电脱水过程活性污泥导电和持水机制及脱水能效提升研究
污水处理厂的生物处理会产生大量的高含水率活性污泥，经机械脱水后含水率仍高达80％，需进行深度脱水处理以便于污泥处置。电脱水技术可将污泥含水率从80%迅速降至60%，是一种新兴的高效污泥深度脱水技术。近年来，电脱水技术有了快速发展，但目前还存在电脱水后期效率低，电脱水污泥极限含水率难低于50%等发展瓶颈问题，限制了电脱水技术的工业化应用。基于此，本文首先研究了活性污泥的导电和持水机制。考察了电脱水过程中污泥视电阻率和持水性能的变化规律，揭示了导致电脱水后期效率低的根本因素。然后对传统电脱水工艺进行改进与优化。研究了阳极和阴极近层污泥电脱水、不同价态铁（ZVI和Fe(II)）/过硫酸盐（PDS）组合立式电脱水（ZVI/PDS-VED和Fe(II)/PDS-VED）等电脱水工艺的脱水特性及机理，进一步提升电脱水效率和降低能耗，推动电脱水技术的发展。 通过对电脱水过程中污泥视电阻率变化特性的研究，发现电脱水前期污泥视电阻率低于5000Ω/m。当含水率低于60%时，污泥视电阻率从阴极近层到阳极近层逐渐增大，最高可达71750±8602Ω/m。非离子化学体系与气障层的形成导致阳极近层污泥的视电阻率增加；含水率和电导率的降低导致阴极近层污泥的视电阻率增加。此外，电解质的释放和电迁移对污泥的视电阻率有显著影响。 通过对电脱水过程中污泥持水性能变化特性的研究，发现与阳极近层污泥相比，阴极近层污泥具有较低的过滤性能和较高的饱和含水率，显示出较高的持水性能。松散附着性胞外聚合物（LB-EPS）中蛋白质/多糖比值与污泥比阻（SRF）呈显著正相关（r=0.891，plt;0.01）。电脱水后期，40V的电压会破坏阳极近层污泥微观结构，导致持水性能降低。 研究发现电脱水过程中，两极近层污泥的导电与持水特性差异较大，因此进一步研究了阳极与阴极近层污泥的电脱水性能和能耗。结果表明当污泥平均含水率为70%时，原泥的脱水效率高于两极近层的污泥；阴极近层污泥在脱水末期的能耗仅为原泥的20.3%和阳极近层污泥的43.4%。当污泥平均含水率为60%时，阳极近层污泥无法脱水，阴极近层污泥的脱水能耗大幅增加。原泥和阴极近层污泥的阴极侧水分难以用电脱水法去除。EPS中蛋白质的降解是降低电脱水污泥含水率的关键。 上述研究表明EPS等高持水性有机物的存在是影响活性污泥电脱水性能的主要因素。因此，为进一步破坏EPS，使用不同价态铁（ZVI和Fe(II)）/PDS对污泥进行调质后进行电脱水，并研究了ZVI/PDS-VED和Fe(II)/PDS-VED工艺对活性污泥脱水性能的影响。结果表明铁活化剂浓度为0.3g/gDS、PDS浓度为0.583g/gDS、电压为30V时，ZVI/PDS-VED和Fe(II)/PDS-VED处理后污泥含水率分别达到最小值50.6±1.2%和32.1±1.5%。ZVI/PDS和Fe(II)/PDS的调节减小了电脱水过程中阳极和阴极近层污泥的含水率差异，有利于污泥中的水均质化。ZVI/PDS-VED和Fe(II)/PDS-VED能有效降低污泥中的结合水和自由水。自由水含量与α-螺旋（r=0.999，plt;0.05）和C=O（r=0.998，plt;0.05）呈显著正相关。与传统电脱水工艺和ZVI/PDS-VED相比，Fe(II)/PDS-VED对EPS的降解效率更高，达到82.6%。这提高了污泥表面疏水性，从而显著改善污泥脱水性能。 本文的研究扩展了电脱水过程中活性污泥导电与持水机制的基本理论，探索了多种改善活性污泥电脱水性能的方法，为电脱水技术的工业化应用提供了技术支持。
活性污泥;电脱水;视电阻率;工艺优化;持水性能
天津大学
博士
环境科学与工程
张书廷
2022
中文
X703
2023-08-29（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）