連續(xù)流2450MHz電磁波剩余污泥脫水與溶出效果研究

桑穩(wěn)姣,方笑笑,龔雅君,歐陽欽,劉崢嶸,張 倩,李翠華,張少輝

(1.武漢理工大學土木工程與建筑學院,湖北 武漢430070；2.浙江工業(yè)大學建筑規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司,浙江 杭州310014)

連續(xù)流2450MHz電磁波剩余污泥脫水與溶出效果研究

桑穩(wěn)姣1*,方笑笑2,龔雅君1,歐陽欽1,劉崢嶸1,張 倩1,李翠華1,張少輝1

(1.武漢理工大學土木工程與建筑學院,湖北 武漢430070；2.浙江工業(yè)大學建筑規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司,浙江 杭州310014)

利用連續(xù)流2450MHz的電磁波污泥脫水裝置,對2種不同的污泥進行均勻性試驗,得到加載功率270W、加載時間200s、加載泥量150mL工況最優(yōu).該工況下,污泥離心含水率、沉降含水率、SV分別由原泥的90.46%、96.35%、88%下降到87.32%、95.55%、76%,比阻由2.37×109m/kg升高至1.22×1010m/kg ,在同等離心條件下,經(jīng)過2450MHz電磁波處理的污泥體積比不經(jīng)電磁波處理的體積減少了25%.加載后,TN、TP、SCOD的最大溶出倍數(shù)分別達到了17.69、9.50和40.11,EPS降低61.9%,與現(xiàn)有的微波加載實驗結(jié)果對比發(fā)現(xiàn),在原泥比阻值較低情況下,連續(xù)流狀態(tài)下比阻值未降反增,但污泥胞內(nèi)物質(zhì)的溶出倍數(shù)明顯更大,能有效降低 EPS,改善污泥脫水性能,表明了2450MHz電磁波動態(tài)污泥脫水的效果更好.

連續(xù)流；2450MHz電磁波；動態(tài)污泥脫水；均勻性試驗；溶出效果

隨著我國污水處理廠的不斷建成與運行,環(huán)保部門對城市污水處理廠出廠污泥含水率要求的提高,污泥脫水技術(shù)成為研究熱點與難點[1-2].電磁波技術(shù)被引入污泥脫水領(lǐng)域,但大多數(shù)研究目前僅限于靜態(tài)微波處理試驗[3-5],制約著電磁波污泥脫水技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展.本研究在連續(xù)流條件下,采用均勻性試驗,優(yōu)化2450MHz電磁波污泥脫水工況,分析最優(yōu)工況下的污泥脫水性能和溶出物變化規(guī)律,與其它靜態(tài)微波加載試驗結(jié)果進行對比,為連續(xù)流2450MHz電磁波污泥脫水的工業(yè)化應(yīng)用提供理論基礎(chǔ).

1 材料與方法

1.1 污泥來源與性質(zhì)

試驗所用污泥分別于2013年1月12日取自武漢市龍王嘴污水處理廠和2014年1月2日取自武漢市沙湖污水處理廠.兩個污水處理廠主要處理城市生活污水,采用A2/O工藝,未設(shè)初沉池.日常運行時,龍王嘴污水處理廠混合液濃度高于沙湖污水處理廠,所取剩余污泥的基本性質(zhì)如表1所示.

表1 原泥特性Table1 Properties of the sludge before dewatered

1.2 試驗裝置

試驗所用連續(xù)流2450MHz電磁波裝置由進泥系統(tǒng)、電磁波加載腔體、電磁波加載控制系統(tǒng)組成[6].裝置示意見圖1.

圖1 2450MHz電磁波污泥脫水連續(xù)流示意Fig.1 Schematic experimental system of continuous inflow sludge dewatering with2450MHz electromagnetic wave

進泥系統(tǒng)由蠕動泵控制進泥量,采用磁力攪拌器使進泥保持均勻,通過調(diào)節(jié)輸泥管的長度調(diào)節(jié)電磁波加載時間,通過改變電源的輸出電壓對腔體內(nèi)的實際加載功率進行調(diào)節(jié).

1.3 污泥性質(zhì)測定方法

試驗中測試的污泥性質(zhì)指標包括污泥的離心含水率、沉降含水率、污泥沉降比(SV30)、污泥容積指數(shù)(SVI)、污泥比阻(SRF)、總氮(TN)、總磷(TP)、可溶性化學需氧量(SCOD)和胞外聚合物(EPS),其中TN、TP、SCOD均是將污泥離心(3000r/min)取上清液過濾后測得,采用國家標準方法[7];含水率均由 Sartorius MA45型水分分析儀測定;污泥比阻采用布式漏斗過濾實驗進行測定[8].

1.4 試驗方法設(shè)計

試驗采用均勻試驗設(shè)計法,試驗采用3個因素8個水平[9-10],考慮蠕動泵機械擠壓的影響,共對包括原泥在內(nèi)的10種泥樣進行了檢測,試驗工況見表2.

表2 均勻試驗工況列表Table2 List of homogeneity experiments condition

利用 SPSS軟件[11]對實驗數(shù)據(jù)進行回歸分析,建立回歸方程,并對試驗的3個因素:加載功率、加載時間、加載體積分別進行顯著性檢驗,確定各指標的主次影響次序,利用直觀分析法判斷最優(yōu)工況.

2 結(jié)果與討論

2.1 連續(xù)流2450MHz電磁波加載工況優(yōu)化結(jié)果

表3的線性回歸分析結(jié)果表明,對于武漢市龍王嘴污水處理廠的污泥,離心含水率的一次線性回歸方程在a=0.1下不顯著,沉降含水率、SV、TN、TP、SCOD、比阻和EPS的一次線性回歸方程在a=0.1下顯著. 加載功率對沉降含水率、TP的影響明顯, 加載時間對離心含水率、SV、TN、SCOD、比阻和EPS的影響明顯,得到其最優(yōu)工況為:加載功率270W、加載時間200s、加載泥量150mL.

表3 均勻性試驗結(jié)果回歸分析表(武漢市龍王嘴污水處理廠泥源)Table3 Result of regression analysis by homogeneity experiments(sludge from Longwangzui WWTP in Wuhan)

表4 均勻性試驗結(jié)果回歸分析表(武漢市沙湖污水處理廠泥源)Table4 Result of regression analysis by homogeneity experiments(sludge from Shahu WWTP in Wuhan)

表4為取用武漢沙湖污水處理廠污泥的回歸分析,結(jié)果說明沉降含水率、SV的一次線性回歸方程在a=0.1下不顯著,離心含水率、TN、TP、SCOD、EPS以及比阻的一次線性回歸方程在a=0.1下顯著,且所有指標的主要影響因素均為電磁波加載時間,其中,離心含水率和沉降含水率的次要影響因素為電磁波加載功率,SV、SVI、TN、TP、SCOD、EPS和比阻的次要影響因素為加載污泥量,得到其最優(yōu)工況為:加載功率330W、加載時間125s、加載泥量150mL.

在同一條件下的對比試驗回歸分析結(jié)果表明,對于2450Mhz電磁波連續(xù)流污泥脫水,不同的泥源,加載時間和加載功率是影響脫水效果的主要因素.2種污泥的性質(zhì)差別主要體現(xiàn)在MLSS濃度和溫度的差別,也影響到SV值和污泥的比阻,最優(yōu)工況的結(jié)果表明,不管泥源性質(zhì)如何,最佳加載體積都是150mL,但最佳加載功率和加載時間有差異,對于MLSS含量高的污泥,盡管其含水率稍低,但其需要的能耗更多.

2.2 連續(xù)流2450MHz電磁波加載對污泥含水率的影響

圖2為10種工況下的污泥含水率及沉降性能試驗結(jié)果.經(jīng)電磁波加載后,各工況的污泥離心含水率、沉降含水率、SV和SVI都有降低.其中,對于龍王嘴污水處理廠的污泥,經(jīng)過泵抽的污泥離心含水率從原泥的90.46%降低到90.20%,沉降含水率從原泥的96.34%升高到96.37%,SV和SVI都與原泥一致,而對于沙湖污水處理廠的污泥,在經(jīng)過蠕動泵后,污泥離心含水率、沉降含水率、SV和SVI值變化很小,說明蠕動泵的機械擠壓作用對污泥脫水效果的影響可以忽略.

圖2 連續(xù)流2450MHz電磁波加載后污泥的含水率及沉降性能Fig.2 The centrifuge water content and settled characteristics of sludge dewatered with2450MHz electromagnetic wave

從各指標的變化趨勢看,對于兩處來源不同的污泥,工況“均2”、“均4”和“均6”都較為特殊.對于龍王嘴污水處理廠的污泥,在以上3種工況下,各污泥指標都低于其他幾種工況;而對于沙湖污水處理廠的污泥,其離心含水率均為較低值,但是沉降含水率、SV和SVI值都處于較高值,說明經(jīng)過2450MHz電磁波連續(xù)流脫水后,污泥的離心脫水性能均有明顯改善,但污泥的MLSS和SV值影響該技術(shù)對污泥沉降性能的影響效果,結(jié)合前面回歸分析的最優(yōu)工況結(jié)論,確定2450MHz電磁波連續(xù)流脫水的最優(yōu)工況為:加載功率270W、加載時間200s、加載泥量150mL.經(jīng)計算,在同等離心條件下,經(jīng)過2450MHz電磁波處理的污泥體積比不經(jīng)電磁波處理的體積減少了25%.

2.3 連續(xù)流2450MHz電磁波加載對污泥比阻的影響

在初始比阻值較低的情況下,剩余污泥經(jīng)過連續(xù)流2450MHz電磁波加載后,比阻所表現(xiàn)出的變化如圖3所示,與梁仁禮等[12-14]的微波靜態(tài)加載結(jié)果有所不同,比阻值不降反升,且各工況下變化顯著.

圖3 連續(xù)流2450MHz電磁波加載后污泥的比阻與離心含水率Fig.3 The SRF and centrifugal water content of sludge dewatered with2450 MHz electromagnetic wave

圖3a中,工況“均2”、“均6”、“均8”的比阻較大,污泥比阻從原泥的2.37×109升高到工況“均6”的最大值1.61×1010m/kg,在工況“均7”出現(xiàn)最小值為3.99×109m/kg.工況“均8”時,污泥比阻和離心含水率均較高.在工況“均2”和“均6”時,污泥的離心含水率為較低值;圖3b中,工況“均2”和“均4”時,污泥比阻值較大,但污泥的離心含水率較低,在工況“均8”時,污泥比阻和離心含水率同時達到較低值,在工況“均6”時,污泥比阻和離心含水率同時達到較低值.說明在最優(yōu)工況下,盡管污泥比阻比原泥有增加且為較大值,但能獲得較低的離心含水率.

2.4 連續(xù)流2450MHz電磁波加載對污泥溶出物的影響

圖4為胞內(nèi)溶出物影響試驗結(jié)果.

圖4 連續(xù)流2450MHz電磁波加載后污泥溶出效果Fig.4 The solubilization effect of sludge dewatered with2450MHz electromagnetic wave

圖4a和圖4b的溶出物均勻試驗結(jié)果表明,經(jīng)過2450MHz電磁波加載后,盡管泥源不同,但污泥胞內(nèi)物質(zhì)的溶出特征相同,TN、TP和SCOD的溶出效果在大部分工況都較為顯著.從變化趨勢看,工況“均2”和“均6”依然較為特殊.SCOD的最大溶出倍數(shù)出現(xiàn)在工況“均6”,達到41.41,溶出濃度由29.41mg/L增大到820.90mg/L;TN和TP的最大溶出倍數(shù)出現(xiàn)在工況“均2”,分別為17.69和7.54,溶出溶度分別由3.96、3.75mg/L增大到70.06mg/L和28.14mg/L,明顯高于靜態(tài)微波加載的溶出倍數(shù)[15-19],也優(yōu)于采用 Fenton和US+Fenton 處理污泥的溶出效果[20],說明2450MHz電磁波連續(xù)流污泥脫水更有利于污泥胞內(nèi)物質(zhì)的溶出,也為連續(xù)流電磁波污泥脫水技術(shù)的應(yīng)用研究奠定了實驗基礎(chǔ).

結(jié)合前面污泥比阻和含水率的變化特點,可以看出,在工況“均2”和“均6”污泥胞內(nèi)物質(zhì)大量溶出,胞內(nèi)物質(zhì)濃度增大,污泥的比阻明顯變大,此時,隨著胞內(nèi)物質(zhì)的溶出,污泥胞內(nèi)水分也隨之大量排出,離心含水率顯著降低.在工況“均1”、“均5”和“均7”恰好與此相反,說明2450MHz電磁波污泥脫水的效果與加載條件關(guān)系密切,針對不同的污泥特性,工況優(yōu)化非常必要.

2.5 連續(xù)流2450MHz電磁波加載對污泥 EPS的影響

胞外聚合物(EPS)影響污泥的絮凝性能、沉降性能、脫水性能,若能夠減少污泥的EPS含量或破壞 EPS結(jié)構(gòu),能夠加速污泥的生化降解性,且有利于污泥脫水[21].

圖5 連續(xù)流2450MHz電磁波加載后的污泥EPS與離心含水率Fig.5 The EPS and centrifugal water content of sludge dewatered with2450MHz electromagnetic wave

圖5可以看出,在脫水過程中,2種不同泥源,污泥EPS和離心含水率的變化趨勢相近,但各工況作用下的結(jié)果差別較大“,均2”、“均4”和“均6”、“均8”4種工況較為特殊,其中工況“均8”的EPS最低,從原泥的15.24mg/(g干污泥)降低到6.01mg/(g干污泥);對于2種污泥,在工況“均2”時,EPS和離心含水率都有顯著降低,離心含水率達到最低值87.32%,EPS濃度為6.76mg/(g干污泥),最大降低百分比分別為3.5%和61.9%,證明通過連續(xù)流2450MHZ電磁波加載,能有效降低污泥EPS,改善污泥的脫水性能,降低污泥的離心含水率.結(jié)合污泥胞內(nèi)物質(zhì)的溶出特點,可以看出,隨著胞內(nèi)的SCOD大量溶出,可以有效改善污泥EPS組成,從而有助于降低污泥EPS濃度,提高污泥脫水效果.從運行效果看,還可以通過裝置運行參數(shù)的動態(tài)調(diào)整得到不同的污泥破解效果,尋求脫水性能改善與含水率降低的協(xié)同效應(yīng).

3 結(jié)論

3.1 連續(xù)流2450MHz電磁波污泥脫水技術(shù)對污泥胞內(nèi)TN、TP和SCOD的溶出效果明顯,EPS能夠明顯降低,可有效改善污泥脫水性能,特別是

TN和SCOD的溶出倍數(shù)明顯高于現(xiàn)有的其他研究成果,為2450MHz電磁波連續(xù)流污泥脫水技術(shù)的應(yīng)用研究提供了可靠的實驗基礎(chǔ).針對國內(nèi)低碳污水處理現(xiàn)狀,有助于在實現(xiàn)該技術(shù)提高污泥脫水效果的同時,為補充碳源提供了可能.

3.2 連續(xù)流2450MHz電磁波污泥脫水時,由于胞內(nèi)物質(zhì)的大量溶出,胞內(nèi)水分也隨之大量排出,導致污泥比阻未降反增.污泥胞內(nèi)物質(zhì)的溶出倍數(shù)均大于已有的實驗結(jié)果.

3.3 根據(jù)不同的污泥脫水要求,可以通過選擇合適的電磁波加載條件實現(xiàn)電磁波污泥脫水的動態(tài)控制.最優(yōu)工況確定為:加載功率270W、加載時間200s、加載泥量150mL,同等離心條件下,經(jīng)電磁波處理后的污泥體積比未經(jīng)電磁波處理的減少25%.

[1] 方笑笑.連續(xù)流電磁波污泥脫水裝置設(shè)計與研究 [D]. 武漢:武漢理工大學,2013.

[2] 孟昭輝,吳凡松,郭婉茜,等.污泥減量化水處理技術(shù)的研究現(xiàn)狀和進展 [J]. 中國給水排水,2013,29(8):26-28.

[3] 傅大放,蔡明元.污水廠污泥微波處理試驗研究 [J]. 中國給水排水,1999,15(3):44-46.

[4] 周翠紅,凌 鷹,曹洪月.市政污泥脫水性能實驗研究與形態(tài)學分析 [J]. 中國環(huán)境科學,2013,33(5):898-903.

[5] 田 禹,方 琳,黃君禮.微波輻射預(yù)處理對污泥結(jié)構(gòu)及脫水性能的影響 [J]. 中國環(huán)境科學,2006,26(4):459-463.

[6] 桑穩(wěn)姣,方笑笑,田中凱,等.一種連續(xù)流電磁波污泥脫水試驗裝置的的設(shè)計研究 [J]. 武漢理工大學學報,2013,35(10):120-124.

[7] 國家環(huán)境保護總局.水和廢水監(jiān)測分析方法 [M].4版,北京:中國環(huán)境科學出版社,2002.

[8] 章非娟,徐竟成.環(huán)境工程實驗 [M]. 北京:高等教育出版社,2006.

[9] Haner A, Mason C A, Hamer G．Death and lysis during aerobic thermophilic sludge treatment:characterization of recalcitrant products [J]. Water Res,1994,28(4):863-869.

[10] 陳 魁.實驗設(shè)計與分析 [M].2版.北京:清華大學出版社,2005.

[11] 李志西,杜雙奎.試驗優(yōu)化設(shè)計與統(tǒng)計分析 [M]. 北京:科學出版社,2010.

[12] 梁仁禮,雷恒毅,俞 強,等.微波輻射對污泥性質(zhì)及脫水性能的影響 [J]. 環(huán)境工程學報,2012,6(6):2087-2091.

[13] 任伯織,侯保林,陳文文,等.微波輻射對污水處理廠動態(tài)流活性污泥性能的影響研究 [J]. 環(huán)境科學學報,2013,33(6):1624-1628.

[14] Idris A, Khalid K, Omar M. Drying of silica sludge using microwave heating [J]. Applied thermal engineering,2004,24:905-918.

[15] Cigdem Eskicioglu, Nicolas Terzianb,etal. Athermal microwave effects for enhancing digestibility of waste activated sludge [J]. Water Research,2007,41:2457-2466.

[16] Menendez J A. Microwave-induced pyrolysis of sewage sludge [J]. Water Research,2002,36:3261-3264.

[17] Hanna Hamid, Cigdem Eskicioglu. Effect of microwave hydrolysis on transformation of steroidal hormones during anaerobic digestion of municipal sludge cake [J]. Water Research,2013,47:4966-4977.

[18] Ewa Wojciechowska. Application of microwaves for sewage sludge conditioning [J]. Water Research,2005,39:4749-4754.

[19] 謝 波,郭 亮,李小明,等.三種預(yù)處理方法對污泥的破解效果[J]. 中國環(huán)境科學,2008,28(5):417-421.

[20] 潘 勝,黃光團,譚學軍,等.Fenton試劑對剩余污泥脫水性能的改善 [J]. 凈水技術(shù),2012.31(3):26-31.

[21] 呂 英.活性污泥胞外聚合物提取方法及其對重金屬離子的吸附研究 [D]. 天津:天津大學環(huán)境科學與工程學院,2007.

致謝：本研究的試驗裝置由廣東省美的集團威特真空電子制造有限公司王賢友先生和王彩育女士協(xié)助完成,在此表示感謝.

Study on dewaterability and solubilization of intracellular substances during sludge dewatered by continuous inflow with2450MHz electromagnetic wave.

SANG Wen-jiao1*, FANG Xiao-xiao2, GONG Ya-jun1, OUYANG Qin1, LIU Zheng-rong1, ZHANG Qian1, LI Cui-hua1, ZHANG Shao-hui1
(1.School of Civil Engineering and Architecture, Wuhan university of Technology, Wuhan430070,China；2.Architectural and Planning Design and Research Institute Co., Ltd, Zhejiang University of Technology, Hangzhou310014, China). China Environmental Science,2014,34(8)：

The optimal condition of continuous inflow sludge dewatering with2450MHz electromagnetic wave was examined by the homogeneity tests with two different sludge. Based on the test, the system was optimally operated under the power of270W, time of200s and sludge loading of150mL. Under the optimal condition, the centrifugal water content, settled water content and SV of the excess sludge dropped from90.46%,96.35%,88% to87.32%,95.55%,76% respectively. SRF increased from2.37×109to1.22×1010m/kg, and the volume of sludge was25% less than those which were operated without2450MHz electromagnetic wave. In addition, the biggest solubilization mulriple of TN, TP and SCOD was17.69,9.50 and40.11 respectively, while EPS of sludge decreased61.9%. To sludge of low SRF, as compared with other existed experiments, SRF didn’t decrease but increase, while the solubilization ratio of intracellular substance was much higher, and EPS decreased obviously simultaneously with better sludge dewaterability. In summary, dynamic continuous inflow sludge dewatering was better than static ones with2450MHz electromagnetic wave.

t：continuous inflow；2450MHz electromagnetic wave；dynamic sludge dewatering；homogeneity test；solubilization effect

X703,TU992.3

：A

：1000-6923(2014)08-2024-06

桑穩(wěn)姣(1974-),女,湖北公安人,副教授,博士,主要從事污水處理與污泥減量領(lǐng)域的教學和科研工作.發(fā)表論文10余篇.

2013-12-16

國家自然科學基金資助項目(51108360和51208397);湖北省自然基金項目(2011CDB428);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助(2013-IV-031和2013-ZY-062)

* 責任作者, 副教授, lgswj74@126.com