使得污泥的脱水变得非常困难。常规的污泥脱水方法，如离心法或板框压滤法，需预先通过添加化学调理剂（如聚丙烯酰胺、聚合氯化铝、硫酸铁等）对污泥进行调质，但脱水之后污泥的含水率仍然在70%~80%[1-2]。电絮凝作为一种新型绿色的调质技术引起人们的重视，其主要是利用电场力的作用打破污泥的絮体结构，降低絮体的黏附力，从而促进泥水分离[3-4]。

　　与传统化学絮凝法相比，电絮凝法无需添加额外的化学物质，不存在二次污染，而且能够实现污泥更高程度的破解和絮体残片的显著絮凝[5]。电絮凝法费用低、生态效率高、操作简便、易于控制[6-7]。除此之外，电絮凝技术可有效去除污水或污泥中的重金属[8]。通过电絮凝耦合H2O2强化污泥松散型LB-EPS和紧密型TB-EPS蛋白质的释放，使污泥絮体发生重聚，实现电化学方法在同步污泥破解与沉淀脱水的双重效能的提高[9]。电絮凝对污泥的调理主要通过氧化和絮凝作用降低污泥毛细吸水时间CST，而且Al电极对剩余污泥具有更佳的电絮凝调理性能[10]。

　　基于电絮凝对污泥脱水的有利影响，本研究进一步探讨电絮凝过程中的电压强度、絮凝时间、pH和极板间距等因素对污泥脱水性能的影响；然而由于不同电压强度、污泥pH和絮凝时间参数之间存在交互影响作用，因此通过响应曲面法建立污泥电絮凝机械脱水模型，并对电絮凝脱水的参数条件进行优化。

　　1实验部分

　　1.1实验装置

　　污泥电絮凝装置为体积1 000 mL的有机玻璃方槽，阳极和阴极分别安放于电絮凝槽中间的卡缝，外加电流通过直流电源进行输送。电絮凝过程中通过电动搅拌器进行搅拌。

　　1.2实验材料

　　取自太原市某污水处理厂的剩余污泥。该厂采用奥贝尔氧化沟工艺，处理规模约为80 000 m3/d，处理后的水主要用于公园景观和部分资源回用，其出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）中的一级A标准。为保证污泥样品的质量，取回后的剩余污泥放入4℃冰箱，且放置时间不超14 d。污泥性质如表1所示。

　　1.3实验方法

　　1.3.1电絮凝操作条件对污泥脱水性能的影响

　　用硫酸或氢氧化钠将污泥初始pH分别调为3、5、7、9和11，之后向电絮凝槽中加入800 mL污泥。电絮凝的阴极为不锈钢板，阳极为铁板，搅拌器速度设置为150 r/min，极板之间的间隔为50 mm，电压强度为10 V，分别对污泥进行电絮凝调质。每间隔5 min从电絮凝槽中取出60 mL污泥进行真空抽滤脱水，抽滤真空度维持0.05 MPa不变，抽滤时间为5 min，抽滤之后测定污泥的含水率，同时测定污泥样品的SRF。

　　改变极板间距分别为20、40、60 mm，电压强度为10 V，其他操作参数不变，分别对原泥进行电絮凝处理，其他步骤同上。

　　其他参数不变，选择不同的电压强度10、12、14、16、18 V分别对原泥进行电絮凝调理或改变阳极材料为铝板分别对污泥进行电絮凝处理，其他步骤同上。

　　1.3.2响应曲面法的参数优化

　　选择污泥初始pH、电絮凝时间和电压为3个影响因素，以污泥比阻和脱水后污泥含水率为响应值，通过Box-Behnken响应曲面法，根据“1.3.1”的实验结果，进行三因素三水平的实验优化组合设计。污泥脱水的其他步骤同上。

　　1.4分析与测试指标

　　1.4.1含水率

　　采用烘箱干燥法进行测定[11]，其计算如式（1）：

　　式中：ω为污泥含水率，%；m0为污泥的初始质量，g；m1为污泥烘干至恒重的质量，g。

　　1.4.2污泥比阻

　　比阻（specific resistance to filtration,SRF，单位为m/kg）是衡量污泥机械脱水性能的一个重要指标，它与污泥内部的水分形态有密切关系。SRF越低，表明污泥的机械脱水能力越好[12-13]。其计算方法如式（2）：

　　式中：A为过滤面积，cm2；ΔP为脱水过程中施加的压力，Pa；c为曲线的斜率，s·cm-6；μ为滤液黏度，通常取值为0.001 Pa·s；W为污泥质量浓度，kg/m3。

　　2结果与讨论

　　2.1污泥初始pH对污泥机械脱水性能的影响

　　污泥初始pH是影响污泥脱水能力的关键因素之一。污泥的酸碱性影响其表面所带电荷的大小，一般认为，酸性环境会提供H+压缩污泥的双电层，减小污泥之间的静电排斥力，使污泥发生聚集。污泥初始pH对其机械脱水能力的影响如图1所示。从图1-1中可以看出，与原泥相比（pH=7.5），随着pH的降低，污泥含水率逐渐降低，但是pH=5时污泥含水率要低于pH=3时的情况，电絮凝20 min时其含水率降至67.2%，比原污泥降低了7.8%；而随着污泥pH的增加，污泥变得碱性更大，其脱水能力逐渐降低，当pH为11，电絮凝20 min时泥饼含水率升高至78.6%。这是因为酸性条件下污泥的生物絮体被溶解破坏，其表面吸附的大量结合水也随之释放，同时污泥表面负电荷被一部分正电荷H+中和，当污泥聚集到一定距离时静电排斥力下降，污泥体系不稳定，容易发生聚集，因而脱水能力较好。而当污泥在碱性条件下时部分氢氧根离子会增加污泥表面的负电荷，污泥颗粒间的静电排斥力增大，污泥不容易聚集；同时碱性条件也会造成污泥细胞和胞外聚合物发生破解，释放有机物导致污泥混合液黏度增加。

　　污泥初始pH对污泥比阻的影响如图1-2所示。从图中可以看出，在酸性条件下，随着pH降低，污泥的脱水能力得以改善，SRF逐渐降低；但是pH=5时污泥的SRF要低于pH=3时的SRF值，电絮凝20 min时，其最低值为3.31×1012 m/kg，相比原泥降低了1.54×1013 m/kg。随着污泥碱性的增强，SRF均高于原泥和酸性条件下的SRF，污泥脱水性能明显降低。因此酸性条件下的电絮凝更有利于改善污泥的脱水性能。

　　2.2极板间距对污泥脱水性能的影响

　　图2显示极板间距对污泥脱水能力的影响。由图2-1可知，当极板间距从20 mm增至40 mm时，机械脱水后污泥的含水率逐渐降低，但继续增大间距至60 mm时，污泥的含水率反而开始上升。当极板间距40 mm电絮凝20 min时，机械脱水后污泥含水率降至68.8%，比原污泥降低了6.2%。这可能是因为极板间距过大或过小，均不利于阳极板溶出的阳离子与污泥进行充分的混合与絮凝。而不同极板间距下SRF随时间的变化趋势如图2-2所示。SRF也随着极板间距的增大先减小后增大，当极板间距40 mm电絮凝20 min时，SRF降至最低为6.79×1012 m/kg。污泥经过电絮凝调质后，所形成的絮体具有较高的活性和稳定性，其比表面积较大，因此污泥容易进行泥水分离。

　　2.3电絮凝电压对污泥脱水性能的影响

　　污泥脱水性能的优劣主要通过机械脱水后污泥的含水率和污泥比阻两方面进行评价。含水率主要反映机械脱水的程度，而污泥比阻可体现机械脱水的速率。图3-1显示电絮凝调质污泥时不同操作电压对机械脱水后污泥含水率的影响。由图3-1可知，相比原污泥（含水率75%），随着电压强度的增大，机械脱水后污泥的含水率逐渐降低，当电压从10 V升至16 V时，絮凝20 min污泥的含水率从70.13%下降至最低60.02%。但当电压继续增至18 V时，机械脱水后污泥的含水率反而开始上升。这是因为电压越大，铁阳极板溶出Fe2+的速率越快以及其在阳极附近氧化形成Fe3+快速与污泥发生絮凝形成大的矾花，降低污泥黏度及负电荷，使污泥絮体发生沉降；同时，污泥中EPS的色氨酸和芳香族类蛋白物质发生破解[14]，但是当电压强度过大时，污泥胞外聚合物受到破坏，释放出大量有机物，使污泥混合液的黏度增大，因而造成污泥脱水能力下降。当电压强度一定时，随着絮凝时间的延长，机械脱水后污泥含水率逐渐降低至最小，继续延长絮凝时间，污泥含水率反而开始上升。

　　图3-2显示电絮凝调质时不同操作电压对污泥比阻的影响。相比原泥（SRF为1.87×1013 m/kg），经过电絮凝处理，污泥的SRF显著降低，当电压从10 V增至16 V，絮凝20 min时，SRF从4.41×1012 m/kg降至最低1.32×1012 m/kg，继续增大电压，SRF不断增大，电压为18 V时SRF达到3.05×1012 m/kg，污泥脱水能力明显开始恶化。电压强度和絮凝时间对SRF的影响与对污泥含水率的影响规律一致，因此适当增加电絮凝电压强度和延长絮凝时间均有利于污泥机械脱水，但不能太大。

　　2.4阳极材料对污泥脱水性能的影响

　　电絮凝对污泥的作用主要是利用电场力的作用下，通过阳极板溶出的金属离子与污泥絮体发生碰撞、聚集进而使污泥颗粒结构发生变化的过程，同时不同电极的极化促使污泥絮体和EPS发生破解的最低能耗不同[15]。因此，阳极板的材料对污泥电絮凝效果的影响至关重要。图4显示阳极材料对污泥脱水后的含水率和SRF的影响。从污泥含水率和SRF随絮凝时间的变化可以看到，铁板电絮凝下的污泥含水率和SRF均低于铝板的情况，因此铁板的絮凝效果要优变化于铝板的效果。

　　2.5电絮凝法调质污泥脱水的参数优化

　　选择污泥初始pH（3~5）、电絮凝时间（15~25 min）和电压（15~17 V）三因素，以污泥比阻和脱水后污泥含水率为响应值，通过Box-Behnken响应曲面法进行三因素三水平的优化设计，其实验结果如表2所示。

　　2.5.1模型预测及验证

　　不同影响因素对污泥脱水性能的拟合方程如式（3）和式（4）所示。

　　y1=58.908-0.387 5x1-0.135x2+0.49x3+0.095x1x2+0.31x1x3-0.165x2x3+3.343 5x12+2.408 5x22-0.801 5x32.（3）

　　y2=0.954 0+0.097 5x1-0.523 7x2+0.163 8x3+0.092 5x1x2-0.062 5x1x3+0.05x2x3+1.16x12+1.38x22-0.632 0x32.（4）

　　利用Design-Expert 12对实验结果进行方差分析，结果如表3所示。当p<0.05时说明模型具有显著性。由表3可知，污泥脱水后的含水率和SRF模型p值均小于0.000 1，说明污泥含水率与比阻的函数和pH、电压及电絮凝时间之间回归方程的关系极显著。其模型的信噪比Adeq Precision分别为18.548 1和25.811 3，表明失拟项不显著，误差较小，因而这两模型的可信度较好。模型的AdjR2值各为0.960 6、0.978 8，这反映了该电絮凝污泥脱水模型的拟合度较理想，所选二次模型合适。

　　2.5.2最优化参数

　　通过响应曲面法分析得出，当pH为3.03，电压16.22 V，电絮凝时间18.61 min时，污泥的脱水性能最佳，此时模型预测污泥脱水后的含水率为57.86%，SRF为5.5×1011 m/kg；比单因素实验中最佳污泥含水率与SRF各降低了2.16%、7.7×1012 m/kg。

　　3结论

　　本研究通过采用电絮凝法调质污泥用以改善污泥的脱水性能，同时以泥饼含水率和污泥SRF为响应值，利用响应曲面法对工艺参数进行了优化，其结论主要为：

　　1）随着电絮凝电压强度的升高，污泥的脱水能力先上升后减小。当电絮凝电压为16 V，絮凝时间20 min时，机械脱水后污泥的含水率和SRF分别降至60.02%和1.32×1012 m/kg，与原污泥相比，分别降低了15%和1.58×1013 m/kg。

　　2）电絮凝调质污泥时，酸性污泥的脱水能力要优于碱性污泥的脱水能力，且当pH值为3~5时，其脱水效果较好。随着电絮凝极板间距的增大，污泥的脱水能力先提高后降低，适宜的极板间距应选择为40 mm。且使用铁阳极要比铝阳极的污泥脱水能力好。

　　3）通过响应曲面法的参数优化，得出污泥pH值为3.03，电压为16.22 V，电絮凝时间为18.61 min时，电絮凝法对污泥脱水性能的改善效果最佳，此时机械脱水后污泥含水率和SRF分别为57.86%和5.5×1011 m/kg。

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