活性污泥中的水分測定及其脫水性能

王美蓮,田家宇,潘志輝,李圭白

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室,哈爾濱150090)

隨著社會的發(fā)展,人們環(huán)保意識不斷增強,環(huán)保法規(guī)中污水排放標(biāo)準(zhǔn)的迅速改進,污水處理率也將迅速增加.隨之而來的污泥產(chǎn)生量也迅速增加.污泥含水量高且不易脫水,處理費用昂貴,欲使污泥處理達到優(yōu)良的標(biāo)準(zhǔn),一般要占運行成本的40%以上.經(jīng)機械脫水后仍有約80%的水分,造成后續(xù)處理處置的困難.污泥中含有較多的毒害有機物、重金屬、致病微生物等有害物質(zhì),若得不到良好的處理,必然會對環(huán)境造成嚴重的二次污染.

活性污泥難于處理的關(guān)鍵因素是其含水量過高.研究污泥的結(jié)構(gòu)與水分的分布特征,開發(fā)新的預(yù)處理工藝,從而提高污泥脫水率,不但可以解決城市污泥的處理問題,而且具有重大的經(jīng)濟和環(huán)境效益.

1 污泥中水分的分類

簡單來說,活性污泥中的水分主要可分為自由水(freewater)和束縛水(bound water)兩大類.為了更好的理解污泥水解及污泥預(yù)處理(混凝、絮凝、熱處理等)的機理,通常將污泥中的水分分為4種[1].

1)自由水:與固體顆粒之間無作用力,通過簡單重力沉淀可實現(xiàn)固液分離.

2)空隙水:絮體或生物體結(jié)構(gòu)內(nèi)部空隙中的水.當(dāng)絮體或生物體結(jié)構(gòu)被破壞時,空隙水可釋放出來.

3)表面水:與固體顆粒表面之間通過吸附或黏附結(jié)合的水.

4)水合水:與固體顆粒表面通過化學(xué)鍵結(jié)合的水.水合水只能通過固體顆粒的熱化學(xué)破壞而得到釋放.

2 污泥中各種水分的測定方法

1)干燥實驗法[2]:測定污泥中水分分布的經(jīng)典方法.這種方法假定水分的蒸發(fā)速率依賴于水與固體顆粒表面的結(jié)合方式(或在絮體顆粒內(nèi)部的存在方式).實驗得到一條描述蒸發(fā)通量與平均水分含量關(guān)系的干燥曲線,通過分析這條曲線可得到污泥中各種水分的含量.如圖1所示.

圖1 經(jīng)典干燥曲線

圖中恒定速率階段代表自由水蒸發(fā),第一降速階段代表束縛水的蒸發(fā),第二降速階段則代表結(jié)合力更強的水蒸發(fā)速率更加緩慢.Weq為熱動力學(xué)平衡時仍存在于污泥中的水分(污泥中固有的水分).

2)膨脹測定法[3]:在這種方法中,束縛水被定義為污泥中特定溫度下(通常選用-20℃)仍不凍結(jié)的水[4],而在該溫度下自由水已經(jīng)凍結(jié).通過測定給定污泥樣品的膨脹度(由于自由水凝結(jié)成冰)可計算得到自由水的含量,束縛水則為總水分含量和自由水含量的差值.

3)DTA和DSC法:基本原理同膨脹測定法.DTA法測定不同溫度下污泥樣品與參照樣品(熱惰性物質(zhì),如氧化鋁粉末)的溫度差異,并繪制曲線,可得到代表污泥樣品吸熱或放熱的峰,通過測定峰面積并結(jié)合水的凝固熱,可將溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為水冰轉(zhuǎn)化的熱數(shù)據(jù),并最終計算得到未凍結(jié)水的含量[5].DSC法將污泥樣品置于可控制的環(huán)境中并改變環(huán)境溫度,測定樣品形態(tài)轉(zhuǎn)化(水冰轉(zhuǎn)化)時吸收或釋放的熱量,直接進行熱分析.根據(jù)束縛水在特定溫度下不凍結(jié)的假定,樣品中形態(tài)轉(zhuǎn)化時所釋放的熱量與樣品中自由水的含量成正比.

4)離心沉淀法:這種方法認為,當(dāng)污泥樣品置于旋轉(zhuǎn)速度為無限大(N→∞)的離心場中時,污泥趨向于一個平衡高度(h∞),該高度僅由干固體和束縛水組成.所有自由水均已由于離心作用脫離污泥,而束縛水不受影響.基于這種假設(shè),單位干固體的束縛水含量 φw可由下式得出:

其中:ρs為干污泥密度,ρsl為濕污泥密度,ρw為水的密度,h0為污泥的初始高度.

以h/h0對1/N做圖,可得一直線,由截距可計算出h∞.但是,這種方法對于活性污泥并不適用.因為當(dāng)轉(zhuǎn)速高時活性污泥表現(xiàn)出明顯的非線性.

5)過濾實驗法:該法假定污泥經(jīng)真空抽濾之后仍保留在泥餅中的水分為束縛水.但是,在對泥餅進行干燥實驗時發(fā)現(xiàn)仍存在恒定蒸發(fā)速率階段,一些學(xué)者解釋為代表污泥絮體結(jié)構(gòu)內(nèi)部的空隙水[6].這種解釋與干燥實驗法存在差異.

6)壓榨實驗法:這種方法認為污泥經(jīng)高壓(通常為31 MPa左右)壓榨后仍保留在泥餅中的水分為束縛水.實驗發(fā)現(xiàn),以該法測得的束縛水含量明顯高于干燥實驗法.一些學(xué)者認為壓榨去除的自由水中包含了一部分以物理吸附作用與固體顆粒結(jié)合的表面水或空隙水[7].

7)吸附等溫線:將污泥樣品置于溫度固定而相對濕度可調(diào)控的裝置中,在不同的濕度下測定熱動力學(xué)平衡時污泥樣品的質(zhì)量,并最終測定在105℃下干燥24 h后污泥的質(zhì)量.從而得到吸附等溫線.如圖2所示.

圖2 經(jīng)典吸附等溫線

圖中RHeq為熱動力學(xué)平衡時的相對濕度;Weq為熱動力學(xué)平衡時的水分含量.

3 污泥脫水性能的評價指標(biāo)

1)束縛水

束縛水被定義為污泥中在給定溫度下(通常選用-20℃)仍不凍結(jié)的水.這種水分與污泥固體顆粒之間存在作用力,不能通過機械脫水工藝得到去除.束縛水的含量可反應(yīng)污泥的脫水性能.

2)毛細抽吸時間(CST)

毛細抽吸時間可以很好的表征污泥中固體含量和平均比阻.其測定裝置如圖3所示[8].將裝有污泥樣品的圓柱形容器置于Whatman-17濾紙的中心,在直徑為D1和D2的同心圓上分別放置電極.當(dāng)水邊界到達內(nèi)部電極①時開始計時,當(dāng)?shù)竭_外部電極②時停止.這段時間即為毛細抽吸時間.

圖3 CST測定裝置示意圖

3)過濾比阻(SFR)

過濾比阻可用于描述污泥的脫水性能.過濾方程表述為[9]:

其中:t為過濾時間;V為濾液體積;μ為濾液的動力黏性系數(shù);A為過濾面積;Δp為過濾壓力差;c為污泥的干固體質(zhì)量濃度;α為過濾比阻;Rm為過濾介質(zhì)的阻抗.

可見在壓力一定的條件下過濾時,dt/dV與V呈直線關(guān)系,由該直線的斜率可計算出過濾比阻值.比阻值越高污泥月難于脫水.對于可壓縮的污泥,比阻值 α也與過濾壓力差正相關(guān).

4)Zeta電位(ζ)

Zeta電位(ζ)可表征污泥的表面帶電特性.根據(jù)經(jīng)典的DLVO理論,對于表面帶負電的膠體,當(dāng)膠體表面電位提高,范德華力能克服膠體顆粒表面負電荷的斥力時,膠體顆粒脫穩(wěn)并趨于凝聚.因此,ζ電位可用來預(yù)測污泥顆粒的穩(wěn)定性.

但是,也有研究表明,穩(wěn)定性僅僅是影響污泥脫水的一個因素,ζ電位高的污泥并不一定具有良好的脫水性能[10].因此,不能單純從 ζ電位的角度來衡量污泥的脫水性能.

4 影響污泥脫水的因素

1)胞外聚合物(EPS)

胞外聚合物(EPS)對于活性污泥的絮凝、沉淀和脫水極為重要.EPS的存在是活性污泥難于脫水的一個重要原因.EPS在污泥中的量并不固定,環(huán)繞細菌細胞形成一層類似于膠囊的保護膜,并高度水合.EPS主要由多聚糖、蛋白質(zhì)和DNA(得自于死亡細胞的消散)組成,這些物質(zhì)結(jié)合大量水分,產(chǎn)生很好的粘性.同時還有類腐殖酸物質(zhì)、脂肪以及雜聚物質(zhì),如糖蛋白類[11].

活性污泥絮體呈電負性,是生物體(主要是細菌),無機顆粒(硅酸鹽、磷酸鈣、鐵氧化物),胞外聚合物以及多價陽離子相互之間物理化學(xué)作用的結(jié)果.如圖4所示[11].

影響污泥脫水性能的一個重要因素是污泥顆粒的粒徑分布.絮凝過程通過將小顆粒聚集起來而改變污泥顆粒的粒徑分布,進而影響污泥的脫水性能.胞外聚合物(EPS)具有很強的黏附力,因而對污泥的脫水性產(chǎn)生影響.EPS質(zhì)量濃度與毛細抽吸時間CST之間的關(guān)系如圖5所示[12].由圖5可見,存在一個最利于污泥脫水的EPS質(zhì)量濃度.可以通過改變工藝運行參數(shù),如污泥齡、停留時間、溫度等,調(diào)控污泥中EPS的質(zhì)量濃度,進而為污泥脫水創(chuàng)造有利的條件.

圖4 活性污泥絮體結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 EPS質(zhì)量濃度與污泥脫水性能之間的關(guān)系

2)酸處理的影響

活性污泥由大量的微生物構(gòu)成,細胞物質(zhì)(多聚糖、蛋白質(zhì)、DNA、類腐殖酸物質(zhì)、脂肪以及雜聚物質(zhì))形成的EPS包圍在污泥顆粒的表面.酸調(diào)理能改變污泥顆粒的表面性質(zhì).一些學(xué)者發(fā)現(xiàn)當(dāng)pH值小于3時,污泥體積能顯著的減少[13].pH值越低,脫水的效率也就越高.并得出結(jié)論,對于過濾脫水pH值為2.5時為最佳,再降低pH值已不能進一步提高污泥的脫水性能.

酸處理能提高污泥脫水性能的一個原因是它能使EPS物質(zhì)脫離活性污泥顆粒的表面,從而使污泥更易于聚集.另一方面,EPS物質(zhì)將大量的水包裹在污泥之中,酸處理使EPS脫離污泥表面后,也能降低脫水后污泥的水含量.pH值越低,從活性污泥表面釋放出來的物質(zhì)就越多,污泥聚體也就能結(jié)合得更加緊密,從而機械過濾脫水效率也就越高.但當(dāng)pH值小于2.5時,大量的EPS物質(zhì)釋放到水中,將引起過濾介質(zhì)的堵塞.脫水效率受到限制.而離心脫水不存在這種問題.

3)陽離子絮凝的影響

闡述陽離子在生物絮凝中的作用的理論主要有DLVO理論,藻酸鹽理論(Alginate Theory)和雙價陽離子架橋理論(Divalent Cation Bridging Theory)[14].

陽離子能影響污泥的沉淀和脫水性能.二價陽離子(Ca2+,Mg2+)能在EPS帶負電的官能團之間進行架橋,從而使污泥顆粒聚合并促進生物絮凝.研究發(fā)現(xiàn)Fe3+比Ca2+更能促進污泥的沉淀和脫水,這是因為Fe3+的價態(tài)更高、極性更強,同時水合度較小,因而能與EPS結(jié)合的更為牢固.聚合高分子電解質(zhì)是另一種有效的絮凝物質(zhì),通過架橋形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)并將固體顆粒吸附在上面,從而絮凝污泥.

向污泥中投加聚合物可以增大絮體顆粒的尺寸,并使絮體變得更加致密.但是,最佳的脫水效果并不一定是在污泥顆粒最為致密時發(fā)生.一些學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)焦炭和少量聚合電解質(zhì)聯(lián)合使用比聚合電解質(zhì)單獨使用時,脫水后的泥餅中固體含量更高[15].

當(dāng)化學(xué)調(diào)理劑(金屬鹽混凝劑或聚合混凝劑)投入到污泥中后,污泥中的自由水含量得到增加[4].當(dāng)投加過量時,束縛水的的含量將會增加.可能是由于水分吸附到混凝劑聚合體上的原因.

4)超聲波預(yù)處理的影響

事實上,超聲波能在污泥中產(chǎn)生一種類似于海綿的效應(yīng),這種效應(yīng)有利于水分通過污泥顆粒自身的或由波傳播導(dǎo)致的渠道進行遷移.其他的超聲波效應(yīng),如局部高溫高壓,界面不穩(wěn)定,攪拌,氣穴等,均有利于污泥的固液分離[16].

超聲波預(yù)處理通過迅速改變污泥結(jié)構(gòu),可使污泥脫水性大大提高,污泥量大幅度減少.活性污泥顆粒具有良好的保水性,這是其難以脫水的一個重要原因.研究發(fā)現(xiàn)[17],超聲波可以破壞污泥顆粒的強度結(jié)構(gòu),使其內(nèi)部包含的水排出,從而使污泥脫水性能得到提高.但是,存著一個超聲波強度的臨界值,當(dāng)超過此值時,多孔的污泥絮體結(jié)構(gòu)被破壞,成為小尺寸的密實顆粒.小顆粒具有巨大的表面積,能吸附大量自由水,從而降低了污泥的脫水性,甚至比未經(jīng)超聲波處理的原污泥更難脫水.污泥經(jīng)0.11W/m L的超聲波預(yù)處理60 min后,毛細抽吸時間CST僅由197 s升至218 s,過濾性能稍有下降.而經(jīng)0.33W/mL的超聲波預(yù)處理60 min后,CST顯著升高,達到490 s,過濾性能明顯惡化[10].超聲波的作用強度和作用時間對污泥的脫水性能產(chǎn)生顯著的影響.

5)熱預(yù)處理的影響[18]

以150℃以上的溫度對污泥進行熱處理,各種污泥的脫水性能均有所提高.但溫度達到180℃以上時,則效果更為顯著.但是,當(dāng)溫度過高時污泥中難控制有機物質(zhì)量濃度將會增加.約1/3的這些有機物質(zhì)很難處理.

一些學(xué)者認為對污泥進行低溫?zé)崽幚硪部梢蕴岣呶勰嗟拿撍?并認為175℃是污泥消化前熱處理的上限溫度,當(dāng)超過此溫度時,由于抑制性有機物的形成,污泥的消化性能將受到影響.175℃熱預(yù)處理對消化過程最為有利,能提高60%～70%的甲烷產(chǎn)量.同時,各種污泥經(jīng)該溫度的熱處理后均能取得更好的脫水性能[19].

熱-化學(xué)預(yù)處理對污泥的脫水性,COD溶解性,脫水后的泥餅含固率等多個指標(biāo)均能產(chǎn)生影響,表1匯總了一些熱-化學(xué)預(yù)處理方法的處理效果.可見,熱-化學(xué)預(yù)處理不僅能提高污泥的脫水性能,也能產(chǎn)生對好氧消化和厭氧消化有利的影響.當(dāng)然,應(yīng)當(dāng)根據(jù)后續(xù)污泥處理工藝的不同而具體選擇熱-化學(xué)預(yù)處理方法,并根據(jù)實際情況確定熱-化學(xué)預(yù)處理的最佳工況.

表1 一些熱-化學(xué)預(yù)處理方法的處理效果匯總

5 結(jié) 語

污泥脫水是對污泥進行有效處理處置和綜合利用的關(guān)鍵步驟.本文詳細介紹了關(guān)于活性污泥脫水的基礎(chǔ)知識.首先介紹了污泥中水分的分類及其測定方法;接下來,總結(jié)了常用的污泥脫水性能評價指標(biāo),并討論了各種影響污泥脫水的因素及作用機理.為開發(fā)新型高效的污泥脫水預(yù)處理工藝及組合工藝提供了基礎(chǔ)資料.

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