電化學(xué)調(diào)理改善污泥脫水性能及其機(jī)理研究

本課題以城市污水廠產(chǎn)生的剩余污泥為研究對(duì)象，針對(duì)污泥脫水難的問(wèn)題，采用電化學(xué)預(yù)處理對(duì)污泥進(jìn)行調(diào)理，系統(tǒng)地研究了電化學(xué)預(yù)處理方法對(duì)污泥比阻、CST、zeta電位、微觀結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)合污泥上清液EPS的變化，分析了電化學(xué)預(yù)處理促進(jìn)污泥脫水性能提高的機(jī)理。應(yīng)用響應(yīng)曲面法，確定了電化學(xué)預(yù)處理對(duì)污泥脫水性能影響的最佳工藝參數(shù)，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步深化研究了藥劑調(diào)理與電化學(xué)處理聯(lián)用對(duì)污泥脫水性能的影響。研究結(jié)論主要有： （1）采用不同的電化學(xué)電壓，電解時(shí)間和電極間距處理污泥，考察電化學(xué)對(duì)污泥脫水性能的效果。通過(guò)研究表明，50 V和5 min的電化學(xué)預(yù)處理為最適處理?xiàng)l件。皮爾森系數(shù)分析表明，EPS和多聚糖與標(biāo)準(zhǔn)化CST值具有較好的正相關(guān)關(guān)系。 （2）掃描電鏡結(jié)果表明，電化學(xué)預(yù)處理使污泥絮體遭到破壞，細(xì)胞發(fā)生裂解，使細(xì)胞間隙水和胞內(nèi)物質(zhì)釋放到溶液中，在一定程度上可使污泥脫水性能得到改善。 （3）通過(guò)響應(yīng)面法優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件，建立多變量多項(xiàng)式方程用來(lái)描述電化學(xué)預(yù)處理過(guò)程，得出最適電解電壓、電解時(shí)間和電極間距分別為 21 V，12 min 和 5 cm，此時(shí)污泥的 CST 減小率為 22.15% 。最佳實(shí)驗(yàn)條件下的得出的CST減小率為18.8 ± 3.1%，表明實(shí)驗(yàn)值和多項(xiàng)式公式得出的預(yù)測(cè)值具有很好的擬合性。 （4）電化學(xué)預(yù)處理和PAM添加劑的聯(lián)合調(diào)理作用可有效地提高污泥的脫水性能。通過(guò)電化學(xué)預(yù)處理，可使PAM用量減小50％，標(biāo)準(zhǔn)化CST值減小了36.8％。電化學(xué)預(yù)處理與表面活性劑聯(lián)合作用對(duì)污泥進(jìn)行調(diào)理，結(jié)果表明，陽(yáng)離子表面活性劑CTAB調(diào)理對(duì)污泥脫水性能具有較好的效果，最佳添加量為2000 mg/L，在電化學(xué)預(yù)處理?xiàng)l件下，調(diào)理劑CTAB的用量減少66.7% 。陰離子表面活性劑SDS和非離子型表面活性劑Triton X-100對(duì)污泥脫水性能提高具有負(fù)面效應(yīng)。EPS濃度，污泥粘度和污泥的zeta電位是導(dǎo)致污泥脫水性能發(fā)生變化的主要因素。 （5）通過(guò)電化學(xué)處理中試實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在較低污泥濃度條件下，較低的電化學(xué)處理?xiàng)l件對(duì)污泥的脫水性能起促進(jìn)作用；在中等污泥濃度條件下，15 V，30 min為最佳電化學(xué)處理?xiàng)l件；在高污泥濃度條件下，高電壓處理?xiàng)l件能較好地改善污泥脫水性能。中試裝置運(yùn)行費(fèi)用較低。污泥經(jīng)電化學(xué)處理后，CST值明顯降低。每噸污泥電化學(xué)處理的動(dòng)力費(fèi)用為0.75元/噸。 2100433B

污泥調(diào)理是改善城市污水處理廠剩余污泥脫水性能的一個(gè)重要手段。電化學(xué)調(diào)理是一種新型的污泥調(diào)理技術(shù)，前期研究結(jié)果表明，通過(guò)5-20V、0.1-1.0A的電流作用30 min后，可大幅提高污泥脫水性能及降低污泥后續(xù)調(diào)理的調(diào)理劑添加量。然而，電化學(xué)調(diào)理電極材料及極板型式的選擇、輔助藥劑的篩選及最優(yōu)配比、電化學(xué)與輔助藥劑共調(diào)理作用的機(jī)理、電化學(xué)調(diào)理后污泥中重金屬及有機(jī)污染物變化情況等問(wèn)題都尚需探明。本項(xiàng)目擬采用環(huán)境工程學(xué)、生物學(xué)和電化學(xué)等方法，在確定最優(yōu)電極材料及極板型式的基礎(chǔ)上，篩選促進(jìn)電化學(xué)調(diào)理輔助藥劑，結(jié)合電化學(xué)調(diào)理過(guò)程中污泥胞外聚合物、有機(jī)組分、zeta電位、污泥粘度、污泥形態(tài)等的變化與污泥脫水性能相關(guān)指標(biāo)的分析，闡明電化學(xué)調(diào)理大幅提高污泥脫水性能的工藝原理和反應(yīng)機(jī)理，建立電化學(xué)與輔助藥劑共調(diào)理過(guò)程中的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，為推動(dòng)該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供理論指導(dǎo)及技術(shù)支持

高磁感、低鐵損無(wú)取向硅鋼對(duì)于節(jié)能降耗意義顯著。影響磁性能的因素主要有晶粒尺寸、織構(gòu)組分及夾雜物性質(zhì)等，研究表明稀土在這三方面均發(fā)揮著明顯作用，對(duì)改善磁性能有益。但目前的工作，一方面研究對(duì)象大多為混合稀土，單一元素改善磁性能的機(jī)理尚不明確；另一方面并未深入探討稀土對(duì)再結(jié)晶織構(gòu)的影響機(jī)理，且關(guān)于變質(zhì)夾雜、調(diào)控晶粒尺寸、改善織構(gòu)三者之間的相互影響關(guān)系研究也不充分。本項(xiàng)目針對(duì)上述問(wèn)題擬開(kāi)展鈰對(duì)無(wú)取向硅鋼磁性能影響機(jī)理研究。首先，采用統(tǒng)一的工藝制得不同鈰含量的無(wú)取向硅鋼成品，測(cè)量其磁性能，獲得鈰含量與成品磁性能的關(guān)系；其次，利用OM、SEM/EDS、TEM、EBSD等技術(shù)研究鈰在改善織構(gòu)、變質(zhì)夾雜、調(diào)控晶粒尺寸等方面的作用；然后，在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)研究鈰對(duì)再結(jié)晶織構(gòu)演變規(guī)律的影響，探討三者可能的耦合效應(yīng)，建立相關(guān)的理論模型，揭示鈰改善無(wú)取向硅鋼磁性能的機(jī)理，為高性能無(wú)取硅鋼研發(fā)提供理論指導(dǎo)。

針對(duì)傳統(tǒng)污泥濃縮脫水工藝占地大、效率低、或脫水液回流造成系統(tǒng)負(fù)荷升高等問(wèn)題，本青年基金項(xiàng)目將正滲透原理應(yīng)用于污泥濃縮脫水，建立了高效、低耗、緊湊的污泥脫水新工藝。研究結(jié)果顯示在一定條件下，正滲透工藝可將污泥脫水至含水率70%左右，證明了該工藝的可行性。但正滲透污泥脫水工藝中實(shí)際水通量低于理論值。針對(duì)該問(wèn)題，課題主要研究了工藝要素（汲取液、FO膜、污泥調(diào)理方法）對(duì)正滲透污泥脫水過(guò)程中的傳質(zhì)阻力及傳質(zhì)阻力在污泥層、滲透膜、汲取液層的分布的影響，探討其影響規(guī)律。并對(duì)滲透膜支撐層孔道結(jié)構(gòu)對(duì)膜傳質(zhì)阻力的影響進(jìn)行了深入的研究。 汲取液方面主要研究了膜面流速和汲取液濃度的影響。研究結(jié)果顯示，汲取液膜面流速達(dá)到5.75 cm?s-1后對(duì)汲取液側(cè)外濃差極化的影響不再顯著。汲取液濃度對(duì)外濃差極化和內(nèi)濃差極化均有顯著影響。當(dāng)汲取液（NaCl溶液）濃度由0.5提高到2.0 mol?L-1之間變化時(shí)，PRO模式下的兩種FO膜的原料液側(cè)外濃差極化阻力隨汲取液濃度提高而均勻增加，內(nèi)濃差極化則顯示為先緩后急的增加。 FO膜方面主要研究了膜朝向（FO模式和PRO模式）及滲透膜支撐層結(jié)構(gòu)對(duì)工藝性能的影響。研究結(jié)果顯示，F(xiàn)O模式下，原料液側(cè)外濃差極化阻力低于PRO模式。其機(jī)理主要是因?yàn)?，較光滑的分離層面向原料液利于反混鹽離子的擴(kuò)散。滲透膜截鹽性能優(yōu)，則原料液側(cè)外濃差極化阻力低。FO模式內(nèi)濃差極化所致阻力分別高出PRO模式的2倍和5倍。FO模式下，滲透膜厚度高、支撐層裸露且粗糙，則內(nèi)濃差極化所致阻力高。PRO模式下膜厚度和支撐層的影響較小。 在FO膜結(jié)構(gòu)對(duì)傳質(zhì)阻力影響方面，結(jié)果顯示，減小TFC FO膜支撐層厚度，提高膜支撐層的親水性，提高支撐層的孔徑以及下表面的開(kāi)孔率等均可降低膜的ICP，有利于正滲透膜水通量的提高。 在整體傳質(zhì)阻力分布方面的研究結(jié)果顯示，脫水污泥層阻力發(fā)展迅速，是正滲透污泥脫水過(guò)程總阻力的主要部分，其中污泥在膜面處凝膠層阻力的占比依初始污泥厚度不同可以達(dá)到30%~60%。初始污泥厚度2cm脫水4h含水率可從99%降低到78%。污泥層阻力的時(shí)間增長(zhǎng)率隨初始污泥厚度的增加而升高，污泥含水率降低至91~92%時(shí)有可能使脫水阻力急劇增加。陽(yáng)離子型聚丙烯酰胺和聚合氯化鋁在正滲透污泥脫水中的應(yīng)用對(duì)脫水效果的提升并無(wú)助益。 2100433B

現(xiàn)有污泥脫水工藝效率低、能耗和費(fèi)用高，亟待開(kāi)發(fā)新工藝。正向滲透是一項(xiàng)具有低膜污染傾向、低能耗的新工藝，本項(xiàng)目擬將正向滲透工藝應(yīng)用于污泥脫水，建立污泥脫水新工藝。從理論上分析，將正向滲透工藝應(yīng)用于污泥脫水的傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)力遠(yuǎn)超過(guò)目前常用的機(jī)械脫水工藝，文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果顯示國(guó)內(nèi)外尚無(wú)同類(lèi)研究，因此本研究具有現(xiàn)實(shí)意義和創(chuàng)新性。本研究在前期工作的基礎(chǔ)上，優(yōu)化正向滲透污泥濃縮系統(tǒng)，以相同時(shí)間內(nèi)污泥脫水程度為評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)不同類(lèi)別的要素進(jìn)行甄別，以確定影響工藝性能的主要因素，并對(duì)其分別進(jìn)行優(yōu)化，研究其影響規(guī)律，獲得優(yōu)化的工藝參數(shù)。傳質(zhì)阻力的升高是正向滲透污泥脫水工藝性能下降的根本原因。本研究將從汲取液側(cè)、膜材料、和污泥層三部分解析工藝的整體傳質(zhì)阻力，并著重對(duì)污泥層中污泥結(jié)構(gòu)及組成參數(shù)、反向傳質(zhì)離子濃度在脫水過(guò)程中的微觀時(shí)空變化進(jìn)行研究，進(jìn)而分析各主要因素的作用機(jī)理，為進(jìn)一步研究奠定理論基礎(chǔ)。