雙頻超聲改善剩余污泥的脫水性能研究

徐慧敏,秦衛(wèi)華①,李中林,顧 琪,戴曉虎

(1.環(huán)境保護(hù)部南京環(huán)境科學(xué)研究所,江蘇 南京 210042；2.同濟(jì)大學(xué)城市污染控制國家工程研究中心/ 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200092)

2015年國務(wù)院頒布的《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》(簡稱“水十條”)明確了“現(xiàn)有污泥處理處置設(shè)施2017年底基本完成達(dá)標(biāo)改造,地級及以上城市污泥無害化處理處置率應(yīng)于2020年底前達(dá)到90%以上”的發(fā)展目標(biāo)[1]。然而,根據(jù)E20研究院發(fā)布的《中國污泥處理處置市場分析報(bào)告(2016版)》,我國污泥無害化處理率尚不足30%[2]。環(huán)境保護(hù)部發(fā)布的《中國環(huán)境狀況公報(bào)》中,2015年我國城市污水處理率達(dá)到91.97%,城鎮(zhèn)污水日處理能力達(dá)到1.82億t,污泥年產(chǎn)量增加至3 321萬t·a-1(以每萬t污水產(chǎn)生5 t濕污泥計(jì)算),較2014年增加35.5%[3]。

按照污水處理的不同階段,污泥通常分為初沉污泥、剩余污泥和消化污泥。剩余污泥含水率高,產(chǎn)量大,處理難度高,一直是污泥處理的重點(diǎn)和難點(diǎn)。剩余污泥的含水率通常在99%以上,因而脫水是其處理的關(guān)鍵[4]。目前廣泛應(yīng)用的污泥脫水方法主要為添加高分子絮凝劑輔以真空抽濾、板框壓濾或離心等[5-6]。然而,上述方法均會(huì)產(chǎn)生不同程度的二次污染并提高了投入成本,超聲處理作為一種環(huán)保、有效的替代方法逐步受到研究者的關(guān)注[7-8]。超聲處理效果受頻率、聲能密度、超聲強(qiáng)度和作用時(shí)間等因素影響,其中頻率尤其是雙頻更是目前研究的熱點(diǎn)之一。蔣建國等[9]研究了19、25、40及80 kHz 4種頻率單頻和雙頻作用下污泥脫水性能變化情況,結(jié)果表明低頻率條件下單頻脫水效果優(yōu)于雙頻,而高頻率條件下雙頻的脫水效果優(yōu)于單頻。馮若等[10]研究了不同的超聲發(fā)生方式對聲化學(xué)產(chǎn)額的影響,認(rèn)為雙頻、三頻超聲波輻照產(chǎn)生的效果遠(yuǎn)大于單頻產(chǎn)生效果之和。薛玉偉等[11]研究了20、28和40 kHz超聲頻率下的污泥破解效果,得出28 kHz是污泥溶解度和粒徑破解的最佳頻率,然而其不同頻率下的超聲聲強(qiáng)并不一致,應(yīng)該是頻率和聲強(qiáng)共同作用下的結(jié)果,并不能單獨(dú)反映頻率對超聲破解效果的影響。

目前對雙頻下超聲波預(yù)處理污泥的研究無論在理論和應(yīng)用方面均不充分。雙頻超聲處理較單頻處理后污泥脫水性能的改善情況,以及出現(xiàn)這種改善的機(jī)制或機(jī)理研究在現(xiàn)有的文獻(xiàn)資料中有所缺失。因此,該研究旨在探討剩余污泥在超聲單頻(17、33 kHz)和雙頻(17+33 kHz)作用下的破解效果,測定不同能量輸入條件下污泥比阻、泥餅含水率、污泥粒徑分布和有機(jī)質(zhì)釋放等指標(biāo)變化情況,得到最優(yōu)破解效果的處理頻率和超聲能量,并分析雙頻改善污泥破解的原因和機(jī)理,為超聲預(yù)處理技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 超聲設(shè)備

超聲設(shè)備由上海臺姆超聲設(shè)備有限公司定制生產(chǎn),為12 L的長方形槽體,側(cè)面均勻安裝有可以獨(dú)立控制的超聲波換能器,可實(shí)現(xiàn)單獨(dú)頻率17、33 kHz和雙頻17+33 kHz的不同發(fā)聲方式,其中雙頻是指17和33 kHz頻率的同時(shí)作用。超聲反應(yīng)器能量密度為0.1 kW·L-1,通過調(diào)節(jié)超聲作用時(shí)間來改變輸入能量。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

污泥為上海某城市污水廠剩余污泥。該廠主要處理生活污水,采用奧地利HYBRID二段活性污泥工藝。污泥理化性質(zhì)如下:含水率w為98.51%～98.63%,pH值為6.40～6.54,ρ(TS)為14 960～15 620 mg·L-1,ρ(VS)為8 110～8 320 mg·L-1,ρ(總化學(xué)需氧量,TCOD)為13 245～13 618 mg·L-1,ρ(溶解性化學(xué)需氧量,SCOD)為1 030～1 070 mg·L-1。

1.3 測定指標(biāo)及方法

泥餅含水率測定方法:取10 mL污泥于離心管中,在6 000 r·min-1(離心半徑為167 mm)轉(zhuǎn)速下離心30 min后,倒掉上清液后,運(yùn)用重量法測定下層污泥含水率。污泥比阻(SRF)是評價(jià)污泥脫水性能的重要指標(biāo)之一,因其操作簡便而廣泛應(yīng)用。測定方法參考FENG等[12]的研究。污泥粒徑通過美國Backman Coulter LS13320型激光粒度儀進(jìn)行測定,測定范圍為0.4～2 000 μm。dp90是指粒徑分布中累計(jì)體積占90%所對應(yīng)的粒徑值,μm;dp10和dp50依此類推。污泥平均粒徑削減率(RMD)計(jì)算公式為

RMD=(MD0-MD1)/MD0×100%。

(1)

式(1)中,MD0為預(yù)處理前污泥平均粒徑,μm;MD1為預(yù)處理后污泥平均粒徑,μm。

SCOD是將污泥經(jīng)6 000 r·min-1轉(zhuǎn)速下離心20 min(離心半徑為167 mm)后取上清液以重鉻酸鉀法測定。采用污泥破解度(degree of disintergration,D)來表征預(yù)處理后污泥溶解性有機(jī)物的增加情況,通常以超聲破解后SCOD增量與氫氧化鈉作用12 h后SCOD增量之比來表征,計(jì)算公式如下:

D=(CP-C0)/(CA-C0)×100%。

(2)

式(2)中,CP為預(yù)處理后污泥SCOD質(zhì)量濃度,mg·L-1;C0為未處理污泥SCOD質(zhì)量濃度,mg·L-1;CA為氫氧化鈉作用12 h后污泥SCOD質(zhì)量濃度,mg·L-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 頻率對污泥比阻的影響

污泥比阻表征污泥在一定壓力下通過過濾面阻力的能力,比阻越小表明污泥可過濾性越好,反之越差[13]。圖1顯示,原泥平均比阻為2.90×1014m·kg-1,當(dāng)單位總固體(TS)超聲能量增加到400 kJ·kg-1時(shí),17、33和17+33 kHz超聲頻率作用后污泥比阻分別降至2.84×1014、2.24×1014和5.68×1013m·kg-1,表明超聲作用下污泥脫水性能得到一定改善,其中雙頻處理后污泥可過濾性(specific resistance of filtration,SRF)較原泥降低80.41%。當(dāng)能量增加到1 000 kJ·kg-1時(shí),17+33 kHz頻率作用后的污泥脫水性能最好,較原泥改善66.62%;33 kHz頻率下的污泥改善效果最佳出現(xiàn)在超聲能量為2 000 kJ·kg-1時(shí),可過濾性較原泥增加44.67%。

圖1 多種頻率下超聲預(yù)處理后剩余污泥比阻變化Fig.1 Variation of specific resistance of filtration in waste activated sludge with frequency of the ultrasound

隨著超聲能量的進(jìn)一步增加,污泥比阻的改善表明在低超聲能量水平下污泥絮體結(jié)構(gòu)發(fā)生輕微解體[14]。當(dāng)超聲能量為12 000 kJ·kg-1時(shí),17、33和17+33 kHz超聲頻率作用后污泥比阻較未處理污泥增加55.89%、151.04%和193.79%,表明污泥脫水性能的急劇惡化。當(dāng)超聲能量低于2 000 kJ·kg-1時(shí),雙頻超聲處理后的污泥比阻均低于單頻超聲,表明低能量條件下雙頻破解污泥顆粒的效果更佳;而超聲能量的進(jìn)一步提高使得雙頻作用下的污泥比阻遠(yuǎn)高于單頻,并且單獨(dú)頻率中33 kHz對污泥比阻的影響較17 kHz更明顯。

以上結(jié)果表明當(dāng)超聲頻率為17+33 kHz、超聲能量水平為400 kJ·kg-1時(shí),污泥脫水性能較未處理污泥改善80.41%,為改善污泥脫水性能的最佳處理?xiàng)l件。薛向東等[15]研究了濃縮污泥經(jīng)超聲處理后的絮凝脫水性能,結(jié)果表明低強(qiáng)度、短時(shí)間超聲處理可有效改善污泥脫水性能,筆者研究結(jié)果與之一致。楊金美等[13]研究表明污泥比阻隨著超聲時(shí)間的延長而持續(xù)增加，可能是由不斷破解的污泥小顆粒堵住了濾膜通道,增加水分通過濾膜的阻力,表現(xiàn)為污泥比阻的增加。

2.2 頻率對泥餅含水率的影響

圖2為不同能量水平下,單頻17、33和雙頻 17+33 kHz作用后污泥泥餅含水率的變化情況。不同頻率下泥餅含水率隨著超聲能量的增加均呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。離心脫水性能改善最大的處理?xiàng)l件為雙頻17+33 kHz、超聲能量1 000 kJ·kg-1,其泥餅含水率w較原泥降低20.62%,表明污泥離心脫水性能在低能量水平下得到改善。

圖2 多種頻率下超聲預(yù)處理后泥餅含水率變化Fig.2 Moisture content of waste activated sludge cake pretreated with ultrasound relative to frequency

2.3 頻率對污泥粒徑分布的影響

經(jīng)超聲處理后的污泥絮體受空化效應(yīng)及其伴隨的熱化學(xué)效應(yīng)雙重作用發(fā)生解體,使得胞外聚合物和細(xì)胞內(nèi)等固相中的有機(jī)質(zhì)向液相轉(zhuǎn)移,表現(xiàn)為污泥粒徑及其分布的變化[16]。

圖3表明雙頻作用下的污泥平均粒徑削減率均顯著高于單頻,并且所有頻率下的削減率隨著超聲能量的增加而增加。當(dāng)超聲能量為12 000 kJ·kg-1時(shí),17、33和17+33 kHz頻率下平均粒徑較未處理分別下降24.12%、34.52%和44.48%。此外,預(yù)處理后污泥平均粒徑與污泥比阻、泥餅含水率的二次曲線擬合結(jié)果表明,33 kHz條件下的擬合效果最好,R2達(dá)0.939 5和0.836 6。而17和17+33 kHz條件下的擬合結(jié)果則無相似規(guī)律。

圖3 不同頻率超聲破解后污泥平均粒徑削減率變化Fig.3 Variation of reduction rate of mean particle size in waste activated sludge pretreated with ultrasound relative to frequency

dp指粒徑分布中累計(jì)體積所對應(yīng)的粒徑值,μm。

雙頻破解后污泥粒徑dp10最小,表明雙頻條件下更多污泥小顆粒得到有效破解,且能量越高dp10越小;17 kHz處理后污泥dp50最高,其次為33 kHz,雙頻作用后的dp50最小,表明50%的顆粒在雙頻作用下得到更有效的破解;3種頻率處理后污泥粒徑dp90則差異不大,均表現(xiàn)為超聲能量越高dp90越小。

2.4 頻率對污泥破解度的影響

低頻超聲作用更有利于污泥有機(jī)質(zhì)破解,而引起污泥破解的的主要原因是大量氣泡破裂產(chǎn)生的水力剪切力,破壞了污泥結(jié)構(gòu)，使得有機(jī)物由固相轉(zhuǎn)移到液相[17]。圖5是不同頻率超聲作用后污泥破解度隨能量的變化情況。隨著超聲能量的增加,所有超聲頻率作用下的D均呈上升趨勢,最大破解度均出現(xiàn)在超聲能量為12 000 kJ·kg-1條件下,17、33和17+33 kHz 3種頻率的D分別為15.37%、16.40%和19.12%。在同一超聲能量水平下,雙頻17+33 kHz作用下D較單獨(dú)頻率高,且33 kHz較17 kHz破解效果好,這與前文的分析指標(biāo)規(guī)律一致。該結(jié)論與曹晨旸等[18]對18+20 kHz雙頻組合處理污泥破解的結(jié)論相一致。雙頻17+33 kHz作用下的D較單獨(dú)頻率改善更大,其原因可能是雙頻組合增加了污泥絮體的機(jī)械擾動(dòng),大量空氣進(jìn)入液體中,使得液體中空化核數(shù)量增加,提高了超聲波空化強(qiáng)度和效應(yīng)[18]。雙頻作用時(shí)2種頻率產(chǎn)生的超聲能不僅自身產(chǎn)生大量空化核,也為對方提供新的空化核,并各自產(chǎn)生空化作用,最終促進(jìn)污泥破解和有機(jī)質(zhì)的釋放[18]。

圖5 不同頻率作用下污泥破解度變化Fig.5 Variation of degree of disintegration in waste activated sludge pretreated with ultrasound relative to frequency

2.5 雙頻超聲破解污泥的機(jī)理討論

結(jié)合超聲處理后污泥比阻和泥餅含水率的變化規(guī)律,推測低能量水平下超聲使得污泥絮體結(jié)構(gòu)發(fā)生輕微解體,表現(xiàn)為污泥破解度雖然增加,但總體有機(jī)物釋放量較小,D均在10%以下,污泥絮體結(jié)構(gòu)在此條件下能夠發(fā)生再凝聚,導(dǎo)致污泥脫水性能改善;而隨著超聲能量的增加,污泥胞外聚合物和細(xì)胞得到有效破解,17+33 kHz頻率在超聲能量為4 000 kJ·kg-1時(shí)D達(dá)到13.6%,污泥顆粒大小顯著下降,其平均粒徑較原泥降低39.83%,這可能是由于污泥絮體結(jié)構(gòu)在遭到嚴(yán)重破壞后,顆粒的重組和再絮凝現(xiàn)象難以發(fā)生,致使脫水性能惡化,并且超聲能量越高污泥粒徑減少加劇,脫水性能越來越差[16]。從能量水平來看,3種頻率作用下均呈現(xiàn)脫水性能先改善后惡化的現(xiàn)象,而雙頻的改善和惡化較單頻更加強(qiáng)烈,說明雙頻的破解效應(yīng)較單頻更高,可能是2種頻率作用過程中產(chǎn)生了協(xié)同效應(yīng),這需要在后續(xù)研究中進(jìn)一步分析和論證。

3 結(jié)論

(1)單頻17、33 kHz和雙頻17+33 kHz超聲處理在低能量水平下對污泥脫水性能有改善效果,而雙頻的處理效果遠(yuǎn)優(yōu)于單頻。雙頻條件下,污泥可過濾性最優(yōu)單位TS超聲能量為400 kJ·kg-1;離心脫水能力的最佳條件為1 000 kJ·kg-1。

(2)在同一輸入能量水平下,17+33 kHz雙頻超聲對污泥的脫水性能改善效果高于17和33 kHz單頻超聲作用之和,雙頻超聲下能量利用效率更高。

(3)在低能量水平下,污泥絮體結(jié)構(gòu)發(fā)生輕微解體,使得脫水性能增加;隨著超聲能量的增加,污泥發(fā)生大量破解,顆粒粒徑大幅下降,絮體無法再凝聚,脫水性能不斷惡化。

參考文獻(xiàn)：

“雙一流”建設(shè)背景下，學(xué)科建設(shè)與發(fā)展成為各高?？蒲泄芾頇C(jī)構(gòu)的重中之重，學(xué)校的學(xué)科體系調(diào)整與建設(shè)都以爭創(chuàng)一流學(xué)科為目標(biāo)，圖書館作為學(xué)科發(fā)展基礎(chǔ)體系的關(guān)鍵要素，文獻(xiàn)資源體系建設(shè)要緊跟學(xué)科規(guī)劃與發(fā)展的步伐，進(jìn)一步提升對一流學(xué)科建設(shè)的支撐力度。因此，健全完善學(xué)科電子資源建設(shè)與服務(wù)體系勢在必行。

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