超聲波預(yù)處理城市水廠剩余污泥的研究

韓青青　林雪君　李燕敏　范奎　林慧　劉小英

（1.中鋼集團(tuán)武漢安全環(huán)保研究院有限公司　武漢430081；2.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院　武漢430070；3.北京城建亞泰建設(shè)集團(tuán)有限公司　北京100013；　4.孝感中設(shè)水務(wù)有限公司　湖北孝感432300）

超聲波預(yù)處理城市水廠剩余污泥的研究

韓青青1林雪君2李燕敏3范奎4林慧2劉小英2

（1.中鋼集團(tuán)武漢安全環(huán)保研究院有限公司武漢430081；2.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院武漢430070；3.北京城建亞泰建設(shè)集團(tuán)有限公司北京100013；4.孝感中設(shè)水務(wù)有限公司湖北孝感432300）

利用超聲波處理剩余污泥，通過(guò)離心作用模擬污水廠污泥脫水過(guò)程，以離心后含水率表征剩余污泥的脫水性能 ，最終確定最佳超聲條件為：超聲時(shí)間10 min，超聲聲能密度0.8 W/mL；另外分別研究了單獨(dú)超聲作用、單獨(dú)絮凝劑作用以及超聲-絮凝聯(lián)合作用對(duì)剩余污泥脫水性能的影響。結(jié)果表明，單獨(dú)超聲處理或絮凝調(diào)理均可降低剩余污泥離心后含水率，超聲波與絮凝劑共同作用能更好地提高剩余污泥的脫水性能，并對(duì)剩余污泥脫水性能改善的機(jī)理進(jìn)行了理論分析。

超聲波 剩余污泥 脫水性能 機(jī)理 含水率

0　引言

隨著城市污水處理廠的普及，污泥排放量也以較高的速度增加。據(jù)報(bào)道，城市污水處理廠每年排放干污泥約為30×106t，且每年約以10%速度增長(zhǎng)。剩余污泥具有體積大 ，含水率高（一般在97%以上，機(jī)械脫水后仍高達(dá)80%～90%）的特點(diǎn)，成為污水處理廠亟需解決的一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題。有效降低剩余污泥含水率的措施受到廣大研究者關(guān)注。當(dāng)前，膜處理、冷凍-解凍、添加石灰等可有效提高污泥脫水率，但其費(fèi)用較高。超聲波作為一種新型技術(shù) ，具有反應(yīng)條件溫和、時(shí)間短、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。它主要利用低頻超聲波（20～100 kHz）空化和水力剪切的作用，破解污泥團(tuán)絮結(jié)構(gòu)，釋放酶等物質(zhì)加速水解。

若不考慮胞外聚合物 ，污泥中的水分可分為自由水（空隙水）、毛細(xì)水、吸附水和內(nèi)部水四種（如圖1）。有研究通過(guò)引入“菌膠團(tuán)包含水”，將污泥中水分為自由水（～70%）、菌膠團(tuán)包含水（～27%）、毛細(xì)管水（～1%）和結(jié)合水（～1%）四部分。菌膠團(tuán)包含水量較高，而且保水性強(qiáng)，是污泥脫水的關(guān)鍵。通過(guò)超聲作用破壞菌膠團(tuán)，釋放其所含水，同時(shí)不破壞污泥的顆粒性。據(jù)報(bào)道，超聲時(shí)間、聲能密度是影響超聲作用效果的關(guān)鍵［1-7］，也有研究者發(fā)現(xiàn)，超聲處理與其他方法聯(lián)用能有效降低其含水率（超聲與絮凝劑、超聲聯(lián)合臭氧處理等）。綜上所述，本研究以污水處理廠剩余污泥為研究對(duì)象 ，探討超聲聲能密度和超聲時(shí)間對(duì)污泥含水率的影響，找出相對(duì)最敏感因素，最終確定最佳的超聲相關(guān)參數(shù)，同時(shí)研究超聲-絮凝聯(lián)合作用對(duì)污泥脫水性能的影響，并利用已有的研究進(jìn)行進(jìn)一步理論分析。

圖1　污泥水分示意

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1污泥來(lái)源

實(shí)驗(yàn)用污泥取自湖北省孝感市污水處理廠A/ A/O工藝處理后的剩余污泥。污泥基本的理化性質(zhì)為：含水率99.44%，SS 5 522 mg/L，SV 40%。

1.2實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)所用主要儀器見(jiàn)表1。

表1　實(shí)驗(yàn)儀器一覽表

1.3測(cè)試方法

通過(guò)實(shí)驗(yàn)室的離心過(guò)程模擬污水廠污泥脫水，測(cè)試離心后含水率表征污泥的脫水性能，離心（6 000 r/min，5 min）后含水率越高，污泥脫水越困難。

離心后含水率：污泥經(jīng)離心作用（6 000 r/min，5 min）后測(cè)濾餅含水率。污泥含水率的測(cè)定參考謝浩輝等人［8］的論文并通過(guò)小試驗(yàn)后，采用熱干燥法。

2　結(jié)果與分析

2.1超聲對(duì)污泥含水率的影響

2.1.1超聲時(shí)間對(duì)污泥含水率的影響

圖2為超聲聲能密度0.8 W/mL，不同超聲時(shí)間下剩余污泥離心后含水率變化。污泥離心后含水率為94.68%，經(jīng)過(guò)超聲預(yù)處理后，污泥離心后含水率均降低。在超聲時(shí)間為10 min時(shí)，污泥離心后含水率降到最低，脫水性能最佳。超聲6 min離心后含水率高于超聲10 min，可能由于超聲時(shí)間較短，污泥破解不完全；超聲15 min和超聲20 min，離心后含水率分別為83.01%和83.12%，高于超聲10 min和6 min離心后含水率。由此可見(jiàn)，隨著超聲時(shí)間延長(zhǎng)，污泥離心后含水率反而升高，這說(shuō)明較短時(shí)間超聲利于提高污泥脫水性能，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)脫水性能反而惡化?？赡苡捎诔暡ㄆ茐奈勰嘟Y(jié)構(gòu)，其產(chǎn)生的海綿效應(yīng)促使水從波面?zhèn)鞑ギa(chǎn)生的通道轉(zhuǎn)移到污泥絮體的外部成為自由水，但較長(zhǎng)時(shí)間的超聲輻射會(huì)使輸入總聲能太大，超聲波的聲空化及機(jī)械破碎作用使污泥顆粒粒徑減小，脫水性能反而下降［6］。

通過(guò)上述試驗(yàn)確定了最佳超聲時(shí)間為10 min。

2.1.2聲能密度對(duì)污泥含水率的影響

圖3是污泥經(jīng)過(guò)不同超聲聲能密度（試驗(yàn)中保證超聲污泥體積一定，改變超聲強(qiáng)度相應(yīng)地改變超聲聲能密度）處理后的離心后含水率變化情況，超聲時(shí)間為10 min。從圖3中可以看出，隨著超聲功率的增大，污泥離心后含水率呈現(xiàn)先下降后升高的趨勢(shì)，聲能密度為0.8 W/mL時(shí)污泥離心后含水率最低，為82.84%，脫水性能最好。采用適宜功率的超聲波處理時(shí)，通過(guò)破壞污泥的菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)，使其中的內(nèi)部水部分排出，提高污泥的脫水性能；超聲波功率過(guò)小，污泥菌膠團(tuán)破壞不完全，處理后含水率仍然較高；采用過(guò)高功率的超聲波處理時(shí)，產(chǎn)生的空化效應(yīng)和機(jī)械作用，使污泥顆粒過(guò)分破碎，不利于脫水，從而脫水性能下降［9］。

圖2　不同超聲時(shí)間下污泥離心后含水率

圖3　不同聲能密度下污泥離心后含水率

2.1.3最適超聲條件

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)初步確定，最適超聲條件為：超聲聲能密度0.8 W/mL，超聲時(shí)間10 min。超聲時(shí)間過(guò)短或過(guò)長(zhǎng)，污泥的離心后含水率升高，超聲波功率過(guò)小或過(guò)高，也會(huì)導(dǎo)致污泥脫水性能下降。

本實(shí)驗(yàn)得出的超聲時(shí)間和超聲聲能密度對(duì)污泥含水率的影響規(guī)律與現(xiàn)階段許多學(xué)者的研究［2，4-7，9-12］一致 ，但最佳條件有所不同。這主要與污泥來(lái)源、處理方式有關(guān)。

2.23種不同的處理方式對(duì)污泥脫水的影響

本研究分別以單獨(dú)超聲處理（處理方式1）、單獨(dú)投加絮凝劑（處理方式2）、先超聲作用再投加絮凝劑（處理方式3）3種方式研究其對(duì)污泥脫水性能的影響。實(shí)驗(yàn)用絮凝劑為陽(yáng)離子聚丙烯酰胺（PAM），絮凝劑投加量參照文獻(xiàn)［2-4］，確定為污泥干基的7‰。原泥離心后含水率為92.31%，每種處理方式平行試驗(yàn)兩份，3種不同處理方式的污泥脫水效果如圖4所示。

圖4　3種不同的方式處理后污泥離心后含水率的變化

由圖4可知，3種處理方式均可以降低污泥離心后含水率，改善污泥的脫水性能，處理方式3的污泥脫水效果優(yōu)于處理方式l及處理方式2，能使離心后含水率降至89.83%，降低了2.48%，即超聲波與絮凝劑共同作用能更好地提高污泥的脫水性能，如果要達(dá)到相同的脫水效果，超聲絮凝共同作用可以減少絮凝劑用量，與殷絢等［2］研究結(jié)果一致。污泥的絮體經(jīng)超聲輻射作用后，污泥絮體結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，促使水分存在形態(tài)向著易于脫水的狀態(tài)轉(zhuǎn)變，相應(yīng)脫水性有了部分提高，再投放適量陽(yáng)離子型絮凝劑，使污泥顆粒表面的負(fù)電性與陽(yáng)離子絮凝劑的正電性中和，消弱了顆粒之間斥力作用，使絮體脫穩(wěn)，同時(shí)高分子絮凝劑強(qiáng)大的吸附架橋作用將污泥顆粒進(jìn)一步團(tuán)聚，水分被擠壓出來(lái)形成自由水 ，污泥脫水性能得到很好的改善［12］。

聯(lián)合絮凝劑作用對(duì)超聲條件的影響發(fā)現(xiàn)，其相應(yīng)的最佳超聲條件值較小。如李玉瑛等［10］認(rèn)為，當(dāng)聲能密度為0.01～0.02 W/mL，超聲時(shí)間40 s時(shí)污泥濾餅含水率達(dá)到最低值。而單獨(dú)超聲處理［11］超聲效應(yīng)對(duì)污泥的破壞作用有限，濾餅含水率變化較小，能量密度提高到0.5 W/mL時(shí)，污泥外層的結(jié)合水被充分釋放，脫水性能得到明顯改善，與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近，但在實(shí)際應(yīng)用中宜考慮經(jīng)濟(jì)因素取較小值。

2.3污泥脫水性能改善的機(jī)理

從聲學(xué)角度看，超聲波法主要利用聲波的能量來(lái)降解污泥［13］。超聲波處理污泥時(shí)，通過(guò)調(diào)整污泥內(nèi)部結(jié)構(gòu)，破壞菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)，促使其中的水釋放出來(lái)，改善污泥脫水性能；同時(shí)，超聲波對(duì)污泥會(huì)產(chǎn)生海綿效應(yīng)，使水分從波面?zhèn)鞑ギa(chǎn)生的通道通過(guò)；此外，超聲波產(chǎn)生的局部發(fā)熱、界面破穩(wěn)和擾動(dòng)等作用，均加速固液分離過(guò)程，利于改善污泥脫水性能。

絮凝劑調(diào)理污泥主要通過(guò)吸附架橋與電荷中和來(lái)實(shí)現(xiàn)。陽(yáng)離子型絮凝劑通過(guò)與污泥顆粒表面的負(fù)電荷進(jìn)行電性中和，消弱顆粒間的靜電斥力，使污泥體系脫穩(wěn)，同時(shí)由于高分子絮凝劑巨大的比表面積，有效吸附污泥顆粒 ，有利于形成相對(duì)較大的致密堅(jiān)實(shí)的網(wǎng)狀絮體結(jié)構(gòu)，提高污泥的脫水性能。

由污泥絮體結(jié)構(gòu)的顯微觀察（圖5）可知，原泥絮體相對(duì)較大，絮體間隙多，含有大量間隙水；圖5（b）表明，超聲作用使絮體顆粒尺寸變小，菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)的破壞，使其間所含水轉(zhuǎn)化為自由水；圖5（c）可以看出，絮凝劑改善絮體的團(tuán)聚性能，電中和作用使污泥顆粒脫穩(wěn)，通過(guò)吸附架橋使顆粒迅速形成大的絮體，將表面附著水?dāng)D壓轉(zhuǎn)化為游離水；圖5（d）表明，超聲-絮凝劑聯(lián)合作用使污泥顆粒尺寸變小且污泥絮體團(tuán)聚更密實(shí)，通過(guò)超聲作用調(diào)整污泥結(jié)構(gòu)，促使菌膠團(tuán)包含水轉(zhuǎn)移為自由水 ，再通過(guò)吸附架橋與電中和作用進(jìn)一步提高污泥的脫水性能（作用過(guò)程見(jiàn)圖6、圖7）。

3　結(jié)論

（1）超聲處理剩余污泥可以改善其脫水性能，最適超聲條件為：超聲時(shí)間10 min，超聲聲能密度0.8 W/mL。

（2）單獨(dú)超聲處理或者單獨(dú)絮凝調(diào)理均可降低污泥離心后含水率，改善污泥的脫水性能，而超聲波與絮凝劑聯(lián)合作用能進(jìn)一步提高污泥的脫水性能，而且減少絮凝劑用量，節(jié)約成本。

（3）超聲破壞菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)，使其包含水轉(zhuǎn)移到污泥絮體的外部成為自由水，絮凝階段通過(guò)吸附架橋與電中和作用將表面附著水?dāng)D壓轉(zhuǎn)化為游離水 ，改變污泥的脫水性能。

（4）本文為實(shí)際污水廠優(yōu)化污泥脫水提供了參考，推薦采用超聲波與絮凝劑共同作用。

圖5　不同處理?xiàng)l件下污泥絮體結(jié)構(gòu)的變化（×100倍）

圖6　超聲輻射改善污泥脫水性過(guò)程

圖7　絮凝調(diào)理改善污泥脫水性過(guò)程

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Study on Municipal Waste Activated Sludge by Ultrasonic Pretreatment

HAN Qingqing1LIN Xuejun2LIYanmin3FAN Kui4LIN Hui2LIU Xiaoying2
（1.Sinosteel Wuhan Safety&Environmental Protection Research Institute Co.，Ltd. Wuhan 430081）

Experiments are performed to study the ultrasonic pretreatmentof waste activated sludge.Centrifugation is used to simulate the dewatering process of waste sludge and dewatering characteristics of the sludge are reflected by after-centrifugation moisture content.The results show that the optimum operational parameters are as follows：ultrasonic treatment time 10 min and ultrasonic density 0.8 W/mL.The effects of ultrasonic treatment，coagulant treatmentand the combination of these two methods on sludge dewatering characteristics have been studied.The study indicates that：both ultrasonic treatment and coagulant treatment can reduce after-centrifugation moisture content of the waste sludge，but the combination of ultrasonic and coagulant treatment is more effective in enhancing sludge dewatering.And further analysis about the mechanism is also discussed combined with the results and previous studies.

ultrasonic wave waste activated sludge dewatering characteristics mechanism moisture content

韓青青 ，女，1982年生，工程師，主要從事科研管理及環(huán)保技術(shù)研究。

（2015-09-20）