對于電滲脫水過程中不同電場空間下，污泥性質的變化及脫水后污泥水分形態分布(自由水/結合水)的變化鮮有報道。事實上，電滲脫水過程中伴隨著電滲析、電極兩端電解水發生氧化還原反應和電遷移等多種電作用，這些電作用會造成污泥絮體的破解。因此，探明電滲脫水過程中電場不同空間污泥性質和水分形態的變化情況，對揭示電滲污泥脫水作用機制有一定的指導作用。
本研究以污水處理廠機械脫水后污泥為研究對象，采用外加電極構成直流電場的方式，考察電滲處理后污泥理化性質、自由水和結合水形態在電場中的分布變化情況。以探明電滲脫水作用機理和脫水后污泥理化性質，為其后續利用提供參考。
1、材料與方法
1.1 實驗原料
本實驗中的污泥取自沈陽北部污水處理廠，受納污水主要為城市居民生活用污水。此次實驗采集污泥為機械脫水后污泥，取樣后置于4℃冰箱中貯存備用。污泥含水率為80%~83%、pH為8.1、污泥初始總氮為41~45mg•g-1、總磷為15~17mg•g-1、有機質含量為55%~59%、電導率為426μS•cm-1。
1.2 實驗裝置
本實驗裝置如圖1所示。裝置采用有機玻璃板制成，陽極材料為鈦基釕銥涂層電極，陰極材料為多孔純鈦。泥餅總質量為1075.51g。為使滲濾液順利流出，在實驗裝置的陰極側采用多孔玻璃隔板，隔板上每個小孔的直徑為5mm。滲出液出口下方放置一個電子天平(精度0.01g)，用來記錄脫除水質量隨時間的變化。實驗裝置兩端放置正方形電極板，厚度為0.5mm。其中，陽極板選用鈦基釕銥涂層電極，陰極板選用多孔純鈦電極(小孔直徑約為5mm，共9個小孔)。為防止污泥顆粒隨滲濾液流出，陰極板側附耐熱尼龍濾布。本實驗電源選用RXN-605D-II型雙路穩壓直流電源。
1.3 實驗方法
污泥室中裝入15cm高的脫水污泥，裝樣過程保證裝樣后沿電壓方向各段污泥性質均一。電壓梯度為6V•cm-1，實驗過程中，每隔30min取陽極、陰極和中部污泥樣品，測量1次，整個實驗周期120min。污泥結合水取原泥和電滲處理后陽極、中部、陰極污泥樣品進行測量。為保證實驗結果的準確性，上述所有指標均平行測試3次，最后結果取平均值。
1.4 分析方法
電滲流量使用質量差值法進行計算;含水率測定使用重量法；pH測定使用pH計；總氮測定使用堿性過硫酸鉀法；總磷測定使用鉬酸銨分光光度法；結合水含量采用美國TA公司生產的Q1000差示掃描量熱儀測定。
2、結果與討論
2.1 電滲脫水對污泥理化性質的影響
2.1.1 污泥含水率時空分布變化
圖2為污泥含水率隨通電時間的變化。如圖2所示，實驗初始階段，陽極、中部、陰極3處污泥樣品的含水率基本相同。隨著電滲脫水實驗的進行，可看出陽極污泥含水率下降趨勢最為明顯，由開始的84.7%降至50.4%;而陰極污泥含水率在30min處由開始的84.1%升至88.4%，而后又呈現下降趨勢，直至實驗結束，下降到68.4%;中部污泥含水率則持續下降，由初始的84.3%降至71.8%。在實驗過程中，固體物料在與極性水相接觸的界面上，由于發生電離或離子吸附作用，使其表面帶有正電或負電，帶電質點與液體中的反離子形成雙電層結構。通常情況下，污泥顆粒帶負電荷而污泥中的水分帶正電荷，在電場力的作用下，水合陽離子會向陰極移動負載電流，并帶動周圍的自由水向陰極移動，帶負電的污泥顆粒向陽極移動。因此，陽極在電滲過程中會富集帶負電污泥顆粒，使其含固率快速升高，含水率逐漸下降。
實驗初期，在電場力的作用下，陽極處污泥的水分迅速流向陰極，此時陽極流向陰極的水分補給速率大于水分從陰極的流出速率，故陰極附近污泥含水率有短暫的升高。隨著實驗的進行，陽極附近含固率逐漸增加，可遷移水分逐漸減少，pH持續降低，電滲不斷衰減，使得陽極及中部水分不能迅速遷移到陰極，從而導致30min后陰極附近水分的流出速率超過其富集速率，導致陰極處含水率在實驗后期呈下降趨勢。中部污泥含水率從實驗開始到結束一直呈下降趨勢，說明中部附近水分持續在向陰極遷移。而在實驗后期，由于陰極處發生了電解水反應，使得pH升高。LELAND等研究發現，pH升高會提高污泥的電滲流量，使得陰極處脫水加快，所以中部污泥含水率超過陰極。
2.1.2 污泥pH時空分布變化
圖3為污泥pH時空分布的變化。如圖3所示，陽極附近污泥pH降低幅度最為明顯，由初始的8.1降至5.8;而陰極附近污泥的pH逐漸升高，由初始的8.1升至9.1；中部附近污泥pH變化不明顯，穩定地維持在8~8.2。上述變化主要是由于在電滲脫水過程中，陽極和陰極附近會發生水電解反應。其中，陽極附近會發生氧化反應，產生一個酸性帶，使陽極附近pH迅速降低；在陰極附近則發生還原反應，產生一個堿性帶，使陰極附近pH升高。并且，在此過程中，部分H+和OH會在污泥中部發生中和反應，生成H2O。而且污泥本身還具有黏稠性質，內部的各種分子力較強，從而導致兩端電極對中部污泥影響較小，所以中部附近的污泥pH變化不大。
2.1.3 污泥總氮含量時空分布變化
圖4為實驗過程中污泥中總氮含量時空的變化。如圖4所示，陽極附近污泥中總氮含量呈下降趨勢，由初始43.1mg•g-1下降至17.9mg•g-1；而陰極和中部污泥中的總氮含量呈緩慢上升趨勢，中部污泥總氮含量由43.2mg•g-1逐漸上升至49.3mg•g-1，陰極污泥總氮含量由43.2mg•g-1逐漸上升至50.4mg•g-1。造成這種現象的原因可能是，隨著污泥電滲脫水實驗的進行，電極兩端發生的電解反應和電滲透作用使污泥絮體兩側富集不同電荷，正負電荷作用使污泥絮體破裂，同時污泥細胞結構也遭到破壞，改變了污泥活性細胞膜的通透性，甚至造成細胞破壁，致使細胞內部的蛋白質及胞外蛋白等有機物質溢出。同時，電滲脫水過程中伴隨電能向熱能的轉化過程，熱效應也對污泥細胞破解具有一定的貢獻作用。有研究[20]表明，當溫度超過40℃時，部分蛋白質有可能受溫度影響而引起變性。本實驗過程中，在陽極、中間和陰極分別布設了溫度傳感器探頭，實時監測實驗過程中系統溫度變化。監測結果顯示，陽極溫度最高可達近90℃，因此，在電滲實驗過程中產生的熱效應也可能會將部分蛋白質分解成氨基酸，隨電滲流向中部甚至向陰極附近遷移。同時，小分子氨基酸也會隨污泥中自由水的遷移向中部及陰極移動。張書廷研究表明，污泥電滲透脫水的濾液約有一半的TN以氨氮的形式存在。由此可以判斷，NH+4等帶正電的離子也會向陰極遷移，從而導致陽極總氮含量下降、中部和陰極附近污泥總氮升高。可見，隨著電滲脫水的進行，污泥中總氮含量由陽極向陰極逐漸升高。
2.1.4 污泥總磷含量時空分布變化
圖5為實驗過程中污泥中總磷含量隨時間的變化。如圖5所示，隨著實驗的進行，陽極附近污泥中總磷含量迅速升高，由16.3mg•g-1逐漸升至20.1mg•g-1;而中部污泥和陰極附近污泥中總磷含量則呈現下降趨勢，分別由16.3mg•g-1逐漸降至12.3mg•g-1、由16.2mg•g-1降至11.5mg•g-1。造成此現象的主要原因為，污泥中的磷主要是以PO3-4的形態存在，因此，在電滲脫水過程中，在電場的驅動下PO3-4由陰極逐漸向陽極移動，故陽極附近污泥總磷含量迅速上升，而中部和陰極附近污泥總磷含量下降，且陰極下降最快。
2.2 電滲脫水對污泥結合水含量的影響
各類污泥含水率與結合水含量分析見圖6。由圖6可知，經過電滲處理后，污泥中結合水有所下降。由結合水與干物質之比可看出陽極污泥結合水含量最少;而中部、陰極污泥結合水含量較陽極高。污泥中的結合水主要來源于胞外聚合物(EPS)束縛的結合水和微生物細胞束縛的細胞內結合水。霍敏波等研究表明，微生物菌群和EPS對污泥的脫水起著關鍵作用。EPS中的有機大分子通過化學鍵和物理作用形成的網絡凝膠結構會影響污泥絮凝能力，進而影響污泥的脫水性。而電場施加過程由于陽極產生強氧化性自由基會對污泥絮體結構產生一定影響。陳巍等研究表明，當電壓20V時，隨著電壓增大，包裹在菌膠團中的顆粒物和EPS被釋放，污泥脫水性能又會變差。在施加電場條件下，由于電場和熱能聯合作用，可以引起污泥細胞發生破裂、結構變化，細胞破裂后，細胞質和束縛水得以釋放，進而影響脫水性能。何文遠等發現，酸處理使污泥中胞外聚合物EPS水解、微生物細胞瓦解，從而導致絮體內部間隙水、細胞內部間隙水被釋放為自由水。
綜上所述，在電場作用下，由于電化學反應和熱效應共同作用，可能會使污泥絮體和微生物細胞結構遭到破壞，導致污泥中部分結合水被釋放，進而促進污泥脫水。而且，原泥、陰極污泥、中部污泥、陽極污泥中的結合水含量呈現不同的下降趨勢。其原因可能是，在電滲脫水過程中，陽極附近發生電氧化反應，破壞了污泥原有穩定的絮體和細胞結構，細胞間的EPS被破壞分解，污泥顆粒部分結合水被釋放的最多，而水分又得不到有效補充，所以結合水含量最低。而陰極發生的是電還原反應，所以陰極附近污泥結合水含量比陽極多。結合水含量表征了污泥的可脫水程度，相對自由水而言，其需要消耗較多的能量才能去除。由表1可知，隨著結合水含量的減少，污泥中剩余結合水所需的融化熱就會逐漸升高，這說明結合水含量越少，下一步脫水就越難進行。同時，如圖6所示，脫水后污泥所剩結合水含量越少，污泥的含水率也越低，即整體污泥的脫水效果越好。
3、結論
1)電滲處理后污泥陽極、中部、陰極污泥的含水率均呈現下降趨勢。陽極污泥含水率下降最快，從開始的84.7%下降到50.4%;而陰極污泥含水率先升高后降低，實驗結束降至68.4%;中部污泥含水率則一直呈緩慢下降趨勢，從84.3%下降到71.8%。結合水含量變化表現為：電滲處理組結合水含量<原泥結合水含量，其中原泥、陽極、中部、陰極污泥結合水與干物質的質量之比分別為2.67、0.76、1.07、1.08。電場不同空間結合水含量表現為由陰極向陽極逐漸降低的趨勢，結合水含量越少，污泥脫水越困難。
2)電滲處理后污泥陽極附近污泥pH降低幅度最大，低至5.8;而陰極附近污泥pH隨實驗進行逐漸升高，可升至9.1;中部附近污泥的pH變化較為穩定，在8.0~8.2。
3)電滲處理后污泥陽極總氮含量降低;而陰極和中部污泥中的總氮含量呈逐漸升高趨勢。總磷含量的變化為陽極緩慢上升，而陰極和中部持續下降。(來源：沈陽建筑大學市政與環境工程學院)
