剩余污泥电解氧化减量化性能研究

厉炯慧 喻 涛 陈 英 张孝宁

（1.浙江工商大学环境科学与工程，310000；2.浙江省工业环保设计研究院有限公司，310005：杭州）

随着我国城市化进程的加快，城市污水处理率逐年提高，但随之而来产生了大量二次污染物——剩余污泥。目前污泥减量化处理以厌氧消化为主，运行成本低、安全可靠而被广泛应用。但其处理时间长、设施占地大、产气率及产气量较低等瓶颈严重抑制其进一步发展[1]。此外，也有报道采用物理、化学、生物以及其联用的方法用于污泥减量[2-11]。但是，物理、化学技术高昂的处理成本亦严重限制该技术的实际应用[2]。因此，急需寻求一种经济、高效、环保的污泥减量化技术。

近几年，在生物处理系统中引入电化学技术进行产电、产氢和污染物降解等方面的研究逐渐成为环境与能源领域的一个新热点[12-14]。本研究通过构建剩余污泥电辅助厌氧消化反应器，优化电极材料与空间布置，获得优化污泥电化学预处理调控策略，并对减量机理进行了初步探讨。

1 实验部分

1.1 实验材料

实验所用活性污泥取自杭州某污水厂，基本参数：pH为6.6，固体质量分数0.7%，电导率110mS/cm。

1.2 实验装置

电化学装置为有机玻璃制作的矩形反应器，反应器容积为1.5 L，电极正对面积为75 cm2，板间距为6 cm；实验所用电源为直流稳压稳流电源，搅拌设备为恒温磁力搅拌器。

1.3 分析方法

pH采用精密pH计测定，混合液悬浮固体（MLSS）含量采用标准称量法检测，溶解性化学需氧量（SCOD）采用COD仪快速测定法检测；S420扫描/透射电镜（SEM）观察污泥表面，多通道CHI1040C电化学工作站测定伏安特性曲线。

2 结果与讨论

2.1 剩余污泥减量效果

MLSS单位电压溶出率S表明了MLSS的溶解的速度和程度，计算方法：

式中，ρ0和ρt分别为MLSS原始和反应某时刻MLSS的质量浓度，U为电压。

图1为剩余污泥在6 V电压下的碳源转变过程。

由图1可知，0～7 h时MLSS含量呈下降趋势，SCOD呈上升趋势；而7 h以后SCOD和MLSS含量均呈下降趋势，直至7 h时SCOD达到最高。原因是电化学氧化高效作用于细胞破裂，以及SCOD（胞液）降解，7 h之前细胞溶出速度快于有机物矿化速率，导致SCOD持续上升；7 h之后由于污泥中大部分细胞已经破裂溶解，氧化有机物速率开始高于细胞溶出速率，SCOD开始下降。

图1 生物污泥电化学降解过程Fig1 The electrochemical degradation process of biological sludge

2.2 电化学作用机理分析

图2为原始和经过电化学作用后污泥的SEM照片。

图2 扫描电镜图（8 000倍）Fig 2 Photo of SEM(×8 000)

由图2可知，原始剩余污泥细胞表现为完整、饱满，而经过电化学作用后基本已经不存在完整的细胞结构，并且混有少量石墨碎屑，由此进一步证明电化学作用对细胞破裂溶出具有显著作用。

图3为电化学作用前及作用后的线性伏安特性曲线，用于电极表面反应过程。

由图3可知，在电化学作用前细胞形态完整，与电解液完全分离，此时电极表面没有发现任何氧化还原过程，由此说明细胞破裂溶出、破坏结构之后开始氧化细胞内的有机物。经过电化学作用后，电极表面出现大量氧化还原峰，且氧化还原面积显著扩大，这充分说明水体中含有大量的细胞溶出有机物进行氧化反应进行降解。综上可知，电化学作用先对细胞进行破碎直至细胞液溶出，然后开始作用于溶出有机物的降解矿化。

图3 电化学作用前后伏安特性曲线Fig 3 Characteristic curve of volt-ampere before and after electrochemical

2.3 电化学作用条件优化

由上述可知，7 h之前污泥细胞溶出速度快于有机物矿化速率，该过程成本较高，且不利于后续污泥发酵处理，因此电化学时间停留在7 h以前。电化学主要影响因素有电压、电极材料、电场方向和搅拌速度。

2.3.1 电压

图4和图5分别为不同电压对MLSS含量和SCOD的影响。

图4 电压对MLSS含量的影响Fig 4 Effect of voltage on MLSS content

图5 电压对SCOD的影响Fig 5 Effect of voltage on SCOD

图4和图5可知，电压对MLSS含量和SCOD影响很大，随着电压的增大（2～10 V），细胞破裂速率显然加快，MLSS的溶解速率和SCOD的生成速率均有明显的提高。电压达到6 V及以上后，SCOD在4 h以后反而呈下降的趋势，原因是在外加6 V以上电压之后，细胞MLSS的质量浓度低于2 g/L，导致细胞破裂后产生得SCOD速度慢于SCOD氧化速率。从SCOD增加量的角度来看，6～12 V电压条件下差距并不明显，所以实验的适宜的电压是6 V。

2.3.2 搅拌

搅拌可以使剩余污泥在反应器内均匀分布，并加大接触电极表面的几率从而增大氧化还原过程的场所。图6为剩余污泥在pH为7.0、电压为6 V的条件下，MLSS含量和SCOD在不同搅拌转速下的降解过程。

图6 不同搅拌强度对MLSS含量和SCOD的影响Fig 6 Effect of agitation rate on MLSS contentand SCOD

由图6可知，不同搅拌强度对MLSS含量和SCOD的影响很大，MLSS的溶解速率和SCOD的生成速率均有明显的提高，且搅拌转速在0～120 r/min时，MLSS的溶解速率和SCOD的生成速率随着搅拌转速的增加而增大。搅拌时电解质分布均匀，电解表面积增大，电解速率增加；但是，当搅拌转速分别为120 r/min和240 r/min时，2者相差并不明显，原因是在转速达到120 r/min左右时溶液内电解质分布已经足够均匀。所以从节约能源的角度出发，适宜搅拌速度为120 r/min。

2.3.3 电极材料

电极材料是反应器最主要的组成，电极影响效果的作用体现在电极内阻、表面积以及生物兼容性，符合这3项性能的电极可以有效提高电极与微生物之间的反应。图7为剩余污泥在pH为7.0、电压为6 V的条件下，MLSS含量和SCOD在不同电极材料中的降解过程。

图7 不同电极材料对MLSS含量和SCOD的影响Fig 7 Effect of differentelectrodematerial on MLSS contentand SCOD

不同电极材料的导电性能排列依次为钛/二氧化铅＞石墨＞二氧化钛＞不锈钢。由图7可知，以钛/二氧化铅作为电极材料时，在4 h以后SCOD反而下降，原因是4 h后钛/二氧化铅电极的反应器内开始以氧化溶解性有机物为主，而其他3种电极材料的反应器仍是以污泥细胞溶解为主。这说明钛/二氧化铅导电性能最好，反应速率最快；但是从SCOD增加量的角度来看，钛/二氧化铅电极与石墨电极相差并不明显，所以从经济的角度出发，适宜的电极材料是石墨电极。

2.3.4 电场

图8为在pH为7.0、电压为6 V的条件下，MLSS含量和SCOD在不同电场布置下的降解过程。

图8 水平电场和垂直电场对MLSS含量和SCOD的影响Fig 8 Effect of horizontal electric field and vertical electric field on MLSS contentand SCOD

由图8可知，MLSS含量随电解时间的增加呈总体下降的趋势，而SCOD则呈总体上升的趋势。这说明在外加电压条件下污泥细胞不断破碎溶出，使得可溶性有机物不断增加；而不同电场布置（水平电场或者竖直电场）对MLSS含量和SCOD的影响并不明显，原因是重力对电解速率的大小并无明显影响。

3 结论

1)电化学预处理污泥减量效果显著。剩余污泥在电化学氧化还原作用下细胞迅速破碎，细胞液溶出，SCOD急速上升，同时电化学作用对SCOD具有高效降解能力。

2)剩余污泥细胞结构首先在电化学作用被完全破坏，细胞液流出致使溶液电解液电导率急速上升，而后电化学开始作用于溶出有机物的降解。

3)电化学处理优化电压为6 V、搅拌转速为120 r/min，阴阳电极均选取石墨作为基底材料。在此优化条件下，经7 h反应后，MLSS的质量浓度下降83.3%，SCOD提高至2.7 g/L，有利于污泥生物减量化效率的进一步提高。

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