污水處理廠(chǎng)機械脫水后污泥為研究對象，采用外加電極構成直流電場(chǎng)的方式，考察電滲處理后污泥理化性質(zhì)、自由水和結合水形態(tài)在電場(chǎng)中的分布變化情況。以探明電滲脫水作用機理和脫水后污泥理化性質(zhì)，為其后續利用提供參考。

　　1、材料與方法

　　1.1 實(shí)驗原料

　　本實(shí)驗中的污泥取自沈陽(yáng)北部污水處理廠(chǎng)，受納污水主要為城市居民生活用污水。此次實(shí)驗采集污泥為機械脫水后污泥，取樣后置于4℃冰箱中貯存備用。污泥含水率為80%~83%、pH為8.1、污泥初始總氮為41~45mg?g-1、總磷為15~17mg?g-1、有機質(zhì)含量為55%~59%、電導率為426μS?cm-1。

　　1.2 實(shí)驗裝置

　　本實(shí)驗裝置如圖1所示。裝置采用有機玻璃板制成，陽(yáng)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。為使滲濾液順利流出，在實(shí)驗裝置的陰極側采用多孔玻璃隔板，隔板上每個(gè)小孔的直徑為5mm。滲出液出口下方放置一個(gè)電子天平(精度g)，用來(lái)記錄脫除水質(zhì)量隨時(shí)間的變化。實(shí)驗裝置兩端放置正方形電極板，厚度為0.5mm。其中，陽(yáng)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(gè)小孔)。為防止污泥顆粒隨滲濾液流出，陰極板側附耐熱尼龍濾布。本實(shí)驗電源選用RXN-605D-II型雙路穩壓直流電源。

　　1.3 實(shí)驗方法

　　污泥室中裝入15cm高的脫水污泥，裝樣過(guò)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)驗過(guò)程中，每隔30min取陽(yáng)極、陰極和中部污泥樣品，測量1次，整個(gè)實(shí)驗周期120min。污泥結合水取原泥和電滲處理后陽(yáng)極、中部、陰極污泥樣品進(jìn)行測量。為保證實(shí)驗結果的準確性，上述所有指標均平行測試3次，后結果取平均值。

　　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(guò)硫酸鉀法；總磷測定使用鉬酸銨分光光度法；結合水含量采用美國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(shí)空分布變化

　　圖2為污泥含水率隨通電時(shí)間的變化。如圖2所示，實(shí)驗初始階段，陽(yáng)極、中部、陰極3處污泥樣品的含水率基本相同。隨著(zhù)電滲脫水實(shí)驗的進(jìn)行，可看出陽(yáng)極污泥含水率下降趨勢為明顯，由開(kāi)始的84.7%降至50.4%;而陰極污泥含水率在30min處由開(kāi)始的84.1%升至88.4%，而后又呈現下降趨勢，直至實(shí)驗結束，下降到68.4%;中部污泥含水率則持續下降，由初始的84.3%降至71.8%。在實(shí)驗過(guò)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電，帶電質(zhì)點(diǎn)與液體中的反離子形成雙電層結構。通常情況下，污泥顆粒帶負電荷而污泥中的水分帶正電荷，在電場(chǎng)力的作用下，水合陽(yáng)離子會(huì )向陰極移動(dòng)負載電流，并帶動(dòng)周?chē)淖杂伤蜿帢O移動(dòng)，帶負電的污泥顆粒向陽(yáng)極移動(dòng)。陽(yáng)極在電滲過(guò)程中會(huì )富集帶負電污泥顆粒，使其含固率快速升高，含水率逐漸下降。

　　實(shí)驗初期，在電場(chǎng)力的作用下，陽(yáng)極處污泥的水分迅速流向陰極，此時(shí)陽(yáng)極流向陰極的水分補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(zhù)實(shí)驗的進(jìn)行，陽(yáng)極附近含固率逐漸增加，可遷移水分逐漸減少，pH持續降低，電滲不斷衰減，使得陽(yáng)極及中部水分不能迅速遷移到陰極，從而導致30min后陰極附近水分的流出速率超過(guò)其富集速率，導致陰極處含水率在實(shí)驗后期呈下降趨勢。中部污泥含水率從實(shí)驗開(kāi)始到結束一直呈下降趨勢，說(shuō)明中部附近水分持續在向陰極遷移。而在實(shí)驗后期，由于陰極處發(fā)生了電解水反應，使得pH升高。LELAND等研究發(fā)現，pH升高會(huì )tigao污泥的電滲liuliang，使得陰極處脫水加快，中部污泥含水率超過(guò)陰極。

　　2.1.2 污泥pH時(shí)空分布變化

　　圖3為污泥pH時(shí)空分布的變化。如圖3所示，陽(yáng)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，穩定地維持在8~8.2。上述變化主要是由于在電滲脫水過(guò)程中，陽(yáng)極和陰極附近會(huì )發(fā)生水電解反應。其中，陽(yáng)極附近會(huì )發(fā)生氧化反應，產(chǎn)生一個(gè)酸性帶，使陽(yáng)極附近pH迅速降低；在陰極附近則發(fā)生還原反應，產(chǎn)生一個(gè)堿性帶，使陰極附近pH升高。并且，在此過(guò)程中，部分H+和OH會(huì )在污泥中部發(fā)生中和反應，生成H2O。污泥本身還具有黏稠性質(zhì)，內部的各種分子力較強，從而導致兩端電極對中部污泥影響較小，中部附近的污泥pH變化不大。

　　2.1.3 污泥總氮含量時(shí)空分布變化

　　圖4為實(shí)驗過(guò)程中污泥中總氮含量時(shí)空的變化。如圖4所示，陽(yáng)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。造成這種現象的原因可能是，隨著(zhù)污泥電滲脫水實(shí)驗的進(jìn)行，電極兩端發(fā)生的電解反應和電滲透作用使污泥絮體兩側富集不同電荷，正負電荷作用使污泥絮體破裂，污泥細胞結構也遭到破壞，改變了污泥活性細胞膜的通透性，甚至造成細胞破壁，致使細胞內部的蛋白質(zhì)及胞外蛋白等有機物質(zhì)溢出。電滲脫水過(guò)程中伴隨電能向熱能的轉化過(guò)程，熱效應也對污泥細胞破解具有一定的貢獻作用。有研究[20]表明，當溫度超過(guò)40℃時(shí)，部分蛋白質(zhì)有可能受溫度影響而引起變性。本實(shí)驗過(guò)程中，在陽(yáng)極、中間和陰極分別布設了溫度傳感器探頭，實(shí)時(shí)監測實(shí)驗過(guò)程中系統溫度變化。監測結果顯示，陽(yáng)極溫度高可達近90℃，在電滲實(shí)驗過(guò)程中產(chǎn)生的熱效應也可能會(huì )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。小分子氨基酸也會(huì )隨污泥中自由水的遷移向中部及陰極移動(dòng)。張書(shū)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(huì )向陰極遷移，從而導致陽(yáng)極總氮含量下降、中部和陰極附近污泥總氮升高。可見(jiàn)，隨著(zhù)電滲脫水的進(jìn)行，污泥中總氮含量由陽(yáng)極向陰極逐漸升高。