城市污水污泥电动脱水机理试验研究及多场耦合作用理论分析

摘要

近年来伴随着我国城市污水排放量与污水处理率的高速增长，产生了大量城市污水污泥，给环境造成了巨大压力。污泥含水率高，脱水减量是其处理处置的关键环节，能显著降低后端处置技术难度及处理费用。寻找一种高效的污泥脱水减量处理技术是解决污泥处理处置难题的关键。污泥电动脱水处理是一种利用电渗原理、能够快速有效脱除污泥中水分的技术。电动脱水处理过程中，试样内渗流场、化学浓度场与电场均发生变化且相互影响，电动脱水效率会发生衰减。深入认识电动处理中水分脱除机理及多场相互作用规律、掌握影响脱水效能的主要因素，有助于优化电动脱水操作条件优化及技术改进。本文通过模型试验、数值模拟等手段研究开展了城市污水污泥电动脱水机理及多场耦合作用理论分析的研究，主要研究内容和研究成果包括：
　　 (1)通过污泥电动脱水处理的模型试验，考查了处理过程中电渗流量与脱水效果在不同加载电压梯度、电极间距、处理时间下的变化规律。试验结果表明处理过程中，脱水效果由阳极发展至阴极，试样可分为已脱水污泥与未脱水污泥，电渗流量与脱水效果由未脱水污泥的电压梯度决定，随着已脱水污泥电阻增加、消耗电压上升，未脱水污泥内的电压梯度逐渐衰减，造成了处理过程中电渗流量及脱水效果逐渐衰减、污泥的剩余含水率由阳极至阴极逐渐增加。已脱水污泥的高能低效是电动脱水处理效能下降的原因。
　　 (2)基于模型试验的得到的结论，对电动处理过程中的渗流场变化作出简化，结合电动作用下电场、浓度场的变化及三场的相互作用规律，建立了污泥电动脱水的多场耦合作用理论分析模型，通过编程对电动脱水处理过程进行了模拟。模拟分析可较好的模拟不同加载电压、电极间距、处理时间下电渗流、电流、电压分布变化及离子运移情况，分析表明试样内离子在电场与渗流场作用下迁移，已脱水污泥内离子浓度显著下降，含水率降低与离子浓度衰减的共同影响下，已脱水污泥电阻上升、分得的电压增加，进一步加速其内的离子迁移从而加剧离子浓度的衰减，促使电压集中于已脱水污泥、电压分布不均。
　　 (3)试验与模拟分析结果表明电动脱水处理时选用较小的电极间距可以节约能耗，相同电极间距下，能耗与脱水效果均随加载电压的提高而增加，通过比较不同操作条件下的电动脱水处理能耗与脱水效果，以及对应的处理费用和污泥减量后可节约的后续处置费用，可从经济角度优化选择加载电压。分析表明，1cm电极间距下，对于填埋处置污泥，使用2～3V电压进行电动脱水处理，处置每百方污泥可节约750元，对于焚烧处置污泥，选择4.5～5.5V电压时，处理每百方污泥节约费用可达2300元。
　　 (4)为解决已脱水污泥高能低效、导致脱水效率衰减的问题，发明了一种使用移动电极进行污泥电动脱水处理的方法，通过在处理过程中调节电压加载区域，使电压集中作用于未脱水污泥，避免了脱水效率的衰减。对比试验及计算分析表明，相比传统的固定电极法，移动电极法的处理效果更好，能耗更低。
　　 (5)对淤泥及赤泥两种废弃泥进行了电动脱水试验，结果表明电动脱水处理对淤泥有较好效果、而该方法并不适用于赤泥处理，对不同对象应通过试验确定试样的电渗性能、考查其电动处理的可行性。