間斷供電對(duì)污泥電脫水效果的影響

馬德剛，孟凡怡，林 森，黃曉林

(1.天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072；2.天津市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，天津 300201)

污泥電脫水技術(shù)主要應(yīng)用了電滲透原理，是一種較為新穎的污泥深度脫水技術(shù)[1-2].電滲透發(fā)生在污泥顆粒間的毛細(xì)孔內(nèi)，電脫水技術(shù)不僅能去除自由水，還能去除一定量的孔隙水和表面水，所以它與傳統(tǒng)的污泥機(jī)械脫水技術(shù)相比具有脫水率高、脫水速度快的優(yōu)勢(shì)[3-4].同時(shí)，由于電脫水過程中不存在水的相變，所以與污泥熱干化相比，在能耗和成本上有巨大優(yōu)勢(shì)[5-6].污泥電脫水過程中也存在一些問題，其中陽極附近污泥的過分干化現(xiàn)象是提高污泥電脫水效果的最大阻礙.在電滲透的作用下，污泥中的水分會(huì)向陰極附近快速遷移，導(dǎo)致陽極附近的污泥迅速干化，這會(huì)使污泥泥餅的電阻大幅升高，電流強(qiáng)烈衰減，脫水效率隨之快速下降[7-8].

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，陽極過分干化之后，出現(xiàn)液相不連續(xù)現(xiàn)象，污泥泥餅水分不均勻化，由此產(chǎn)生陰極附近水分回流到陽極的驅(qū)動(dòng)力以順應(yīng)水分梯度[9].液相不連續(xù)現(xiàn)象不可避免地成為污泥電脫水過程中的阻力，如何使泥餅水分更加均勻從而提高電脫水效果值得深入研究.鑒于此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了交變電場(chǎng)[10]、水平電場(chǎng)[11-12]、旋轉(zhuǎn)陽極[13]、陽極逼近[14]、移動(dòng)電極[15-16]和間斷供電[17]等電脫水技術(shù)，以提高污泥電脫水效果.其中間斷供電是指在污泥電脫水的過程中，停止供電一段時(shí)間，給水分以回流時(shí)間而減小泥餅的電阻，采用供電斷電交替的方式可取得更好的脫水效果.

目前，針對(duì)供電方式對(duì)污泥電脫水效果的影響已經(jīng)有一些探索性研究，但還缺乏更加系統(tǒng)性的結(jié)論[18].本文研究間斷供電方式對(duì)污泥電脫水效果的影響，選取占空比、單次供電時(shí)間和電壓作為代表性脫水參數(shù)，通過實(shí)驗(yàn)優(yōu)化脫水條件，為今后的電脫水研究以及工程應(yīng)用提供數(shù)據(jù)和理論依據(jù).

1 間斷供電基本原理

污泥電滲透脫水技術(shù)日漸成熟，其可行性和脫水效率已被證實(shí)，已有很多關(guān)于電滲模型的研究，其中Weng等[19]分析電滲透原理，提出了脫水速率的計(jì)算模型，即

式中：Qe為電滲透脫水速率，cm3/s；ξ為污泥的 zeta電位；ε為流體的介電常數(shù)；q為與污泥物理性質(zhì)有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；η為流體的黏度，Pa·s；E為施加電壓，V；L為泥餅厚度，cm；A為橫截面積，cm2.

分析模型計(jì)算公式可知，脫水速率與施加電壓成正比，但在電滲透脫水過程中液相不連續(xù)現(xiàn)象逐漸嚴(yán)重，陽極附近水分減少，污泥干化導(dǎo)致電阻增加和電流衰減，基于電學(xué)原理，陽極側(cè)干化污泥負(fù)載電壓比例過大是導(dǎo)致電滲脫水效果下降的主要原因.苑夢(mèng)影[20]將污泥電脫水中陽極干化的現(xiàn)象進(jìn)行物理模型簡(jiǎn)化，泥餅?zāi)Ｐ腿鐖D 1所示，將陽極附近發(fā)生干化并出現(xiàn)一定程度龜裂的區(qū)域稱為陽極腐蝕層，其余水分暫且充實(shí)的部分稱為正脫水層，二者共同構(gòu)成污泥電脫水整個(gè)泥餅層.

構(gòu)成泥餅的陽極腐蝕層與正脫水層在電路中相當(dāng)于兩個(gè)電阻串聯(lián)，當(dāng)陽極干化嚴(yán)重時(shí)，由于陽極腐蝕層電阻增加導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)電阻增加而電流衰減，此時(shí)正脫水層負(fù)載電壓減小，削弱了污泥電脫水的驅(qū)動(dòng)力.采用間斷供電方式可以使水分回流，減小陽極腐蝕層的比例從而減小電阻、增大電流，正脫水層負(fù)載電壓比例隨之增加，污泥電滲透脫水的驅(qū)動(dòng)力增加，陽極側(cè)在回流水作用下不均勻的現(xiàn)象得到明顯改善，實(shí)現(xiàn)污泥電脫水效果的優(yōu)化.

圖1 電脫水泥餅?zāi)Ｐ褪疽釬ig.1 Schematic diagram of electro-dewatering sludge cake model

2 材料與方法

實(shí)驗(yàn)用泥取自天津市某污水處理廠，該剩余污泥先經(jīng)重力濃縮，再經(jīng)過陽離子型聚丙烯酰胺脫水劑的處理，進(jìn)一步離心脫水，污泥樣品置于冰箱 4℃保存，污泥的基本性質(zhì)見表 1，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)遵循城市污水處理廠污泥檢驗(yàn)方法(CJ/T 221—2005).

表1 實(shí)驗(yàn)所用污泥的基本性質(zhì)Tab.1 Basic properties of the sludge used in the experiment

實(shí)驗(yàn)所用裝置見圖 2.污泥脫水設(shè)備主體由筒套(聚丙烯樹脂，內(nèi)徑 75 mm×外徑 150 mm×高60 mm)、陰陽極板、氣缸、活塞等構(gòu)成.陽極板為抗壓耐腐蝕的鍍銥鈦板，陰極采用覆蓋300目不銹鋼網(wǎng)且尺寸等同筒套內(nèi)徑的不銹鋼多孔板，孔板上均勻分布145個(gè)直徑3mm的小孔.氣缸處連接一臺(tái)空壓機(jī)提供壓力，脫水過程中由氣缸驅(qū)動(dòng)活塞向下給污泥施加機(jī)械壓力，由泄壓閥調(diào)節(jié)壓力大小.直流電源(DH1716A-10，北京大華無線電儀器廠)連接于陰陽兩極為整個(gè)電路提供電壓，萬用表(VC86E，勝利儀器)串聯(lián)為整個(gè)電路測(cè)定電流.陰極處放置與泥餅直接接觸的熱電偶用以監(jiān)測(cè)污泥溫度.脫水主體設(shè)備下放置滲濾液收集裝置，并置于電子天平(JJ1000，雙杰測(cè)試儀器廠)上，實(shí)時(shí)計(jì)量脫除水分質(zhì)量.其中電子天平、萬用表和熱電偶與計(jì)算機(jī)連接，以每秒 1次的頻率收集并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

圖2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備示意Fig.2 Schematic diagram of the experimental equipment

實(shí)驗(yàn)過程分為預(yù)壓過程和間斷供電脫水兩部分.本實(shí)驗(yàn)選取初始污泥餅厚度為 1cm，機(jī)械壓力為0.3 MPa，實(shí)驗(yàn)開始先按照泥餅厚度計(jì)算污泥質(zhì)量填入筒套，在不通電條件下控制泄壓閥對(duì)污泥進(jìn)行預(yù)壓0.5 min的統(tǒng)一處理，而后開始供電，并從通電起開始計(jì)時(shí).整個(gè)實(shí)驗(yàn)方案具體設(shè)計(jì)如圖 3所示，將供電方式表征為占空比、單次供電時(shí)間和電壓 3個(gè)參數(shù)，其中占空比定義為單次供電時(shí)間(te)與斷電時(shí)間(tn)的比值.

圖3 實(shí)驗(yàn)方案示意Fig.3 Schematic diagram of the experimental scheme

總脫水時(shí)間由多次通電時(shí)間與斷電時(shí)間之和構(gòu)成，脫水結(jié)束的標(biāo)志為電流小于0.4A或30s沒有濾液滲出，此時(shí)停止供電，記總脫水時(shí)間t.通過重量法計(jì)算污泥最終含水率(%)，并計(jì)算總耗電量與總脫水量的比值即單位脫水耗電量(kW·h/kg).

前期探索實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，適宜的脫水條件為占空比不宜小于 1∶1，單次供電時(shí)間不宜超過 60s，以此作為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的依據(jù)，控制變量進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

3 結(jié)果與討論

3.1 占空比對(duì)電脫水效果的影響

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在供電電壓為 40V、單次供電時(shí)間為40s的條件下改變占空比檢測(cè)污泥脫水效果，其中 1組為連續(xù)供電，其他 5組改變占空比進(jìn)行實(shí)驗(yàn).由單次供電時(shí)間以及占空比的定義可得，6組實(shí)驗(yàn)的斷電時(shí)間分別為 0s、40s、30s、20s、10s、5s，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示.

三是綜合性實(shí)踐，主要是培養(yǎng)學(xué)生對(duì)實(shí)踐活動(dòng)中出現(xiàn)的問題進(jìn)行綜合性思考，通過綜合性實(shí)踐，讓學(xué)生在實(shí)踐的過程中主動(dòng)學(xué)習(xí)，通常通過社會(huì)調(diào)查、暑期社會(huì)實(shí)踐、中期考核、畢業(yè)實(shí)習(xí)、畢業(yè)論文等形式開展實(shí)踐。綜合性實(shí)踐的開展是作為檢驗(yàn)學(xué)生階段性課堂學(xué)習(xí)成果重要的體現(xiàn)方式，在實(shí)踐中得到的經(jīng)驗(yàn)與理論相結(jié)合并形成書面報(bào)告的形式能有效地培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考和解決問題及邏輯判斷和創(chuàng)新思維的能力。農(nóng)林類院校旅游管理專業(yè)的綜合性實(shí)踐應(yīng)時(shí)刻以農(nóng)林建設(shè)為出發(fā)點(diǎn)，獨(dú)立思考農(nóng)林建設(shè)中的特征和現(xiàn)狀問題，提出較為可行的操作方案。

由圖4可知，污泥初始含水率為85%左右，當(dāng)采用連續(xù)供電方式時(shí)，污泥的最終含水率降為56.49%；而采用間斷供電方式時(shí)，最終含水率相較連續(xù)供電有了明顯的下降，其中當(dāng)占空比為4∶1時(shí)，含水率在6組實(shí)驗(yàn)中最低，降為 45.23%.分析總脫水時(shí)間可知，連續(xù)供電時(shí)達(dá)到脫水極限的總時(shí)間為 440s，間斷供電相較于連續(xù)供電脫水時(shí)間增長(zhǎng)，且占空比減小的情況下脫水時(shí)間更長(zhǎng)，其中當(dāng)占空比為 1∶1時(shí)，總脫水時(shí)間最長(zhǎng)，需要 920s.若將單次通電與單次斷電時(shí)間之和，即te+tn定義為一個(gè)周期，占空比為 1∶1、4∶3的兩組實(shí)驗(yàn)總通電時(shí)間包括12個(gè)周期，占空比為 2∶1、4∶1、8∶1的 3組實(shí)驗(yàn)歷經(jīng) 13個(gè)周期.再分析單位脫水耗電量可知，連續(xù)供電時(shí)耗電量為 0.158kW·h/kg，間斷供電方式實(shí)現(xiàn)脫水效率更高的同時(shí)單位脫水耗電量也更大，其中占空比為 4∶1時(shí)耗電量值最大，達(dá)到0.184kW·h/kg.

圖4 占空比對(duì)污泥電脫水的影響Fig.4 Effect of duty ratio on sludge electro-dewatering

根據(jù)間斷供電的基本原理，間斷供電利用水分分布梯度的驅(qū)動(dòng)使陰極水分回流到陽極附近，當(dāng)污泥層水分均勻時(shí)，陽極腐蝕層的比例減小，從而電阻減小電流增加，從該角度考慮，為改善脫水效果，應(yīng)以較長(zhǎng)的斷電時(shí)間使回流更加充分.而分析圖 4(a)可知斷電時(shí)間并非越長(zhǎng)越好，占空比從1∶1到4∶1的4組實(shí)驗(yàn)中，各組斷電時(shí)間減少，脫水效果卻呈增加趨勢(shì).為解釋該現(xiàn)象，綜合考慮污泥電脫水過程中的電流和溫度因素進(jìn)行分析，電壓為 40V、單次通電時(shí)間為 40s時(shí)，電流與溫度隨脫水時(shí)間變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示.

由前文可知在不同占空比條件下最終含水率和單位脫水耗電量存在拐點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)結(jié)果為占空比 4∶1.首先分析電流變化情況，因不同占空比條件下斷電時(shí)間不一致，為了便于比較，電流變化圖中只呈現(xiàn)供電部分即電流值不為 0時(shí)的情況.分析圖 5(a)可知，連續(xù)供電時(shí)電流值隨脫水時(shí)間持續(xù)衰減，當(dāng)采用間斷供電方式條件下，每次斷電后重新供電時(shí)電流出現(xiàn)明顯回升，且總體電流值大于連續(xù)供電的情況.占空比從1∶1到4∶1的實(shí)驗(yàn)中，前4個(gè)供電周期內(nèi)，由于實(shí)驗(yàn)前期更長(zhǎng)的斷電時(shí)間使回流更充分，占空比1∶1時(shí)電流值相對(duì)略大，而 4個(gè)周期后隨斷電時(shí)間減小，電流回升呈增加趨勢(shì)，這是因?yàn)檫^長(zhǎng)的斷電時(shí)間下水分過度回流以及溫降較大會(huì)對(duì)脫水效果不利，占空比 4∶1的電流值整體最大.在斷電時(shí)間更短、占空比為 8∶1的實(shí)驗(yàn)中，電流值整體減小，此時(shí)過短的斷電時(shí)間無法實(shí)現(xiàn)水分回流緩解陽極干化的作用.

圖5 不同占空比條件下電流與溫度隨脫水時(shí)間的變化Fig.5 Changes in current and temperature with dewatering time for different duty ratios

然后分析溫度變化情況，連續(xù)供電時(shí)總脫水時(shí)間最短，間斷供電條件下隨占空比增加總脫水時(shí)間縮短，分析圖 5(b)可知，連續(xù)供電時(shí)溫度隨時(shí)間呈先升高后緩慢下降的趨勢(shì)，最高溫度為 62.8℃.當(dāng)采用間斷供電方式時(shí)，每次斷電后溫度下降，重新供電的過程中，溫度又明顯回升.占空比 1∶1時(shí)溫度整體最低，這是由于較長(zhǎng)的斷電時(shí)間使溫度回升減弱；占空比 4∶1時(shí)溫度上升幅度最大，此時(shí)斷電時(shí)間適當(dāng)，斷電過程中溫度下降趨勢(shì)較緩，且供電時(shí)電流大幅回升，脫水過程中產(chǎn)生的熱量較高，最高溫度可達(dá)到73.4℃，相較于連續(xù)供電時(shí)高出 10℃以上.其余占空比為 4∶3、2∶1的兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似.在斷電時(shí)間更短、占空比為 8∶1的實(shí)驗(yàn)中，前 4個(gè)供電周期內(nèi)，由于實(shí)驗(yàn)前期更短的斷電時(shí)間使溫降較小，占空比 8∶1時(shí)溫度值相對(duì)略高，而4個(gè)周期后由于斷電時(shí)間較短，回流不充分導(dǎo)致電流減小，無法產(chǎn)生更多熱量，最終占空比 8∶1實(shí)驗(yàn)組的溫度低于 4∶1實(shí)驗(yàn)組.

通過分析上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以推斷電流和溫度是污泥電滲透脫水中的兩個(gè)重要因素，會(huì)影響污泥脫水的最終效果.在一定范圍內(nèi)，合適的斷電時(shí)間會(huì)因回流作用使污泥泥餅水分分布均勻，緩解陽極干化、液相不連續(xù)現(xiàn)象.然而過長(zhǎng)的斷電時(shí)間會(huì)使水分過度回流，且斷電過程導(dǎo)致溫度下降幅度過大，液體黏滯性隨之上升，黏滯性是影響脫水的滲流速率和水分回流速率的重要因素；過短的斷電時(shí)間會(huì)導(dǎo)致回流不充分，無法改善脫水效果.電流和溫度之間存在相互影響、相互促進(jìn)的作用，所以最佳的占空比不宜過大或過小，存在一個(gè)最優(yōu)值.

3.2 單次供電時(shí)間對(duì)脫水效果的影響

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在供電電壓為40V、占空比為4∶1的條件下改變單次供電時(shí)間檢測(cè)污泥脫水效果.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示.

圖6 單次供電時(shí)間對(duì)污泥電脫水的影響Fig.6 Effect of single power-on time on sludge electrodewatering

分析圖 6(a)可知，單次供電時(shí)間為 60s時(shí)污泥最終含水率最高，為 50.24%，單次供電時(shí)間減為40s、20s、10s時(shí)，含水率降到43%左右，說明在一定范圍內(nèi)，過長(zhǎng)的單次供電時(shí)間對(duì)污泥脫水效果有不利影響.原因包括兩方面：一是供電時(shí)間過長(zhǎng)導(dǎo)致陽極干化腐蝕現(xiàn)象嚴(yán)重，水分不均勻程度過大，造成的負(fù)面作用盡管水分部分回流也無法改善；二是供電時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，同樣占空比條件下斷電時(shí)間也長(zhǎng)，結(jié)合前文對(duì)電流和溫度的分析，斷電時(shí)間過長(zhǎng)對(duì)脫水效果不利.

3.3 電壓對(duì)脫水效果的影響

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在占空比為 4∶1、單次供電時(shí)間為40s的條件下改變電壓檢測(cè)污泥脫水效果，選取電壓為 30V、40V、50V的 3組實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示.

圖7 電壓對(duì)污泥電脫水的影響Fig.7 Effect of voltage on sludge electro-dewatering

分析圖 7(a)可知，電壓為 30V 時(shí)，實(shí)驗(yàn)污泥的最終含水率最高，為 49.18%，而電壓升為 50V時(shí)，最終含水率降至小于 30%的較低水平，為 27.81%，這 3組實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明電壓增加對(duì)污泥電脫水效果有利.分析圖 7(b)可知，隨電壓增大，總脫水時(shí)間大幅縮短，而單位脫水耗電量明顯增加，電壓為30V的實(shí)驗(yàn)中單位脫水耗電量為 0.179kW·h/kg，電壓為50V時(shí)單位脫水耗電量高達(dá)0.247kW·h/kg.

實(shí)驗(yàn)測(cè)得當(dāng)電壓為 50 V、采取連續(xù)供電進(jìn)行脫水時(shí)，污泥的最終含水率為52.36%，而在相同電壓間斷供電條件下，污泥的最終含水率出現(xiàn)大幅下降.結(jié)合圖 8所示結(jié)果進(jìn)一步從電流和溫度的角度分析間斷供電時(shí)污泥最終含水率降至較低水平的原因.

圖8 電流和溫度隨脫水時(shí)間的變化(電壓 50 V，單次供電時(shí)間40s，占空比4∶1)Fig.8 Changes in current and temperature with dewatering time(voltage：50 V，single power-on time：40 s，duty ratio：4∶1)

由圖8可知，電壓為50V時(shí)，實(shí)驗(yàn)前4個(gè)周期的現(xiàn)象與40V時(shí)結(jié)果類似，區(qū)別是由于電壓增加，間斷供電時(shí)電流值回升幅度更大，溫度回升速率更大.當(dāng)脫水時(shí)間達(dá)到 200s時(shí)，重新供電過程中溫度值發(fā)生大幅提高，已經(jīng)高于 100℃，同時(shí)電流值達(dá)到最大，為 4.7A.此后，電流回升和衰減的幅度大大增加，溫度保持在 100℃以上.觀察反應(yīng)器中污泥脫水的狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)高于沸點(diǎn)情況下泥餅中水分處于沸騰狀態(tài)，不再以滲濾液滴落形式脫除，而主要是以水蒸氣形態(tài)向外蒸發(fā)擴(kuò)散，且在過程中伴隨著明顯響聲.

實(shí)驗(yàn)測(cè)得當(dāng)電壓為 50V、采取連續(xù)供電進(jìn)行脫水時(shí)，污泥的最高溫度僅為 74.7℃，而在相同電壓間斷供電條件下，最高溫度達(dá)到 114.7℃，污泥水分出現(xiàn)了相變.由實(shí)驗(yàn)結(jié)果推斷，只有在施加較高電壓且采用間斷供電方式進(jìn)行污泥電脫水時(shí)才會(huì)出現(xiàn)該現(xiàn)象.在這個(gè)過程中消耗了大量的潛熱，因此單位脫水耗電量明顯較高.

4 結(jié) 論

(1)間斷供電方式可以使脫水污泥中的水分產(chǎn)生回流，避免液相不連續(xù)引起的電阻增大問題，比連續(xù)供電有更好的脫水效果.

(2)間斷供電的占空比對(duì)脫水效果影響明顯，占空比不宜過小或過大，存在一個(gè)最佳的范圍，本實(shí)驗(yàn)結(jié)果為最佳占空比在4∶1附近.

(3)單次供電時(shí)間對(duì)污泥電脫水有明顯影響，過長(zhǎng)的單次供電時(shí)間會(huì)對(duì)污泥電脫水效果產(chǎn)生明顯的不利影響；污泥電脫水的耗電情況主要與總脫水量相關(guān)，隨總脫水量增加，脫除單位水分的耗電量增大.

(4)電壓在間斷供電中對(duì)脫水效果影響顯著，電壓較高時(shí)脫水效果明顯提高但同時(shí)耗電量增加；當(dāng)電壓為 50V且采用適宜條件下的間斷供電方式時(shí)，污泥溫度超過 100℃，脫水形式出現(xiàn)蒸發(fā)相變，污泥最終含水率降到30%以下，脫水效果顯著提升.