市政污泥脫水性能實(shí)驗(yàn)研究與形態(tài)學(xué)分析

周翠紅,凌 鷹,曹洪月

(1.北京石油化工學(xué)院環(huán)境工程系,北京 102617；2.北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院,北京 100124)

目前世界上生產(chǎn)污泥已達(dá) 1億 t/a(干污泥),我國(guó)已達(dá)900萬t/a(合干污泥300～350萬t/a)[1].污泥中含有大量水分使其體積龐大,這為污泥的堆放、運(yùn)輸和處置帶來很大困難,并且污泥含有大量微生物及有毒有害物質(zhì),如重金屬、有機(jī)質(zhì)和氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)成分,將對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的二次污染[2-3].2009年2月住房與建設(shè)部、環(huán)境保護(hù)部以及科技部聯(lián)合頒布《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理處置及污染防治技術(shù)政策(試行)》,2010年3月環(huán)境保護(hù)部發(fā)布《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理處置污染防治最佳可行技術(shù)指南(試行)》確定了污泥處理處置減量化、穩(wěn)定化和無害化的目標(biāo).污泥是一種高水分的多孔介質(zhì)物質(zhì),未經(jīng)處理的污泥含水率高達(dá) 95%以上[4],經(jīng)脫水處理的污泥將采用焚燒、堆肥、填埋和綜合利用等方法進(jìn)行進(jìn)一步處置.污泥脫水時(shí)最重要的前處理過程,高效脫除污泥中的水分,成為經(jīng)濟(jì)、高效處理污泥的瓶頸[3].污泥脫水的方法主要有自然風(fēng)化和機(jī)械脫水等,機(jī)械脫水前往往要添加絮凝劑[6].

國(guó)內(nèi)外廣泛使用化學(xué)調(diào)理,通常采用添加絮凝劑與助凝劑的方法,主要不足是成本高.絮凝劑類型有無機(jī)絮凝劑、有機(jī)絮凝劑、生物絮凝劑等,投加量過高或過低都會(huì)導(dǎo)致脫水性能降低.美國(guó)杜克大學(xué)采用人工配置的活性污泥進(jìn)行脫水特性的研究,結(jié)果表明添加高分子絮凝劑和 Ca2+可以改變污泥絮體的特征,從而改善污泥的脫水特性和沉降特性[7].

眾多學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)研究了輻射技術(shù)對(duì)污泥脫水特性的影響.波蘭學(xué)者使用微波技術(shù)后明顯增加污泥懸浮液體中的BOD5和COD含量[8].污泥微波加熱技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)已經(jīng)有成功應(yīng)用,另外微波改性技術(shù)在原油脫水、降黏方面有著較好的效果,在污泥改性脫水方面的應(yīng)用潛力較大.

研究表明,污泥的脫水特性不僅受污泥本身的物理化學(xué)組成影響,還與結(jié)合水存在的形式、毛細(xì)吸水時(shí)間、過濾比阻,可壓縮性和電勢(shì)能等有關(guān)[9-12].在脫水過程中,污泥中的含水量隨污泥性質(zhì)和含固率變化而改變,隨著污泥含固率的增大,結(jié)合水在污泥總水量中的比例會(huì)增大,對(duì)污泥含水率的影響也就隨之增大,因此污泥中水分狀態(tài)在研究中非常受到重視.測(cè)試污泥中水分的方法有真空干燥、常溫干燥、膨脹法、離心沉降法、壓榨法、過濾法、差熱分析法(DTA)、差示掃描量熱儀(DSC)、熱重分析、核磁共振等[13].一般情況下污泥中含有 25%左右的結(jié)合水,這些水分通過化學(xué)力結(jié)合在污泥顆粒的表面或存在于污泥顆粒內(nèi)部.結(jié)合水在 0℃以下不會(huì)被凍結(jié),可利用膨脹法冷凝其他水分進(jìn)行測(cè)定[14].

圖像處理技術(shù)已用于衡量污泥的沉降、濃縮特性和評(píng)價(jià)污泥絮體結(jié)構(gòu)特征方面的研究[15-16].隨著顯微鏡技術(shù)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展,對(duì)污泥的觀測(cè)逐漸從定性朝定量的方向發(fā)展.使用掃描電鏡技術(shù)與圖像分析系統(tǒng)相結(jié)合,不僅能探測(cè)污泥絮體的形態(tài)學(xué)特征和內(nèi)部結(jié)構(gòu),還能進(jìn)行絮體結(jié)構(gòu)的定量表征.目前多通過提取外形尺寸、平均面積、分形維數(shù)等[17]圖像特征來進(jìn)行污泥絮體的定量表征.李愷等[18]通過對(duì)污泥含水率和 EPS含量的測(cè)定,考察了化學(xué)調(diào)理對(duì)污泥脫水性能的影響,發(fā)現(xiàn)污泥絮團(tuán)被破壞,占體積分?jǐn)?shù)90%的顆粒粒徑均在 52μm 以下,較原樣明顯減小.謝敏等[19]發(fā)現(xiàn)經(jīng)過微波處理后污泥絮體解體,污泥圖像的分形維數(shù)發(fā)生變化.

目前的研究中沒有將污泥的調(diào)質(zhì)技術(shù)與離心機(jī)脫水技術(shù)結(jié)合,考察調(diào)質(zhì)技術(shù)對(duì)機(jī)械脫水效果的促進(jìn)作用,對(duì)污泥脫水特性參數(shù)的表征不夠具體.基于以上原因,為了提高污泥的脫水效率,本研究中將經(jīng)過微波處理后的污泥進(jìn)行調(diào)質(zhì)進(jìn)行離心脫水實(shí)驗(yàn),系統(tǒng)考察污泥的含水率與各脫水特性參數(shù)的關(guān)系,將污泥脫水性能參數(shù)與形態(tài)學(xué)作為重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容,建立污泥脫水性能參數(shù)預(yù)測(cè)模型,進(jìn)行預(yù)處理技術(shù)作用效果評(píng)價(jià),達(dá)到污泥脫水性能的改善以實(shí)現(xiàn)污泥深度脫水的目的.

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

微波采用 MAS-I型常壓微波輔助合成/萃取反應(yīng)儀,功率自動(dòng)變化范圍為11000W,控溫范圍為室溫 250℃,精度為±1℃,同批次最多同時(shí)處理10個(gè)樣品.機(jī)械脫水采用離心脫水,離心機(jī)為Digtor21C離心機(jī),該離心機(jī)主要應(yīng)用于對(duì)礦物油,水和沉積物的離心、黏性流體的分離,環(huán)境溫度調(diào)節(jié)范圍為570℃.此外毛細(xì)吸水時(shí)間(CST)采用Triton Electronics Type 319 Multi-CST測(cè)定,含水率采用紅外水分測(cè)定儀MA100測(cè)定,黏度采用BROOKFIELD R/S Plus流變儀在25℃時(shí)測(cè)定.

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)分三大部分,第一部分分次取定量污泥置于僅含離心脫水的處理系統(tǒng)中,在不同的離心脫水條件下測(cè)定污泥的含水率;第二部分分次取定量污泥在不同微波作用下進(jìn)行處理,測(cè)定污泥經(jīng)不同微波條件處理后的脫水特性參數(shù)與顯微圖像;第三部分分次取定量污泥置于微波和離心脫水相結(jié)合的處理系統(tǒng)中,在不同的微波溫度、微波功率、離心轉(zhuǎn)速和離心時(shí)間條件下測(cè)定污泥的CST、黏度、含水率和提取圖像特征.

2 結(jié)果與討論

2.1 離心脫水實(shí)驗(yàn)的結(jié)果及討論

用離心機(jī)在不同轉(zhuǎn)速、溫度以及作用時(shí)間條件下處理污泥,設(shè)置離心轉(zhuǎn)速為 400,500,1000,1500,2000r/min,離心溫度為 30,40,50,60,70℃.離心時(shí)間為3,5,10,15,20min.圖1和圖2是離心時(shí)間分別為3min和15min時(shí),在不同溫度和轉(zhuǎn)速下所測(cè)得的污泥含水率的情況.

由圖 1可以看出,在相同的時(shí)間內(nèi),隨著離心轉(zhuǎn)速和溫度的增加污泥的含水率逐漸降低,但溫度過高會(huì)破壞污泥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)導(dǎo)致污泥脫水性能的惡化.同樣,在相同溫度下,隨著離心時(shí)間和轉(zhuǎn)速的增加污泥的含水率也在逐漸降低,從實(shí)驗(yàn)中可以看出離心時(shí)間過長(zhǎng)對(duì)提高污泥的脫水效率的作用不明顯.因此,在離心脫水的過程中要選擇適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)條件才可達(dá)到較好的脫水效果.

圖1 離心3min和15min時(shí)污泥含水率的變化Fig.1 The sludge water content after 3min and 15min centrifuging

通過實(shí)驗(yàn)污泥離心脫水的最佳實(shí)驗(yàn)條件被確 定 為：15min,60 ℃ ,2000r/min.但 在 實(shí)際的 生 產(chǎn)中由于要考慮成本費(fèi)用等問題離心處理時(shí)并不加熱,因此,在后續(xù)實(shí)驗(yàn)的離心處理過程中只考慮污泥處于室溫(20℃)的情況.

2.2 微波與離心脫水結(jié)合實(shí)驗(yàn)的結(jié)果及討論

2.2.1 污泥經(jīng)微波處理后毛細(xì)吸水時(shí)間(CST)及黏度的測(cè)定 測(cè)定功率為200,400,600,800,1000W,加熱溫度為40,50, 60,70,80℃條件下處理后污泥的CST及黏度.

首先測(cè)得污泥未經(jīng)微波處理時(shí)的 CST為13.7s.由圖 2可以看出,當(dāng)微波功率為 200W 和600W時(shí)溫度由 40℃增加至 70℃的過程中污泥CST呈下降趨勢(shì),這有利于污泥的脫水,但在70℃以后CST隨溫度的上升而增加,600W時(shí)上升尤為迅速.當(dāng)功率為400W、800W和1000W時(shí),都在 50℃或 60℃開始出現(xiàn) CST上升,這不利于污泥脫水.總而言之,微波處理對(duì)污泥的 CST是存在顯著影響,且在適當(dāng)?shù)奈⒉l件下使得污泥CST下降,從而有利于污泥的脫水.

4)如圖6d所示情況，機(jī)體軸線與設(shè)計(jì)軸線發(fā)生偏移，且其運(yùn)行趨勢(shì)偏離設(shè)計(jì)軸線，此時(shí)需進(jìn)行及時(shí)糾偏，控制掘進(jìn)機(jī)的鉆進(jìn)路線。當(dāng)偏移量過大，超過工程要求的最大限制值時(shí)，為防止出現(xiàn)工程事故，掘進(jìn)機(jī)應(yīng)停止工作，并派遣技術(shù)人員對(duì)偏斜因素進(jìn)行詳細(xì)排查。

由圖3可以看出,在微波功率為200W、400W時(shí),隨著微波溫度的增加污泥黏度變化不大;當(dāng)功率為 1000W 時(shí),微波溫度為 60℃時(shí)污泥黏度最低,為 1.264mPa·s;當(dāng)功率較大時(shí),污泥黏度值都有很大浮動(dòng),說明微波處理后污泥絮體的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,對(duì)污泥黏度有明顯的影響.特別是當(dāng)微波功率為 800W 時(shí)由于水分蒸發(fā),污泥的含水量發(fā)生變化,導(dǎo)致污泥黏度增加.

2.2.2 離心脫水后污泥含水率的測(cè)定 根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,污泥 CST在微波溫度為60℃時(shí)變化最為平緩,而在50℃時(shí)有最低值出現(xiàn),且較其他溫度條件變化也較平緩.污泥黏度在60℃時(shí)有較大波動(dòng),而在50℃時(shí)較為穩(wěn)定且保持較低水平.因此,考察微波溫度為 50℃,離心時(shí)間為 15min,轉(zhuǎn)速為 2000r/min,功率為 200,400,600,800,1000W的污泥含水率分別為：84.03%,87.03%,88.44%,84.52%,83.75%.響,為4因素3水平實(shí)驗(yàn)(表1),實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2.

圖2 微波功率及溫度與CST的關(guān)系Fig.2 The correlation between microwave power,microwave temperature and CST

表1 因素水平表Table 1 The level of factor

圖3 微波功率及溫度與污泥黏度的關(guān)系Fig.3 The correlation between microwave power,microwave temperature and sludge viscosity

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 The results of orthogonal experiment

表3 正交實(shí)驗(yàn)計(jì)算表Table 3 Calculated table of orthogonal experiments

污泥經(jīng)微波處理后含水率最低達(dá)到83.75%,相比離心脫水實(shí)驗(yàn)后污泥的含水率88.33%,脫水效果更好.可以看出微波預(yù)處理技術(shù)對(duì)污泥的脫水性能有較大的促進(jìn)作用,因此微波預(yù)處理對(duì)于污泥的脫水效率的提高存在一定的實(shí)用價(jià)值.

2.3 正交實(shí)驗(yàn)

考察微波溫度、微波功率、離心轉(zhuǎn)速、離心時(shí)間對(duì)污泥含水率、CST和黏度 3個(gè)指標(biāo)的影

將正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行直觀分析可知(表3),對(duì)于污泥含水率,各個(gè)因素的影響由大到小排列為：離心轉(zhuǎn)速、微波功率、離心時(shí)間、微波溫度,且所選最優(yōu)方案為：A3B2C3D3,對(duì)于污泥 CST,各個(gè)因素的影響由大到小排列為：微波溫度、離心轉(zhuǎn)速、離心時(shí)間、微波功率,且所選最優(yōu)方案為：A2B2C1D1,對(duì)于污泥黏度,各個(gè)因素的影響由大到小排列為：微波溫度、離心轉(zhuǎn)速、微波功率、離心時(shí)間,且所選最優(yōu)方案為：A2B1C3D3.綜合考慮各個(gè)因素對(duì)指標(biāo)的影響程度及實(shí)際情況,從而選定的最佳方案為：微波溫度為 50℃,微波功率為 800W,離心轉(zhuǎn)速為 2000r/min,離心時(shí)間為20min.

3 污泥形態(tài)學(xué)研究

3.1 污泥的顯微分析

微 波 處 理 條 件 為 50 ℃ ( 8 00W)、 50℃(1000W)、60 ℃ ( 8 00W)、60 ℃ ( 1 000W),將這4個(gè)樣本進(jìn)行顯微觀察并拍照進(jìn)行分析,顯微圖像如圖4所示.

由圖 4a與4b可以看出,隨著微波功率的增加,微波輻射破壞了污泥顆粒的結(jié)構(gòu),污泥顆粒越小且結(jié)構(gòu)越松散.由圖 4a和圖 4c可以看出,微波加熱溫度越高,污泥顆粒結(jié)構(gòu)越松散,圖 4d與其他 3幅圖相比,污泥的顆粒粒徑最小且結(jié)構(gòu)最為松散,這也驗(yàn)證了上述結(jié)論,即當(dāng)微波功率和溫度越高時(shí),污泥顆粒越小且結(jié)構(gòu)越松散.

3.2 污泥的分形維數(shù)分析

提取污泥中絮狀物質(zhì)的形態(tài)學(xué)的特征,可以有效地衡量污泥的脫水性能.采用 Fractalfox 2.0軟件對(duì)污泥的顯微圖片進(jìn)行分形維數(shù)的分析.微波功率為 200,400,600,800,1000W 時(shí),其分形維數(shù)為2.75,2.72,2.52,2.43,2.52;正交實(shí)驗(yàn)序號(hào)為1、2、3、4、5、6、7、8、9所對(duì)應(yīng)測(cè)得的污泥的分形維數(shù)依次為 2.879,2.787,2.713,2.612,2.558,2.712,2.691,2.772,2.765.

圖4 污泥的顯微圖像Fig.4 The slice image of sludge

污泥的分形維數(shù)D表征絮狀體的結(jié)構(gòu).D表示了絮狀體顆粒間的填充程度,因此可以用D來測(cè)量絮狀體的聚集結(jié)構(gòu).通過優(yōu)化和正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)所求得的分形維數(shù)數(shù)據(jù)表明,污泥的分形維數(shù)變化明顯,說明在不同的處理?xiàng)l件下污泥的絮體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化.

4 污泥脫水性能模型的建立

首先假設(shè)污泥含水率和各參數(shù)之間的關(guān)系為多元線性關(guān)系,從而可以得到表征參數(shù)對(duì)污泥含水率的函數(shù)關(guān)系為：

式中：B為微波溫度(30～70℃),℃;C為微波功率,W;D為離心轉(zhuǎn)速, r/min;E為離心時(shí)間(小于20min),min.

多元線性擬合得到的相關(guān)系數(shù)R2為0.93606,接近于 1,得到的含水率預(yù)測(cè)值與實(shí)際值很接近.顯然,利用Origin8.0建立的污泥含水率與微波溫度、微波功率、離心轉(zhuǎn)速和離心時(shí)間的多元線性模型是有效的.

5 結(jié)論

5.1 在離心脫水實(shí)驗(yàn)中,在相同的時(shí)間內(nèi),隨著離心轉(zhuǎn)速和溫度的增加污泥的含水率逐漸降低,但溫度過高會(huì)破壞污泥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)導(dǎo)致污泥脫水性能的惡化.同樣,在相同溫度下,隨著離心時(shí)間和轉(zhuǎn)速的增加污泥的含水率也在逐漸降低.

5.2 當(dāng)微波功率確定的情況下,增加微波的溫度,污泥的 CST、黏度、含水率都有不同程度的下降,微波溫度過高會(huì)導(dǎo)致污泥CST和黏度上升,即向不利于污泥脫水的方向發(fā)展.通過正交實(shí)驗(yàn)得出最佳方案：微波溫度為 50℃,微波功率為800W,離心轉(zhuǎn)速為2000r/min,離心時(shí)間為20min.

5.3 經(jīng)分形維數(shù)的測(cè)定,微波改性后污泥的分形維數(shù)在2.4～2.8之間,利用顯微鏡進(jìn)行圖像分析表明,經(jīng)微波改性污泥顆粒結(jié)構(gòu)變化明顯;微波功率和溫度越高,污泥顆粒粒徑越小且結(jié)構(gòu)越松散.

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