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工艺参数对干燥度的影响以及污泥电脱水节能的研究

文章信息

文章历史：于2016年4月28日收到初稿；2016年7月6日收到修订版；文章于2016年7月9日被接受，发表于2016年7月14日。

关键字

机械脱水、电脱水、污泥、效率、能源消耗、电动力学现象

内容提要

电动机械脱水：也被称为电脱水（EDW），是一种污泥脱水中高效的液/固分离新技术；

污泥：本次课题研究了电脱水（EDW）在污泥处理工艺中的性能；

操作模式的影响：通过对主电压脱水（U-EDW）和主电流脱水（I-EDW）的研究（连续30分钟运作）的结果表明，在U-EDW情况下，节电10e12％左右，I-EDW情况下节电30e46％左右。

在滤饼压缩阶段，施加压力从0.5升至12bar可以提高电脱水效率。 结果还表明，在低电场水平下处理压力的增加对脱水过程具有相对显著的影响。 在高电场下需要最小的处理压力（4e6 bar）来改善电极与污泥之间的接触，从而降低能量消耗。

内容简介

在过去的十几年中，由于对污水排放水质要求的提高，市政污水处理排放的成本也有所增加，而且，随着严格的环境保护法的立法，污泥的处理成本也在提高。污泥的处理成本主要取决于污泥的处置、运输、储存以及水分含量。污泥中的水分通常通过重力沉降和机械方法去除，后续有离心机，带压式滤机和板框压滤机，并且如果情况需要，可以再进行进一步的干燥烘干。污泥的常规脱水效率通常较低，35％（干重/湿重）的脱水率似乎已经达到了脱水处理能达到的最高处理能力(Chen et al.,2002;Mahmoud et.,2011)。对于传统的热干燥而言，能量的消耗与需蒸发的水量成正比，因此用该方法对污泥进行脱水需要较高的投资以及运营成本（Mahmoud et al.,2008;Fytili and Zabaniotou,2008;Olivier et al,.2014）。因此，为了提高污泥的脱水率并同时保证较低的能耗和投资，我们显然需要通过研究和创新去发现一种新的污泥脱水技术。

在此背景下，研究人员在过去的十多年中投入了巨大的努力来提出新的设想法方或通过重新考虑传统方法以便加强现有的机械脱水（MDW）的智能化的技术，比如增加一个热场、一个声场、超声场、电厂、微波或最近被提出的水热效应。（Smythe and Wakeman,2000;Abu-Orf and Hepner,2005;Clayton et al,.2006;Couturier et al,.2012a,2014,2016;Tuan et al.,2012;Iwata et al,.2013;Bennamoun et al.,2013;Tuncal and Uslu,2014;Wang et,al.,2014;Ma et al.,2015;Apaolaza et al.,2015）。

根据污泥的类型，电子辅助机械脱水，也就是电脱水（EDW）被认为是提高污泥脱水效率的最有校的混合混合脱水方法。在电脱水过程中，通过在常规压力脱水的过程下施加电场，会使污泥脱水能够在低能耗的情况下达到之前高能耗的脱水率，增加了最终的固体含量并加速了脱水效率（Saveyn et al.,2005;Mahmoud et al.,2010,2011,2013;Citeau et al.,2012a;Tuan et al.,2012;Iwata et al.,2013;Olivier et al.,2014;Feng et al.,2014），如图1所示

图1

通过电动来提高污泥脱水效率中涉及的现象包括众所周知的电泳、电渗和电迁移。该现象在最近的研究成果（Mahmoud et al.,2010,2013）中有所描述，并且图1中也有所展示。图一中表示的MDW过程中，对悬浮固体施加机械力时，悬浮固体会向过滤介质移动从而行成泥饼（如图）。它还描绘了施加电场时的悬浮固体的运动。悬浮固体通常为负电荷颗粒或阴离子，也通常与带阳离子的水一同显示（图1）。

如图1 a所示，机械脱水过程可以分位两个阶段：第一个是所谓滤饼开始堆积的过滤阶段；第二是活塞作用于滤饼将滤饼的体积压缩到固体含量约35％的压缩阶段。EDW过程如图1 b所示，通常使用的操作方法有三种：恒定电流（I-EDW），恒定电压（U-EDW）或恒定电场（E-EDW）。该附加电场可以应用于任意一个脱水阶段，或作为脱水的前处理或后处理。对于无机悬浮液或矿物污泥（例如高岭土、膨润土），其中最重要的一步是过滤，根据报道，从脱水实验的最开始施加额外电场就能够获得收益（Ju et al.,1991;Weber,2002;Weber and Stahl,2002,2003;Larue et al.,2001,2006）。相比之下，对于大的和可压缩的污泥（例如城市活性污泥絮凝和厌氧絮凝消化污泥），其机械压力效应可能在早期的电泳阶段占据主导地位，对压缩阶段施加额外电厂的兴趣大过过滤阶段。作为额外电场辅助机械污泥脱水，意味着电力的消耗，选择施加电场的起点变得尤为重要（例如任选一个人脱水阶段或两个都选），从而能够在经济可行的条件下获得最大的效率。（Friehmelt et al.,1995;Miller et al.,1998;Barton et al.,1999;Lee et al.,2002;Saveyn et al.,2005;Mahmoud et al.,2011,2013以及最近的Olivier et al.,2015指出，由于经济原因，EDW阶段应该接在压力脱水之后。他们说明了在一个整体都施加了电场的脱水过程中，在开始的过滤阶段并没有任何对脱水有益的影响，而且没有观察到电泳现象。通过这个我们可以联系到可能是污泥颗粒太大从而电泳无法对其作用产生运输效果造成的。此外，充分调节了的污泥则显示出了快速且平稳的过滤阶段，而且滤液的过流压力远高于电渗压（Saveyn et al.,2005,2008）。然而，根据我们的理解，科学文献中的研究是没有可比性的，其中比较脱水性能应在同一类型污泥在同一种脱水装置下进行。因此，本论文的具体目标是;

1. 研究运行模式在活性污泥的EDW处理过程中的性能的影响；
2. 提出能耗的比较研究。为了减少含水量和优化功率的要求，应用压力也应被研究，用以产生一个坚实的设计方案。

材料和方法

2.1污泥样品和化学调理

本研究中使用的活性污泥样品来自于法国波城的Lescar污水处理厂。收集到的活性污泥的主要物理化学特性有：平均出师干固体量0.5％（湿重占比）；电导率0.8mS/cm；电位为20m；平均挥发性悬浮固体含量为80％（Olivier et al.,2015）。如表1所示：

表1

收集的污泥样品被保存在塑料袋中，保存温度4℃，并在至少保存一周后开始使用。这个过程限制了生化反应对污泥成分的影响，使得实验具有更高的可靠性，使结果更容易被接受。

在测试之前，将2000g的污泥样品露天放置30分钟，使之在调理之前达到20℃plusmn;1℃的温度。然后用由SNF FLOERGER制造商（法国）提供的阳离子线性高聚物EM、根据制造商（SNF FLOERGER）提供的说明书配制的5g/L的水聚电解质溶液，聚电解质浓度（0.5％）来对污泥进行调理。根据Mahmoud et al.,2011的报告，为了使聚电解质链完全展开以优化接触效率，聚电解质溶液应至少在20分钟前就应该制备好备用。根据Olivier et al.,2004的测试结果，使用的调节器剂量应根据初步重力排水固定在3.5g活性EM640L/Kg干污泥（g/KGDS）。

活性污泥的调理步骤是使用常规的罐式试验装置，在30秒内以270rpm运转强度将电解质混入污泥中，然后再30秒内以20rpm运转强度缓慢搅拌促进絮凝物的生长（Mahmoud et al.,2011）。在调理阶段后，使用实验室批量排水装置过滤活性污泥（Olivier et al.,2004;Vaxelaire and Olivier,2006）然后稀释至上清液（滤液）中的干固体含量为4.5e5.2％（wt％）。在正常的运行条件下，装在电脱水室的约286g调理污泥相当于在约2.6KgDS/㎡的过滤表面截留下厚度约80mm的样品。

2.2实验装置

用于活性污泥脱水的试验装置如图2所示，该装置由Mahmoud等人于2011年开发并描述。

简而言之，该装置包括：

1. 垂直圆形过滤柱/压缩单元（内径70mm，以法国NF-T-97-001 AFNOR标准和最大高度145mm为依据），采用Teflo技术，从阳极用压缩活塞压缩污泥；
2. 直流电源为EV202 CONSORT（最大300V，2A）；
3. 两个数字万用表（ISO-TECHIDM73）来监测电压和电流的波动；
4. 用于滤液的电子天平（Mettler USA）;
5. 一个滤液收集器；
6. 计算机和数据采集软件。

装置底部覆盖有孔径25mm的滤布（SEFAR TETEX MONO SK025,SEFAR Fylitis S.A.S,France）。使用的电极为尺寸稳定在65mm直径，由INDUSTRIE de Nora（意大利）公司生产，由ECS（Electro Chemical Services，Saint-Genis，France）公司提供。上多孔盘阳极固定在活塞的底部，而下多孔盘阴极则放置在滤布下方。电极由表面涂有混合金属氧化物（MMO）的钛制成以防止腐蚀。两个电热偶用来测量温度，并在温度过高的情况下停止工艺。第一个电热偶插入压缩活塞的底部。第二个是放在滤液的出口通道，以尽量减少冷却效果。这些传感器的精度大概在0.5℃（Mahmoud et al.,2011）。将所有实验数据记录在联网的电脑中。

2.3MDW和EDW的脱水方法

调理污泥的适合的干固体含量为在步骤1中制备的4.5e5.2％（wt％），最初在室温下倒入电脱水槽中。在不同的施加压力（0.5e12bar）下进行一系列电脱水运行（阶段二），其中所选的施加电压在10、20、30、40和50V范围内对U-EDW进行测试，在300mA范围内对I-EDW进行测试。选择（10e30V）低压范围和（40e50V）高恒电压，以确定不管施加的电场强度如何，与施加的电压影响相比，压力对最终干固体含量的影响是不重要的。这些加工参数也被Mahmoud等人在2011年、Olivier等人在2014年报告的实验中作为操作条件。电脱水实验以图三中示意的三种方案为主，并附带有解释。

图3

所有电脱水测试均在三天内进行（每天两次实验，三天共六次实验）。在相同的实验条件下，每三天的实验至少重复三次，用以评估结果的可重复性。图中曲线表示平均结果，误差线表示标准偏差。

2.3.1MDW/EDW实验方案

根据Friehmelt et al.,1995;Miller et al.,1998,1999;Barton et al.,1999;Gingerich et al.,1999;Lee et al.,2002;Abu-Orf and Hepner,2005;Saveyn et al.,2005,2006,2008;Mahmoud et al.,2013,由于压力驱动的滤液流量比脱水初期的电渗流速高的多，所以在整个脱水运行开始时应用电场是不方便的，因为大量的能量会因用于除水而造成不必要地损失，但这个情况可以在常规MDW工艺中避免。因此，将电场的应用延后，以减少电源的输入是明智的。并且，通过在5bar下对方案1和方案2的比较研究，调查在改变施加电压（20或50V或者300mA）的时间的条件下的附加效果。

方案1：MDW/EDW过程在5bar下进行，立即或者在10min、30min后施加电压为50V（或300mA），如图3所示。

方案2：MDW/EDW过程由两个连续的步骤组成，如图3所示。

1. 常规的过滤/压缩：在压力（）下，2h达到最大脱水必要条件；
2. 电压缩操作在恒定电压（或电流）与同一个压力（）的是应用在之前步骤的（）。

当在十分钟内收集不超过两滴滤液时，自动检测判定该脱水阶段结束（2h也是必需的）。

在第二步骤期间的这个过程意味着可以获得因为电子贡献而去除的额外的滤液。

方案3：MDW/EDW过程包括3个连续步骤，如图3所示。本次研究采用以下脱水方法：

1. 常规过滤/压缩：在压力（）下，需要2小时才能达到最大脱水效果；
2. 以恒定电压工作的电压缩具有与在前一步骤（）中应用的压力相似或更高的施加压力。30分钟内持续增加压力。
3. 执行具有较高施加压力（）的相同工作电压下的第二压缩级。

2.4分析方法

在电脱水期间，计算机记录所有实验数据（例如滤液质量、滤饼厚度、阴极和阳极温度，电流和电压）。

对于所有实验方案，在每个实验结束时，将脱水饼从脱水室中取出并称重。平均干固体含量根据欧洲标准程序EN 12800 在105℃下干燥24小时后进行称重测量。在整个实验中，从记录的滤液质量中连续计算干固体含量。在计算中考虑提取的滤液的部分蒸发量。

EDW电脱水池中活性污泥样品的平均干固体含量计算方法如下：

式中

—引入干固体的质量；

—混入的污泥总量；

—收集滤液的质量。

另一方面，初始干固体含量（Sin）在测试之前已经获得，并可以用以下方法将其转化为液体/固体混合物（X）的相应水含量：

液体的初始质量（）存在于调理污泥中，由下式定

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