超声能量密度对污泥脱水性能的影响

书书书　第６１卷　第２期　　化　工　学　报　　　　　　　Ｖｏｌ．６１　Ｎｏ．２　２０１０年２月　　ＣＩＥＳＣ　Ｊｏｕｒｎａｌ　　　Ｆｅｂｒｕａｒｙ　２０１０檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭殐殐殐殐研究简报超声能量密度对污泥脱水性能的影响严媛媛１，冯雷雨１，张超杰１，朱洪光１，谭学军２，张　辰２，周　琪１（１同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海２０００９２；２上海市政工程设计研究总院，上海２０００９２）关键词：超声波；能量密度；污泥；脱水性能中图分类号：Ｘ７　　　　　　文献标识码：Ａ文章编号：０４３８－１１５７（２０１０）０２－０４９１－０５犈犳犳犲犮狋狅犳狌犾狋狉犪狊狅狀犻犮犲狀犲狉犵狔犱犲狀狊犻狋狔狅狀狊犾狌犱犵犲犱犲狑犪狋犲狉犻狀犵狆犲狉犳狅狉犿犪狀犮犲犢犃犖犢狌犪狀狔狌犪狀１，犉犈犖犌犔犲犻狔狌１，犣犎犃犖犌犆犺犪狅犼犻犲１，犣犎犝犎狅狀犵犵狌犪狀犵１，犜犃犖犡狌犲犼狌狀２，犣犎犃犖犌犆犺犲狀２，犣犎犗犝犙犻１（１犛狋犪狋犲犓犲狔犔犪犫狅狉犪狋狅狉狔狅犳犘狅犾犾狌狋犻狅狀犆狅狀狋狉狅犾犪狀犱犚犲狊狅狌狉犮犲狊犚犲狌狊犲，犜狅狀犵犼犻犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔，犛犺犪狀犵犺犪犻２０００９２，犆犺犻狀犪；２犛犺犪狀犵犺犪犻犕狌狀犻犮犻狆犪犾犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵犇犲狊犻犵狀犐狀狊狋犻狋狌狋犲，犛犺犪狀犵犺犪犻２０００９２，犆犺犻狀犪）犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｅｎｅｒｇｙｄｅｎｓｉｔｙｏｎｓｌｕｄｇｅｄｅｗａｔｅｒｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｗａｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄａｎｄｔｈｅｒｅｌａｔｅｄｍｅｃｈａｎｉｓｍｗａｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｉｍｅｏｆｕｌｔｒａｓｏｎｉｃａｃｔｉｏｎｈａｄｌｉｔｔｌｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｓｌｕｄｇｅｄｅｗａｔｅｒｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｔｔｈｅｌｏｗｅｒｅｎｅｒｇｙｄｅｎｓｉｔｙ．Ｓｌｕｄｇｅｄｅｗａｔｅｒｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｗａｓｉｍｐｒｏｖｅｄｗｈｅｎｅｎｅｒｇｙｄｅｎｓｉｔｙｉｎｃｒｅａｓｅｄｆｒｏｍ０．２５ｋＷ·Ｌ－１ｔｏ０．５ｋＷ·Ｌ－１．Ａｔｔｈｅｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｅｎｅｒｇｙｄｅｎｓｉｔｙｏｆ０．５ｋＷ·Ｌ－１，ｓｌｕｄｇｅｄｅｗａｔｅｒｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｒｅａｃｈｅｄｔｈｅｈｉｇｈｅｓｔａｔｔｈｅｔｉｍｅｏｆ１０ｓｗｉｔｈｍｕｄｃａｋｅｗａｔｅｒｃｏｎｔｅｎｔ８３．８％，ｓｐｅｃｉｆｉｃｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ（ＳＲＦ）０．８×１０９ｓ２·ｇ－１，ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ１６．８ｍＰａ·ｓａｎｄｃａｐｉｌｌａｒｙｓｕｃｔｉｏｎｔｉｍｅ（ＣＳＴ）１０．７ｓ．Ａｔｔｈｅｈｉｇｈｅｒｅｎｅｒｇｙｄｅｎｓｉｔｙ，ｓｌｕｄｇｅｆｌｏｃｗａｓｄｅｓｔｒｏｙｅｄａｎｄｄｉｓｐｅｒｓｅｄｗｈｉｃｈｒｅｓｕｌｔｅｄｉｎｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｆｉｌｔｒａｔｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅａｎｄｔｈｅｄｅｔｅｒｉｏｒａｔｉｏｎｏｆｓｌｕｄｇｅｄｅｗａｔｅｒｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ａｔｔｈｅｅｎｅｒｇｙｄｅｎｓｉｔｙｏｆ４ｋＷ·Ｌ－１，ａｎｄｔｉｍｅｏｆｕｌｔｒａｓｏｎｉｃａｃｔｉｏｎ１２０ｓ，ｍｕｄｃａｋｅｗａｔｅｒｃｏｎｔｅｎｔ，ＳＲＦ，ｖｉｓｃｏｓｉｔｙａｎｄＣＳＴｗｅｒｅｕｐｔｏ８９．４％，３．１×１０９ｓ２·ｇ－１，４３．２ｍＰａ·ｓａｎｄ５６．２ｓ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．犓犲狔狑狅狉犱狊：ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ；ｅｎｅｒｇｙｄｅｎｓｉｔｙ；ｓｌｕｄｇｅ；ｄｅｗａｔｅｒｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　　２００９－０８－１０收到初稿，２００９－０９－２０收到修改稿。联系人：冯雷雨。第一作者：严媛媛（１９８１—），女，博士研究生。　引　言近年来，生物法在城市污水处理中得到广泛的应用，然而在处理过程中产生了大量的污泥，污泥中含有５０％～７０％的有机物和较多的氮、磷等营养成分以及致病菌、寄生虫卵等有害物质。其化学性质极不稳定，如不加处置或处置不当，就会形成二次污染，散发臭气，甚至传播疾病。　　犚犲犮犲犻狏犲犱犱犪狋犲：２００９－０８－１０．犆狅狉狉犲狊狆狅狀犱犻狀犵犪狌狋犺狅狉：ＦＥＮＧＬｅｉｙｕ，[e-mail]　剩余污泥是经曝气而产生的活性污泥，其结构疏松，表面积大，含水率高。有研究表明，构成剩余污泥的菌胶团内部包含的水分占污泥总含水量的２０％以上，而菌胶团结构稳定，难以被机械作用（压滤、离心等）破坏。因此，通常采用高温高压或酸碱调节方法对剩余污泥进行脱水减量［１４］。但以上方法存在操作条件苛刻或者化学药剂污染等问题，其应用日益受到限制，故亟需开发其他更加行之有效的污泥处理方法。目前，超声波因其反应条件温和、无污染、效果明显等特点日益受到人们的关注［５８］。超声波处理污泥主要利用声波的能量，原理是选择一定频率和振幅的超声波，利用其在液体中产生的“空穴”作用，形成极端的物理和力学条件，局部的高温（５０００℃）高压（５０ＭＰａ），同时产生强力喷射形成巨大的水力剪切力，将微生物细胞壁击破，释放出胞内物质，提高污泥处理的效率［９１３］。文献中有关超声波处理污泥的研究多集中在提高好氧或厌氧消化效果以及改善污泥脱水性能等方面［１４２０］。在超声处理污泥改善脱水性能的研究中，绝大部分并没有全面地考察超声处理对脱水性能的影响。本课题组研究表明，应用超声处理剩余污泥过程中，能量密度是影响剩余污泥脱水性能的关键因素。因此，本研究从污泥滤饼含水率、比阻（ＳＲＦ）、黏度以及毛细脱水时间（ＣＳＴ）等指标全面考察超声能量密度对剩余污泥脱水性能的影响，并对相关机理进行探讨。１　实验材料１１　实验用泥实验所用剩余污泥取自上海市某污水处理厂的回流污泥泵房。取回的新鲜剩余污泥首先放置在４℃下沉降２４ｈ，排除上清液，然后根据实验需要进行稀释或浓缩。沉降后剩余污泥的主要性质见表１。表１　剩余污泥沉降后的主要性质犜犪犫犾犲１　犕犪犻狀犮犺犪狉犪犮狋犲狉犻狊狋犻犮狊狅犳狊犲狋狋犾犲犱狊犾狌犱犵犲ＴｅｓｔｉｔｅｍＭｅａｎｖａｌｕｅＳｔａｎｄａｒｄｄｅｖｉａｔｉｏｎｐＨ６．８０．１ｗａｔｅｒｃｏｎｔｅｎｔ／％８６．１１．４ＳＲＦ×１０－９／ｓ２·ｇ－１２．１０．０９ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ／ｍＰａ·ｓ２５．８０．３６ＣＳＴ／ｓ１５．８１．９１２　实验仪器超声波破碎仪（ＳｏｎｉｃｓＶＣＸ１０５）；黏度仪（ＳＶＭ３０００）；ＣＳＴ测定仪（ＴｒｉｔｏｎＷ．Ｒ．ＣＭｕｌｔｉｐｕｒｐｏｓｅＦｉｌｔｒａｔｉｏｎ３１９）。１３　实验方法用烧杯分次取定量污泥置于超声波发生器内，在不同超声能量密度条件下进行超声处理后取样待测。１４　分析方法（１）污泥滤饼含水率测定方法：将６０ｍｌ蒸发皿放在烘箱内，以１０５℃烘２ｈ，取出后放在干燥器中冷却０．５ｈ，用天平称重，记录质量犠１。然后将２０ｇ污泥滤饼置于烘干的蒸发皿中，放入１０５℃的烘箱内烘２ｈ，取出放入干燥器内冷却０．５ｈ，称重，记录质量犠２，代入下式计算含水率。犘＝２０－（犠１－犠２）２０×１００％式中　犘为污泥含水率，％；犠１为第一次称重（空蒸发皿质量），ｇ；犠２为烘干后称重（蒸发皿质量＋样品质量），ｇ；２０为索取污泥滤饼质量，ｇ。（２）毛细吸收时间（ＣＳＴ）测定方法［１３］：将５ｍｌ上述调理过的污泥倒入直径为１８ｍｍ的不锈钢圆柱中，通过ＣＳＴ标准滤纸Ｗｈａｔｍａｎ１７＃产生的毛细吸水压力从污泥中吸收水分，以滤液润湿半径自１ｃｍ至３ｃｍ所需时间为ＣＳＴ值。（３）黏度测定方法：将污泥样品移入黏度计，在温度２５℃及剪切速率１０ｓ－１条件下测定污泥样品的切应力，之后计算表观黏度。（４）比阻测定方法［１４］：采用真空过滤法，样品温度为２５℃，真空压恒定压为１３．８ｋＰａ，有效过滤面积为５５．２ｃｍ２，记得不同时刻（狋）的滤液体积（狏），利用线性回归求出狋狏线的斜率，分别测定原污泥以及滤饼的含固量，根据比阻公式计算出相应数值。２　结果与讨论２１　超声能量密度对污泥滤饼含水率的影响污泥滤饼含水率定义为污泥滤饼中所含水分的质量占污泥滤饼总质量的百分数。图１为超声能量密度和处理时间对滤饼含水率的影响。由图１可以看出，原污泥经抽滤后滤饼含水率约为８６．１％。在低超声能量密度下（０．２５ｋＷ·Ｌ－１），滤饼含水率随超声时间增加变化幅度不大。当超声能量密度为０．５ｋＷ·Ｌ－１时，超声处理５ｓ后滤饼含水率下降到８５．２％；延长超声处理时间至１０ｓ，滤饼含水率进一步下降为８３．８％。在高超声能量密度下·２９４·化　工　学　报　　第６１卷　图１　超声能量密度对滤饼含水率的影响Ｆｉｇ．１　Ｅｆｆｅｃｔｏｆｅｎｅｒｇｙｄｅｎｓｉｔｙｏｎｗａｔｅｒｃｏｎｔｅｎｔｏｆｓｌｕｄｇｅｃａｋｅ　（１、２、４ｋＷ·Ｌ－１），污泥含水率则随着超声时间的延长而增大，说明在高能量密度下污泥脱水性能有所恶化。可见，能改善脱水性能的超声能量密度和处理时间的范围都非常窄，适宜的能量密度为０．２５～０．５ｋＷ·Ｌ－１，处理时间为０～６０ｓ。在低能量密度下对污泥进行超声处理时，超声效应对污泥的破坏作用有限，滤饼含水率变化不大。进一步提升能量密度到０．５ｋＷ·Ｌ－１时，污泥外层的结合水被充分释放，脱水性能得到明显改善。当应用高能量密度的超声波对污泥进行处理时，由于污泥絮体结构被彻底破坏，污泥颗粒被分解为粒径更小的粒子。通常情况下，粒径减小会导致污泥比表面积增大，对水的吸附能力增强，表现为滤饼含水率的增加。可见，超声对污泥脱水性能存在正负两种效应。２２　超声能量密度对污泥比阻与黏度的影响比阻和黏度是污泥脱水性能的重要指标。污泥比阻越大，其脱水性能越差，污泥比阻越小，脱水性能就越好；黏度值则与比阻有很好的线性关系，是评价脱水性能很好的指标，黏度值越小，脱水性能越好。从流体力学角度来看，黏度属于流体力学范畴，流体力学一个很重要的概念就是流变性。流变性是指在剪切流动条件下，流体所受切应力与剪切速率之间的关系，二者比值称为动力黏度。对于牛顿流体，切应力与剪切速率线性相关，即黏度为常数；而对于非牛顿流体，二者非线性相关，即黏度为非常数（亦称表观黏度）。从流体力学角度看，污泥脱水性能是其流变性能的反映，而污泥调理则是改变其流变性能的手段。２．２．１　黏度的变化　经不同超声能量密度处理后污泥的黏度变化如图２所示。可以看出，原污泥表观黏度为２５．８ｍＰａ·ｓ，类似于超声能量密度对滤饼含水率的影响，在超声能量密度为０．２５ｋＷ·Ｌ－１时，污泥黏度值并没有随超声时间延长发生明显的变化。在超声能量密度为０．５ｋＷ·Ｌ－１下，超声处理５ｓ时表观黏度下降到２１．７ｍＰａ·ｓ，在超声处理时间为１０ｓ情况下，表观黏度进一步降低至１６．８ｍＰａ·ｓ，且下降趋势保持到６０ｓ。超声处理时间超过６０ｓ时，表观黏度较原污泥反而有所升高。高超声能量密度下（１、２、４ｋＷ·Ｌ－１），此３种能量密度的表观黏度明显高于未经超声处理的原污泥，超声６０ｓ时，分别达到了３５．９、３９．２、４１．９ｍＰａ·ｓ。图２　超声能量密度对污泥黏度的影响Ｆｉｇ．２　Ｅｆｆｅｃｔｏｆｅｎｅｒｇｙｄｅｎｓｉｔｙｏｎｓｌｕｄｇｅｖｉｓｃｏｓｉｔｙ　众所周知，流变性实质是流体物料力学性质的反映，即流体抵抗剪切变形的能力。污泥相对稳定的胶状网络结构是影响表观黏度的主要原因。当施加适宜能量密度的超声波时，由于空化效应，空化泡的瞬时崩溃对污泥菌胶团产生强烈的剪切作用，导致菌胶团结构被破坏，菌胶团粒子沿流动方向定向排列，流动阻力减小，表现黏度降低；当超声能量密度超过一定限度时，菌胶团粒子的流变性能被彻底破坏，流动阻力增大，表观黏度升高，脱水性能恶化。２．２．２　比阻的变化　污泥比阻是指污泥在一定压力下过滤时，单位过滤面积上滤饼单位干重所具有的阻力，比阻越小，说明污泥脱水性能越好，反之越差。一般认为比阻在１０９～１０１０ｓ２·ｇ－１的污泥为难过滤的污泥，比阻在（０．５～０．９）×１０９ｓ２·ｇ－１的污泥为中等过滤难度的污泥，比阻小