污泥电脱水过程中电流衰减优化控制模式研究及其效能提升机制

本研究系统评估了分段电压（SV）和恒流转恒压（CC-CV）两种电场控制模式，通过精准调控电流有效缓解了电脱水（EDW）过程中的电流衰减现象。实验表明SV模式将电流标准差从2.17降至0.59，CC-CV模式进一步优化至0.45，最终实现47.85%的污泥含水率与0.178 kWh·kg?1的低能耗，为EDW技术的工业化应用提供了创新性控制策略。

　　

Highlight

电流稳定性在不同电压配置下呈现显著差异（图2a）。SV-60-40-20和SV-60-20-40配置表现出与CV-60相似的快速电流衰减率，由于提前终止均未能达到第三阶段（后续分析中未展示这两种序列）。该现象源于高电压（60 V）条件下污泥饼的物理变化。为对比，将脱水后的污泥饼进行形态学分析。

Impact on current

SV模式通过逐步升压策略有效缓解电流衰减，将电流标准差从2.17降低至0.59。CC-CV模式则通过前期恒流后期恒压的混合控制，进一步将电流稳定性提升至0.45的标准差水平。两种模式均显著延长了稳定电流持续时间，为水分迁移提供了持续电化学驱动力。

Thermal behavior analysis

焦耳热效应与电流强度呈正相关。CV模式因持续高电流产生显著热积累（最高温度达62.3℃），而SV与CC-CV模式通过电流调控将温度控制在45-50℃区间。适度升温有助于破坏污泥絮体结构（如水解EPS），但过热会导致阳极板结反而阻碍脱水。

Dewatering performance

SV模式在0.188 kWh·kg?1能耗下实现48.60%最终含水率，CC-CV模式以更低能耗（0.178 kWh·kg?1）达到47.85%含水率。二次回归模型表明电流稳定性与脱水效能呈强正相关（R2=0.93），而与能耗呈负指数关系。

Process parameter optimization

通过建立脱水效果（W_a）与能耗约束（W_b）的加权系数优化模型，确定当W_a/W_b=1.2时可实现工艺性能与能耗支出的最优平衡。该模型为不同处理需求场景提供了可调节的调控窗口。

Conclusions

本研究针对传统电脱水（EDW）过程中电流快速衰减、效率低下及高能耗问题，系统揭示了不同电场控制模式与脱水性能的内在关联。主要结论如下：

（1）SV模式通过阶梯升压有效抑制电流衰减，将电流标准差从2.17降至0.59；

（2）CC-CV模式进一步将电流标准差优化至0.45，并以0.178 kWh·kg?1能耗实现47.85%的污泥含水率；

（3）建立的二次回归模型为工艺参数协同优化提供了数学基础；

（4）加权系数优化方案为工业化应用提供了可调节的能耗-效能平衡策略。