響應(yīng)曲面法優(yōu)化污泥顆粒干化分析

周翠紅，曾婉琳，陳佳蕊，鮑穎杰，趙昆鵬

(北京石油化工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院環(huán)境工程系，北京 102617)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的提高，城鎮(zhèn)污水排放量急劇增加，污泥的產(chǎn)量也隨之增加[1]。污水處理廠經(jīng)過(guò)機(jī)械脫水后的污泥含水率一般在75%～85%之間，由于污泥中含有大量的水分，這給污泥的堆放、運(yùn)輸和處置帶來(lái)極大的困難和安全隱患。實(shí)踐表明，減量是污泥無(wú)害化和資源化的基礎(chǔ)與關(guān)鍵，而干化是污泥實(shí)現(xiàn)減量最有效的方法[2-4]。為了滿(mǎn)足污泥進(jìn)入環(huán)境消納需采取必要措施，使污泥在處置過(guò)程中不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生有害的影響[5]。污泥的熱干化處理可將污泥含水率從80%降低到40%以下，其主要優(yōu)點(diǎn)是占地相對(duì)較小、具有靈活性、處置出路較多。從目前國(guó)際上污泥處理處置的趨勢(shì)看，由于干化能耗方面的支出低于直接焚燒，效率遠(yuǎn)高于堆肥和風(fēng)干，從而成為發(fā)展最快、最適合于城市污水廠污泥減量化與資源化要求的方式。而我國(guó)污水污泥處理技術(shù)尤其是資源化利用技術(shù)的發(fā)展嚴(yán)重滯后于發(fā)達(dá)國(guó)家以及其他領(lǐng)域的科技發(fā)展水平，污泥處置和資源化利用已成為環(huán)境保護(hù)的重點(diǎn)[6-7]。

污泥深度脫水和處理帶來(lái)最大困難的是污泥顆粒復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特性。Jorand[8]通過(guò)超聲波振蕩與粒徑分析，提出三層結(jié)構(gòu)污泥顆粒模型，認(rèn)為單一顆粒(約125 μm)是由許多小聚集體(約13 μm)組合而成，而這些小聚集體再由大小約為2.5 μm的細(xì)菌細(xì)胞聚集而成，水分則是存在于顆粒之間、網(wǎng)狀體間隙、膠體表面以及微生物體內(nèi)。干化是傳熱與傳質(zhì)綜合作用的過(guò)程，完成表面水分汽化和內(nèi)部水分的擴(kuò)散。污泥干化過(guò)程一般分為3個(gè)階段:升溫期、恒速干化階段和降速干化階段[9]。在污泥深度脫水過(guò)程中結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，干化收縮的一個(gè)重要現(xiàn)象，同時(shí)孔隙度發(fā)生明顯變化，干化面積減小，干化速率降低[10-11]。

天津大學(xué)雷海燕等[12]針對(duì)10、20 mm及30 mm直徑顆粒污泥球在105 ℃恒溫干化條件及10 mm直徑污泥球在90、105、120 ℃及135 ℃恒溫條件下的干化實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，干化速率、干化溫度和污泥顆粒尺寸緊密相關(guān)，同時(shí)引入了熱動(dòng)力學(xué)分析模型進(jìn)行分析。上海交通大學(xué)研究人員利用實(shí)驗(yàn)室熱風(fēng)爐實(shí)現(xiàn)污泥固定床等溫干化，對(duì)未經(jīng)處理和化學(xué)處理的污泥的干化動(dòng)力學(xué)行為和能量參數(shù)進(jìn)行了評(píng)價(jià)[13]。Ali Mohammad Nikbakht[14]使用微波輔助進(jìn)行污泥干化，可減少能量的消耗與干化時(shí)間，使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了能量消耗與能量標(biāo)準(zhǔn)模型。

污泥的干化過(guò)程中有一個(gè)特殊的膠黏性階段造成內(nèi)部的干化效果差[15]，這為污泥的進(jìn)一步滅菌和干化帶來(lái)了極大的困難，污泥含水率及污泥顆粒在熱作用下的形態(tài)變化具有重要意義。筆者重點(diǎn)研究了污泥在干化過(guò)程中如何解決和避免膠黏性問(wèn)題，利用造粒裝置將污泥制成含水量為80%左右的顆粒，利用響應(yīng)曲面法設(shè)計(jì)并進(jìn)行干化實(shí)驗(yàn)，研究干化過(guò)程中含水率、減容率及污泥顆粒形態(tài)的變化，經(jīng)干化處理后的污泥呈顆粒狀或粉狀，有效實(shí)現(xiàn)污泥的減容。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

實(shí)驗(yàn)所用的污泥為某污水處理廠離心脫水后的剩余活性污泥，其含水率為80%～85%，黏度(室溫)為20 Pa·s。所用污泥造粒機(jī)為ST-106型制丸機(jī)，如圖1所示；水分測(cè)試儀為賽多利斯MA150型石英/紅外水分測(cè)定儀和梅特勒-托利多MC103型鹵素水分測(cè)定儀，前者適用于間歇型水分測(cè)試，后者適于連續(xù)型水分測(cè)試。

圖1 ST-106造粒機(jī)

1.2 污泥造粒與干化方法

利用ST-106型造粒機(jī)對(duì)污泥進(jìn)行造粒。污泥先經(jīng)兩軸擠壓成餅狀，再將餅狀污泥剪切成條狀，最后由造粒軸把條狀污泥橫向剪切成粒狀。本試驗(yàn)中干化方法分為紅外干化和微波輔助干化。

造粒后污泥各15顆放在測(cè)試水分托盤(pán)中，利用賽多利斯水分儀進(jìn)行干化，定時(shí)進(jìn)行污泥顆粒拍照與粒徑測(cè)試，并記錄當(dāng)時(shí)的水分顯示值，以進(jìn)行后續(xù)的干化過(guò)程分析。

造粒后污泥用微波專(zhuān)用器皿盛放，放入超聲微波組合反應(yīng)系統(tǒng)中用微波加熱。調(diào)節(jié)不同的微波加熱時(shí)間、功率對(duì)造粒后污泥進(jìn)行微波輔助干化，以降低污泥含水率與改變污泥性狀，利用水分儀測(cè)量污泥顆粒的水分、拍照，以便進(jìn)行后續(xù)干化形態(tài)分析。

1.3 單因素實(shí)驗(yàn)

分別對(duì)加入砂土與氧化鈣的污泥進(jìn)行造粒實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加入砂土的污泥顆粒結(jié)構(gòu)松散；加入氧化鈣的污泥顆粒造粒效果良好，這是由于氧化鈣的加入使得造粒過(guò)程中的污泥黏壁現(xiàn)象有明顯改善。添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)氧化鈣的污泥顆粒在干燥過(guò)程中污泥顆粒直徑與時(shí)間的變化曲線如圖2所示。

圖2 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)氧化鈣污泥顆粒直徑變化曲線

1.4 響應(yīng)曲面法實(shí)驗(yàn)

根據(jù)上述對(duì)污泥顆粒的干化方法研究污泥的干化效果，對(duì)污泥干化過(guò)程中的主要影響參數(shù)氧化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)、污泥顆粒直徑、微波加熱時(shí)間、物料質(zhì)量分別進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，初步確定最佳參數(shù)的取值范圍，根據(jù)最佳范圍進(jìn)行因素水平測(cè)試，結(jié)果如表1所示。

表1 響應(yīng)曲面法實(shí)驗(yàn)的因素與水平

利用Pesponse Surface中Box-Behnken進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)：以含水率達(dá)到40%所需時(shí)間、污泥減容率為響應(yīng)值設(shè)計(jì)四因素三水平響應(yīng)曲面法實(shí)驗(yàn)，對(duì)所得擬合模型進(jìn)行方差分析及顯著性檢驗(yàn)，應(yīng)用模型進(jìn)行響應(yīng)曲面分析并驗(yàn)證。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 方差分析及顯著性檢驗(yàn)

據(jù)上述設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析，共進(jìn)行27組實(shí)驗(yàn)，分別在不同水平下調(diào)整因素?cái)?shù)值，響應(yīng)曲面法實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其數(shù)據(jù)如表2所示。

模型方差分析及顯著性檢驗(yàn)是衡量模型設(shè)計(jì)合理性及預(yù)測(cè)能力的重要方式，為分析單個(gè)控制變量的不同水平，以及多個(gè)控制變量的交互作用對(duì)污泥減容率和降低污泥含水率的顯著影響[16]，檢測(cè)實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組之間是否有顯著差異，因此，對(duì)模型回歸方程進(jìn)行方差分析及顯著性檢驗(yàn)。污泥減容率模型的F值為2.75，且(Prob>F)為0.043 6；污泥含水率模型的F值為20.95，且(Prob>F)<0.000 1，說(shuō)明兩模型均顯著，模擬精確，可用來(lái)分析和預(yù)測(cè)單因素與因素交互項(xiàng)對(duì)污泥減容率和降低污泥含水率的影響。此外，通過(guò)模型系數(shù)顯著性檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)污泥減容率進(jìn)行分析：微波加熱時(shí)間、粒徑與微波加熱時(shí)間交互項(xiàng)均為顯著影響因子；其中微波加熱時(shí)間的F值較大，說(shuō)明與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相關(guān)性最強(qiáng)影響明顯。物料質(zhì)量F值較小，說(shuō)明在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)影響小。對(duì)比F值亦可發(fā)現(xiàn)，自變量中微波作用時(shí)間對(duì)響應(yīng)值影響最明顯；交叉項(xiàng)中粒徑與微波時(shí)間的交互作用對(duì)污泥干化含水率的降低影響最明顯，對(duì)降低污泥含水率進(jìn)行分析：氧化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)、粒徑、微波加熱時(shí)間、物料質(zhì)量、氧化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)與粒徑交互項(xiàng)均為顯著影響因子，粒徑與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相關(guān)性最強(qiáng)影響明顯，物料質(zhì)量在實(shí)驗(yàn)范圍影響小。自變量對(duì)響應(yīng)值的影響次序?yàn)椋毫?微波加熱時(shí)間>氧化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)>物料質(zhì)量；交互項(xiàng)中氧化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)與粒徑的交互作用對(duì)降低污泥含水率的影響較大。

2.2 響應(yīng)曲面法實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

等高線形狀和三維響應(yīng)曲面反映交互效應(yīng)的強(qiáng)弱，根據(jù)二次擬合模型的響應(yīng)曲面和等高線評(píng)價(jià)各因素及其交互作用對(duì)污泥顆粒干化效果的影響，結(jié)果分別如圖3、圖4所示。3D圖能表征響應(yīng)曲面函數(shù)的形狀，曲面的曲率越大，因素的交互影響也就越大[17]。由圖3中可以看出，當(dāng)氧化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%、物料質(zhì)量為1.5 g時(shí)，隨著微波加熱時(shí)間的增加，污泥減容率所需的時(shí)間越短；當(dāng)微波加熱時(shí)間較長(zhǎng)、污泥粒徑較大時(shí)，污泥減容率變化較快。而從圖4中可以看出，當(dāng)微波時(shí)間為2 min、物料質(zhì)量為1.5 g時(shí)，粒徑的減少有助于污泥含水率的降低，表現(xiàn)為曲線較陡峭。在同一直徑下，隨著氧化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提升，污泥含水率降低的趨勢(shì)變緩。兩者趨勢(shì)不同，減少粒徑的同時(shí)需要減少氧化鈣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)才能使污泥含水率降低的時(shí)間最短。

圖3 微波加熱時(shí)間、粒徑及其交互作用對(duì)污泥減容率的響應(yīng)曲面圖

圖4 氧化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)、粒徑及其交互作用對(duì)污泥含水率降至40%的響應(yīng)曲面圖

3 結(jié)論

利用添加藥劑、加熱處理、微波處理、改變粒徑以及混合條件對(duì)活性污泥干化的影響進(jìn)行了相關(guān)的研究。設(shè)計(jì)了四因素三水平響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

(1)添加氧化鈣對(duì)污泥顆粒的造粒與干化都有積極作用，氧化鈣的加入使得造粒過(guò)程中的污泥黏壁現(xiàn)象有明顯改善，避免添加劑過(guò)量引起的成本提升。

(2)污泥減容率的最佳條件為：氧化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.94%、直徑為3.05 mm、微波加熱時(shí)間為0.85 min、物料質(zhì)量為1.04 g。

(3)污泥降低含水率的最佳條件為：氧化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.95%、直徑為3.27 mm、微波加熱時(shí)間為3.98 min、物料質(zhì)量為1.7 g。