活性炭/石墨辅助污泥电渗深度脱水实验研究

作     者：屈园浩 

作者单位：东华大学 

学位级别：硕士

导师姓名：邓文义

授予年度：2023年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：电渗透 活性炭 石墨 污泥脱水 滤液 废物处理 电化学 

摘      要：随着社会的不断发展,城市污水处理技术的提升,污泥年产量也在不断的快速升高。有关数据表明,在2018年时,我国污泥的年产量达到了近1000万t,三年后,我国污泥年产量增长至7000万t,预计在2025年时我污泥年产量可达到1亿t。当前,常用的污泥处置技术主要是土地利用、干化焚烧、卫生填埋等。而土地利用、干化焚烧、卫生填埋等处置技术都需要把污泥含水率降低至一定范围内,因此,污泥处理处置的重点主要在降低污泥含水率方面。传统的污泥脱水方法是机械脱水,但仅能将污泥含水率降低至70%～80%。而将机械压力与电渗透脱水结合起来,可以将污泥含水率进一步降低至60%以下,但其脱水后期能耗大、阳极材料腐蚀等问题也制约其实际应用。因此,需要寻求更加高效节能的污泥脱水方案。本研究选定活性炭与石墨作为污泥的物理调理剂,结合脉冲电场对污泥深度脱水进行实验研究。前期预实验采用不同粒径活性炭探究活性炭粒径的大小对污泥脱水的影响,确定出最佳粒径参数。活性炭与石墨分别具有优良的吸附性与导电性,因此采用活性炭、石墨、活性炭参杂石墨对污泥进行调理,取调理后的污泥37.5g,在恒压30V的直流电下进行电渗透脱水。通过记录实验过程中的电流、泥饼温度、泥饼分压、滤液质量随时间的变化曲线,探究活性炭与石墨对污泥电渗透脱水的作用机理。此外,通过检测实验后泥饼p H值、泥饼电导率、泥饼厚度分析活性炭与石墨对实验后泥饼的影响。利用扫描电镜对真空冷冻干燥后的泥饼进行观察其阴阳极表面形貌的变化情况。通过三维荧光光谱仪与总有机碳分析仪对经过0.45μm过滤后的滤液进行测定,对比其不同工况下滤液内部总有机碳、蛋白质以及有机物组分的变化规律。利用电感耦合等离子体原子发射仪对阴极滤液中Cu、Mn、Cr、Ni、Cd、Zn、Hg、Pb等8种常见重金属元素含量进行了测定,研究了活性炭与石墨对重金属的吸附作用。综合不同工况下泥饼含水率的对比分析,确定活性炭与石墨的最佳投加参数。根据活性炭与石墨的最佳投加参数进一步优化活性炭与石墨的投加比例与投加量,改变波形(正弦波/方波)与占空比(20%、40%、60%、80%、100%)进一步研究物理调理剂联合脉冲电场对污泥电渗透脱水的影响。记录实验中电流、泥饼温度、泥饼两端电压、滤液质量随时间的变化和实验后泥饼的厚度、泥饼p H、泥饼电导率变化以及阴极滤液p H、阴极滤液TOC值、阴极滤液3D-EEM分析进一步探究活性炭(石墨)辅助污泥电渗深度脱水影响。结果表明,活性炭相比石墨具有更好的降低污泥含水率效果,当活性炭投加量为5%DS时,脱水效果最优,污泥表观含水率降为41.0wt.%。活性炭与石墨都能够提升污泥的导电性能,石墨相比活性炭对污泥导电性的提升更强,因此投加石墨作为物理调理剂使泥饼中的温度更高,进一步破坏了污泥胞外的絮体结构,使胞外聚合物中的有机物组分释放出来;活性炭的吸附能力强于石墨,对污泥内的有机物组分、粘性蛋白质、重金属(Cu、Mn、Cr、Ni、Cd、Zn、Hg和Pb)等物质具有截留作用,根据阴极滤液的流出速率、滤液总有机碳、滤液3D-EEM分析显示出,活性炭对于提升滤液排出速率、吸附有机物的能力均高于石墨,而活性炭与石墨参杂的效果则在者之间。活性炭联合脉冲电场可以进一步的降低泥饼的含水率以及能耗,其中活性炭投加量为5%DS,波形为方波,80%占空比为最佳工况。在脉冲电场下,随着占空比的增大泥饼的含水率整体呈现出先增大后放缓的趋势,与阴极滤液质量变换规律一致;而随着活性炭碳投加量的增大,泥饼含水率可进一步降低。对实验后阴极滤液进行p H、总有机碳、三维荧光光谱测定,结果表明,随着占空比的增大(方波/正弦波),阴极滤液p H值逐渐升高,且随着活性炭的投加量增多,阴极滤液p H值会进一步提高;随着占空比的增加(方波/正弦波),电化学反应增强,使得污泥内部的有机物被释放出来,同时也促进污泥内水分释放出来,导致滤液中总有机碳值逐渐降低,活性炭的加入可以截留有机组分,从而进一步的降低了滤液中总有机碳值;活性炭投加量的增多可以降低阴极滤液中的色氨酸样蛋白与芳香族蛋白荧光强度,在方波下,随着占空比的升高,阴极滤液中的色氨酸样蛋白与芳香族蛋白荧光强度逐渐降低,而在正弦波条件下则呈现出相反的趋势。综上所述,活性炭/石墨辅助污泥电渗深度脱水实验研究中,最佳参数为投加5%DS活性炭、波形为方波、占空比为80%、频率为50Hz。在此工况下,泥饼含水率为40.3 wt.%,其脱水能耗为0.27649 Kwh/Kg,相比未投加,100%DR条件下,节约能耗0.11933 Kwh/Kg