电渗法在污泥脱水领域应用的影响因素

王晗

（河北国惠环保科技有限公司，石家庄 052300）

近年来，我国不断加大对城镇污水处理设施的投资力度，污泥的机械脱水方式只能将污泥含水量降低到80%左右，但是目前污泥的填埋、堆肥、燃烧等利用方式都要求其含水量在60%以下，污泥深度脱水已成为污泥处置的先决条件。板框压滤机是污泥深度脱水的主要设备之一，污泥经过板框压滤机处理后形成泥饼，体积可以减少50%—80%，但是污泥脱水后会出现污泥与滤布和机器黏附的现象，对设备连续生产运行会产生不利影响，影响脱水效率和设备的使用寿命。电渗脱水技术由于具有高效性且不易堵塞滤布的优点，可应用于污泥深度脱水。

1809 年，Reuss 在试验中首次观察到电渗现象，在电压存在于有水的土介质两侧时，阴极水位上升，阳极水位下降；
断电后，水流停止。德国首次在铁路路基开挖工程中运用电渗排水加固地基，此后电渗排水法逐渐应用于建筑工程中[1,2]。

近年来，随着电渗技术研究的推进，电渗法越来越多地被用于污泥脱水领域。在电场的作用下，带电颗粒向阳极运动，处于扩散层的反离子携带水向阴极运动，形成电渗透现象[3]。

污泥处理处置的原则是减量化、无害化、稳定化，并在此基础上实现资源化。根据污泥中所含水的位置和与污泥的结合方式，可将其分为结合水、邻位水、毛细水和自由水[4]。

结合水又称内部水，通过化学键与污泥中颗粒或微生物结合，形成不易流动的水，约占总水量的3%；
邻位水表面张力大，附着在污泥颗粒表面，约占总水量的7%；
毛细水由于毛细现象而产生，存在于污泥细小颗粒周围，是一层结合压力大、结合紧密的多层水分子，约占总水量的20%；
自由水又称间隙水，大量分布在污泥颗粒之间，约占总水量的70%，自由水与污泥颗粒的相互作用力决定污泥脱水的难易程度。带式压滤、离心分离、真空等机械方式只能脱除自由水，热干化能脱除结合水，电渗脱水能去除毛细水和自由水。电渗脱水和机械脱水的差别在于电渗可以作用于污泥颗粒的内外表面，使颗粒密度均匀增加，而机械脱水只能脱除自由水，脱水能力有限[5]。

电渗法应用于污泥脱水领域中的优点：（1）电渗法一般需要的电压为30—160V，采用低电压可以降低能耗；
（2）在污泥通电时存在发热现象，会蒸发部分水分，使含水量进一步降低，可以将污泥含水量降低到30%以下，比广泛应用的污泥机械脱水法脱除结合水的效率更高；
（3）操作灵活，可以通过操作条件组合优化的方式，降低能耗。

电渗法应用于污泥脱水领域中的缺点为：（1）现阶段电渗法处理污泥的费用较高，由于电渗法使用直流电进行，设备必须配置交流直流转换装置，耗电量高；
（2）当采用金属电极时，脱水反应产生的铁离子、铝离子等会进入到滤液中引起滤液污染；
（3）当采用金属电极时，电化学反应会导致电极腐蚀，在金属电极表面形成金属氧化物，阻碍电势渗透进污泥层，不利于电渗进行，导致效率降低，耗电量增大；
（4）在电渗进行时，阳极附近会产生氧气，阴极附近会产生氢气，随着通电时间的延长，气体会逐渐阻碍电极与污泥的接触，形成电绝缘层，影响电渗效率[6]。

3.1 通电方式

3.1.1 优化通电方式

控制电源主要有控制电压和控制电流两种方式。Hamir 的试验表明两种电源控制方式并无本质差异。

3.1.2 逐级加压

从一开始就施加高电压，后期会产生明显的电流衰减，后期电渗效率低，而逐级加压能缓解后期电流强度衰减的趋势，从而提高电渗后期的效率，提升整体脱水效率。高电压在早期排水效率很高，但是衰减也较快，整体能耗较高，逐级加压虽然早期效率不高，但是后期排水速率降低的趋势较缓，保证了整体脱水效率比较平衡，降低了单位体积排水量的能耗[7]。

3.2 电极布置

排列布置优于环形布置，梅花形布置优于长方形布置[8,9]。

3.3 电极材料性能

电极材料性能是影响电渗过程的关键因素，对电渗效果影响巨大。电极一般应具有良好的化学稳定性、电化学稳定性、导电性能、机械性能等。目前的电渗透装置中，电极一般选用铁、铝、铜和石墨等，关于此类材料的研究成果也较多。

不同电极材料的电势损失不同，生成的离子种类不同，离子的迁移过程不同，水的迁移过程也不同，所以电渗效率也千差万别。铁、铜、石墨和铝电极的电渗试验结果表明，阳极钝化及电极腐蚀引起的电势损失是导致电渗效果差的主要原因[10]。

排水量从大到小依次为：铁＞石墨＞铜＞铝；
电势损失从大到小依次为：铝＞铜＞石墨＞铁。电势损失导致实际有效电势小于电源电势，同时电势损失随着电源电压的提高而增大。电极表面氧化是决定电势损失大小的关键因素，这也是不同电极电势损失不同的主要原因。铁离子和铜离子的迁移能力差，大多聚集在阳极处无法迁移，铝离子的迁移能力强，大多随阴极脱水排出[10]。

能耗从大到小依次为：铁＞石墨＞铜＞铝。电渗过程中阳极反应会因阳极材料不同而不同，阴极反应一般不受阴极材料影响，对电渗起到主导作用的是阳极材料。实际工程中，阴、阳电极可使用不同的材料，阴极可视工程条件采用耐用、经济且易获取的材料，以降低成本。铜电极效率比较低可能是因为铜阳极发生了电化学钝化，而且电势梯度越高铜越容易放生钝化。另外，铜的价格较为昂贵，一般在工程中也较少单独使用。

石墨是一种惰性电极，不参与电极反应，不受电势梯度影响，不发生钝化，电渗效果优于铜和铁，但在较低的电势梯度下，石墨排水量不如铁。铝电极排水量小，能耗大，表现最差。铁电极在各项试验中表现最好，在没有特殊要求的条件下，优先考虑采用铁电极[11,12]。

3.4 电渗法与其他方式联合脱水

电渗法与传统的机械方式联合脱水：在电渗脱水过程中，施加的机械压力可以使污泥内部水分布均匀，电场的加入提高了脱水效率，缩短了脱水时间。压力越大，污泥颗粒间距越小，逐渐被压实后会增加水迁移的阻力。所以机械压力不是越大越好，而是存在一个最佳机械压力[13]。

电势梯度越大，污泥中水脱除越快，达到相同含水量的时间越短。电渗后期由于阳极附近的污泥含水量减少，电极附近产生气体，导电性变差，脱水效率变低。在含水量降低时，污泥絮体被破坏，粒径变小，电渗法去除了污泥中的毛细水，颗粒之间间距变小，絮体结构紧密[14]。

试验后期电极与污泥，尤其是阳极与污泥脱开严重，加压可使其与污泥接触良好，电路中电流会明显上升。电渗后期电极与污泥不能有效接触，可能是导致电渗效率随时间的延长而降低的主要因素之一，若能改善电极板与污泥接触界面性状，会大大提高电渗效率[12]。

采用真空预压加电渗法联合脱水的效果更明显。真空预压主要是机械作用，电渗法主要是电化学作用。污泥的高含盐量会导致电渗能耗过大且电极腐蚀速度快，在前期真空预压的排水效果优于电渗排水，而当平均含水量小于85%之后，电渗的排水效果优于真空预压。使用真空预压加电渗法联合脱水，可采用间歇通电方式，根据含水量变化延长电渗时间[15]。

3.5 电渗法与污泥性质的关系

污泥的含水量、含盐量、pH 值、颗粒粒径等性质也会影响电渗效果。适合电渗排水的含水量为60%—100%，高含盐量污泥电渗排水效率低，较高pH 值有利于电渗脱水。

含水量降低时，污泥颗粒被破坏，加速金属离子溶出，水合阳离子会拖曳更多水到阴极排出，污泥水分减少。污泥絮体越大，结构越疏松。污泥含水量越大，当电渗去除毛细水和自由水后，其絮体结构越紧密[14]。

高含盐量的污泥电渗脱水效率低，而且锂离子、钠离子、钾离子对排水速度的影响相同。电渗过程会改变污泥pH 值，pH 值也会影响电渗排水速度。无论是强电解质还是弱电解质，电渗速度与pH 值呈线性关系，pH 值越大电渗速率越快[16]。

3.6 外加剂的影响

添加缓冲剂或絮凝剂等外加剂可以提高电渗效果。聚氯化铝等絮凝剂的加入可以避免产生污泥颗粒堵塞排水的现象，有利于提高电渗法的排水效率；
表面活性剂和阴离子聚合物有利于提高脱水效率；
应用于污泥机械脱水的外加剂同样有利于电渗脱水[17]。

目前电渗法在污泥脱水领域的试验研究领先于理论研究，工程应用由小规模向中等规模逐步推进。

电渗排水在建筑工程领域有大量应用案例，在污泥脱水领域也有大量研究，但电渗技术专用于污泥深度脱水的研究上尚处于初级阶段，有必要结合污泥特征，研发出技术含量高、经济性能好、安全高效的电渗透污泥脱水工艺设备。随着“双碳”目标的提出，低耗高效的污泥处置技术将被快速推广，低能耗电渗脱水会成为未来污泥脱水的发展方向。