活性污泥电脱水：电阻分析外文翻译资料

英语原文共 7 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

活性污泥电脱水：电阻分析

Jean-Baptiste Conrardy, Jean Vaxelaire*, Jeremy Olivier

法国热力学研究所（EAD 1932），UPPA，ENSGTI，rue Jules Ferry，BP 7511,75075法国Pau Cedex

摘 要 欧姆加热中的显着风险和脱水终端的高电能耗是阻碍电脱水（EDW）技术发展的两个障碍。对未来进行展望，为了消除这两个障碍，收集EDW电阻中的相关数据并进行定量分析显得非常重要。这是本项研究的主要目标。研究表明整个系统（滤饼 滤布）的电阻取决于滤饼的干燥度，当固体含量超过45％时，电阻急剧增加，固体负载也会影响开始时的表观电阻。滤布的电阻约占总电阻的20％，除了终端阶段外（这时一般大幅增加），在整个过程中保持相对恒定。使用金属布等导电过滤器能够降低电阻并降低工艺的能耗。

在滤饼上，电阻从阳极下降到阴极。这种行为可以通过几种现象来解释，例如离子迁移及其与固体的相互作用，从阳极到阴极的干固体含量的降低和阳极处的气体存在（由于电解反应）。

关键词 电渗透脱水 活性污泥 电阻 固/液分离

1. 介绍

执行现行废水处理的环境法规导致了污水中的污泥含量增加，该污泥主要采用脱水的方式来降低其储存容量和运输成本。由于机械脱水与热干燥相比，能量需求低，所以减少污泥的体积通常是通过机械脱水的过程来实现的（Vaxelaire等，1999）。然而废水中的污泥通常难以脱水，废水污泥是一种由嵌入生物聚合物网络中的微生物（主要是细菌）组成的发生体系（Christensen等，2015），其特定的结构构成了一种高度多孔的分形状网络，其中包含有胶体颗粒，它比典型的颗粒悬浮液表现得更像凝胶状材料（Raynaud等，2012）。

目前的研究倾向于提出潜在的替代方案来提高污泥的脱水能力或/和提高常规方法的效率。脱水前进行预处理可以增加污泥脱水的能力，例如，热预处理显示了令人关注的结果（Neyens和Baeyens，2003）。关于传统方法的改进，已经从不同的方向进行了研究（Mahmoud等，2013），例如添加热力场（Clayton等，2006; Couturier等，2007; Peteers，2010）。针对废水中的污泥，在机械压缩阶段应用连续电场的电脱水（EDW）是实验室规模的研究里最有希望的一种（Mahmoud等，2010）。很少有工业实现和商业化试图提及：两个韩国流程，一个叫做Elosys（韩国水科技）和另一个是E-Lode（与韩国西门子产品分销有关的ACE韩国公司）；两个新闻系统，一个称为Dehydris Osmo（德蒙特）和另一个Ovivo CINETIK；以及社会电动提出的一个过程。然而，电脱水技术在工业中仍然不常用。在最近的一篇文章中，Citeau等（2016年）强调了阻碍发展EDW技术的四个主要问题：“（1）欧姆加热的风险显著（2）脱水终端电能消耗高（3）由于电解反应，滤饼会发生碱化和酸化（4）电极腐蚀”。因此，需要进一步的研究来更好地探究这些现象，然后提出技术程序来限制过程存在产生的影响。

未来，在研究第二个问题的研究过程中，首先探究电阻变化很重要。

只有少数研究具体讨论了这一特定方面。如Mahmoud等（2010）和吉田等（2013）提到的，通过滤饼的电流取决于固体和液相的电阻率以及固体含量。

通过系统的电流会由于焦耳效应而导致温度升高。Navab-Daneshmand等（2012）已经表明，视在电阻率受温度的影响。当系统冷却时，电阻率和能量使用量较高。Yu等（2010）表明，滤布电阻也影响能耗。Citeau等（2012b）从实验中发现，滤布的电阻可以达到过滤室总阻抗的75-88％。Yu等（2010）也表明，过滤器厚度影响结果，更厚的过滤器导致更高的百分比，特别是在脱水结束时。Citeau等（2012b）也观察到过滤器厚度的影响。

电极相对于滤布的位置（后面或前面）也会影响该过程的效率。将电极放在过滤布之前（直接与滤布接触）导致在中等能量消耗下产生较高的滤饼固体含量（Saveyn等人，2006; Citeau等，2012b）。Yu等人（2010）分别用滤布和不用滤布进行实验，也报道了类似的结果，没有滤布，无论施加的电压是多少（8和12 V之间），能耗都显着降低。

最后，电极材料也改变了系统的总电阻和消耗的功率量来达到相同的脱水量。实际上使用较低电导率的电极也会导致较低的能耗（Glendinning等，2010）。

本文的目的是完善已经在科学文献中发表的作品，并提供在EDW过程中与电阻行为相关的定量数据。研究了电压，电流强度，质量负载等一些工作参数的影响，还测量了通过EDW系统的电阻分布。所有这些结果有助于更好地突出一些涉及活性污泥电脱水的机制。

1. 主要方程式

整个脱水装置的表观电阻（）可以从欧姆定律计算：

其中是两个电极之间的电压降，I是电流强度。

事实上，是几个电压降的总和，如下面的等式所述：

表示阳极和阴极之间的电压降，是由于在电极处发生的电解反应引起的pH梯度引起的。这是用能斯特定律计算的（Mahmoud等，2010）。对于10个单位的pH差异，在阳极和阴极之间，Uthermo达到0.6V。

和分别是阴极和阳极过电压。它们主要取决于发生的反应和电极的性质。对于通常用于EDW的电极，阴极约为0.1V，阳极为0.3V（Vijh，1999）。

是由滤布（后者位于电极和滤饼之间）引起的电压降。其大小取决于布的性质和厚度（Citeau et al。2012b）。

是通过滤饼的电压降。通常，它远远高于上述其他电压的总和。

对于用于电脱水的电压（通常在20 V至60 V之间），电压降的主要部分位于滤饼中。脱水期间，滤饼的电阻几乎保持不变，当滤饼的干度达到较高水平（高于45％，见图7），它通常显着增加（见第4.2段）。因此，对于干燥度低于45％的滤饼来说，系统的总电阻与滤饼电阻的行为方式相似。总的来说，提供给系统的电力在滤饼中大量消耗，并且表观电阻可以合理地与在滤饼中消耗的电功率联系在一起。

在滤饼中的电能消耗（）也可以分为两个部分：

指从滤饼中除去水分的功率。由于提取的水被固定在固体上，使得功率会越来越高（Vaxelaire和Cezac，2004; Deng等，2011）。当电脱水过程中，越来越多与固体结合的水会被去除，因此，可以根据滤饼的干燥度（S）来表示：

是过滤流量，该函数表示去除给定量的滤液所需的能量，它是一个递增函数。根据Olivier等（2015）过滤流量可以用以下公式计算：

K是一个常数，只取决于污泥性质。

由于以前的等式，表观电阻可以写为I和S的函数：

如Mahmoud等人所述（2010）滤饼的电阻取决于固体含量。所以也是滤饼干燥度的函数。

3.材料和方法

3.1实验装置

用于这项工作的实验装置包括一个过滤压缩装置，其带有一个可以在145mm深的圆柱形腔室中移动的聚四氟乙烯trade;压缩活塞（图1）。聚四氟乙烯trade;也被用作容器壁的组成材料，因为它具有良好的电绝缘性，并且可以减少活塞移动产生的摩擦。为了符合法国标准（NFT-97-001AFNOR标准），腔室内径固定为70mm，添加不锈钢外护套以保证设备的机械阻力。该装置把需要脱水的材料压在室底部的滤布上，通过加压空气，将压力施加到活塞的顶部。

使用两个热电偶，一个插入压缩活塞的底部，另一个位于过滤器的出口通道中，随着温度的变化而移动（Olivier等，2014），当温度太高（80℃的安全值是任意固定的）停止移动。

用于实验的电极，尺寸稳定（没有库仑消耗），是由ECS（Electro Chemical Services，Saint-Genis，France）提供，直径为65毫米，意大利INDUSTRIE de Nora制造的。上部多孔板电极（阳极）由涂覆有混合金属氧化物（MMO）的钛制成，目的是为了防止其氧化，将活塞头插入其中。下部多孔盘电极（阴极）位于滤布下方，由钛制成。阴极和滤布均由聚四氟乙烯trade;制成的多孔格栅固定，该格栅由不锈钢外护套保护，以确保单元的机械阻力。

图1 实验装置

把在恒定电压或恒定电流下工作的直流电源EV202 CONSORT（最大300 V和2A），连接到阳极和阴极，施加到活塞的压力由加压空气控制。将过滤液按照比例收集到烧杯中，计算机随时间记录所有实验数据（滤量，电流和电压），两个数字传感器（ISO-TECH IDM 73）用于监测电脱水池中的电压和电流波动。

在一些特定的实验系列中，为了在设备内进行局部测量，需要使用一个补充电极，补充电极是由钛制成的圆形网格，根据不同的测量内容，它位于压缩室中的不同位置。通过穿过过滤介质的软连接器，它连接到外部电气系统（图2）。

图2 实验装置采用可移动测量电极

大多数实验使用聚丙烯（厚度390 mm）制作的滤布。对于一些特殊的测试，也使用了金属制作的滤布（厚度320毫米）。

3.2污泥

活性污泥是从Pau-Lescar（法国）废水处理厂采集的，平均初始干固体含量约为0.5％（wt％）和平均挥发性悬浮固体浓度为80％。

为了限制材料由于生物变化可能引起的变化，污泥在4℃下储存，在不到一周的时间内使用。

在调理前，要将活性污泥在露天中放置至少1小时适应环境以达到室温（20plusmn;1℃）。用SNF FLOERGER（Andrezieux，法国）提供的聚电解质化学药品进行调理。根据制造商（SNF FLOERGER）给出的说明，用5g.L-1活性聚电解质（0.5％）制备水性聚电解质溶液。

在固定剂量（12g活性聚电解质/ kg DS）下使用具有一定程度交联（EM 640 TBD；阳离子度60％）的结构聚合物，所用的调理剂剂量是由初步重力引流试验确定的（Ginisty等，2012; Olivier等，2013）。

调节步骤在常规的罐式试验装置中进行，在20秒内以300rpm运行，保证聚电解质与污泥的良好混合。接下来，将搅拌速度降低到20rpm，持续30秒，以促进其生长。在调理阶段后，使用实验室批量排水装置在约5分钟内过滤污泥（Olivier等，2004）。在增稠步骤结束后，污泥的干固体含量通常为5至7％。

3.3 脱水程序

所有试验均在500kPa的压力下进行。电场通常在实验开始时直接应用于增稠污泥上。由于增稠污泥中干固体含量显着（约7-8％），电泳效应可以被忽略。对于一些特定的实验系列（在恒定电压下进行的测试和测量滤饼上的电阻分布的测试），在施加电场之前需要进行单次机械压缩（在500kPa下2小时）。

在实验结束时，将脱水滤饼从装置中取出并称重。测量滤饼干燥度采用的方法为：在105℃下干燥24小时，并根据欧洲标准程序EN 12880进行称重。根据记录的过滤质量，在整个实验中连续计算干固体含量，在进行计算时，要考虑到提取的滤液会部分蒸发。

由于初始污泥性质，组成的变化，每一系列试验重复至少三次。我们观察到从一系列实验到另一系列实验之间会存在相同的行为，然后，通过对这些相同行为进行验证，以此来测验再现性。为了提高手稿的可读性，每个图片将仅提供一系列实验。此外，需要对具有固定运行条件的相同污泥样品进行初步的再现性测试，以此来估计偏差范围。估计滤饼的干度为plusmn;1.5wt％，电阻为plusmn;2欧姆，能量消耗为plusmn;0.1kJkg-1DS。

1. 结果与讨论

4.1电源工作参数对总电阻的影响

4.1.1电压的影响

在三种不同电压（30 V，40 V，50 V）下的整个电脱水过程中，总电阻的变化遵循规律，结果报告见图3，这些结果表明电压不会显着影响实验系统的总电阻。当过滤流失趋于零时，在过程结束时会高度增加。如等式（6）中所述，当趋于零时，当前的电流强度会变得非常低，导致的快速急剧地增加。

4.1.2电流强度的影响

为了研究电流强度对电脱水的影响，在实验开始前，通过应用不同的电流进行一系列实验。该程序适用于同时向污水污泥上施加压力和电场，可以计算大范围干固体含量的电阻并能观察到电阻的初始降低（图4）。这些实验表明电流对电阻会产生影响。较高的电流会导致较低的电阻。这个结果与等式（7）很好地

一致，其中右边第一项显示了与的相互关系，右边第二项不应该取决

于I，应该与成正比，应该是恒定的，且滤饼干燥度至少达到45％（参见图6a和图7）。45％以上的过滤阻力的增加影响了的增加。

图3 （压力=500kPa）施加的电压对视在电阻的影响

图4 （ms=10g，压力=500kPa）施加的电流对视在电阻的影响

在滤饼干燥函数中，表观阻力的特性很难直接从等式（7）的角度去解释，这是由于不同项所占的比重不同而导致的。f(s)对于滤饼干度（S）的高值是急剧增加的函数。另一方面，像Conrardy（2014）在数值模拟结果中提到的一样，取决于滤饼阻力，表现形式类似于U型函数。

否则，在反应结束时会急剧增加。电流保持恒定，但是电压急剧增加，导致温度的急剧增加（由于欧姆放热）。当温度太高时，需要停止反应，以避免设备受损，故将温度控制在80℃左右即可。

4.1.3污泥处理量的影响

当把更多量的污泥引入进渗滤压缩室时，可以观察到较高的滤饼厚度。在图5中报告了用2种显着不同量的污泥（5和10g干固体）进行的实验结果，可以观察到，滤饼表现为欧姆导体，干燥度低于20％，较厚的滤饼导致更高的电阻，相反，由于滤饼的干燥度高

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[141455]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word