吳卓宇，梁耀軒，張淑娟，張旭蘭，蔡白樺

（1. 中山大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣東廣州510275；2. 東莞市環(huán)保產(chǎn)業(yè)促進(jìn)中心，廣東東莞523000）

隨著經(jīng)濟(jì)水平的不斷發(fā)展，我國的污水排水量和處理量也在不斷上升。據(jù)報道顯示，我國污水處理總量已達(dá)到2億m3/d［1］，而2015年的處理量為1.87 億m3/d［2］，呈現(xiàn)每年逐步遞增的趨勢。目前，我國每年含水率為80%的污泥產(chǎn)生量約為3×107～4×107t，平均每年的增長量為15%，預(yù)計到2020 年，我國的污泥年產(chǎn)量將會超過6×107t［3］。目前，污水處理廠典型的機械脫水工藝主要是板框壓濾脫水、帶式壓濾脫水和離心脫水等，產(chǎn)生的污泥經(jīng)過機械脫水處理后的含水率為65%～80%［4-5］。根據(jù)有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，不同的污泥處置方法對于含水率的要求也不同［7-9］，其中用作污泥混合填埋時，含水率要小于60%［10］。而目前的工藝水平很難達(dá)到后續(xù)處理工藝的要求。因此，需要發(fā)展新的污泥脫水技術(shù)來降低污泥含水率。

污泥脫水環(huán)節(jié)是污泥處理工藝中至關(guān)重要的一環(huán)，直接決定了污泥處理的成本［11］。傳統(tǒng)的機械脫水裝置容易出現(xiàn)堵塞等問題，需間歇運行［12］。而在電滲透脫水過程中，由于電場的作用，水與污泥絮體的運動方向相反，因而不易發(fā)生堵塞［13］。在電滲透脫水的直流電場作用下，污泥中的水分會隨之移動，而污泥顆粒由于粒徑過大而會被截留在裝置的過濾介質(zhì)上，從而實現(xiàn)污泥和水分分離的目的［14-17］。根據(jù)相關(guān)研究顯示［18-19］，通入電流后污泥樣品都有明顯的脫水效果。電滲透主要作用于顆粒間的毛細(xì)孔道內(nèi)，加快污泥中的自由水和孔隙水等的脫除［20］，再結(jié)合機械壓力配合，其脫水效果要好于傳統(tǒng)的機械脫水，更能進(jìn)行深度脫水［21-24］。電滲透脫水主要問題在能耗較高，如何優(yōu)化電滲透脫水的操作條件，降低脫水能耗是當(dāng)前許多學(xué)者研究的重點。但目前的研究主要采用單因素實驗法，很少研究有進(jìn)行多因素綜合優(yōu)化的探索。例如，魯子燁等［25］考察了不同電壓強度（0、15、35 和55 V）對污泥電脫水效果的影響，發(fā)現(xiàn)電壓強度越大脫水效果越好；李賀等［26］采用單因素輪換法進(jìn)行實驗，發(fā)現(xiàn)最佳技術(shù)參數(shù)為：污泥厚度10 mm、機械壓力100 kPa、電壓梯度50 V/cm，但能耗較高，為0.3 kW·h/kg。

正交實驗具有實驗次數(shù)少周期短、各因素具有均衡分散性和每個因素不同水平具有可比性的優(yōu)點而廣泛運用于科學(xué)研究中［27-28］。本研究采用正交試驗法，以污泥含水率和脫水能耗作為評價指標(biāo)，探索電滲透脫水過程中機械壓力、電滲透時間、電壓梯度以及污泥厚度的最優(yōu)化組合。為了使污泥的含水率達(dá)到我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定以下，并盡可能降低脫水能耗。本研究通過第一輪正交實驗，探索合適的參數(shù)范圍，以此為基礎(chǔ)設(shè)計并開展第二論正交實驗。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗材料

本實驗污泥采自廣州市大坦沙污水處理廠，該廠位于廣州西郊大坦沙島。實驗污泥是經(jīng)機械脫水后的生活污泥，采回來的污泥樣品都先放置在4 ℃的冰箱里保持，并同時測定其基本性質(zhì)。基本性質(zhì)結(jié)果如下。

表1 實驗污泥的基本性質(zhì)Table 1 Basic properties of the sludge

1.2 實驗裝置

本實驗采用的裝置是平板電極的電滲透脫水裝置，主要設(shè)備是一塊15 cm×15 cm 的陽極電極、一塊19 cm×19 cm 的陰極電極、壓力傳感器和底下放置的精確到0.01 g的電子天平（可實時測量脫出的水分的質(zhì)量值）。實驗通過穩(wěn)壓直流電源提供電壓供電，并用萬用表測定電壓和電流。為了保證實驗的重現(xiàn)性，每組實驗至少重復(fù)兩次。

1.3 實驗方法

開啟電源，觀察污泥的變化，每1 min 記錄一次電流值和脫除水的質(zhì)量，直到實驗結(jié)束為止。

污泥的最終含水率的計算公式為：

式中，w為最終污泥的含水率（%），m為填充污泥的質(zhì)量（g），w1為原始污泥的含水率（%），m1為脫除水的質(zhì)量（g）。

電滲透過程中，脫水能耗的計算公式為

式中，E 為脫水能耗（kW·h/kg），U 為脫水時通入的電壓（V），I （t）為脫水過程中電流隨時間的變化（A），t 為脫水時間（h），m 為脫除水分的質(zhì)量（kg）。

圖1 電滲透裝置簡略圖Fig.1 Simple diagram of electro-osmotic device

2 結(jié)果與討論

2.1 第一輪正交試驗

本研究在此前的實驗的探索中顯示：隨著機械壓力增加，含水率降低速度變慢，能耗快速上升；電滲透時間不斷增加的同時，能耗不斷升高，而含水率降低速度變慢；適當(dāng)?shù)碾妷禾荻扔欣陔姖B透的進(jìn)行，隨著電壓梯度的升高，能耗也在升高，而含水率下降速度變慢；污泥厚度越大，達(dá)到相同含水率時，電滲透所需能耗也越大。因此本次實驗設(shè)定參數(shù)范圍為機械壓力為0～30 kPa，電滲透時間為20～80 min，電壓梯度為5～20 V/cm，污泥厚度為0.75～3.00 cm。

根據(jù)設(shè)定的實驗參數(shù)范圍和正交試驗表L16（45）設(shè)計了第一輪正交試驗，因素和水平如表2 所示，第五列作為誤差列。完成第一輪正交實驗后，利用Minitab 16 軟件進(jìn)行極差分析和方差分析，得出各個因素影響的主次順序，如表3所示。再結(jié)合綜合平衡法對比分析各操作條件下的脫水效果和能耗，得出較優(yōu)的操作參數(shù)來縮小水平范圍，繼而進(jìn)行第二輪正交試驗。

進(jìn)行方差分析時，由于脫水能耗的數(shù)值較小，計算時容易出現(xiàn)較大誤差，因此將脫水能耗的數(shù)值放大100 倍來計算以減少誤差，計算結(jié)果如表3所示。以不同因素水平的含水率與脫水能耗的kij值為縱坐標(biāo)，因素水平為橫坐標(biāo)作趨勢變化圖如圖2所示。

表2 正交試驗的因素和水平Table 2 Factors and levels of the orthogonal experiment

表3 第一輪正交試驗極差和方差分析結(jié)果Table 3 Results of range and variance analysis of the first orthogonal test

圖2 不同因素水平的含水率與脫水能耗變化趨勢Fig. 2 Variation trend of sludge moisture content and energy consumption of dewatering at different factor levels

如圖2a 所示，最終含水率最低的機械壓力水平是10 kPa，而能耗最低的機械壓力水平為20 kPa。根據(jù)極差分析顯示，相對于能耗變化而言，機械壓力的變化對含水率變化的重要程度更大，而且在實際生產(chǎn)過程中，機械壓力越大對生產(chǎn)設(shè)備要求就越高。因此，本次實驗選取10 kPa 為機械壓力的優(yōu)化水平。

如圖2b 所示，含水率最低的電滲透時間水平是80 min，而能耗最低的是60 min。由極差分析可得，電滲透時間的變化對含水率變化要更加重要?？紤]到80 min 和60 min 水平的含水率相差不大，因此本實驗選取60 min 作為電滲透時間的優(yōu)化水平。

如圖2c 所示，含水率最低的電壓梯度水平是20 V/cm，但能耗最低的電壓梯度水平卻為5 V/cm。通過極差分析可知，電壓梯度對于污泥含水率與脫水能耗均為重要影響因素。因此，為了實現(xiàn)脫水效果與能耗的平衡，本實驗選取15 V/cm 作為電壓梯度的優(yōu)化水平。

根據(jù)圖2d 顯示，污泥厚度水平為0.75 cm 時，能耗和含水率均為最低。因此，選取0.75 cm 作為污泥厚度的優(yōu)化水平。

綜合第一輪正交試驗確定的操作結(jié)果：機械壓力為10 kPa、電滲透時間為60 min、電壓梯度為15 V/cm、污泥厚度為0.75 cm。由于第一輪正交實驗中沒有該組合，所以將該操作組合進(jìn)行實驗，結(jié)果表明：脫水后含水率為（59.72±0.42）%，脫水能耗為（0.139±0.005）kW·h/kg。為了進(jìn)一步降低含水率以及能耗，在第一輪正交試驗的基礎(chǔ)上開展第二輪正交試驗，以確定更優(yōu)化的參數(shù)組合。

2.2 第二輪正交試驗

根據(jù)第一輪正交試驗后篩選得出的較優(yōu)操作參數(shù)組合。第二輪實驗設(shè)定參數(shù)范圍為機械壓力為5～15 kPa，電滲透時間為50～70 min，電壓梯度為10～17.5 V/cm，污泥厚度為0.50～1.50 cm。根據(jù)L16（45）正交試驗表設(shè)計出第二輪正交試驗方案，第五列空列作為誤差列，能直觀反映出試驗誤差的大小，結(jié)果如表4。

2.2.1 極差和方差分析 由表5 可得，對于污泥含水率而言，機械壓力和電壓梯度的極差值均較大，說明這兩個因素是污泥最終含水率的主要因素，而污泥厚度對最后含水率的影響不大。對于污泥脫水能耗而言，污泥厚度和電壓梯度是主要因素。由P值也可以得出相應(yīng)的結(jié)論，機械壓力和電壓梯度對污泥含水率的影響是顯著的，而電壓梯度和污泥厚度對污泥脫水能耗的影響是顯著的。

表4 第二輪正交試驗結(jié)果統(tǒng)計1）Table 4 Results of the second orthogonal test orthogonal experiment

表5 第二輪正交試驗極差和方差分析結(jié)果Table 5 Results of range and variance analysis of the second orthogonal test

2.2.2 水平優(yōu)化 以污泥含水率和脫水能耗為響應(yīng)指標(biāo)，用響應(yīng)曲面法進(jìn)行污泥電滲透脫水操作參數(shù)的優(yōu)化研究。運用Minitab 軟件，分別分析在考慮線性作用、線性+相互作用、線性+平方作用三種模型下，污泥脫水的最佳操作參數(shù)組合，并對此進(jìn)行試驗驗證，每組試驗重復(fù)兩次。綜合三種模型的優(yōu)化結(jié)果，得到電滲透脫水的最佳操作參數(shù)組合。圖3～圖5 是在三種模型模擬下，關(guān)于含水率和脫水能耗的水平優(yōu)化的結(jié)果。對三種模型優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行實驗驗證，結(jié)果如表6所示。

圖3 模型1：線性作用Fig.3 Model 1：linear action

綜合優(yōu)化結(jié)果，最優(yōu)的操作參數(shù)組合為：機械壓力為14.6～15.0 kPa、電滲透時間為58.7～70.0 min、電壓梯度為15.1 ～16.1 V/cm、污泥厚度為0.50 cm，脫水后污泥含水率為55.00%～58.00%，脫水能耗為0.110～0.120 kW·h/kg。如表6 所示，經(jīng)過驗證試驗后，脫水后污泥含水率為56.23%～57.01%，脫水能耗為0.116～0.120 kW·h/kg，均位于預(yù)測結(jié)果的范圍中，說明模型預(yù)測結(jié)果的可信度較高。從實驗結(jié)果來看，其含水率達(dá)到我國現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，且脫水能耗僅為熱干化技術(shù)的9%～19%［29］。

圖5 模型3：線性+平方作用Fig.5 Model 3：linear+square action

3 結(jié) 論

本次實驗采用兩輪正交試驗的方式優(yōu)化電滲透脫水的操作參數(shù)，結(jié)合上述實驗分析，現(xiàn)有如下結(jié)論。

1）通過第一輪正交實驗中可以發(fā)現(xiàn)，電壓梯度、電滲透時間和機械壓力對污泥含水率的影響特別顯著，而電壓梯度對污泥脫水能耗影響顯著。綜合平衡后得到本實驗水平優(yōu)化后，最優(yōu)操作參數(shù)為：10 kPa、60 min、15 V/cm、0.75 cm。該組合經(jīng)實驗結(jié)果表明：脫水后含水率為（59.72±0.42）%，脫水能耗為（0.139±0.005） kW·h/kg。

2）在第二輪正交實驗中，將第一輪正交實驗的結(jié)果再進(jìn)一步細(xì)分。由第二輪正交實驗可以得出，機械壓力和電壓梯度對污泥最終含水率影響顯著，電壓梯度和污泥厚度對脫水能耗的影響顯著。最終得到最優(yōu)化的操作參數(shù)組合為：機械壓力 為14.6～15.0 kPa、電 滲 透 時 間 為58.7～70.0 min、電壓梯度為15.1～16.1 V/cm、污泥厚度為0.50 cm，脫水后污泥含水率為55.00%～58.00%，脫水能耗為0.110～0.120 kW·h/kg。

表6 三種模型優(yōu)化參數(shù)預(yù)測值與實驗值對比Table 6 Comparison between the predicted value of three models and the experimental value