電化學調理改善污泥脫水性能及其機理研究

本課題以城市污水廠產生的剩余污泥為研究對象，針對污泥脫水難的問題，采用電化學預處理對污泥進行調理，系統(tǒng)地研究了電化學預處理方法對污泥比阻、CST、zeta電位、微觀結構的影響，結合污泥上清液EPS的變化，分析了電化學預處理促進污泥脫水性能提高的機理。應用響應曲面法，確定了電化學預處理對污泥脫水性能影響的最佳工藝參數，在此基礎上，進一步深化研究了藥劑調理與電化學處理聯(lián)用對污泥脫水性能的影響。研究結論主要有： （1）采用不同的電化學電壓，電解時間和電極間距處理污泥，考察電化學對污泥脫水性能的效果。通過研究表明，50 V和5 min的電化學預處理為最適處理條件。皮爾森系數分析表明，EPS和多聚糖與標準化CST值具有較好的正相關關系。 （2）掃描電鏡結果表明，電化學預處理使污泥絮體遭到破壞，細胞發(fā)生裂解，使細胞間隙水和胞內物質釋放到溶液中，在一定程度上可使污泥脫水性能得到改善。 （3）通過響應面法優(yōu)化實驗條件，建立多變量多項式方程用來描述電化學預處理過程，得出最適電解電壓、電解時間和電極間距分別為 21 V，12 min 和 5 cm，此時污泥的 CST 減小率為 22.15% 。最佳實驗條件下的得出的CST減小率為18.8 ± 3.1%，表明實驗值和多項式公式得出的預測值具有很好的擬合性。 （4）電化學預處理和PAM添加劑的聯(lián)合調理作用可有效地提高污泥的脫水性能。通過電化學預處理，可使PAM用量減小50％，標準化CST值減小了36.8％。電化學預處理與表面活性劑聯(lián)合作用對污泥進行調理，結果表明，陽離子表面活性劑CTAB調理對污泥脫水性能具有較好的效果，最佳添加量為2000 mg/L，在電化學預處理條件下，調理劑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對污泥脫水性能提高具有負面效應。EPS濃度，污泥粘度和污泥的zeta電位是導致污泥脫水性能發(fā)生變化的主要因素。 （5）通過電化學處理中試實驗結果表明，在較低污泥濃度條件下，較低的電化學處理條件對污泥的脫水性能起促進作用；在中等污泥濃度條件下，15 V，30 min為最佳電化學處理條件；在高污泥濃度條件下，高電壓處理條件能較好地改善污泥脫水性能。中試裝置運行費用較低。污泥經電化學處理后，CST值明顯降低。每噸污泥電化學處理的動力費用為0.75元/噸。 2100433B

污泥調理是改善城市污水處理廠剩余污泥脫水性能的一個重要手段。電化學調理是一種新型的污泥調理技術，前期研究結果表明，通過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)調理的調理劑添加量。然而，電化學調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、電化學與輔助藥劑共調理作用的機理、電化學調理后污泥中重金屬及有機污染物變化情況等問題都尚需探明。本項目擬采用環(huán)境工程學、生物學和電化學等方法，在確定最優(yōu)電極材料及極板型式的基礎上，篩選促進電化學調理輔助藥劑，結合電化學調理過程中污泥胞外聚合物、有機組分、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指標的分析，闡明電化學調理大幅提高污泥脫水性能的工藝原理和反應機理，建立電化學與輔助藥劑共調理過程中的反應動力學模型，為推動該技術的進一步發(fā)展提供理論指導及技術支持

高磁感、低鐵損無取向硅鋼對于節(jié)能降耗意義顯著。影響磁性能的因素主要有晶粒尺寸、織構組分及夾雜物性質等，研究表明稀土在這三方面均發(fā)揮著明顯作用，對改善磁性能有益。但目前的工作，一方面研究對象大多為混合稀土，單一元素改善磁性能的機理尚不明確；另一方面并未深入探討稀土對再結晶織構的影響機理，且關于變質夾雜、調控晶粒尺寸、改善織構三者之間的相互影響關系研究也不充分。本項目針對上述問題擬開展鈰對無取向硅鋼磁性能影響機理研究。首先，采用統(tǒng)一的工藝制得不同鈰含量的無取向硅鋼成品，測量其磁性能，獲得鈰含量與成品磁性能的關系；其次，利用OM、SEM/EDS、TEM、EBSD等技術研究鈰在改善織構、變質夾雜、調控晶粒尺寸等方面的作用；然后，在此基礎上重點研究鈰對再結晶織構演變規(guī)律的影響，探討三者可能的耦合效應，建立相關的理論模型，揭示鈰改善無取向硅鋼磁性能的機理，為高性能無取硅鋼研發(fā)提供理論指導。

針對傳統(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)負荷升高等問題，本青年基金項目將正滲透原理應用于污泥濃縮脫水，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際水通量低于理論值。針對該問題，課題主要研究了工藝要素（汲取液、FO膜、污泥調理方法）對正滲透污泥脫水過程中的傳質阻力及傳質阻力在污泥層、滲透膜、汲取液層的分布的影響，探討其影響規(guī)律。并對滲透膜支撐層孔道結構對膜傳質阻力的影響進行了深入的研究。 汲取液方面主要研究了膜面流速和汲取液濃度的影響。研究結果顯示，汲取液膜面流速達到5.75 cm?s-1后對汲取液側外濃差極化的影響不再顯著。汲取液濃度對外濃差極化和內濃差極化均有顯著影響。當汲取液（NaCl溶液）濃度由0.5提高到2.0 mol?L-1之間變化時，PRO模式下的兩種FO膜的原料液側外濃差極化阻力隨汲取液濃度提高而均勻增加，內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）及滲透膜支撐層結構對工藝性能的影響。研究結果顯示，F(xiàn)O模式下，原料液側外濃差極化阻力低于PRO模式。其機理主要是因為，較光滑的分離層面向原料液利于反混鹽離子的擴散。滲透膜截鹽性能優(yōu)，則原料液側外濃差極化阻力低。FO模式內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膜結構對傳質阻力影響方面，結果顯示，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。 在整體傳質阻力分布方面的研究結果顯示，脫水污泥層阻力發(fā)展迅速，是正滲透污泥脫水過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%。污泥層阻力的時間增長率隨初始污泥厚度的增加而升高，污泥含水率降低至91~92%時有可能使脫水阻力急劇增加。陽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用對脫水效果的提升并無助益。 2100433B

現(xiàn)有污泥脫水工藝效率低、能耗和費用高，亟待開發(fā)新工藝。正向滲透是一項具有低膜污染傾向、低能耗的新工藝，本項目擬將正向滲透工藝應用于污泥脫水，建立污泥脫水新工藝。從理論上分析，將正向滲透工藝應用于污泥脫水的傳質驅動力遠超過目前常用的機械脫水工藝，文獻調研結果顯示國內外尚無同類研究，因此本研究具有現(xiàn)實意義和創(chuàng)新性。本研究在前期工作的基礎上，優(yōu)化正向滲透污泥濃縮系統(tǒng)，以相同時間內污泥脫水程度為評價指標對不同類別的要素進行甄別，以確定影響工藝性能的主要因素，并對其分別進行優(yōu)化，研究其影響規(guī)律，獲得優(yōu)化的工藝參數。傳質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、膜材料、和污泥層三部分解析工藝的整體傳質阻力，并著重對污泥層中污泥結構及組成參數、反向傳質離子濃度在脫水過程中的微觀時空變化進行研究，進而分析各主要因素的作用機理，為進一步研究奠定理論基礎。