超声声能密度对净水厂污泥脱水性能的影响

中国环境科学2017,37(3)：1009~1015ChinaEnvironmentalScience超声声能密度对净水厂污泥脱水性能的影响张浩,杨艳玲*,李星,郭璇,王帅,冀思扬,周志伟(北京工业大学建筑工程学院,北京100124)摘要：考察了不同声能密度(0.03,1.0,3.0,5.0W/mL)时超声作用对净水厂污泥脱水性能的影响,明确了污泥脱水性能变化的影响因素.结果表明,较低声能密度(0.03,1.0W/mL)超声作用少于10min时,污泥脱水性能可改善;而高声能密度条件下,无论超声时间长短,污泥的脱水性能均恶化.声能密度越高,污泥上清液中溶出有机物越高,絮体特性变化越明显,污泥脱水性能恶化程度越显著.在较低声能密度时,污泥的脱水性能与溶出有机物和污泥絮体特性变化无关;而在高声能密度(5.0W/mL)时,脱水性能的恶化程度与溶出有机物和絮体Zeta电位密切相关.关键词：净水厂污泥；脱水性能；超声波；声能密度中图分类号：X703.5文献标识码：A文章编号：1000-6923(2017)03-1009-07Effectofultrasoundenergydensityondewaterabilityofdrinkingwatertreatmentsludge.ZHANGHao,YANGYan-ling*,LIXing,GUOXuan,WANGShuai,JISi-yang,ZHOUZhi-wei(CollegeofArchitectureandCivilEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China).ChinaEnvironmentalScience,2017,37(3)：1009~1015Abstract：Theinfluenceofultrasoundenergydensitiesondewaterabilityofdrinkingwatertreatmentsludgeandtheinvolvedinfluencingfactorswasinvestigated.Thedewaterabilityofsonicatedsludgewasimprovedatrelativelylowenergydensitiesof0.03and1.0W/mLinlessthan10minutes.However,atrelativelyhighenergydensities,thedewaterabilityofsludgewasdeterioratedregardlessofultra-sonicationtime.Thecontentofsolubilizedorganicmatterinthesupernatantofsonicatedsludgewasincreased.Additionally,thefloccharacteristicschangedobviouslyandthedewaterabilitygotworseastheenergydensityincreased.Atlowerenergydensitiesof0.03and1.0W/mL,thedewaterabilityofsludgewasnotcorrelatedwithsolubilizedorganicmattersandfloccharacteristicsofsonicatedsludge.However,atahighenergydensityof5W/mL,thedewaterabilitywassignificantlyrelatedtosolubilizedorganicmattersandZetapotentialofsludge.Keywords：drinkingwatertreatmentchemicallysludge；dewaterability；ultrasound；energydensity在给水处理的混凝-沉淀或气浮过程中,会产生大量的净水污泥,其主要包括悬浮颗粒物、可溶性物质、部分絮凝剂水解产物等.净水污泥的性质与原水杂质的组成及投加的混凝剂种类有关.目前,大部分净水污泥多就近直接排放至天然水体中,造成水体的二次污染,因此对污泥进行处置和综合利用是非常必要的.活性污泥调理的方法主要有化学调理、氧化、酸碱、热处理、超声波空化等[1-3].超声波作为活性污泥厌氧发酵的预处理技术得到了广泛研究,相关研究主要围绕着活性污泥的破解特性、上清液中物质成分及浓度水平、污泥沉降性和脱水性变化、污泥中微生物活性、缩短硝化时间和提高产气量等方面.超声作用对污泥物理特性的影响主要体现在污泥沉降性能和脱水性能等方面.超声声能密度(或功率、比能)、频率和作用时间均可对活性污泥物理特性产生影响,采用较高声能密度、较长超声时间作用后,活性污泥颗粒粒径显著减小,颗粒内部结构变得更为疏松,同时上清液浊度显著增加,超声作用条件对污泥的沉降性能和脱水性能的改善程度存在一个最佳值,超过或低于该最佳值,污泥的沉降性能或脱水性能均呈现恶化的趋势[3-7].另外,活性污泥脱水性能的变化与其表面特性,如胞外聚合物(EPS)的溶出组分和含量,以及表面Zeta电位密切相关[2,8-11].收稿日期：2016-07-18基金项目：国家自然科学基金项目(51278005);北京市自然科学基金项目(8132007)*责任作者,研究员,[e-mail]1010中国环境科学37卷采用超声波技术处理净水污泥还少见报道,其作用对污泥脱水性能的影响机制尚不完善.由于净水污泥与活性污泥在微生物含量、有物浓度与组分以及污泥絮体表面特性等方面存在较大差异,超声波对净水污泥脱水性的影响也会显著不同.因此,本文考察了不同超声波声能密度(0.03,1.0,3.0,5.0W/mL)时,超声作用对净水厂污泥脱水性能的影响,并探讨了絮体表面特性的变化与其脱水性能之间的相关性,旨在为净水厂污泥的调理提供参考.1材料与方法1.1试验方法试验污泥为北京市某净水厂沉淀污泥,主要特性指标如下:温度为(20.4±0.8)℃,pH值为7.60±0.54,固体浓度TS为(1.57±0.22)g/L,污泥容积指数SVI为(110.4±0.37)mL/g,污泥的总TCODCr为(307±10)mg/L;污泥上清液中溶解性SCOD、多糖和蛋白质分别为(10.43±0.56),(11.82±1.30),(0.37±0.05)mg/L;污泥的平均比阻SRF值为17.92×1012m/kg、平均毛细吸水时间CST值为20.8s.采用探头式超声装置(XH-2008DE),考察0.03,1.0,3.0,5.0W/mL的声能密度对污泥脱水性能的影响.该超声波装置频率为25kHz,钛合金探头直径为18mm,电功率0~1500W可调,反应容器为100mm×100mm×50mm,声能密度可在一定范围内选取.在不同声能密度条件下,将输入电功率分别调至7.5,250,750,1250W,然后将250mL污泥加到反应容器中,保持超声探头垂直伸入液面10mm下,磁力搅拌速度为270rpm,整个超声过程不控温.考察超声作用时间为5,10,15,20,30min时污泥的无机物/有机物指标(如TS、SCOD、多糖和蛋白质等)、污泥表面特性指标(Zeta电位和BET比表面积)、以及污泥的CST和SRF指标变化.每个超声作用时刻点结束后更换反应容器中污泥,进行下一组试验.每组试验重复1次,数据均为平行试验的平均值.1.2主要指标的测定方法SRF的测定步骤如下:1)测定净水厂污泥的含固率C0;2)在布氏漏斗上放置滤纸,用水浸湿,紧贴底部;3)取150mL污泥,均匀倒入布氏漏斗滤纸上,开动真空泵,调节真空泵压力至0.035MPa;达到此压力时,开始启动秒表,并记下启动秒表时量筒内滤液体积;4)每隔一定时间(开始时可为10s或15s,滤速减慢后可为30s)记下量筒内相应的滤液体积;5)过滤至真空破坏,如真空长时间不破坏,抽滤20min即可;6)关闭真空泵,用小勺在滤纸上取少许泥样,烘干,测其含固率Cu;7)记录的过滤时间t除以对应的滤液体积V,得t/V值,以t/V为纵坐标、V为横坐标作图,曲线的直线段斜率即为b值,将b值代入式(1)中.2122SRF10PAbWµ=×(1)式中:P为过滤压强,Pa;过滤的压力差,N/m2;A为过滤面积,m2;b为比阻测定中的斜率,由坐标值可以计算出,s/m6;µ为滤液黏度,(N⋅s)/m2;W为单位体积滤液产生的干污泥质量,kg/m3;SRF为比阻值,m/kg.CST采用毛细吸水时间测定仪(DPC-10a型,恒奥德,北京)测定,测定方法参见文献[12].污泥絮体的BET比表面积采用比表面积测定仪(Nova2000e,Quantachrome公司,美国)测定.pH值用ThermopH测定仪测定.污泥絮体Zeta电位采用Zeta电位仪(ZetasizerNano2000,Malvern,英国)测定,仪器自动检测3次,结果取其平均值.取超声作用后的污泥混合液在4000r/min下离心10min,取上清液测定SCOD、蛋白质和多糖含量.SCOD采用连华科技5B-3型快速测定仪测定,蛋白质浓度采用BCA法测定试剂盒(SK3061,上海Sangon)测定,多糖采用蒽酮比色法测定.2结果与讨论2.1污泥SRF和CST变化规律从图1(a)可以看出,0.03W/mL与1.0W/mL声能密度条件下,超声作用10min后SRF从12.66×1012m/kg分别降至10.66×1012m/kg和11.33×1012m/kg的最低值,比超声作用前降低了15.8%和10.5%.随着超声作用时间的延长,SRF先增大后降低,但经0.03W/mL超声作用30min3期张浩等：超声声能密度对净水厂污泥脱水性能的影响1011后,SRF比超声作用前降低了15.8%.在较高声能密度(3.0,5.0W/mL)条件下,超声作用时间为15min时,SRF分别达到20.02×1012m/kg与22.72×1012m/kg的最大值,随后SRF降低直至平缓,且5.0W/mL声能密度条件下的SRF增幅比3.0W/mL的更高.该结果表明,在低声能密度(0.03,1.0W/mL)条件下,适宜的超声作用时间可降低污泥的SRF,改善污泥脱水性能.在高声能密度(3.0,5.0W/mL)条件下,无论超声时间长短,污泥脱水性能均呈现恶化的趋势.051015202530101214161820222426超声时间(min)SRF(×1012m/kg)0.03W/mL1.0W/mL3.0W/mL5.0W/mL(a)051015202530101520253035400.03W/mL1.0W/mL3.0W/mL5.0W/mL超声时间(min)CST(s)(b)图1SRF和CST变化情况Fig.1ChangesinSRFandCST由图1(b)可知,CST的变化趋势与SRF基本一致,即在0.03,1.0W/mL声能密度条件下,超声作用10min后,CST值从18s分别降至12.5s和15.3s的最低值,比超声作用前的降低了30.6%和15%.随着超声作用时间延长,CST呈现先增大后降低的趋势.在声能密度0.03W/mL、超声作用时间30min时,CST比超声作用前的降低了12.2%.在较高声能密度(3.0,5.0W/mL)时,CST随着作用时间逐渐增大,均在30min时达到33.3s与36.4s的最大值.另外,声能密度越大,CST增幅越高,在声能密度为5.0W/mL、超声作用30min时,CST增幅最大,从超声作用前的18s增加至36.4s.以上结果表明,超声声能密度为0.03W/mL和1.0W/mL且超声作用时间少于10min时,污泥的脱水性能有所改善,而当声能密度为3.0W/mL和5.0W/mL时,污泥的脱水性能均恶化,声能密度越高,脱水性能恶化越明显.2.2污泥溶出物及其与S