微波對(duì)污水污泥脫水特性及形態(tài)影響

周翠紅，?？∮?，陳家慶，孔 惠

（北京石油化工學(xué)院 環(huán)境工程系，北京 102617）

污水處理過(guò)程中產(chǎn)生的污泥除含有大量的水分外，還含有豐富的營(yíng)養(yǎng)成分，同時(shí)還含有病原體、寄生蟲(chóng)卵以及銅、砷、鉛、鋅、鋁、汞等重金屬和難降解的有機(jī)污染物等有害成分。隨著污水量的增加和污水深度處理技術(shù)的使用，污泥產(chǎn)量將呈明顯的增加趨勢(shì)。污泥處理與處置是城市生活污水處理一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，通常其運(yùn)行成本占整個(gè)污水處理廠總運(yùn)行成本的20%～50%，甚至高達(dá)70%左右［1］。降低污泥的水分是一種有效的減量方法。

常規(guī)的脫水方法很難達(dá)到較高的脫水率，目前冷融技術(shù)、磁場(chǎng)和電場(chǎng)、超聲波和微波作為預(yù)處理技術(shù)用于改善污泥的沉降與脫水特性的研究中，污泥脫水特性與污泥本身的理化特性有關(guān)，如胞外聚合物（Extracellular polymeric substance，EPS）的存在與結(jié)合水的含量直接影響著污泥的脫水性能［2－3］。預(yù)處理技術(shù)會(huì)破壞污泥內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，促進(jìn)結(jié)合水的釋放并提高污泥的脫水特性［4］。表征污泥脫水特性的參數(shù)較多，實(shí)驗(yàn)室最常用的測(cè)定污泥脫水性能的方法有毛細(xì)吸水時(shí)間（Capillary suction time，CST）、污泥過(guò)濾比阻（Specific filtration resistance，SRF）、Zeta電位、粘度和含水率等［5－9］。

20世紀(jì)70年代，德國(guó)首先安裝了用于污泥消毒的輻射裝置［10］，微波輻射技術(shù)逐漸被用于污泥加熱中，促進(jìn)污泥消化和金屬離子去除等方面。波蘭學(xué)者 Wojciechowska［11］研究了微波加熱對(duì)污泥脫水性能的促進(jìn)作用，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。Seehra等［12］人的研究中發(fā)現(xiàn)微波與普通的加熱方式相比具有良好的脫水效果。中山大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院使用微波預(yù)處理來(lái)改善污泥的脫水特性，實(shí)驗(yàn)表明最佳條件下污泥中有1.5%～2%的物質(zhì)解體、EPS的含量為500～2000g／L，固體顆粒粒度分布在120～140 μm［13］。廣州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系通過(guò)研究溫升速率、細(xì)胞破解、SCOD／TCOD比值和生物質(zhì)氣體的產(chǎn)生，發(fā)現(xiàn)影響污泥含水率變化的最重要的因素是引起溫度升高的能耗［14］。清潔能源遼寧省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析決定微波試驗(yàn)運(yùn)行系統(tǒng)的主次因素，建立了影響因素對(duì)污泥脫水率和有機(jī)質(zhì)損失率的經(jīng)驗(yàn)公式［15］。本文使用微波對(duì)污水污泥進(jìn)行預(yù)處理，打散污泥絮團(tuán)，改善污泥的脫水特性，促進(jìn)機(jī)械脫水效果的提高。

1 微波預(yù)處理脫水實(shí)驗(yàn)及結(jié)果討論

1.1 材料與儀器

眾多學(xué)者研究了微波技術(shù)對(duì)污泥脫水特性的影響，微波具有選擇性加熱的特點(diǎn)，因?yàn)槲镔|(zhì)吸收微波的能力主要由其介質(zhì)損耗因數(shù)來(lái)決定，介質(zhì)損耗因數(shù)大的物質(zhì)對(duì)微波的吸收能力強(qiáng)。微波比其它用于輻射加熱的電磁波，如紅外線、遠(yuǎn)紅外線等波長(zhǎng)更長(zhǎng)，因此具有更好的穿透性。另外微波導(dǎo)致介質(zhì)材料瞬時(shí)升溫，能耗相對(duì)較低。

污泥取自校內(nèi)中水站與某污水處理廠二沉池，沉降24h后去除污泥上清液，分別采用微波進(jìn)行預(yù)處理。使用 MD－6微波樣品處理系統(tǒng)，控溫范圍：0～300℃，控溫精度：±0.5℃；直接接觸式壓力測(cè)量：實(shí)時(shí)監(jiān)控達(dá)900psi；控壓精度：0.01MPa；排風(fēng)量3m3／min，同批次最多同時(shí)處理10個(gè)樣品。分次取定量污泥置于系統(tǒng)中，在不同的微波作用條件下測(cè)定污泥的CST、粘度、沉降比（SV）、含水率、上清液的COD含量、Zeta電位和形態(tài)學(xué)特征。采用Triton Electronics Type 319Multi－CST測(cè)定CST，采用紅外水分測(cè)定儀MA100測(cè)定水分，使用HAAKE RV1旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)進(jìn)行粘度測(cè)定，采用JS94H微電泳儀測(cè)量污泥中的Zeta電位，顯微采集圖像使用的是OLYMPUS cx41System Microscope系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)采用重鉻酸鉀法測(cè)定污泥離心后上清液的COD含量。

1.2 微波加熱方式的影響

實(shí)驗(yàn)中先以不同溫升速率分別加熱到50、60、70、80℃，不使用絮凝劑，測(cè)量微波預(yù)處理后中水處理站污泥的CST記錄在表1中，在相同的溫升速率下，隨溫度升高CST減??；不同溫度條件下，CST的最小值均出現(xiàn)在溫升速率為10℃／min時(shí)；當(dāng)以10℃／min加熱到80℃時(shí)，CST最小為4.2s。實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)加熱時(shí)間要控制在400s之內(nèi)，否則會(huì)使脫水特性惡化。采用最佳溫升速率再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)考察污泥內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化與預(yù)處理后對(duì)離心脫水的促進(jìn)作用，將預(yù)處理后污泥進(jìn)行離心脫水測(cè)定上清液中多糖含量及泥餅中含水率的變化，具體如表2所示。隨著微波加熱溫度的升高，含水率逐漸降低，污泥脫水效果越好。微波加熱到70℃后的樣品經(jīng)離心后上清液中的多糖含量最高為73.275mg／L，80℃時(shí)多糖含量為68.315mg／L，實(shí)驗(yàn)表明微波可使污泥中的大分子絮團(tuán)解體，有機(jī)物如多糖和蛋白質(zhì)釋放，促進(jìn)離心脫水效率的提高。80℃時(shí)濾餅的含水率最低為87.06%，微波處理的熱效應(yīng)使部分水分蒸發(fā)，在一定程度上降低了污泥的含水量。

表1 溫升速率與CST的關(guān)系

1.3 微波對(duì)污泥脫水特性的影響

用微波樣品處理系統(tǒng)在不同的實(shí)驗(yàn)條件下處理城市污水處理廠污泥，以10℃／min加熱到20、50、60、70、80℃，不使用絮凝劑，所測(cè)得的污泥脫水特性參數(shù)見(jiàn)表3。由表3可看出污泥的SV、粘度、污泥含水率相應(yīng)降低，CST、Zeta電位變化規(guī)律不明顯，污泥離心后的上清液中COD含量逐漸增加，微波能量過(guò)大反而使污泥的脫水效果惡化。微波加熱溫度為50～80℃時(shí)，水層較清澈，分層較明顯如圖1所示。適當(dāng)?shù)奈⒉梢鹞勰囝w粒間作用力發(fā)生變化，同時(shí)微波可破壞結(jié)合水與污泥胞外聚合物之間的結(jié)合能力，表現(xiàn)為70～80℃時(shí)污泥粘度較低、Zeta電位較高和離心后上清液COD較高的規(guī)律，從而改善污泥的脫水性能，離心后含水率較低的現(xiàn)象。

表2 加熱溫度與脫水特性參數(shù)關(guān)系

表3 微波加熱后的污泥脫水特性參數(shù)

圖1 加熱溫度為20、50、60、70、80℃污泥沉降情況

2 污泥形態(tài)學(xué)的研究

學(xué)者多采用多種方法對(duì)污泥的脫水特征進(jìn)行表征。澳大利亞學(xué)者Jin等［16］系統(tǒng)地研究了污泥脫水特性與污泥絮體的關(guān)系，分別測(cè)試了絮體的形態(tài)特征、物理化學(xué)特征，使用結(jié)合水含量與CST來(lái)表示污泥脫水特性。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)特征方面的研究中。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)也逐漸從定性朝定量的方向發(fā)展。目前文獻(xiàn)中多通過(guò)提取外形尺寸、平均面積、分形維數(shù)等圖像特征來(lái)進(jìn)行污泥絮體的定量表征［16－17］。華南師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院通過(guò)對(duì)污泥含水率和EPS含量的測(cè)定，考察了陽(yáng)離子表面活性劑（CTAC）和陽(yáng)離子聚丙烯酰胺（CPAM）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?。?8］。長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利學(xué)院給水排水系對(duì)微波的改性效果進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)微波處理后污泥絮體解體，污泥圖像的特征發(fā)生變化［19］。

2.1 污泥的粒徑分布

將樣品經(jīng)過(guò)微波加熱到20、50、60、70、80℃后適當(dāng)處理后并使用激光粒度儀進(jìn)行粒度測(cè)定，數(shù)據(jù)記錄到表4。由表4可知未經(jīng)微波處理時(shí)，污泥的平均粒徑較大為33.551μm，經(jīng)過(guò)微波加熱后粒徑明顯減小，降到28.055～28.929μm之間，實(shí)驗(yàn)證明微波能夠改變污泥顆粒的聚集狀態(tài)，隨著微波加熱溫度的增加，大分子物質(zhì)被打散，改變了污泥顆粒的聚集狀態(tài)與相互作用力，與前面從脫水特性參數(shù)所分析和結(jié)果基本一致。進(jìn)一步提高加熱溫度時(shí)，污泥顆粒的平均粒徑有增加趨勢(shì)，可能是微波的熱效應(yīng)加劇了分子運(yùn)動(dòng)，污泥顆粒間碰撞聚集機(jī)率增加，使小顆粒聚集成較大顆粒，污泥顆粒出現(xiàn)粗大化現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也充分說(shuō)明了預(yù)處理技術(shù)的使用需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)選擇最佳工藝參數(shù)，過(guò)量的預(yù)處理反而會(huì)使污泥脫水特性惡化。

表4 微波加熱后污泥的粒度變化

2.2 污泥的分形維數(shù)分析

表征污泥中顆粒聚集的形態(tài)參數(shù)有絮狀物粒徑分布、分形維數(shù)與絲狀指數(shù)，可以有效的衡量出污泥的脫水特性。分形維數(shù)作為圖像表面不規(guī)則程度的度量，不僅能度量復(fù)雜程度，而且有多尺度多分辨率變化的不變性，與人類視覺(jué)對(duì)圖像表面紋理粗糙的感知是一致的，即分形維數(shù)越大，對(duì)應(yīng)的圖像表面越粗糙；反之，分形維數(shù)越小，對(duì)應(yīng)的圖像表面越光滑。

研究中采用Fractalfox2.0軟件對(duì)污泥的顯微圖像進(jìn)行了分形維數(shù)的分析，導(dǎo)入圖像與計(jì)算分形維數(shù)過(guò)程的回歸數(shù)據(jù)界面分別如圖2、圖3所示。激光粒度儀得到污泥顆粒度的篩下累積產(chǎn)率如表5，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系建立污泥篩下累積百分含量和粒度的關(guān)系曲線，應(yīng)用Origin8.0軟件進(jìn)行線性擬合，可得斜率b值。再根據(jù)D＝3－b，即可由數(shù)學(xué)方法計(jì)算出的分形維數(shù)D值［20］。污泥的分形維數(shù)D表征絮狀體的結(jié)構(gòu)，表示了絮狀體顆粒間的填充程度，因此可以用D來(lái)測(cè)量顆粒的聚集狀態(tài)。微波處理后污泥的分形維數(shù)采用2種方法獲得的結(jié)果分別記錄在表6中。對(duì)預(yù)處理后的污泥使用Fractalfox2.0軟件分析方法得出和采用數(shù)學(xué)方法計(jì)算出的分形維數(shù)進(jìn)行對(duì)比，可看出使用2種方法得到的污泥分形維數(shù)變化趨勢(shì)基本一致，綜合前面實(shí)驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為對(duì)于此類污泥微波加熱到60～80℃，脫水特性較好。另外發(fā)現(xiàn)，因激光粒度儀得到小于38μm粒度分布數(shù)據(jù)不詳細(xì)，在一定程度影響了分形維數(shù)的計(jì)算精度。

圖2 導(dǎo)入污泥圖像

圖3 分形維數(shù)計(jì)算過(guò)程的回歸分析數(shù)據(jù)

表5 微波加熱后污泥粒度的篩下累積產(chǎn)率分布

續(xù)表5

表6 微波加熱后污泥的分形維數(shù)

2.3 污泥脫水特性模型的建立

分析表3、表6中的數(shù)據(jù)，找出綜合性較強(qiáng)、易于使用儀器測(cè)量的4個(gè)參數(shù)，分別為粘度，SV，粒度和分形維數(shù)。再使用Origin8.0軟件，建立這4個(gè)參數(shù)與污泥含水率的脫水特性模型。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，從而得到微波預(yù)處理后污泥脫水特性的表征參數(shù)與污泥含水率的函數(shù)關(guān)系為：

式中：A為污泥粘度；B為污泥SV；C為污泥粒度；D為分形維數(shù)。

多元線性模型擬合結(jié)果的相關(guān)性系數(shù)均接近于1，殘差E較小，說(shuō)明借助Origin8.0軟件建立的污泥含水率和各參數(shù)之間的多元線性模型是有效的。

3 結(jié) 論

采用微波技術(shù)對(duì)污泥進(jìn)行預(yù)處理，對(duì)預(yù)處理后污泥的脫水特性參數(shù)與形態(tài)學(xué)分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明輻射技術(shù)有助于脫水特性的提高，結(jié)論如下：

1）微波加熱中水站污泥的最佳溫升速率均10℃／min，且隨溫度升高CST減小，污泥脫水效果變好。最佳處理?xiàng)l件為加熱到70～80℃時(shí)脫水特性好，含水率低且離心后上清液中的多糖含量高。

2）在對(duì)污水處理廠污泥的微波預(yù)處理實(shí)驗(yàn)是，隨著輻射能量的增加，污泥的SV、粘度、污泥含水率相應(yīng)降低，上清液中COD含量逐漸增加，微波加熱到60～80℃脫水特性較好，70℃時(shí)含水率最低為83.12%。

3）實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)微波預(yù)處理后污泥的形態(tài)學(xué)特征變化比較明顯。利用Origin8.0軟件建立污泥含水率和表征參數(shù)的脫水特性模型，得到了微波預(yù)處理后污泥含水率和各參數(shù)的多元線性模型。

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