3.4.8　电渗透脱水技术

3.4.8.1　电渗透脱水原理

电渗透脱水是一种新兴的污泥脱水技术，它将固液分离技术和污泥自身具有的电化学性质的物理化学处理技术有机地结合起来，利用外加直流电场增强污泥的脱水性能，并实现污泥的脱水，具有多种脱水处理技术所没有的许多特点，为污染控制和资源回收提供了一种新的途径。

对于污泥电渗透脱水的机理，目前还没有统一的认识，存在着多种机理解释，数学模型也多种多样，目前，最主要的污泥电渗透脱水数学模型有基本模型和Yukawa模型，并有人尝试进行计算机模拟，研究视角亦从直流电场延伸到交变电场，从均一ζ电位延伸到非均一ζ电位，从一般物料电渗透脱水延伸到毛细管电渗透脱水，从平板型界面的电渗透脱水延伸到曲面型界面的电渗透脱水。而大部分学者都以电场对双电层（多采用Stern双电层理论）的影响来解释电渗透脱水过程。

在外加电场作用下，颗粒固定、液体（如水）通过多孔性固体做定向运动称为电渗透，其中，液相不动而固体颗粒运动称为电泳，固相不动而液相移动称为电渗。在固体移动受到限制的系统中施加电场，扩散层中的反离子沿滑移界面向电极移动，同时带动水分子移动。对于负ζ电位的胶粒，全部液体受到向负极运动的力，电渗透脱水开始进行。

在机械脱水过程中，随着自由水和间隙水的脱除，颗粒首先堆积在过滤介质上并导致堵塞，从而影响最终的过滤脱水效果，因此仅经过机械脱水的污泥含水率仍比较高。而电渗透脱水过程中水的脱除发生在每一个絮凝体颗粒的内、外表面，毛细管水、间隙水和自由水同时被脱除，颗粒密度均匀地增大，因此该技术的污泥脱水性能优于机械方法，可使剩余活性污泥的含水率降到60%以下，脱水率高，减量化效果非常明显。此外，电渗透脱水设备配套灵活，操作简便，无需任何化学药剂，脱水时不必施加高压力，还可以有效减少污泥中的病原菌及恶臭物质，控制污泥对环境的二次污染。在污水深度净化方面具有广谱性，适合对各种类型的污水和污泥进行深度脱水处理。

该技术具有以上多方面的优越性，因此得到了国内外的普遍关注，例如北京市肖家河污水处理厂的污泥电渗透脱水工程就是较具有代表性的典型案例。然而，该技术的能耗较大，而且受电渗透脱水工作原理的限制，因而难以在原理上降低能耗，制约了其在污泥脱水中的进一步推广应用。

3.4.8.2　电渗透脱水设备基本构造和工艺过程

对于污泥来说，电渗透脱水是给污泥施加一定的直流电压，利用污泥粒子和水分子相互向相反的极性方向分离移动的现象进行脱水。水分的移动量与施加的电流量成正比。为了有效地利用电渗透力，在实际应用中，电渗透脱水大多是在传统的机械脱水工艺中引入直流电场，利用机械压榨力和电场作用力两种结合的方式进行深度脱水。

目前，较为成熟的电渗透脱水方法有串联式和叠加式。

串联式电渗透脱水系统处理污泥的主要工艺过程是先将污泥经机械脱水后，再将脱水絮体加直流电进行电渗透脱水。该脱水系统主要分为凝聚混合部、机械脱水部和电渗透脱水部3部分。加入絮凝剂的污泥在凝聚混合部进行混合，以改善污泥的脱水性能，提高后续的脱水效果，包括凝聚混合容器、机械脱水装置、脱水污泥供给装置、加压装置、阳极板、直流电源装置、阴极板和滤布等构件。在机械脱水部，采用简单的机械增压脱水机构，除去污泥中的大量水分，使其成为高浓度污泥。然后，在电渗透脱水部采用电渗透力进行深度脱水。该系统的内部结构见图3-47。

叠加式电渗透脱水机处理污泥的主要工艺过程是将机械压力与电场作用力同时作用于污泥上进行脱水。叠加式电渗透脱水机主要由滤板（包括普通板和压榨板）、电极板、压榨膜、滤布、污泥入口、滤液出口、压缩空气入口等部分组成，其内部结构如图3-48所示。

影响电渗透脱水过程的因素主要有外加电压、污泥的pH值、是否投加絮凝剂等几方面。

（1）外加电压

随着外加电压的升高，电场强度增大，污泥的电渗透流量随之增加，进而加快其电渗透脱水速率。

（2）污泥的pH值

污泥的pH值一般为7.2～7.3，会影响污泥中细菌蛋白质氨基酸的电离，由此影响到污泥颗粒的ζ电位，pH值升高或降低均会导致污泥颗粒的ζ电位绝对值的减小。由于电渗透脱水速率与ζ电位直接相关。因此，ζ电位绝对值减小，电渗透的驱动力减小，进而降低了污泥的电渗透流量，使脱水效果变差。

（3）是否投加絮凝剂

加入絮凝剂促使污泥颗粒聚集成为更大的、较紧密的絮凝体，一部分水从毛细结构中释放出来变成自由水，从而显著提高电渗透脱水速率。

3.4.8.3　电渗透脱水设备的设计要点和参数

在电渗透脱水装置中，电极材料和形状的选择至关重要。尤其是通电后，在电极阳极上电解消耗和脱水的使用条件非常苛刻，因此阳极的设计就更应提起注意，应选择电阻低、耐压、耐摩擦、不易破损、易加工成不同形状、无重金属溶出的材料。根据吉田裕志对各种电极进行的评价，不锈钢和碳素钢电极最为实用。

电渗透脱水后的泥饼含水率低，不易与滤布发生剥离，且会大幅升高滤布温度，造成滤布损毁，因此，电渗透脱水装置中的滤布宜采用泥饼剥离性、绝缘性、耐热性好的材料，一般认为耐热尼龙具有较好的实用性。

在电渗透脱水过程中，反应进行一定时间后电渗透将不再进行，这主要由3方面原因造成：接近上部电极的脱水床层含水率快速降低，出现不饱和层，在该部分的电阻急剧增加，致使外部电压几乎全部施加在上部脱水层中，而使下部的电场强度逐渐减小，从而减小下部电渗透脱水的驱动力；而且，由于电极附近发生电化学反应产生离子，在下部电极处离子浓度增高，ζ电位降低，电渗透驱动力进一步减小；此外，反应产生的气体也影响脱水的进行。针对这种情况，可采用相应的解决措施，主要有以下几点^［3，12］。

（1）采用多阶段电极

可采用多阶段电极，将上电极切换到第二个电极工作，脱水即可继续进行，该方法能显著提高脱水速率，降低物料的最终含水率。以膨润土进行的三阶段电极为例，其与单阶段电极相比，最终电渗透流量大约是单阶段电极的3倍。三阶段电极电渗透工艺如图3-49所示。但是，在实际应用过程中中间电极的装卸比较困难。

（2）电渗透脱水与机械脱水相结合

采用电渗透对污泥脱水时，床层内上部的污泥含水量低于下部；而采用真空或压滤等机械脱水时，床层内污泥含水量上部高于下部，情况正好与电渗透脱水相反。因此，将电渗透脱水与机械脱水相结合可使整个床层含水量变得均匀，从而提高最终脱水速率。

（3）采用交变电场或电极短接

若施加一定频率的交变电场，可强制反向电流流过污泥层。将电极短接的目的同样是使线路中产生流过污泥层的反向电流。所谓电极短接就是在电渗透进行一定时间后，间断直流电源，将正负极短路则形成原电池，使线路中出现微弱的反向电流。当污泥层有反向电流流过时，能降低污泥层内的电阻，减轻电极的电化学反应，降低或消除ξ电位梯度，进而提高电渗透脱水速率。

（4）调节污泥的性质

进行污泥电渗透脱水时，阴阳极都会发生电解反应，其中在采用非贵金属阳极或电极上未镀贵金属氧化保护膜时，会发生如下反应：

6H₂OO₂+4H₃O⁺+4e

该反应会导致pH值的降低，导致污泥颗粒的ζ电位绝对值的减小，削弱电渗透力，进而降低了污泥的电渗透流量。为了保持阳极上始终存在较高的pH值和ζ电位，可以不断地向阳极区加入少量碱液或采用HCOO—、CH₃COO—、CH₃OH、C₆H₅OH等有机氧化剂。此外，向阳极区加入去极化剂，使之在阳极上优先被氧化，也可以稳定电极电位，保证污泥的电渗透流量。