機(jī)械轉(zhuǎn)盤聯(lián)合超聲破解剩余污泥

孫志成，韓進(jìn)，張明楊，MD. Asadur Rahoman，王有昭，齊元欣，王敏，謝元華，朱彤

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機(jī)械轉(zhuǎn)盤聯(lián)合超聲破解剩余污泥

孫志成，韓進(jìn)，張明楊，MD. Asadur Rahoman，王有昭，齊元欣，王敏，謝元華，朱彤

（東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧沈陽 110819）

采用自主設(shè)計(jì)并制造的機(jī)械轉(zhuǎn)盤剩余污泥破解裝置對(duì)污泥進(jìn)行破解處理，并聯(lián)合超聲技術(shù)以提升破解效果，考察不同運(yùn)行條件對(duì)污泥破解效果的影響，采用響應(yīng)面法優(yōu)化處理參數(shù)，通過掃描電鏡觀察破解污泥的細(xì)胞形態(tài)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：盤間距離（）和轉(zhuǎn)盤破解時(shí)間（m）是影響機(jī)械轉(zhuǎn)盤剩余污泥破解液溶解性化學(xué)需氧量的增加值（SCOD）和效能比（EDR）的重要因素；在1.5 mm，轉(zhuǎn)速為2300 r·min-1運(yùn)行條件下破解25 min時(shí)SCOD為3130 mg·L-1，破解效果良好。根據(jù)Central Composite Design實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，注重剩余污泥破解的能源利用效率，以SCOD和EDR為響應(yīng)指標(biāo)對(duì)機(jī)械轉(zhuǎn)盤聯(lián)用超聲破解參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，當(dāng)優(yōu)化條件為2.76 mm，m10.89 min，u（超聲處理時(shí)間）=17.2 min時(shí)，剩余污泥破解液SCOD7871.78 mg·L-1，EDR8.475 mg·L-1·kJ-1，在相同總處理時(shí)間下分別是單獨(dú)機(jī)械轉(zhuǎn)盤法（2610 mg·L-1，3.11 mg·L-1·kJ-1）的3.02倍、2.7倍，單獨(dú)超聲法（3170 mg·L-1，3.26 mg·L-1·kJ-1）的2.48倍和2.6倍。

廢物處理；優(yōu)化設(shè)計(jì)；顯微結(jié)構(gòu)；機(jī)械轉(zhuǎn)盤；超聲；響應(yīng)面法

引 言

當(dāng)今世界上超過90%的城市污水都在采用活性污泥法進(jìn)行處理，但由此產(chǎn)生的剩余污泥體積龐大、成分復(fù)雜，難于經(jīng)濟(jì)、有效地處理，已經(jīng)成為亟待解決的環(huán)保問題之一。通過剩余污泥破解技術(shù)，將污泥破解，溶出易降解的有機(jī)質(zhì)，以促進(jìn)厭氧發(fā)酵、能源回收，達(dá)到污泥減量化、資源化的目的，已成為污泥處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1-7]。

韓進(jìn)等[8]用自主設(shè)計(jì)的高速轉(zhuǎn)盤污泥破解裝置進(jìn)行污泥破解實(shí)驗(yàn)，破解污泥的中值粒徑可達(dá)15μm以下、破解率在50%左右，但轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速較高，耗能較大，因此，通過改進(jìn)轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)，提出機(jī)械轉(zhuǎn)盤污泥破解裝置（MRD），在低轉(zhuǎn)速、低能耗的條件下實(shí)現(xiàn)污泥的有效破解。

超聲技術(shù)由于具有無污染和破解速度快等特點(diǎn)在污泥破解技術(shù)中備受關(guān)注，其破解污泥的主要作用機(jī)理是機(jī)械效應(yīng)和聲化學(xué)效應(yīng)[9]，可以實(shí)現(xiàn)較好的污泥破解效果[10]，但能耗較大。近年來，為提高破解效果和能源利用效率，超聲耦合作用破解剩余污泥是研究熱點(diǎn)[11-14]，但對(duì)于機(jī)械轉(zhuǎn)盤聯(lián)合超聲破解生物污泥的方法研究鮮有報(bào)道，因此本文采用自主研發(fā)的新型機(jī)械轉(zhuǎn)盤破解裝置聯(lián)合超聲破解技術(shù)對(duì)污泥進(jìn)行破解處理，以污泥溶解性化學(xué)需氧量增加值（SCOD）、核酸溶出量（NA）以及效能比（EDR）為評(píng)價(jià)指標(biāo)，探討機(jī)械轉(zhuǎn)盤聯(lián)合超聲技術(shù)破解剩余污泥的效果。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

機(jī)械轉(zhuǎn)盤破解裝置示意圖如圖1(a)所示，機(jī)械轉(zhuǎn)盤破解裝置由電機(jī)、轉(zhuǎn)盤、靜盤、破解室和回流管路等部分構(gòu)成，結(jié)構(gòu)及運(yùn)行參數(shù)見表1。電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心作用，容器中的污泥會(huì)從定盤中間的空孔進(jìn)入靜盤與轉(zhuǎn)盤之間的間隙，在流體剪切力等作用下實(shí)現(xiàn)污泥破解。

圖1(b)所示為靜盤（左）和動(dòng)盤（右）實(shí)物圖，新型轉(zhuǎn)盤與靜盤表面加工有特殊的由間斷環(huán)形槽和徑向槽組成的加工槽。隨著轉(zhuǎn)盤的高速轉(zhuǎn)動(dòng)，盤間距會(huì)發(fā)生周期性的變化，當(dāng)轉(zhuǎn)盤槽頂與靜盤槽頂相對(duì)時(shí)，最小，產(chǎn)生的速度梯度最大；當(dāng)轉(zhuǎn)盤槽底與靜盤槽頂相對(duì)時(shí)，在離心力的作用下，轉(zhuǎn)盤槽中液體隨著轉(zhuǎn)盤的高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生很大的徑向運(yùn)動(dòng)速度，在間斷式環(huán)形壁的阻礙下，高速運(yùn)動(dòng)的液體不斷與槽壁碰撞而產(chǎn)生沖擊力，碰撞之后的污泥破解液在徑向壁的阻礙下分向左右兩側(cè)沿槽壁向前流動(dòng)，并在下一個(gè)出口匯合碰撞并進(jìn)行動(dòng)能交換。如此，盤腔中形成周期性變化的切應(yīng)力可有效降低細(xì)胞壁的強(qiáng)度。轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)作用對(duì)槽中液體產(chǎn)生較大的流體剪切力的同時(shí)盤面加工槽增加了液體在盤腔中的擠壓、碰撞以及流動(dòng)距離，由此，可提高其對(duì)細(xì)胞的破解能力。

圖1 機(jī)械轉(zhuǎn)盤破解裝置示意圖

表1 機(jī)械轉(zhuǎn)盤剩余污泥破解裝置結(jié)構(gòu)及運(yùn)行參數(shù)

Note:1—diameter of stator;2—diameter of rotator;—space between stator and rotator.

超聲破解裝置是QYH系列超聲波污泥處理器，裝置由超聲發(fā)生器、聚能器和處理腔3部分構(gòu)成，其運(yùn)行參數(shù)如表2所示。機(jī)械轉(zhuǎn)盤聯(lián)合超聲破解系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

表2 超聲破解裝置結(jié)構(gòu)與運(yùn)行參數(shù)

圖2 機(jī)械轉(zhuǎn)盤聯(lián)合超聲破解系統(tǒng)示意圖

1—mechanical rotary disk; 2—ultrasonic reactor; 3—amplitude transformer; 4—cavity; 5—ultrasonic generator

1.2 實(shí)驗(yàn)污泥

本實(shí)驗(yàn)采用的剩余污泥是以采集于沈陽市沈水灣污水處理廠機(jī)械脫水的污泥（含水率為80%）為接種污泥培養(yǎng)而成。剩余污泥的pH為6.8，總固體濃度（TS）為18500～21000 mg·L-1，懸浮固體濃度(MLSS)為12000～15000 mg·L-1，揮發(fā)性固體濃度（MLVSS）為9500～10500 mg·L-1。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

機(jī)械轉(zhuǎn)盤破解剩余污泥：實(shí)驗(yàn)通過改變機(jī)械轉(zhuǎn)盤裝置盤間距離（），考察不同的和作用時(shí)間（m）對(duì)污泥破解效果的影響，運(yùn)用響應(yīng)面法優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)，使用掃描電鏡觀察破解前后的污泥，并對(duì)機(jī)械轉(zhuǎn)盤破解的機(jī)理和效能比進(jìn)行分析。

機(jī)械轉(zhuǎn)盤聯(lián)用超聲處理器破解剩余污泥：取優(yōu)化條件下機(jī)械轉(zhuǎn)盤破解后的剩余污泥破解液，利用超聲處理器進(jìn)行進(jìn)一步破解，對(duì)聯(lián)用破解效果和效能比進(jìn)行分析，并與單獨(dú)機(jī)械轉(zhuǎn)盤法破解和單獨(dú)超聲法破解效果進(jìn)行對(duì)比。

1.4 分析方法

剩余污泥、破解污泥的TS、MLSS和MLVSS采用質(zhì)量濃度法測(cè)定；黏度采用NDJ-1旋轉(zhuǎn)式黏度計(jì)檢測(cè)；溶解性化學(xué)需氧量（SCOD）的測(cè)定采用重鉻酸鉀法[15]；核酸量（NA）采用紫外吸收法（260 nm）測(cè)定。

實(shí)驗(yàn)中將破解后污泥SCOD與破解之前污泥SCOD的差值定義為污泥溶解性化學(xué)需氧量增加值（SCOD）[16]，將破解后污泥NA與破解前污泥NA的差值定義為核酸溶出量（NA），污泥溶解性化學(xué)需氧量增加值（SCOD）與破解過程中所消耗能量（）的比值定義為效能比（EDR），如式（1）所示

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 機(jī)械轉(zhuǎn)盤破解剩余污泥

2.1.1和m對(duì)處理結(jié)果的影響 改變機(jī)械轉(zhuǎn)盤破解裝置盤間距離,對(duì)剩余污泥進(jìn)行破解處理，不同的條件下剩余污泥破解液SCOD和EDR隨破解時(shí)間變化如圖3所示。

圖3 SCOD+和EDR隨破解時(shí)間的變化趨勢(shì)

如圖3所示，隨著破解時(shí)間的增加，剩余污泥破解液SCOD持續(xù)增加，m相同的情況下越小剩余污泥破解液SCOD越大，表明降低對(duì)破解效果具有促進(jìn)作用。隨著破解時(shí)間的進(jìn)行EDR呈明顯下降趨勢(shì)，即破解時(shí)間越長(zhǎng)能源利用效率越低。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在15 min后SCOD增加緩慢，在35 min后SCOD停止增加，以達(dá)到35 min時(shí)破解效果SCOD的90%所用的時(shí)間來表征有效破解時(shí)間（e），分別為4.5、3.0、1.5 mm時(shí)e分別為5、15和20 min，機(jī)械轉(zhuǎn)盤越小e越長(zhǎng)。在小于e的時(shí)間范圍內(nèi)，裝置破解菌膠團(tuán)和細(xì)胞的效果非常明顯，SCOD數(shù)值變化迅速，且EDR較高，時(shí)間大于e之后SCOD增加緩慢，EDR迅速降低。從4.5 mm降低到3.0 mm和1.5 mm，m35 min時(shí)，SCOD從1230 mg·L-1分別升高至2240 mg·L-1和3130 mg·L-1，EDR從1.63 mg·L-1·kJ-1分別升高至2.13 mg·L-1·kJ-1和降低到1.17 mg·L-1·kJ-1。在相同轉(zhuǎn)速和破解時(shí)間下，雖然減小可提高處理效果，但是轉(zhuǎn)盤阻力變大，導(dǎo)致電機(jī)功率增大和能耗增加，因此引起EDR的降低。

各條件下剩余污泥破解液NA和pH隨時(shí)間變化如圖4所示。在剩余污泥中核酸只存在于細(xì)胞內(nèi)，故各條件下在有效破解時(shí)間內(nèi)核酸溶出量迅速增加的現(xiàn)象表明細(xì)胞破解效果良好。從4.5 mm減小至3 mm時(shí)NA增加了81.6%，從3 mm減小到1.5 mm時(shí)NA增加18%，的影響減弱。分析認(rèn)為，的減小雖然有利于流體剪切作用的增強(qiáng)，但同時(shí)也降低了剩余污泥破解液在兩盤之間的流量，此時(shí)剪切力對(duì)剩余污泥難以高效地發(fā)揮作用，效果影響減弱。在破解過程中剩余污泥破解液pH呈明顯的降低趨勢(shì)，主要原因是細(xì)胞破解導(dǎo)致胞內(nèi)酸類物質(zhì)進(jìn)入剩余污泥破解液，進(jìn)一步驗(yàn)證了機(jī)械轉(zhuǎn)盤對(duì)剩余污泥的破解效果。

圖4 NA+和pH隨破解時(shí)間的變化趨勢(shì)

2.1.2 響應(yīng)面法優(yōu)化機(jī)械轉(zhuǎn)盤法破解剩余污泥結(jié)果分析 響應(yīng)面優(yōu)化應(yīng)用Design expert(8.0.6)軟件，根據(jù)Central CompositeDesign（CCD）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，選擇(A)和m(B)為實(shí)驗(yàn)因素，以SCOD和EDR為檢測(cè)指標(biāo)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，采用二階經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)變量的響應(yīng)進(jìn)行表征。因素水平編碼如表3所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)初始階段破解效果不佳而末尾階段EDR明顯降低的實(shí)際情況，選擇m(B)的區(qū)間為3～15 min。

表3 因素水平編碼

對(duì)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，交互影響擬合曲面分別如圖5(a)、圖6(a)所示，分別建立二次回歸方程如式（2）、式（3）所示

應(yīng)用Design expert(8.0.6)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)得到的交互影響等高線分別如圖5(b)、圖6(b)所示，等高線分布呈典型的橢圓形[17-18]，表明機(jī)械轉(zhuǎn)盤破解污泥過程中和m兩個(gè)因素對(duì)SCOD和EDR影響的交互作用顯著。如圖5(b)所示，與相比m等高線較密集，擬合曲面坡度較大，說明m對(duì)SCOD的結(jié)果影響較大；如圖6(b)所示，與m相比，的等高線更密集，說明對(duì)EDR的影響更大。

圖5 A(d)和B(Tm)兩因素對(duì)SCOD+的交互影響

二次曲面模型的方差分析以及回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn)見表4。值和值代表相關(guān)系數(shù)的顯著性，兩個(gè)模型的分別為273.18和21.54，（Prob＞）分別為（Prob＞）＜0.0001，（Prob＞）0.0014[（Prob＞）＜0.05視為模型顯著][19]，表明機(jī)械轉(zhuǎn)盤和m對(duì)剩余污泥破解液SCOD+和EDR均有顯著影響。模型決定系數(shù)2分別為0.9949和0.9390，調(diào)整決定系數(shù)分別為（0.9913-0.9637＜0.2）和（0.8954-0.7752＜0.2），表明實(shí)驗(yàn)的可信度和精確度高，回歸方程擬合度高，能很好地模擬兩個(gè)自變量對(duì)響應(yīng)值（SCOD和EDR）的影響。

表4 二次曲面模型的方差分析及回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn)

圖6 A(d)和B(Tm)兩因素對(duì)EDR的交互影響

綜合考慮SCOD和EDR兩個(gè)指標(biāo)，對(duì)和m兩個(gè)條件的優(yōu)化結(jié)果為：2.76 mm，m10.89 min時(shí)，剩余污泥破解液SCOD1752.32 mg·L-1，EDR6.405 mg·L-1·kJ-1。然后進(jìn)行3次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在最佳工藝條件下514 W，剩余污泥破解液SCOD分別為1855 mg·L-1、1830 mg·L-1和1843 mg·L-1，平均值為1842 mg·L-1，相對(duì)應(yīng)的EDR平均值為6.1 mg·L-1·kJ-1，誤差范圍在5%以內(nèi)，說明模型對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較好的預(yù)測(cè)結(jié)果，有一定的指導(dǎo)意義，為機(jī)械轉(zhuǎn)盤聯(lián)用超聲法破解剩余污泥提供數(shù)據(jù)支持。

2.1.3 掃描電鏡觀察 處理前污泥的SEM圖像如圖7(a)所示，在放大倍數(shù)為500倍的情況下可以清晰地觀察到菌膠團(tuán)中球菌、桿菌在粘連作用下聚合在一起，菌膠團(tuán)集結(jié)了大量的細(xì)胞。破解后污泥的SEM圖像如圖7(b)所示，在放大倍數(shù)為2000倍的條件下觀察機(jī)械轉(zhuǎn)盤破解（3 mm，m30 min）后的細(xì)胞形態(tài)，可清晰觀察到污泥的絮凝結(jié)構(gòu)已經(jīng)被完全解體，單獨(dú)細(xì)胞已經(jīng)分散在破解液之中，細(xì)胞壁上出現(xiàn)了破裂、穿孔，細(xì)胞已經(jīng)變形，細(xì)胞內(nèi)含物質(zhì)已溶出。因此證明，機(jī)械轉(zhuǎn)盤產(chǎn)生的流體剪切力足以破壞細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到剩余污泥破解的目的。

圖7 處理前和破解后污泥的SEM照片

2.2 機(jī)械轉(zhuǎn)盤聯(lián)用超聲法破解剩余污泥

2.2.1 超聲法破解剩余污泥 超聲破解SCOD和EDR隨破解時(shí)間變化趨勢(shì)如圖8所示，剩余污泥破解液SCOD在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)接近線性增長(zhǎng)，在40 min后破解效果趨于穩(wěn)定，SCOD4210 mg·L-1。超聲破解的效能比呈現(xiàn)先增大后不斷減小的趨勢(shì)；EDR最大值出現(xiàn)在u5 min左右，EDR5.06 mg·L-1·kJ-1。中值粒徑隨處理時(shí)間的變化趨勢(shì)如圖9所示，雖然超聲破解能夠在短時(shí)間內(nèi)減小粒徑，但明顯機(jī)械轉(zhuǎn)盤法更加迅速，盤間距對(duì)粒徑減小的影響不大。采用超聲法破解時(shí)，污泥體中值粒徑減小65%，采用機(jī)械轉(zhuǎn)盤法破解時(shí)為80%。

圖8 SCOD+和EDR隨破解時(shí)間的變化趨勢(shì)

圖9 中值粒徑隨處理時(shí)間的變化趨勢(shì)

結(jié)合機(jī)械轉(zhuǎn)盤法圖3數(shù)據(jù)圖分析，在破解初期機(jī)械轉(zhuǎn)盤法效能比更高，但隨著破解時(shí)間的增加機(jī)械轉(zhuǎn)盤法破解剩余污泥的EDR迅速下降；超聲法可以在一定時(shí)間段內(nèi)維持較為穩(wěn)定的EDR和破解速率，并且可以實(shí)現(xiàn)剩余污泥的深度破解，但耗能較多，效能比較低。為得到較好破解效果的同時(shí)提高EDR，結(jié)合兩種破解工藝的特點(diǎn)，提出機(jī)械轉(zhuǎn)盤聯(lián)用超聲破解剩余污泥的工藝，探究超聲處理經(jīng)機(jī)械轉(zhuǎn)盤預(yù)處理之后的剩余污泥的高效性。

2.2.2 機(jī)械轉(zhuǎn)盤聯(lián)用超聲法破解剩余污泥 結(jié)合前文研究結(jié)果，取用機(jī)械轉(zhuǎn)盤破解裝置在優(yōu)化條件（2.76 mm，m10.89 min）下破解之后的剩余污泥進(jìn)一步運(yùn)用超聲處理器進(jìn)行破解，并將聯(lián)合破解與單獨(dú)機(jī)械轉(zhuǎn)盤破解方法（2.76 mm，514 W）、單獨(dú)超聲破解方法（600 W，20 kHz）相比較。不同破解方法下SCOD和EDR隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖10所示。

機(jī)械轉(zhuǎn)盤聯(lián)用超聲破解剩余污泥SCOD在10 min后激增，破解速率加快，在40 min時(shí)剩余污泥破解液SCOD達(dá)到9820 mg·L-1，是相同處理時(shí)間下機(jī)械轉(zhuǎn)盤法（2820 mg·L-1）的3.48倍、超聲破解法（5600 mg·L-1）的1.75倍。經(jīng)過機(jī)械轉(zhuǎn)盤預(yù)處理后的剩余污泥在后期超聲破解過程中EDR大幅度提高，最大EDR出現(xiàn)在超聲破解10 min，為8.9 mg·L-1·kJ-1，是總破解時(shí)間下機(jī)械轉(zhuǎn)盤方法（4.34 mg·L-1·kJ-1）的2.05倍，超聲法（4.375 mg·L-1·kJ-1）的2.03倍。根據(jù)圖9中值粒徑隨處理時(shí)間的變化趨勢(shì)圖及圖7破解前后SEM照片分析認(rèn)為，通過機(jī)械轉(zhuǎn)盤預(yù)處理之后的剩余污泥，菌膠團(tuán)等大分子聚合物在流體剪切力的作用下被打散、分離而粒徑變小，可實(shí)現(xiàn)在保證較高EDR的前提下提高超聲破解速率，相比較單獨(dú)機(jī)械轉(zhuǎn)盤法和超聲法，機(jī)械轉(zhuǎn)盤聯(lián)用超聲破解剩余污泥法可提高能源利用效率，在較短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)剩余污泥的深度破解。

2.2.3 機(jī)械轉(zhuǎn)盤聯(lián)合超聲破解剩余污泥結(jié)果優(yōu)化

實(shí)驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化根據(jù)One Factor實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，選擇優(yōu)化條件下機(jī)械轉(zhuǎn)盤破解之后的u為實(shí)驗(yàn)因素，以SCOD和EDR為檢測(cè)指標(biāo)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)u進(jìn)行優(yōu)化。選取400 W，u5～35 min為變量變化范圍，采用四階模型對(duì)變量的響應(yīng)進(jìn)行表征。

對(duì)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，擬合曲線如圖11所示。四次曲線模型方差分析及回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn)顯示實(shí)驗(yàn)可信度和精確度高，優(yōu)化結(jié)果為當(dāng)u17.2 min時(shí)，SCOD7871.78 mg·L-1，EDR8.475 mg·L-1·kJ-1。在最優(yōu)工作條件下進(jìn)行3次實(shí)驗(yàn)，剩余污泥破解液SCOD平均值為8140 mg·L-1，相對(duì)應(yīng)的EDR為8.76 mg·L-1·kJ-1，與實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)值最大相對(duì)誤差在5%左右，具有一定的指導(dǎo)意義。

圖11 剩余污泥破解液SCOD+和EDR擬合曲線

3 結(jié) 論

（1）新型機(jī)械轉(zhuǎn)盤破解裝置可在較低轉(zhuǎn)速下實(shí)現(xiàn)剩余污泥的有效破解，破解效果受和m的影響。減小和延長(zhǎng)m均能提高破解效果，其表現(xiàn)為SCOD的增加，但同時(shí)，的減小和m延長(zhǎng)會(huì)造成EDR減小，降低能源利用效率，增加處理成本。

（2）根據(jù)Central Composite Design實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，以SCOD和EDR為響應(yīng)指標(biāo)，優(yōu)化結(jié)果為：當(dāng)2.76 mm，m10.89 min，u17.2 min時(shí)，剩余污泥破解液SCOD7871.78 mg·L-1，EDR8.475 mg·L-1·kJ-1，在相同總破解時(shí)間（28.09 min）下分別是單獨(dú)機(jī)械轉(zhuǎn)盤法（2610 mg·L-1，3.11 mg·L-1·kJ-1）的3.02倍、2.7倍，單獨(dú)超聲法（3170 mg·L-1，3.26 mg·L-1·kJ-1）的2.48倍和2.6倍。

（3）機(jī)械轉(zhuǎn)盤聯(lián)合超聲破解剩余污泥工藝在保證一定的能源利用效率的基礎(chǔ)上可有效實(shí)現(xiàn)污泥深度破解，具有高效性。

符 號(hào) 說 明

D1，D2，d——分別為靜盤直徑、動(dòng)盤直徑、盤間距，mm EDR——效能比，mg·L-1·kJ-1 f——超聲破解裝置頻率 MLSS——混合液懸浮固體顆粒濃度，mg·L-1 n——電機(jī)轉(zhuǎn)速，r·min-1 P——功率，kW SCOD+——溶解性化學(xué)需氧量增加值 Tm，Tu，T——分別為高速轉(zhuǎn)盤破解時(shí)間、超聲破解時(shí)間、總破解時(shí)間，min V0——單次處理量，ml

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Disintegration of excess sludge by mechanical rotary disk combination with ultrasonication

SUN Zhicheng, HAN Jin, ZHANG Mingyang, MD. Asadur Rahoman, WANG Youzhao, QI Yuanxin, WANG Min, XIE Yuanhua, ZHU Tong

(School of Mechanical Engineering and Automation, Northeastern University, Shenyang 110819, Liaoning, China)

The new-type mechanical rotary disk (MRD), which was used for the experiment of excess sludge disintegration combination with ultrasound, was manufactured by independent design to improve the disintegration effect. To investigate the MRD disintegration effect, the experiments under different operation conditions were carried out. The results showed that(the distance between the plates) andm(the disintegrationtime) were the important factors to influence SCOD(the added value of solubility chemical oxygen demand) and EDR (energy disintegration ratio). The SCODwas 3130 mg·L-1after 25 min of MRD disintegration under the condition thatwas 1.5 mm and the revolving speed was 2300 r·min-1, which presented that the disintegration was effective. According to the center combination experimental design of Central-Composite based on the response surface method, SCODand EDR were considered as response to paid attention to the energy efficiency. SCODand EDR were 7871.78 mg·L-1and 8.475 mg·L-1·kJ-1under the optimal conditions that,mandu(ultrasound disintegration time) were 2.76 mm, 10.89 min and 17.2 min, respectively. The results were respectively 3.02 times and 2.7 times of What used MRD（2610 mg·L-1，3.11 mg·L-1·kJ-1）and 2.48 times and 2.6 times of that used ultrasonic（3170 mg·L-1，3.26 mg·L-1·kJ-1）under the same total disintegration time.

waste treatment;optimal design; microstructure; mechanical rotary disk; ultrasonic; response surface method

date: 2016-07-18.

ZHU Tong, tongzhu@me.neu.edu.cn

10.11949/j.issn.0438-1157.20161006

X 705

A

0438—1157（2016）12—5229—08

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51178089）。

supported by the National Natural Science Foundation of China (51178089).

2016-07-18收到初稿，2016-09-13收到修改稿。

聯(lián)系人：朱彤。第一作者：孫志成（1990—），男，碩士研究生。