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废水污泥电脱水：关于滤液流量和电流的关系调查
翻译：王安东 班级：给排水1202
关键词：电渗析，造型，活性污泥，动力学，能源消耗
摘要：与常规脱水技术相比，电气辅助机械脱水，也叫电脱水是一种用于脱水污泥低能耗的有效代替技术，本研究的目的是评估脱水性能和确定工艺参数的影响（如电流，电压，和干固体的初始量）对活性污泥工艺的动力学数据。这方面的努力也一直致力于提供电脱水机制全面的信息，以及去理解这些操作条件对发展定性和定量的电脱水过程关系之间的概念模型，然后产生了一个坚定的设计方法。结果显示在所施加的电流和滤液流速之间有很大的相关性，也就是电脱水动力学。更高的电流导致更快的电脱水动力学和较高的最终干固体含量。与此相反，这项工作表现出通过减少干固体引入到细胞中的质量使脱水动力学显著增强。（通常被称作污泥负荷）
1,介绍：
每年由于净化水的增多导致城市污水污泥量增加。污水污泥的消除成本直接取决于待处理的体积和水分含量这两个方面。污泥中的水是由机械加工的，如离心机，带式压滤机、压滤机。然而，污水污泥的处理效率一般是比较低的，35%（重量）似乎是能够达到的最高效率。因此，一些年来，研究人员已经开始加强现有的机械加工来实现方便的组合：如另外的热场，声场和电场。其中对污水污泥脱水最有效的混合工艺是污泥机械压缩中的电场应用。在以往的工作中采用电气现象来改善脱水效果。
在一些实验室进行的大量调查数据表显示，对于电脱水污水污泥达到32%-60%范围最终干燥所需要的能耗要求显著低于热污泥干燥所需的。
有两种不同的、常用于污水污泥的电脱水的工作模式：恒定电流或者恒定电压。对于恒定电流模式，过滤房间的温度和增压都是脱水产生的。但是，如果温度升高过大，过了一定的时间就必须停止操作过程，以防止过滤器具和电极使用的恶化。在恒定电压模式，在早期脱水期可以观察到不受控制的电流峰值和温度峰值，这两个参数随后逐渐减少，直到脱水关闭。许多因素会影响含水量减少，也就是电脱水工艺性能。关键的处理因素是voltage (electric current or strength field), pressure, time/offtime电压（电流或力场）、压力、时间/中断时间，调节参数，粒径分布，污泥的类型及其固有特性（如电化学属性），可压缩性（体积，颗粒的组分，比滤饼阻力系数压缩性），聚电解质特性，污泥负载，电极材料，细胞结构，过滤布type, ..etc.类型，等等。然而，电脱水的效率本质上取决于所施加的电流或者电压和干燥的固体引入电脱水电池的质量。对于恒定电压模式，更高电压导致更快的电脱水运动和更高的最终干燥度正如他们的记录。然而，这种操作模式会分别在过滤室和测量的电流处引起温度的增加。对于恒定电流模式，更高电流导致更快的电脱水运动，但是温度和测量电压也会增加。不受控制的电流,折痕和激烈的由欧姆加热温度上升将影响电脱水电池设备(过滤的衣服,电极),最终阻碍了电脱水程序。为了提供一个更好的欧姆加热的控制效果，Citeau等人提出了通过恒定电压替代初始恒定电流处理在后期阶段的电脱水。因此,污泥的脱水可以扩展导致完成电脱水程序尽可能多。然而,需要进一步的调查来优化恒定电流和恒定电压组织之间的过渡点。以前,为了控制温度增加,以及防止经济过热,李等人在很短的时间内调查自来水厂污泥的在电动领域应用的电脱水运动。然而,压滤机的温度持续上升。正如拉吕等人所提及的过度加热还可避免额外的洗涤滤饼。一般来说,为了解决过度过热问题,可以在时间,电场的强度和污泥脱水的程度之间做出协调。
另一方面,对于这两个模式,在给定初始干燥的固体含量的情况下,减少干燥固体引入电脱水电池的质量(或减少污泥的质量)会显著增强电脱水运动。
然而,很少有研究在科学文献中报道的不同参数之间建立了一个联系过程来解释他们如何显著影响过程,了解他们在电脱水运动中如何发挥关键作用。
机制以来的电脱水过程活性污泥尚未完全理解并没有系统的各种影响因素调查过程中,本研究的具体目标是了解主要参数(如应用电流,应用电压或干燥的固体的量引入到实验室电池)可以显著影响动力学电脱水活性污泥。所观察到的特点是经验的不同交互提出了相关性和实证模型来模拟在电脱水的行为过程的一部分。
2 材料和方法
2.1 试验装置
用于这项工作的实验装置，如图1所示,已经被马哈茂德等人 和奥利维尔等人描述过。
简而言之,一个过滤/压缩细胞与压缩活塞聚四氟乙烯进入145毫米深圆柱形室被用来处理电脱水的活性污泥。聚四氟乙烯也被选为本构材料的血管壁,因为它确保了良好的电气绝缘,往往以减少活塞的摩擦。美国商会的内径是固定的内径70毫米为了尊重法国标准(NF t - 97 - 001使用标准)。增加了不锈钢外部夹克来保证设备的机械阻力。设备在滤布室底部靠滤布按压材料脱水。压力在顶部的单位通过高压空气被应用于活塞。
两个热电偶,一个插入压缩活塞的底部,另一个位于滤液出口通道,被用来调查欧姆加热的影响。维稳定电极是由迪诺拉意大利)工业制造和由ECS提供被用于实验的65毫米的直径。上面的多孔圆盘电极(阳极)插入活塞头和由钛涂上混合金属氧化物(MMO),以防止其氧化。较低的多孔圆盘电极(阴极)躺在滤布和它是钛制成的。阴极和滤布都是由聚四氟乙烯制成的多孔网格是由不锈钢外部夹克,确保单位的机械阻力。
一个操作在恒压或恒流的直流电源EV202配偶(最大300 V和2)被连接到阳极和阴极电极。活塞的压力是由压缩空气控制。滤液收集在一个烧杯沉积规模。所有实验数据(例如滤液质量,蛋糕厚度、阴极和阳极温度、电流、电压)被电脑随时间记录。质量平衡允许监控质量的滤液收集在一个烧杯和两个数字万用表，这是用于监控电脱水电池的电压和电流的波动。
2.2 污泥
本研究中使用的活性污泥样品从莱斯卡尔污水处理厂收集的。收集活动的主要物理化学特性——增值税污泥样本平均初始干固体含量0.5%左右(wt %),导电率为0.8 mS/cm,一个电动电势A20 mV和挥发性悬浮固体平均为80%。
为了限制的变化可能是由于生理变化的物质,污泥被储存在4 ℃和使用在小于一个星期的一段时间内。调节之前,污泥样本留给至少30分钟的驯化在露天以达到室温(20plusmn;1 ℃)。调节是通过由SNF FLOERGER 提供的聚电解质化学。聚电解质水溶液根据制造商的指示准备5 活性聚电解质浓度(0.5%)。
线性聚合物EM 640 L,以固定剂量(7 g活跃的聚电解质/ kgDS)使用。调节器剂量从初步固定重力排水测试。第一步是在传统Jar测试装置,操作在每30秒270 转数以提供一个良好的聚电解质进入污泥混合。接下来,搅拌速度降低到每30秒20 转数一段时间以促进絮体增长。调节阶段的污泥过滤后使用一批实验室排水装置,然后稀释到合适的干燥固体含量(2.5 e3.2%(wt %))的拨款金额上层清液(滤液)。一系列电脱水运动运行在不同电流(100、160、200、100、160和500 mA)或在不同应用电压(30、40、50 V)与通过5条杆施加压力的不同数量的干燥固体(5、9、10和15 gDS)。如马哈茂德等人和奥利维尔等人记录的，在电脱水运动运行操作条件中，5条恒压杆被选为足量。在一个典型的运行中,大约286克经调整的污泥在室温下流入电脱水电池，对应2.4 kgDS / m2过滤器表面和一个初始样本80毫米厚度。
2.3 脱水过程
根据科学文献中报告的研究,强调了该应用程序的电场在整个电脱水的运行,在过滤阶段,并没有显示任何有益的影响脱水效果,电场的附加效果应用研究在压缩阶段。
连续脱水过程包括两个阶段:
-传统的过滤/压缩(阶段1):
压力(5条),2 小时(7200秒)必须达到最大的脱水;
-电子恒压压缩操作
(或电流)相同的压力(阶段2)应用于前一步。
应用程序允许收集,在第二阶段,只有额外数量的滤液移除由于电子的贡献。
在实验的最后,脱水块状物从电池和重量中移除。根据欧洲EN 12880标准的过程干燥的固体含量是指在温度105摄氏度下经过24 小时的干燥度和重量。在整个实验过程中通过滤液质量的记录持续计算干燥的固体含量。部分蒸发提取滤液被认为是计算的。
对于每一个活性污泥样品,实验进行了一个多星期(6或7每周测试)。每一系列测试至少重复三次,因为初始污泥性质的变化——能力/成分。在恒定外加电压和恒定电流应用1.5%左右条件下，干燥的固体含量的误差在plusmn;2.5 wt %。另一方面,测量电流的误差为plusmn;0.025在恒定电压应用。
3 结果与讨论
3.1电脱水在恒电流应用
3.1.1 电流和滤液流量之间的关系
正如之前由奥利维尔等人讨论的,应用电流决定恒电流动力学是一个关键参数。图2 a、b显示了最后的时间变化干燥固体含量机械脱水运行期间(第一阶段)和脱水运行期间(阶段2)。如图2所示,应用电流的增加加速恒电流电脱水运动。干燥的固体的质量引入电池也显著影响恒电流电脱水运动(图2 b),干燥的固体的质量的减少会导致更快的脱水。为了理解和量化这两个参数的影响(应用电流的增加和干燥的固体的质量）,滤液流量(对时间的导数提取质量的滤液)是用于描绘干燥达到恒电流电脱水实验用不同的干燥的固体的质量(图3a)或与不同的常数应用电流(图3 b)。以一个恒定的电流200毫安,滤液流速不会受到干燥固体的量引入细胞(图3a)。同样的结果也被试验观察到在300毫安和400毫安(不具有代表性)。从图3,因此可以得出这样的结论:滤液流量是独立的干燥固体的质量引入电池。加速度的脱水动力学观察图2a可以用这一事实来解释滤液流量保持不变,即使不同数量的污泥被引入到电池。事实上,干燥的基本方程和滤液流量为:
（1）
（2）
干燥的微分方程可以写成:
（3）
用公式（1）和公式（2）带入公式（3），干燥的基本微分方程可以写成:
（4）
两个电脱水实验进行不同质量的干燥固体(如MDS1 lt; MDS2)和同样的达到干燥(S),干燥(dS)的变化可以表示:
（5）
另一方面,这两个实验中,如前所述,滤液流速不取决于质量的干燥固体(图3a),因此:
（6）
结合5,6可得
（7）
因此,相同的变异在干燥在更短的时间内达到一个小数量的干燥固体。例如,对于一个给定的应用电流不同质量的干燥固体,有大量减少干燥所需的时间达到相同的水平。时间是减少从dt2 2400秒到1200秒dt₁frac14;frac14;将达到40%(wt %)干燥固体含量(干燥的固体含量25%)减少干燥固体的质量(从10 g 5 g),如图2b所示。因此,恒电流运动加速减少干燥固体的质量而不影响滤液流量这个参数(图3a)。
对于一个给定的干燥,图3 b显示了滤液流速增加而应用电流。滤液流量与该参数强烈相关。此外,脱水污泥干燥增加收益和滤液流量、降低(图3 b)。因此,滤液流量可以描述为一个函数,干燥(S)和一个函数应用电流:
（8）
两个实证函数f和g在那里。
这些结果可以用这一事实来解释电子的渗透现象与位移相关的离子(主要是阳离子活性污泥),移动的电荷从电极被释放。随着电流控制释放的大量费用,因此毫不奇怪,电流在脱水运动中扮演如此重要的角色。滤液流量的变化达到干燥可以解释通过改变压力梯度在脱水的污泥块的厚度减少。电气性能的变化引起的污泥块干燥的变化对脱水动力学也有影响。在文献中,提出了一些相关性链接,对于矿物悬浮液,滤液流量和电流。其中,两个方程,可以帮助在此:现象学流量方程(公式(9))和亥姆霍兹斯基流量方程(公式(10))正比于系统的 潜力及其导电率成反比,
（9）
（10）
注意 可能随时间变化由于电化学反应发生在电脱水过程中污泥。
确定函数g,滤液流量描绘电流不同达到块状物干燥,如图4a所示。根据图4a,观察每一个干燥的线性关系。因此,可以写:
（11）
将公式（11）带入公式（8），滤液流量电脱水就变成:
（12）
因此,图的斜率滤液流速对应用电流实证函数f(S)（图4a）。此外,如图4b所示,这个经验函数f(S)的平方干燥水平成反比,如下:
（13）
经验常数,只取决于污泥的性质。
最后，将公式（13）带入公式（12），滤液流量电脱水就变成:
（14）
最后,为电脱水运动运行一个给定的污泥量,它可以表示,电脱水的滤液流量正比于应用当前和成反比的平方块状物干燥的水平。
3.1.2 实证恒电流造型模式
通过引入实证关系之前确定的滤液流在公式(4),块状物干燥的微
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