设为首页 加入收藏 期刊导航 网站地图

Advances in Environmental Protection
Vol.06 No.06(2016), Article ID:19300,13 pages
10.12677/AEP.2016.66019

Advances in Assisted Technology of Electroosmotic Dehydration of Sludge

Baihua Cai1, Shujuan Zhang1*, Jixiu Jiang1, Hao Li2

1School of Environmental Science and Engineering, Sun Yat-sen University, Guangzhou Guangdong

2Southern China Environmental Science Research Institute of Environmental Protection Department, Guangzhou Guangdong

Received: Nov. 27th, 2016; accepted: Dec. 16th, 2016; published: Dec. 20th, 2016

Copyright © 2016 by authors and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

ABSTRACT

The high efficiency and feasibility of electroosmotic technology applied in sludge dewatering has been confirmed. More and more studies focused on strengthening electro-osmosis. This paper gives a preliminary and brief generalization about existing research based on the available literature. And that leads the direction of research ideas.

Keywords:Sludge, Electro-Osmosis, Dewatering

污泥电渗透脱水辅助技术的研究进展

蔡白桦1，张淑娟1*，江纪修1，李浩2

1中山大学环境科学与工程学院，广东 广州

2环境保护部华南环境科学研究所，广东 广州

收稿日期：2016年11月27日；录用日期：2016年12月16日；发布日期：2016年12月20日

摘 要

电渗透技术应用于污泥脱水的高效可行性已被证实，越来越多的研究着重于强化电渗透脱水效果，本文在查阅相关文献的基础上对现有的研究进行一个初步、简要的归纳和概括，并由此引出该方向发展的研究思路。

关键词 :污泥，电渗透，脱水

1. 引言

电渗透是一种以电场作为驱动力的固液分离技术，其原理是在电场的作用下，污泥颗粒由于其表面带有负电荷会向阳极移动，而水分子由于带有部分正电荷，在电场驱动下会向阴极移动，从而实现对污泥脱水 [1] 。基本工作原理图可见图1 [2] 。目前已有大量的实验研究表明，电渗透脱水技术在对污泥深度脱水及节能高效方面具有重要的意义 [3] - [9] 。于晓艳 [10] 等人利用电渗透技术将污泥含水率从79%降至60.3%，耗能0.075 kWh/kg脱除水，Yang [6] 等人也做过类似试验，他们将污泥含水率从79.3%降至65%左右，能耗为0.02~0.03 kWh/kg脱除水。这一结果远低于热干化发平均能耗0.6~1.2 kWh/kg脱除水 [11] 。

效益最大化永远是发展生产的不懈追求，由于目前单一的电渗透脱水技术能耗仍旧较高，越来越多的研究者着力于研究强化电渗透脱水效果。笔者以主题为污泥脱水和电、污泥脱水和电渗透、电渗透脱水分别检索了cnki和web of science数据库，发现电渗透效果主要有三种强化手段：1) 物理方法联合电渗透技术；2) 化学方法联合电渗透技术；3) 生物方法联合电渗透技术。(三种方法的对比可见附表1)。

2. 物理方法联合电渗透技术

物理方法主要有机械、加热、冻融和超声波等。

2.1. 机械联合电渗透

机械作为电渗透脱水的辅助手段能够有效促进脱水主要在于其有两大作用：1) 使污泥泥饼中水分分布均匀 [12] (见图2)；2) 使电极与泥饼始终保持紧密接触 [13] 。

Akrama Mahmoud [14] 在整理前人工作中得出结论：联合机械和电渗透脱水技术的脱水效果比单独使用电渗透脱水技术好得多。郝健 [11] 的研究结果也表明机械压力的施加对污泥的脱水效果有一定程度的提高，对比于未施加压力污泥最终含水率78%左右，当施加61 kPa的压力后，经20 mim的电渗透脱水，污泥最终含水率为59.3%，施加74 kPa的压力污泥最终含水率为58.8%。Olivier Larue [15] 等人也有相同的结论。但同时也有研究 [3] 指出机械压力的施加并不是越大越好，机械压力的施加虽能够使污泥泥饼中的水分分布更均匀，维持泥饼中电场的连续性，保证了电渗透脱水过程能够持续进行，但过大的机械压力也会使泥饼压实从而增加了水分在泥饼中迁移阻力。

2.2. 热干化联合电渗透

有研究者总结出高温促进脱水的机理在于其能消除极性官能团，减小水和颗粒间的静电吸引力，于此同时，高的温度能降低液体的密度、黏度和表面张力，并能促进水分的蒸发，因此能够促进脱水 [14] 。

(a) 脱水前 (b) 脱水后

Figure 1. Electro-osmosis basic working principle diagram

图1. 电渗透基本工作原理图

(a) 电渗透 (b) 机械脱水 (c) 电渗透与机械脱水

Figure 2. The moisture distribution diagram of electroosmosis, mechanical dewatering and electroosmosis combined with mechanical dehydration

图2. 电渗透、机械脱水及电渗透与机械脱水相结合的形式水分分布情况图

电渗透脱水过程中，由于水分的脱除导致泥饼干化，电阻增大，产生的欧姆热使得污泥泥饼的温度升高。研究显示 [16] ，在60 V电压的作用下，相比于冷却的电极(温度保持在47℃以下)，应用未被冷却的电极的试验在通电15 min后去除更多的水(71.2% ± 1.1% vs 49.6% ± 2.2%)。不同的是，Jiaxiang Zhou等人 [17] 将污泥放置在50℃的温度下培育一个小时，然后立即进行电渗透脱水。在20 V电压的作用下，对比常温条件下培育一个小时后污泥的电渗透脱水效果，热处理后的水分脱除率减少约30% (约20% vs 约50%)，这可能是因为热处理导致污泥颗粒分解成更小的颗粒和有机酸，减少了污泥的表面电荷从而导致电渗透过程中去除水量的减少。

2.3. 冻融联合电渗透

冷冻过程中可以使得细胞丧失活性从而导致机械脱水，结合水同细胞内部水被释放出来，提高污泥的脱水性能 [18] 。

Jiaxiang Zhou等人 [17] 将污泥放置在−15℃的温度下培育一个小时，然后放置到20℃的水浴中进行解冻，随后进行电渗透实验(20 V，180 min)。对比常温条件同样处理方式的污泥的脱水效果，结果发现经冻融后的污泥水分脱除率没有较大的变化(约50%)，但其达到相同水分脱除率时所用时间减少约80 min。观察发现经冻融后的污泥絮体凝聚从而有利于污泥脱水。李恺 [19] 等人在其文章中也指出有关研究表明，较低的冷冻速率更能提高污泥的脱水性能。

2.4. 超声波联合电渗透

污泥在吸收超声波的能量后泥饼的温度升高，促进水分蒸发、增加化学反应速率同时降低液体粘性，此外，超声能量能破坏污泥结构，释放结合水及创造新的水分流通通道，破坏细胞结构，溶解细胞和污泥颗粒表面的EPS，还可以清洁滤布表面，防止堵塞 [13] [14] 。

目前也有不少实验对超声波联合电渗透技术进行探究。马德刚 [20] 等人的研究结果表明，在最佳工艺条件下，与单纯的电渗透脱水相比，污泥脱水率由4.88%增大至12.44%。董立文 [13] 在其研究中也发现，适当的超声波作用后污泥的脱水率约为83%，但增大超声投加量后，污泥的脱水率下降约至79%，且增大了能耗。因此存在恰当的声强和声波作用时间，使得声波能量能够破坏絮体结构释放出一部分的结合水而没有造成污泥颗粒分解成更小的颗粒阻碍脱水。

3. 化学方法联合电渗透技术

3.1. 无机化合物

无机化合物的添加会改变污泥中的电导率。电导率过高会压缩双电层，降低zeta电位，不利于污泥脱水，但是高电导率同时也意味着相同电压下，会有更多的电流流经污泥，对电渗脱水产生有利影响，因此电导率的主要影响在于电渗的能耗方面 [13] 。所添加无机化合物某些离子的氧化还原性可破解细胞，释放内部水 [21] ，且能分解污泥中的有机物成分，改变污泥的脱水性能 [22] 。

李静 [21] 探究了四种电解质(NaCl、CaCl2、Na2SO4、NaHCO3)不同投加量条件下对污泥进行电渗透实验的结果，四种电解质对污泥电渗透作用效果大小排序为：CaCl2 > NaCl > NaHCO3 > Na2SO4。卢宁 [23] 向污泥中投加一定浓度的硝酸钠溶液进行电渗透实验，结果表明在硝酸钠投量较小的条件下，污泥含固率随投药量的增加而升高，到达一定量后，污泥含固率不会发生明显的变化。在其的探究中，适当硝酸钠的投入使得污泥含固率达到40%的时间缩短10.4 min，且适能降低能耗280 kWh/tDS，但加入过多的硝酸钠则会导致能耗升高。俞力 [24] 的实验结果表明在一定数值以下NaCl的投加量增加使得污泥泥饼含水率降低，降低幅度为0%~8.58%，但当投加量大于一定数值后，泥饼含水率并未有显著的降低。季雪元 [25] 的研究发现在水平电场作用下对污泥进行酸化或碱化都会降低其的脱水效果。黄殿男 [26] 对加碱与电渗透联合进行探究，发现相比于未加碱电化学组，处理60 min后，NaOH-电化学组污泥最终含水率增加10.2%，而Ca(OH)2-电化学组污泥最终含水率下降2.1%。Jiaxiang Zhou [17] 等人还对电渗透联合FeCl3进行实验发现FeCl3能够加强电渗透脱水效果，但不如CPAM的效果好。M.Loginov [27] 等人通过石灰(CaO)对电渗透脱水效果的探究发现，石灰浓度的增加会促进渗透，但同时它也会对电动性能造成损害，过高浓度的石灰投入会显著减少泥饼含固率。李亚林 [22] 等人还利用Fe-过硫酸盐氧化手段辅助电渗透脱水，他们发现到FeSO4·7H2O与Na2S2O8比例为1:1时得到最佳效果，对比空白组，污泥含水率下降10.85%。

还有许多研究 [11] [13] [28] [29] 对无机化合物辅助电渗透脱水进行探讨，这里不一一赘述，详细可见附表1。

此外，有文章 [30] 提到，二价阳离子(Ca2+、Mg2+)可通过结合絮体间负电荷的结合位点，以桥接作用增大污泥絮体从而促进脱水，而一价阳离子(Na+、K+)会置换絮体中部分二价阳离子，破坏絮体结构，不利于强化污泥脱水，甚至于会恶化污泥的脱水性能。同时，K+在微生物代谢合成蛋白质中发挥重要作用，其含量多少会对污泥中蛋白质含量产生影响，而有研究结果 [31] 表明，污泥胞外聚合物(EPS)中蛋白质与多糖的比值与电渗透脱水后污泥的最终含水率呈正相关性。

3.2. 有机聚合物

有机聚合物主要是通过架桥及中和污泥表面电荷、减弱静电斥力的方式凝聚污泥絮体，改善其的脱水性能 [32] 。

M. Citeau [32] 等人对比了五种有机聚合物及它们的组合作用于污泥电渗透脱水，发现无论是在最终污泥泥饼的含水率还是能耗方面，各实验组与空白组均无显著差异。这与先前Llene Gingerich [33] 等人的研究结果是一致的，他们发现添加聚合物(polymer)的剂量大小，对污泥最终含水率无明显的影响。Hans Saveyn [34] 等人也表示聚合电解质的特征和剂量对污泥压力脱水有明显作用，但对电渗透脱水的作用并不明显，他们从经济角度上建议添加适当剂量的聚合电解质，使污泥在机械脱水时脱去尽可能多的水，然后再进行电渗透脱水，以保证较少的能耗。

3.3. 絮凝剂

絮凝剂对污泥脱水性能的作用与有机聚合物的作用基本一致。目前运用较多的絮凝剂为聚丙烯酰胺(PAM)。

李静 [21] 对三种絮凝剂(NPAM、CPAM、APAM)对电渗透脱水效果的影响进行比较，发现其中APAM的处理效果并不理想，可能与污泥颗粒表面带负电荷有关。而CPAM的脱水效果要高于NPAM，可能是由于NPAM对污泥所带负电荷的中和作用较小，以吸附架桥作用为主导，而CPAM不止有吸附架桥的作用，同时还可对污泥表面的负电荷起到中和作用。对于CPAM来说，其分子量越大，给污泥中水分子带来的黏度越大，对脱水存在阻碍，因此宜选用分子量小的阳离子絮凝剂。黎艳 [35] 对CPAM的投加量对电渗透脱水效果进行探究，发现随着投药量的增加，污泥的含水率是逐渐降低的，但含水率降低的趋势变缓，在最佳的实验条件下可使污泥泥饼含水率降至78.66%，比空白组降低了9.3%。Jiaxiang Zhou [17] 的实验结果同样也表明了CPAM的投加可促进污泥电渗透脱水，在电压40 V作用180 min后，添加3%(w/w)，1 g/L的CPAM可使污泥的含水率由96.7%降至约92.14%，相比于未添加CPAM的空白组，含水率减少了1.47%。

4. 生物方法联合电渗透技术

主要是通过生物的氧化还原活动导致污泥酸化，提升污泥的自然沉降率，且在生物活动的作用下，污泥表面电荷发生变化，使得污泥结构由絮体变为紧实，提高其的脱水性能 [36] 。

这方面的研究并没有太多。Sharif Ibeid [37] 等人在对膜生物反应器添加电的条件下探究活性污泥脱水率的实验中发现，连续流电—生物反应器相比于传统膜生物反应器，在分别反应50 d和120 d的情况下，污泥特性比阻降低8和86倍。电流密度为15~35 A/m2的情况下，连续流电—生物反应器在100 kPa真空压力的作用下，污泥泥饼平均含水率为82%，而相同作用条件下，传统膜生物反应器污泥泥饼平均含水率约为93%。

5. 结语

现已有大量的研究证实了电渗透技术运用于污泥脱水的高效可行性，但随着电渗透过程的持续，污泥泥饼中水分流失所导致的泥饼电阻增大，将会对污泥脱水产生不利影响，同时使得能耗增加。因此对于电渗透脱水技术运用的推广，一种有效的辅助手段是十分有必要的。此外，辅助手段的选用也需考虑到其对污泥性质产生的影响是否会干扰到污泥的后续处理处置及回收利用。

文章引用

蔡白桦,张淑娟,江纪修,李 浩. 污泥电渗透脱水辅助技术的研究进展
Advances in Assisted Technology of Electroosmotic Dehydration of Sludge[J]. 环境保护前沿, 2016, 06(06): 146-158. http://dx.doi.org/10.12677/AEP.2016.66019

参考文献 (References)

  1. 1. 董立文. 城镇机械脱水污泥的电渗透深度脱水技术研究[D]: [硕士学位论文]. 北京: 清华大学, 2012.

  2. 2. Mahmoud, A., Olivier, J., Vaxelaire, J. and Hoadley, A.F.A. (2010) Electrical Field: A Historical Review of Its Application and Contributions in Wastewater Sludge Dewatering. Water Research, 44, 2381-2407. https://doi.org/10.1016/j.watres.2010.01.033

  3. 3. Larue, O., Mouroko-Mitoulou, T. and Vorobiev, E. (2001) Pressurized Electroosmotic Dewatering in a Filter Cycle. Drying Technology, 19, 185-198. https://doi.org/10.1081/DRT-100001360

  4. 4. Navab-Daneshmand, T., Beton, R., Hill, R.J. and Frigon, D. (2015) Impact of Joule Heating and pH on Biosolids Electro-Dewatering. Environmental Science & Technology, 49, 5417-5424. https://doi.org/10.1021/es5048254

  5. 5. Zhou, J.X., Liu, Z., She, P. and Ding, F.X. (2007) Water Removal from Sludge in a Horizontal Electric Field. Drying Technology, 19, 627-638.

  6. 6. 黄玉成, 张维佳, 金秋冬, 郝利娜. 自然冷融法对污泥沉降及脱水性能研究[J]. 安全与环境工程, 2008, 15(4): 43-46.

  7. 7. 李恺, 叶志平, 王凤英, 李焕文. 冷融技术联合化学调理对污泥脱水性能的影响及其机理[J]. 环境科学学报, 2010, 30(3): 536-543.

  8. 8. Lee, J.-K., Shin, H.-S., Park, C.-J., et al. (2002) Performance Evaluation of Electrodewatering System for Sewage Sludges. Korean Journal of Chemical Engineering, 19, 41-45. https://doi.org/10.1007/BF02706872

  9. 9. 卢宁. 污泥的电渗透脱水技术[J]. 石油化工应用, 2011(11): 85-87.

  10. 10. 马德刚, 张书廷, 季民, 等. 污泥电渗透脱水操作条件的优化研究[J]. 中国给水排水, 2005(5): 36-38.

  11. 11. 马德刚, 翟君, 柯忱, 苑梦影, 林伟强. 超声辅助对污泥电脱水的特性改进[J]. 环境工程学报, 2015, 9(8): 3991- 3996.

  12. 12. 尹协东, 梁晶. 电化学法污泥深度脱水研究[J]. 污染防治技术, 2014(4): 49-52.

  13. 13. Lee, J.E., Lee, J.K. and Choi, H.K. (2007) Filter Press for Electrodewatering of Waterworks Sludge. Drying Technology, 25, 1985-1993. https://doi.org/10.1080/07373930701727333

  14. 14. Yang, G.C.C., Chen, M.-C. and Yeh, C.-F. (2011) Dewatering of a Biological Industrial Sludge by Electrokinetics-Assisted Filter Press. Separation and Purification Technology, 79, 177-182. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2011.02.012

  15. 15. 李静. 电化学处理及其组合技术对污泥脱水性能影响[D]: [硕士学位论文]. 马鞍山: 安徽工业大学, 2014.

  16. 16. 李亚林, 刘蕾, 张毅, 魏添, 史丹. 电渗透/Fe-过硫酸盐氧化协同强化污泥深度脱水[J]. 化工学报, 67(9): 4013-4019.

  17. 17. Alshawabkeh, A.N., Sheahan, T.C. and Wu, X. (2004) Coupling of Electrochemical and Mechanical Processes in Soils under DC Fields. Mechanics of Materials, 36, 453-465. https://doi.org/10.1016/S0167-6636(03)00071-1

  18. 18. 卢宁, 莫文宁, 魏婧娟. 硝酸钠强化污泥电渗透脱水的试验研究[J]. 中国给水排水, 2012, 28(1): 68-70.

  19. 19. 俞力. 污水厂污泥电解法脱水研究[D]: [硕士学位论文]. 扬州: 扬州大学, 2013.

  20. 20. 季雪元, 王毅力, 冯晶. 水平电场作用下活性污泥的脱水研究[J]. 环境科学, 2012, 33(12): 4393-4399.

  21. 21. Iwata, M. and Jami, M.S. (2010) Analysis of Combined Electroosmotic Dewatering and Mechanical Expression Operation for Enhancement of Dewatering. Drying Technology, 28, 881-889. https://doi.org/10.1080/07373937.2010.490505

  22. 22. 黄殿男, 李薇, 王冬, 傅金祥. 碱-电法对污泥脱水性能作用的试验[J]. 沈阳建筑大学学报(自然科学版), 2015(5): 936-943.

  23. 23. Barton, W.A., Miller, S.A., Veal, C.J., et al. (1999) The Electrodewatering of Sewage Sludges. Drying Technology, 17, 498-522. https://doi.org/10.1080/07373939908917548

  24. 24. Loginov, M., Citeau, M., Lebovka, N. and Vorobiev, E. (2013) Electro-Dewatering of Drilling Sludge with Liming and Electrode Heating. Separation and Purification Technology, 104, 89-99. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2012.11.021

  25. 25. Yu, X.Y., Zhang, S.T., Xu, H., et al. (2010) Influence of Filter Cloth on the Cathode on the Electroosmotic Dewatering of Activated Sludge. Chinese Journal of Chemical Engineering, 18, 562-568

  26. 26. Lee, J.-E. (2011) The Effect of the Addition of Fly Ash to Municipal Digested Sludge on Its Electroosmotic Dewatering. Journal of Material Cycles and Waste Management, 13, 259-263. https://doi.org/10.1007/s10163-011-0023-z

  27. 27. Citeau, M., Larue, O., Vorobiev, E., et al. (2011) Effect of Electrolytes Content on the Electro-Osmotic Dewatering of Agro-Industrial Sludge.

  28. 28. 刘吉宝, 魏源送, 王亚炜, 才兴, 邵春岩. 基于预处理的强化污泥脱水研究进展[J]. 中国给水排水, 2014(14): 1-6.

  29. 29. 于晓艳, 王润娟, 支苏丽, 张书延, 马德刚. 胞外聚合物对生物污泥电渗透脱水特性的影响[J]. 中国给水排水, 2012, 28(15): 1-5.

  30. 30. Citeau, M., Larue, O. and Vorobiev, E. (2011) Influence of Salt, pH and Polyelectrolyte on the Pressure Electro-Dewatering of Sewage Sludge. Water Research, 45, 2167-2180. https://doi.org/10.1016/j.watres.2011.01.001

  31. 31. Gingerich, I., Neufeld, R.D. and Thomas, T.A. (1999) Electroosmotically Enhanced Sludge Pressure Filtration. Water Environment Research, 71, 267-276(10).

  32. 32. Saveyn, H., Pauwels, G., Timmerman, R. and Van der Meeren, P. (2005) Effect of Polyelectrolyte Conditioning on the Enhanced Dewatering of Activated Sludge by Application of an Electric Field during the Expression Phase. Water Research, 39, 3012-3020. https://doi.org/10.1016/j.watres.2005.05.002

  33. 33. 黎艳, 林海, 朱向东, 刘伟岩. 板式电凝聚强化市政污水处理厂剩余污泥脱水的研究[J]. 科学技术与工程, 2007, 7(4): 572-575.

  34. 34. 王电站, 周立祥, 何锋. 生物淋滤法提高制革污泥脱水性能的研究[J]. 中国环境科学, 2006, 26(1): 67-71.

  35. 35. 郝徤. 电渗透法污泥减量技术研究[D]: [硕士学位论文]. 大连: 大连海事大学, 2015.

  36. 36. 李里特, 李修渠, 薛文通. 提高电渗透脱水速率的措施[J]. 食品科学, 1999(3): 18-21.

  37. 37. Ibeid, S., Elektorowicz, M. and Oleszkiewicz, J.A. (2015) Electro-Conditioning of Activated Sludge in a Membrane Electro-Bioreactor for Improved Dewatering and Reduced Membrane Fouling. Journal of Membrane Science, 494, 136-142. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2015.07.051

*通讯作者。

附录

Table S1. Summary of the assistive technology of electroosmosis sludge dewatering

附表1. 污泥电渗透脱水辅助技术汇总

注：DS——污泥干重；wt%——重量百分比；—表示文中未提及；当数据之前出现“约”字表该数据文献中未直接给出，由所提供的图表或由公式间接取得；计算公式 [21] ：，，式中：mw为滤出液质量，g；ms为初始污泥总质量，g；W0为初始污泥含水率，%。

期刊投稿者将享受如下服务：

1.投稿前咨询服务 (QQ、微信、邮箱皆可)

2.为您匹配最合适的期刊

3.24小时以内解答您的所有疑问

4.友好的在线投稿界面

5.专业的同行评审

6.知网检索

7.全网络覆盖式推广您的研究

投稿请点击：http://www.hanspub.org/Submission.aspx

期刊邮箱：aep@hanspub.org

期刊菜单