污泥电渗脱水能耗影响研究试验简述
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摘要：电渗法在工程运用上具有加固速度快、对施工场地要求不高等优点，但也有电能消耗过大等缺点。本试验用自制的模型箱进行不同电压通电情况下污泥的一维电渗排水试验，研究污泥电渗排水过程中其能耗影响的关键因素。在电渗后期，实际用于电渗脱水的能量占总能耗的比例不断下降。在稳压情况下，工程实际中，可根据电流的大小推测电渗排水的经济性效果。
关键词：电渗法污泥电耗能排水量电流
中图分类号：TU 文献标识码：A 文章编号：
Description of Experimental Research on Key Factors Contributed to Energy Consumption in Electro- osmotic Dewatering of Sludge
TAN Huan
(School of Civil Engineering,Wuhan University, Wuhan, 430072)
Abstract: The use of electro-osmotic method in engineering has the advantages of fast rate of reinforcement, Less demanding on the construction site, etc; but there are also disadvantages such as excessive power consumption. In this experiment, we test the sludge of the one-dimensional electro-osmotic drainage with different voltage power in the model made by ourselves to study the process of sludge electroosmotic drainage of the key factors of its energy consumption. In the late electroosmosis, the proportion of actual energy for electro-osmotic dehydration in total energy consumption is declining. In a stable voltage, we can speculate the economic effects of electro-osmotic drainage based on the size of current in the engineering practice.
Keywords: Electro-osmotic consolidation,Sludge, Electric energy, Water discharge, Current
1.引言
1939年Casagrande首次将电渗法应用于岩土工程[1-2],但是其复杂的作用机理和众多的影响因素一直阻碍它成为工程实际地基处理中的常规手段，甚至在很长一段时间内几乎无人问津。我国近年不断增多的吹填造陆工程和疏浚淤泥的处理[3]使得电渗重新成为国内岩土界关注和研究的热点。电渗透系数具有与颗粒大小关系不大的特点，因此电渗法适合于细颗粒、低水力渗透性饱和软黏土的排水加固。但目前电渗存在电极腐蚀严重、电能消耗过大两大亟待解决的问题[4]，因此电渗法并没有在工程中得到广泛应用。城市污水处理厂的污水底泥含水量极高，水力渗透系数却很低，对污泥进行脱水减量非常困难。因此，我们用自制的模型箱进行不同电压通电情况下污泥的一维电渗排水试验，来研究污泥电渗排水过程中其能耗影响的关键因素。
2.试验方案
试验装置
本次实验所用为自行设计的上下通电排水式电渗排水箱，其具体模型及试验线路连接见图1
图1淤泥质土实验线路连接示意图
直流电压由WYT－6005可调式直流稳压稳流电源提供，试验电压20伏。间歇通电结束后采用恒压通电40V的方式通电278小时。
试验材料
本次实验所用土样为淤泥土，土体含水率高，富含有机质，色黑，粘稠多孔，有异臭，所排之水色黄，表面易产生腐物，亦有异臭。其基本物理力学参数见表1。
表1 淤泥土基本物理力学参数
含水量 干密度 孔隙比 饱和度
505.35% 0.17g/cm3 14.88 91.68%
试验方法
将各种实验设备按图1所示的顺序和方式连接好。电路中，电流传感器和万用表时测量整个电路中通过的电流，电压传感器测量的是土体上半部分的电压值。
将三个探针分别插入距离阴极53.5mm，94.5mm，143mm的位置，量测电压在土体中的分布情况。在有机质土上下分别铺设一层2mm无纺织物作为滤层。
所有测点数据由万用表测量，经电脑自动采集并记录。
经实验发现：经过一段时间的电渗后，断开电源，这时用电压表测量，正负电极两端仍有电压存在，这说明在电渗过程中发生了正负电荷的累积现象[5]。
3.试验现象及数据分析
实验恒压20V通电进行一段时间后，土体有明显的沉降，随着通电的继续进行沉降逐渐增大。通电持续到两百多小时时，在土体边缘沿着电极板一条边的方向出现了一些细小竖向裂缝，裂缝逐渐加宽加深，到实验结束的时候，裂缝已经发展到土体的中心部位。
试验在室温下进行，由于通电导致土体升温加剧了土体中水分的蒸发。试验模型箱除了排水口的导管外，基本上是密闭的，因此蒸发的水分在有机玻璃壁上凝结成小水珠。这个现象也表明，除了电渗排水之外，电流的热效应也比较明显。
电渗结束后，阴极附近含水量高于阳极，土体的含水率有了较大的降低。
仔细分析“排水量-时间”， “电流-时间”各数据的相关关系可知，对有机质土实施电渗排水，在60小时左右的时候排水效果已不明显，即这时候的耗能大幅度提升，排水量却几乎没有变化。电渗后期，土体电阻率和能量消耗急剧增加，存在突变点。试验证明，可以通过能耗系数曲线来控制电渗时间，以减少能量消耗，提高电渗效益。试验表明：对含水量505.19%淤泥进行电渗法脱水，作用时间为53.5小时比较经济。
刚开始电耗能增长速率较快，一段时间后，其增长速率稍稍减缓。电能有一部分消耗在发热上，大多数用于电渗排水上。在电流相同的情况下，电压越大，消耗的功率越多。因阳极附近土体的电压较高，其耗电量占土体总耗电量的比重较大。故电渗排水耗能的关键部分在阳极土。
20V电压下单位排水能耗为1780.1J/mL；40V电压下单位排水能耗为2278.9 J/mL。可见主要的排水是在早期通电。在实际工程中，可根据电渗加固土的体积计算总的能耗，又由于体积不同能耗也可能不同，故土体积与能耗之间的相关因素仍需另做试验来探究。
4.结语
1）污泥的含水量相当高，在电渗后期，土体电阻和电极接触电阻的增大导致相当比例的电流用于土体发热和其他电化学反应，而实际用于电渗脱水的能量占总能耗的比例不断下降。
2）累计电耗能随着排水量的增加接近于指数增长，能耗过大，应限定电渗排水的适用范围，否则浪费能源。
3）电流与时间呈负相关性。前一定时间内电流急剧下降，之后下降的幅度减小至趋于不变。可见，在稳压情况下，工程实际中，可根据电流的大小推测电渗排水的经济效果。
注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看