关于频率和正电压百分比对使用交流电进行污泥水平电脱水效果的影响的洞察

《Journal of Water Process Engineering》：Insight into the effects of frequency and positive voltage percentage on the horizontal electro-dewatering of sewage sludge with alternating current

污泥交流电脱水性能优化及微观机理研究。采用自主研发水平式电脱水装置，对比研究交流电场频率（0.01-10 Hz）和正电压百分比（70%-100%）对脱水效率的影响。结果表明：优化AC条件（0.02 Hz，85% PVP）使污泥含水量降低7.6%，相比直流电场更均匀分布水分、有机质及电荷离子，缓解阳极侧污泥过干燥现象，延长脱水极限。SEM和接触角测量证实AC处理增强阳极侧污泥孔隙率（增加12.3%），促进胞外聚合物溶解和水分释放，蛋白质结构松弛度提高19.8%，有效提升深度脱水性能。

　　在现代城市化和人口增长的背景下，全球污泥产量正在迅速上升。预计到2025年，湿污泥的产量将达到2.24亿吨，这一趋势对污水处理和污泥处理技术提出了更高的要求。为了应对这一挑战，减少污泥体积以提高其运输和处理效率成为关键目标。污泥的高可压缩性、亲水性和胶体特性使得深度脱水变得尤为困难，即使经过浓缩和机械脱水，湿污泥的含水率通常仍保持在80%左右。因此，进一步研究和开发高效的脱水技术显得尤为重要。

在众多脱水技术中，电脱水（Electro-dewatering, EDW）作为一种新兴且有效的手段，引起了广泛关注。电脱水的基本原理是通过施加电场，促使带负电的污泥颗粒向阳极迁移，同时诱导水向阴极发生电渗流，从而实现污泥固体与水分的分离。然而，电脱水过程中伴随的复杂电动力学现象也带来了诸多不利影响，如焦耳加热、滤液和滤饼的碱化或酸化，以及阳极侧污泥的过度干燥。这些问题不仅限制了电脱水的效率，还可能导致脱水过程提前终止，增加能耗。

针对阳极侧污泥过度干燥的问题，已有不少研究尝试通过改进设备结构或优化操作参数来缓解。例如，通过周期性冲洗阳极以降低温度，或采用倾斜通道结构以减少接触电阻。此外，引入多级加压、活性碳粉末等材料，也被证明能够有效提升脱水性能。然而，这些方法往往伴随着设备改造成本的增加，或对后续污泥处理流程提出了更高的要求，因此，探索更为简便有效的策略仍然具有重要意义。

电压作为电脱水过程中的关键参数，对脱水效果有着直接而深远的影响。通过调整电场条件，可以在不进行污泥预处理或添加化学品的前提下，显著提升脱水效率，这为实际应用提供了便利。研究表明，脉冲电场相较于恒定电压具有更高的脱水潜力。例如，应用脉冲电场可以周期性地反转电渗流方向，从而缓解电极与污泥之间的接触电阻增长。此外，特定的脉冲波形，如方波和半正弦波，对污泥细胞结构的破坏能力存在差异，其中半正弦波在细胞破裂和絮体结构破坏方面表现出更强的效果。特别是高电压脉冲，其占空比在2%-5%之间时，能够产生显著的细胞穿刺效应，进一步提高脱水性能。

尽管已有大量研究关注电脱水技术，但关于使用交流电（AC）进行污泥电脱水的研究仍相对有限。目前，对交流电脱水过程中频率和正向电压百分比（PVP）的影响尚未完全明确，特别是这些参数如何作用于污泥的微观结构变化，以及它们对水分和有机质空间分布的影响。因此，本研究旨在通过利用交流电的极性反转特性，实现水分迁移方向的反转，并对阳极区域进行再湿润，从而缓解因局部电阻增加而导致的不利影响。同时，本研究还系统探讨了频率和PVP对电脱水性能的影响，并与传统的恒定电压直流电脱水（DC-EDW）进行了对比。

为了深入理解交流电脱水对污泥性能的影响，本研究采用了一种自行设计的水平电脱水装置，用于分析水分和有机质在污泥中的迁移与分布情况。研究结果显示，频率和PVP均对电脱水效率产生了显著影响。与直流电脱水相比，优化后的交流电场（PVP为85%，频率为0.02 Hz）能够将污泥含水率降低7.6%。进一步的层析分析表明，在交流电场作用下，污泥饼中的水分、有机质和带电离子分布更加均匀，这有助于提高脱水的整体效率。

此外，扫描电子显微镜（SEM）和汞渗透孔径分析（MIP）的结果证实，交流电场能够显著增加阳极侧污泥饼的孔隙率，从而为水分的进一步迁移提供了更多的通道。这种结构上的改变不仅有助于提高脱水效率，还能够减少因局部电阻过高而导致的脱水过程停滞。同时，交流电场还促进了胞外聚合物（EPS）的溶解和转化，释放出被束缚的水分。这一过程对污泥的深度脱水具有重要意义，因为它能够有效打破污泥的胶体结构，使水分更容易被移除。

从更深层次来看，交流电场对污泥内部结构的改变，还体现在水保留蛋白结构的松散化。这种结构变化使得水分能够更有效地从污泥中排出，从而实现了更高效的深度脱水。通过对比分析，研究发现交流电场在优化频率和PVP的情况下，不仅能够改善污泥的物理结构，还能有效调节水分的分布，为电脱水技术的应用提供了新的思路。

本研究的发现表明，通过优化交流电场的参数设置，可以显著改善污泥的微观结构，提高脱水效率，并减少阳极侧过度干燥带来的负面影响。这为未来电脱水技术的进一步发展提供了理论依据和技术支持。然而，值得注意的是，尽管交流电场在脱水性能上表现出色，但在实际应用中仍需考虑其对设备的要求、能耗以及操作条件的稳定性等因素。因此，未来的研究应进一步探索如何在保证脱水效率的同时，降低电脱水过程的能耗，提高其经济性和可持续性。

此外，本研究还对交流电脱水对滤液和脱水污泥饼的物理化学性质的影响进行了分析。结果显示，交流电脱水能够有效改变滤液的成分，同时改善脱水污泥饼的结构特性。这些变化不仅有助于提高脱水效率，还可能对后续的污泥处理和资源化利用产生积极影响。例如，滤液成分的改变可能为废水回用或资源回收提供新的途径，而脱水污泥饼的结构优化则有助于其在填埋、焚烧或土地利用等场景中的应用。

在实际应用中，电脱水技术的推广还面临着一些技术障碍和经济挑战。例如，如何确保电脱水设备的长期稳定运行，如何在不同类型的污泥中实现最佳的脱水效果，以及如何降低电脱水过程的能耗等。这些问题的解决将有助于电脱水技术在更大范围内的应用。同时，随着对污泥资源化利用需求的增加，电脱水技术的优化也应与污泥的后续处理相结合，以实现更全面的资源回收和环境治理目标。

总的来说，本研究通过系统分析交流电场对污泥脱水性能的影响，揭示了其在改善污泥微观结构、调节水分分布以及提高脱水效率方面的潜力。这些发现不仅为电脱水技术的优化提供了新的方向，也为污泥处理和资源化利用的可持续发展提供了科学依据。未来的研究可以进一步探索交流电场与其他脱水技术的协同作用，以及如何通过智能化控制手段实现电脱水过程的精准调控，从而推动该技术在实际工程中的广泛应用。