超聲波聲強及其對污泥脫水特性影響的研究

王彥瑩， 周翠紅， 吳玉鵬， 曾婉琳

（1．北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院， 北京 100124； 2．北京石油化工學(xué)院環(huán)境工程系， 北京 102617）

0 引言

我國在《“十三五” 生態(tài)環(huán)境保護規(guī)劃》（國發(fā)[2016]65 號）中提出要大力推進污泥穩(wěn)定化、無害化和資源化處理處置， 規(guī)定了地級及以上城市污泥無害化處理處置率需達到90%， 京津冀區(qū)域達到95%。 因此污泥脫水成為提高污泥處理率、降低處理成本、減少處理能耗的重要預(yù)處理步驟[1-2]。

超聲波是一種清潔、 無二次污染的高級氧化技術(shù)能有效改善污泥脫水性能并促進污泥減量， 在污泥預(yù)處理中逐漸受到重視。 超聲波作為壓力波通過介質(zhì)傳播并且通過聲波引起分子的振動。 超聲波作用于液體時會產(chǎn)生局部負壓， 在該狀態(tài)下微小氣泡急劇生長并崩潰， 瞬間產(chǎn)生局部高溫高壓并釋放出巨大的能量，可增加兩相接觸面積，促進反應(yīng)物之間的均勻混合[3-5]并提高反應(yīng)速率，這就是超聲空化效應(yīng)。 為進一步探究超聲波由空化效應(yīng)所產(chǎn)生的化學(xué)效應(yīng)，由美雁等[6]研究了超聲波作用于污泥過程中所產(chǎn)生的過氧化氫（H2O2）含量，驗證了超聲波化學(xué)效應(yīng)的存在。 超聲聲能密度（或功率、比能）、頻率和作用時間均可對污泥脫水特性產(chǎn)生不同程度的影響[7]，破碎污泥絮體和微生物細胞的結(jié)構(gòu)，使污泥絮體的間隙水和表面水釋放為自由水，以便于水分脫除[8]。 表征污泥中顆粒特征的參數(shù)主要包括形貌、物理結(jié)構(gòu)、絮狀物粒徑分布、分形維數(shù)與絲狀指數(shù)等，可以有效的衡量出污泥的脫水特性[9]。粒徑分布可準(zhǔn)確描述不同調(diào)質(zhì)方法處理后污泥顆粒大小及分布范圍， 而分形維數(shù)作為圖像表面不規(guī)則程度的度量是污泥絮體結(jié)構(gòu)的重要特征之一， 可有效表明調(diào)質(zhì)處理后污泥的聚集形態(tài)，是反映污泥脫水特性的重要參數(shù)[10]。 分形結(jié)構(gòu)是活性污泥絮體的重要特征之一， 分形維數(shù)的準(zhǔn)確描述對于絮凝動力學(xué)過程模擬至關(guān)重要[11-12]。

基于超聲波應(yīng)用于污泥預(yù)處理的高效性， 能有效改善污泥脫水性能并促進污泥減量， 對超聲波聲強及其對污泥脫水特性的影響進行深入研究。 利用2 種不同結(jié)構(gòu)的超聲波設(shè)備， 通過聲強變化反應(yīng)空化效應(yīng)的強弱； 利用碘量法定量分析了超聲氧化性的變化。以市政污泥為研究對象，根據(jù)聲強及氧化性的測定分析了超聲波對污泥含水率、 顆粒粒徑及分形維數(shù)變化的影響。

1 材料與方法

1．1 實驗材料與裝置

實驗所用的污泥為某污水處理廠經(jīng)過二級處理后的活性污泥，其含水率為98．49%。 研究中使用2種形式超聲波設(shè)備， 第1 種設(shè)備的有效尺寸為400 mm×100 mm×100 mm， 超聲波換能器由6 個雙頻（25，45 kHz） 壓電換能器并聯(lián)組成放置于槽體底部；第2 種設(shè)備的有效尺寸為200 mm×100 mm ×100 mm， 在槽體側(cè)面寬度方向有2 個相對的換能器（25，45 kHz），在槽體側(cè)面長度方向有3 個為1 組的換能器相對放置。 實驗裝置還包括XO-1000D 型探頭式超聲波細胞破碎儀、YCSQ2060 型數(shù)字超聲波聲強測量儀、UV-2600 型紫外分光光度計、HC103 水分測定儀、馬爾文激光粒度儀Mastersize 2000。 實驗所用藥品H2O2、碘化鉀、鉬酸銨均為分析純。

1．2 實驗方法

（1） 聲強測試：對2 種超聲波設(shè)備在45 kHz 下進行聲場分布測量比較，通過公式（1）對實測聲強和聲壓之間進行計算轉(zhuǎn)換[13]：

式中：P 為聲壓，Pa；I 為聲強，W/m2；ρ 為密度，kg/m3；c 為聲速，m/s。

以去離子水、 含水率99．69%的污泥、 含水率96．10%的污泥為介質(zhì)測量聲強變化；以去離子水為介質(zhì)的條件下進行軟件模擬與實測聲壓值的比較。

（2） 超聲氧化性測定：燒杯中定量加入碘化鉀和鉬酸銨，分別改變超聲時間、功率和污泥處理量，取處理前后的污泥上清液過濾后于351 nm 處測吸光度，根據(jù)吸光度計算H2O2濃度。

（3） 污泥脫水特性研究：使用探頭式超聲波細胞破碎儀在不同超聲時間、功率、處理量下處理污泥并測定抽濾后的含水率。 每組實驗重復(fù)2 次后取平均值。 使用馬爾文激光粒度儀測定超聲處理后的污泥粒徑并計算分形維數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2．1 聲強分布規(guī)律

2．1．1 不同形式超聲波設(shè)備對聲強的影響

2 種超聲波設(shè)備的聲壓等值線圖見圖1、 圖2。由圖1、圖2 可以明顯看出第2 種超聲波設(shè)備的能量更集中且聲壓分布更為均勻。在一定范圍內(nèi)能量越集中空化氣泡及氣泡破裂時產(chǎn)生自由基的數(shù)量就越多，剪切力也越大，對打破污泥的聚集狀態(tài)越有效[14-15]。

圖1 設(shè)備1 聲壓等值線

圖2 設(shè)備2 聲壓等值線

2．1．2 模擬與實驗對比

使用軟件建立了上述2 種超聲波設(shè)備模型并以水為介質(zhì)進行了聲壓模擬，其聲壓等值面圖見圖3。

圖3 45 kHz 的聲壓分布模擬結(jié)果

第2 種超聲波設(shè)備聲能更加集中且其最大值可達到4．2×105Pa，產(chǎn)生的空化效應(yīng)比第一種更強，這與能量輸入方式及在液體中的衰減有關(guān)。 對不同超聲波設(shè)備分別取點對比模擬值與實測值發(fā)現(xiàn)，兩者誤差相對較小且變化規(guī)律極為相似。 見表1。

表1 超聲波設(shè)備聲壓模擬結(jié)果與實測結(jié)果對比

2．1．3 介質(zhì)作用對聲強的影響

為探究不同介質(zhì)對超聲聲強的影響， 對設(shè)備進行布點并比較3 種介質(zhì)下聲強測試結(jié)果， 聲強受介質(zhì)作用影響顯著，超聲波在液體中的傳質(zhì)效率高于固體，相同超聲條件下固體對超聲波聲強有衰減作用。 見表2。

表2 不同介質(zhì)聲強實測結(jié)果W·cm-2

2．2 超聲氧化性測定

超聲波作用于液體時由于空化效應(yīng)會產(chǎn)生局部高溫高壓，從而產(chǎn)生羥基自由基。自由基之間相互結(jié)合后生成H2O2[16]，反應(yīng)方程式見（2），（3）。 因此可以通過測定溶液中H2O2含量從而間接測定超聲作用產(chǎn)生的自由基的量，進而評定超聲氧化性的強弱。

采用碘量法測定H2O2的方程式見（4），（5）[17]：

根據(jù)H2O2的變化量定量分析了不同條件下超聲氧化性的變化，實驗結(jié)果見圖4。

圖4 不同處理條件下H2O2 濃度

由圖4 可以看出， 隨超聲時間的增加，H2O2產(chǎn)量呈先上升后下降趨勢且在150 s 處達到最大值。這是由于羥基自由基的生成和湮沒是一個動態(tài)反應(yīng)過程，超聲150 s 時該反應(yīng)基本達到平衡狀態(tài)，因此超聲時間為150 s 時空化效應(yīng)最強。

在相同的超聲時間下， 功率小于450 W 時，羥基自由基的產(chǎn)量隨著功率的增加而增加。 這主要是由于進入反應(yīng)器的能量增加，空化氣泡的數(shù)量增加，使得空化效應(yīng)裂解水分子產(chǎn)生的羥基自由基也增多， 說明超聲功率的增強對自由基的產(chǎn)生具有促進作用。 當(dāng)功率大于450 W 時，功率繼續(xù)增加反應(yīng)平衡狀態(tài)被打破致使空化效應(yīng)降低。

不同污泥處理量下H2O2濃度呈先上升后下降趨勢。當(dāng)超聲作用時間和功率一定時，在污泥溶液中超聲產(chǎn)生的空化強弱導(dǎo)致單位體積羥基自由基的變化。當(dāng)超聲波能量過大時，產(chǎn)生的過量空化氣泡會成為整個液體傳遞聲能的屏障[18]，降低聲化學(xué)效應(yīng)。

綜上所述，不同條件下H2O2濃度的變化直接反映了實驗過程中羥基自由基的產(chǎn)量， 從而反映了不同超聲時間、功率、處理量下空化效應(yīng)的強弱。 在超聲時間為150 s、功率為450 W、處理量為100 mL 時空化效應(yīng)是最強的。

2．3 污泥脫水特性研究

2．3．1 污泥含水率分析

污泥含水率是其脫水特性的直接表征手段，因此在對超聲氧化性研究的基礎(chǔ)之上分析了超聲時間、功率、污泥處理量對污泥含水率變化的影響，實驗結(jié)果見圖5。

圖5 不同處理條件下污泥含水率

由圖5 可以看出， 作用時間小于150 s 時污泥含水率呈先下降后上升趨勢且在120 s 處含水率最低為73．28%， 脫水時加入50 mg/L 的PAC 溶液，攪拌靜置分層，去除上清液后抽濾。隨時間的增加超聲空化效應(yīng)對污泥的破解作用增強， 污泥絮體顆粒減小同時微生物細胞壁被打破， 使得更多的間隙水以及部分內(nèi)部結(jié)合水轉(zhuǎn)化為自由水易于脫除。 但超聲時間過長會使得溶液粘度升高過濾性能惡化， 導(dǎo)致抽濾時間增加[19]。

超聲功率為90 ～450 W 時，經(jīng)過抽濾后污泥含水率明顯降低，可降至74．75%。 但是超聲功率繼續(xù)增加至810 W 時，污泥含水率呈上升趨勢。 其原因是，在一定范圍內(nèi)超聲功率越大空化效應(yīng)越強，使得污泥中絮體結(jié)構(gòu)被破壞后釋放出結(jié)合水。 但功率過大同樣會降低污泥的脫水性能。 功率在超聲處理污泥過程中起到了非常重要的作用，450 W 時不僅氧化性最強，對污泥脫水特性的影響也最大。

處理量為60 ～80 mL 時污泥含水率明顯降低，可降至75．12%。 但是處理量為80 ～120 mL 時污泥含水率呈上升趨勢，從75．12%增大至81．75%。 處理量過低導(dǎo)致超聲聲能密度過大， 產(chǎn)生聲屏蔽效應(yīng)從而降低脫水率；處理量過高時使得聲能量密度較小，難以達到最佳處理效果。

2．3．2 污泥粒度測試及分形維數(shù)分析

使用馬爾文激光粒度儀對污泥顆粒進行測試，得到粒度分布曲線見圖6。

圖6 粒度分布曲線

從圖6 中可以看出， 超聲時間為30 ～120 s 時污泥顆粒粒徑逐漸減小， 但隨著超聲時間的繼續(xù)增加，粒徑在6 ～8 μm 之間波動但變化不明顯。 表明此時繼續(xù)增加超聲時間對其改變不再有明顯作用。綜上所述，超聲空化作用對分散污泥效果顯著，通過分析超聲時間、 功率對污泥含水率的影響及污泥粒徑分布結(jié)果可知污泥粒徑在6 ～7 μm 范圍內(nèi)脫水效果最好。 不同超聲條件下的篩下累積產(chǎn)率見表3。

表3 超聲處理后污泥粒度的篩下累計產(chǎn)率分布

在雙對數(shù)坐標(biāo)系下做粒度-篩下累計產(chǎn)率圖，擬合后得到其斜率值b，可根據(jù)公式D=3-b[20]計算出污泥的分形維數(shù)D 值，見表4。 分形維數(shù)D 表征了污泥的圖像特征，D 越大污泥的聚集程度越高。由表4 可知，超聲時間120 和180 s 時污泥粒徑最小且聚集程度最高。 分析以上實驗結(jié)果可得到在超聲時間為120 s、功率為450 W 時，污泥脫水效果較好。

表4 超聲處理后污泥的分形維數(shù)

3 結(jié)論

（1）對比不同空間點處超聲波設(shè)備聲強變化得出反應(yīng)腔尺寸及換能器分布形式不同， 聲壓分布不同，使得液體中產(chǎn)生空化作用的強度不同。

（2）對超聲波產(chǎn)生H2O2含量測定得出在超聲時間為150 s、功率為450 W、處理量為100 mL 時，超聲波產(chǎn)生H2O2含量最高即超聲的氧化性最強。

（3）通過進行超聲波處理污泥實驗得出空化效應(yīng)對促進污泥脫水具有積極作用， 經(jīng)超聲波處理后污泥的聚集狀態(tài)明顯改變，顆粒粒徑變小且在6 ～7 μm 時有益脫水。