微波聯合PAM對污泥脫水性能的影響

韓洪軍，牟晉銘

(哈爾濱工業大學城市水資源與水環境國家重點實驗室，150090哈爾濱)

隨著世界各國嚴格控制污水排放標準和加強污水處理的同時，污泥產量的增加及帶來的環境污染已成為環保界關注的焦點.如何高效脫出占污水污泥重量95%以上的水分，已成為城市污泥處理處置的關鍵［1-4］.已有研究證明適宜的微波輻射可以明顯改善污泥的脫水性能.通過微波產生的高頻電磁場作用引起帶負電污泥顆粒的加速運動、相互碰撞，促使污泥結構脫穩.短時間的微波輻射引起污泥中的溫度梯度，破壞結合水與EPS(extracellular polymeric substances，胞外聚合物)之間的結合力［5-7］，從而使難處理的內部水和結合水轉化為易處理的自由水.

以城市生活污水廠的剩余污泥為研究對象，采用微波輻射聯合絮凝劑的方法，探討該條件下污泥脫水性能的變化規律及相關機理，確定改善污泥脫水性能的最佳加載條件，從而減少絮凝劑投加量，達到剩余污泥經濟、高效的處理目標.

1 實驗

1.1 污泥來源

本試驗的污泥來自武漢市某污水處理廠濃縮池的濃縮污泥，樣品取回后靜置24 h，待其穩定后去掉上清液，濃縮污泥的含水率在92%左右.

1.2 實驗儀器

DFC-10A型毛細吸水時間測定儀;格蘭仕P70D21N1L-Q9型微波加載器;TDL-5-A型離心機;奧林巴斯CKX41型電子顯微鏡;UV-2102PCS型紫外可見分光光度計;DBJ-621型定時變速攪拌機.

1.3 測定指標

包括污泥毛細吸水時間、離心脫水后污泥含水率、污泥比阻、污泥泥餅含水率等指標.

1.4 實驗方法

在已有試驗確定的最佳混凝劑投加量的基礎上，考慮聯合微波加載主要進行下述試驗研究.

1)確定兩者聯用順序.取10個500mL的燒杯分為兩組，每組5個并進行編號，在每個燒杯中分別加入200mL濃縮污泥.第1組:5個污泥樣品分別經微波(2450MHz，700W)30、40、50、60、70s后，倒出100mL污泥并分別加入1g/L的PAM溶液6mL.然后在150r/min轉速下快速攪拌30s后，改為50r/min慢速攪拌2min;另一組，先用相同投加量的PAM調理，然后在相同的微波加載條件進行加載.根據tcs(capillary suction time，毛細吸水時間)和離心后污泥含水率等指標來確定聯合處理順序.

2)確定最佳混凝劑投加量和微波加載時間.對于100mL污泥樣品，取1g/L的PAM溶液投加量分別為0、1、2、4、6、8mL，微波(2450MHz，700W)加載時間分別為0、30、40、50、60、70s.

2 結果與分析

2.1 聯用順序的確定

由圖1可以看出，先投加PAM(6mL，1g/L)后進行微波輻射(2450MHz，700W)順序下，污泥tcs和離心后污泥含水率都呈現逐漸增大趨勢，故污泥脫水效果向著變差的方向發展，而且不斷惡化并沒有改善的趨勢.而先微波輻射后PAM調理的順序下，污泥tcs在起始階段由原來的36.9s降至21.6s、離心后污泥含水率由83.28%降至80.24%，污泥的脫水性能得到明顯改善，雖然后期出現反常現象，但足以表明先進行微波輻射然后進行PAM調節的方式明顯優于先PAM調理后微波輻射的結合方式.原因主要是兩者聯用時，以混凝劑的吸附架橋和電中和作用為主，PAM在污泥膠質微粒表面起化學反應，中和污泥膠質微粒的電荷，促使污泥微粒凝聚成大的顆粒絮體［8-9］.而微波輻射對結合水與污泥絮體之間結合力的破壞作用，將污泥絮體破碎成適當大小，并釋放部分結合水，結合PAM調理則可進一步改善污泥脫水性能.而先進行PAM調節，污泥微粒已凝聚成大的絮體，若再用微波輻射處理，則由于微波高頻電磁場作用引起污泥顆粒的加速運動、相互碰撞，會使PAM形成的絮體破碎，同時污泥黏度進一步增加，導致污泥的脫水性能變差.

圖1 聯合順序對污泥脫水性能的影響

2.2 微波輻射與PAM聯用對污泥過濾性能的影響

Rsf(specific resistence to filtration，污泥比阻)是反映污泥過濾性能的綜合指標，Rsf值越大，污泥脫水性能越差.由圖2可以看出，在初始階段，隨著污泥投加量和微波輻射的變化，污泥比阻明顯降低，特別在微波輻射時間為50 s、PAM投加量為4 mL時，污泥比阻由原泥的5.42×109降至0.35×109s2·g-1，達到容易過濾脫水污泥比阻范圍.且真空抽濾后污泥含水率由94.19%降至83.18%.適宜的聯用技術可使污泥的脫水性能得到明顯的改善.

適宜的微波輻射通過高頻電磁場作用引起帶負電污泥顆粒的加速運動、相互碰撞，促使污泥結構脫穩，同時，短時間的微波輻射引起污泥中的溫度梯度，破壞結合水與EPS之間的結合力.Neher等［10］發現“細胞離子通道”學說，并證明細胞因外部電磁場的作用會導致細胞壁機械性破裂.

結合以上研究成果，認為適宜的微波輻射可以破壞污泥的絮體結構，使污泥絮體中的部分結合水及間隙水溶出，結合PAM調理可使污泥脫水性能得到明顯改善.

圖2 污泥輻射時間和PAM投加量對污泥比阻影響

2.3 微波輻射與PAM聯用對離心后污泥含水率的影響

對污泥樣品進行處理后，將污泥在2500r/min的轉速下離心5min，測定離心后污泥的含水率.由圖3可以看出，隨著微波輻射時間增加和PAM投加量的增大，離心后污泥的含水率表現出先急劇減小、然后慢慢增加的規律.離心后污泥含水率由原泥的87.86%降至80%左右，其中微波輻射50s時，各曲線的污泥含水率都最低.而PAM投加量為4 mL時，聯用曲線的含水率也都為最低.說明適宜的微波和PAM聯用條件可明顯改善污泥的脫水性能.

2.4 微波輻射與PAM聯用對污泥tcs的影響

污泥毛細吸水時間(tcs)可全面表征污泥脫水性能，因其測定簡便、快速，廣泛應用于污泥脫水性能的測定.由圖4可以看出，經過聯用處理后，污泥tcs由原泥的84.7s降為40s左右.其中微波輻射50s時，各曲線的污泥tcs都最低.而PAM投加量為4mL時，聯用曲線的tcs也都為最低.但隨著輻射時間和PAM投加量的增加，tcs有上升趨勢.由tcs值變化規律可知，聯用后污泥的tcs大幅度降低，污泥脫水性能得到明顯改善.

圖3 微波輻射時間和PAM投加量對污泥含水率的影響

圖4 微波輻射時間和PAM投加量對污泥tcs的影響

2.5 微波對污泥絮體結構的影響

胞外聚合物(EPS)普遍存在于剩余污泥內，其主要成分為多糖和蛋白質，兩者的TOC占整個EPS的70% ～80%［11-12］.EPS分子可以從細胞表面伸展出來，阻礙細胞之間的親密接觸，形成密實的凝膠，阻止結合水從凝膠的微孔擠出，所以，EPS的存在使脫水性變差［13-15］.同時，EPS是高度親水的膠團，包括溶解性 EPS和結合性 EPS，導致污泥高黏度［16］.

本試驗EPS以多糖和蛋白質質量分數來表征［17］.取污泥離心后的上清液為研究對象，測定上清液中蛋白質、糖類和核酸的質量濃度并測定離心后污泥殘渣中EPS的含量.其中多糖采用苯酚-硫酸法測定［18］，蛋白質采用 Folin-酚試劑法測定［19］，核酸采用二苯胺法測定［20］.

如圖5、6所示，隨著輻射時間的增加，上清液中多糖和蛋白質在40～50 s時明顯增加，而在EPS中其質量分數均明顯減少.核酸質量分數變化不明顯，表明此時主要是污泥EPS結構被破壞，少量細胞破解.隨著輻射時間進一步增加，核酸質量分數及上清液中多糖和蛋白質的質量濃度隨之迅速增加，此時細胞大量破解，胞內物質大量流出.結合上文污泥脫水效果表明，短時間內微波改善污泥脫水性能的原因主要是破壞污泥絮體EPS結構，使其中的結合水釋出，污泥顆粒間距增大，再協同調理劑，加速了結合水的釋出速率，改善了污泥的脫水性能.而長時間微波后，污泥脫水性能惡化歸因于高速旋轉的電磁場使污泥中大量微生物細胞壁破裂，胞內物質大量流出，EPS增加重新包裹結合水，加之污泥絮體過度破壞，污泥顆粒變細小，不利于污泥脫水.這與Jin等［21］認為tcs與EPS中的蛋白質和多糖呈負相關性及田禹等［5］的研究成果一致.

圖5 上清液中蛋白質和多糖變化

圖6 EPS中蛋白質、多糖及核酸變化

2.6 最佳聯用條件確定

雙因素方差分析結果如表1所示.為簡便起見，假設微波加載時間和PAM投加量之間無相互影響(取均值)，且因素A為PAM投加量，因素B為微波輻射時間.由于污泥tcs、含水率及污泥比阻的FA、FB值均遠遠大于F0.01(5，25)=3.85，PAM投加量和微波輻射時間對污泥脫水性能均有顯著影響.因此，選取A、B的最優聯用條件為:先對污泥進行50s微波輻射(2450MHz，700W)，再投加PAM4mL(1g/L，100mL污泥)，污泥的脫水性能最優.污泥的tcs、離心后含水率及污泥比阻分別由原泥的84.7s、87.86%、5.42×109s2·g-1降至16.7s、78.16%、0.35×109s2·g-1.污泥脫水性能得到大幅度改善.

表1 雙因素方差分析

3 結論

1)微波輻射和PAM聯用時，兩者的聯用順序對處理效果有明顯影響，先微波輻射后PAM調理的聯合方式明顯優于先PAM調理后微波輻射.

2)適宜的微波輻射能破壞污泥的絮體EPS結構，污泥絮體顆粒變小、間隙增大，使其中的結合水釋出.再協同調理劑，加速了結合水的釋出速率，改善了污泥的脫水性能.而長時間的微波輻射使微生物細胞壁破裂，胞內物質大量流出，EPS增加重新包裹結合水，加之污泥絮體過度破壞使污泥脫水性能惡化.

3)最優的聯用條件為:先對污泥進行50s微波輻射(2450MHz，700W)，再投加PAM4mL(1g/L，100mL污泥).污泥的tcs、離心后含水率及污泥比阻分別由原泥的84.7s、87.86%、5.42×109s2·g-1降至16.7s、78.16%、0.35×109s2·g-1.

4)只進行PAM調理時最佳投加量為6mL，調理后污泥的tcs、離心后含水率及污泥比阻分別為37.3s、83.68%、1.72×109s2·g-1;而最優聯用條件下，只需投加PAM4mL，污泥指標分別為16.7s、78.16%、0.35×109s2·g-1.PAM投加量降低了33%，且處理效果更優.因此，聯用技術能大大降低PAM投加量，提高污泥脫水效果，使污泥后續處理成本大大降低.

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