超聲波或生石灰單獨(dú)及聯(lián)合作用對(duì)污泥脫水性能的影響

蘇建文，鄭 浩，王彩冬，王俊超，許尚營(yíng)，時(shí)永輝

(魯南制藥集團(tuán)股份有限公司污染控制與資源化研究中心，山東臨沂 273400)

污水處理廠的污泥經(jīng)機(jī)械脫水后含水率普遍超過(guò)80%，這對(duì)于后續(xù)的污泥處置很不利，有關(guān)污泥的深度脫水成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。為改善污泥的脫水性能，通常采用物理法、化學(xué)法或生物法對(duì)污泥進(jìn)行調(diào)理［1-7］。

超聲波調(diào)節(jié)屬于一種物理調(diào)節(jié)方法。超聲波的頻率范圍為20×103～10×106Hz，當(dāng)一定強(qiáng)度的超聲波作用于某一液體系統(tǒng)中時(shí)，將產(chǎn)生一系列理化反應(yīng)，并明顯改變液體中的溶解態(tài)和顆粒態(tài)物質(zhì)的特征。這些反應(yīng)是由聲場(chǎng)條件下大量空化泡的產(chǎn)生和破滅引起的［8］。超聲破解污泥主要作用途徑是水剪切力的機(jī)械作用［9］。隨著超聲波頻率增加，細(xì)胞降解程度明顯下降［10-12］。為了獲得高效的污泥分解效果，推薦采用較低的超聲頻率(不超過(guò)40 kHz)。污泥中的菌膠團(tuán)具有良好的保水性，內(nèi)部包含的水量約占總水量的27%，而且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，難以為機(jī)械作用(壓濾、離心等)所破壞;超聲波可以有效破壞污泥菌膠團(tuán)的結(jié)構(gòu)，將其內(nèi)部包含水釋放成容易去除的自由水［13］。殷絢等［14］研究認(rèn)為較小聲強(qiáng)超聲波(＜600 W/m2)處理較短時(shí)間有利于減少污泥的結(jié)合水，其機(jī)理可能是超聲波促進(jìn)混凝作用和EPS對(duì)污泥顆粒團(tuán)聚作用的共同結(jié)果。

生石灰(CaO)可以作為污泥脫水的助凝劑。生石灰在污泥脫水過(guò)程中能起到填充料的作用，使污泥不易粘附堵塞濾布，在污泥中構(gòu)建更加多孔的、可滲透的、剛硬的格子框架結(jié)構(gòu)，促使污泥顆粒化，降低污泥黏度，讓自由水更容易透過(guò)，從而提高污泥脫水效果［15］。生石灰中的鈣與污泥中的有機(jī)物結(jié)合，提高了污泥的顆粒密度，污泥的比阻隨生石灰投加量的增加而降低［16］。此外，生石灰的強(qiáng)堿性還常被用來(lái)穩(wěn)定污泥，將生石灰作為污泥脫水添加劑，可在提高污泥的脫水效果的同時(shí)實(shí)現(xiàn)污泥的穩(wěn)定化［17］。

本文以制藥廠污水站濃縮污泥為研究對(duì)象，考察超聲波與生石灰單獨(dú)及聯(lián)合作用對(duì)污泥脫水性能的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

CaO:分析純，天津恒興化學(xué)試劑

濃縮污泥:取自山東新時(shí)代藥業(yè)三期環(huán)保站污泥濃縮池，基本性質(zhì)如表1所示。

表1 濃縮污泥的基本性質(zhì)Tab.1 Basic Properties of Sludge

1.2 試驗(yàn)儀器

JY99超聲波連續(xù)流細(xì)胞粉碎機(jī);TDZ5-WS多管架自動(dòng)平衡離心機(jī);JH-12型COD恒溫加熱器;JB-2型磁力攪拌器;101-2A型電熱鼓風(fēng)干燥箱;SHZ-D(Ⅲ)型循環(huán)水式真空泵。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 超聲波單獨(dú)處理

取1 L濃縮污泥放入超聲波儀的鋼制容器內(nèi)，將超聲波探頭頂端浸沒(méi)于污泥液面下10 mm處，設(shè)定不同的超聲時(shí)間;開(kāi)啟電源進(jìn)行超聲處理，超聲頻率為28 kHz，功率為2 800 W。將處理后的污泥試樣存放于試劑瓶并檢驗(yàn)污泥的脫水性能。

考察污泥的沉降性能:用量筒精確量取100 mL的污泥，靜置于通風(fēng)櫥內(nèi)，分別記錄24、48、72 h污泥沉降后的體積。

考察污泥的抽濾脫水性能:取30 mL的各組污泥試樣，以中速定性濾紙為過(guò)濾介質(zhì)，在真空度為0.095 Mpa下抽濾5 min后，測(cè)定濾餅的含水率。濾餅含水率的高低可反映污泥抽濾脫水程度的高低。

考察污泥的離心脫水性能:取一定量的各組污泥試樣，分別裝滿4個(gè)10 mL的離心管，勻稱地?cái)[放在離心機(jī)內(nèi)，最大離心半徑為10 cm，在2 000 r/min的轉(zhuǎn)速下離心5 min。用量筒收集離心上清液，測(cè)定液體體積并檢測(cè)其COD。離心液體積的多少可以反映離心脫水程度的高低，其COD的大小則反映離心脫水效果的好壞。

1.3.2 生石灰單獨(dú)處理

取100 mL濃縮污泥，加入一定量的CaO，用磁力攪拌器先快速攪拌2 min，再慢速攪拌8 min，攪拌均勻后檢驗(yàn)污泥的脫水性能。

羥氯喹血藥濃度與系統(tǒng)性紅斑狼瘡療效相關(guān)性的研究進(jìn)展……………………… 羅雪梅，彭 穎，束 慶，等（1·40）

考察污泥的離心脫水性能:同上。

考察污泥的抽濾脫水性能:取30 mL的各組污泥試樣進(jìn)行抽濾，當(dāng)真空度達(dá)0.095 Mpa時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)直至濾餅龜裂、真空被破壞，記錄抽濾時(shí)間并測(cè)定濾餅含水率。抽濾時(shí)間和濾餅含水率分別表征抽濾脫水的速率和程度。

1.3.3 超聲波與生石灰聯(lián)合處理

取1 L濃縮污泥先用超聲波處理，再?gòu)闹腥?00 mL污泥加入一定量的CaO，用磁力攪拌器先快速攪拌2 min，再慢速攪拌8 min，攪拌均勻后進(jìn)行離心脫水試驗(yàn)，考察污泥的脫水性能。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 超聲波單獨(dú)處理

濃縮污泥經(jīng)超聲波分別處理1、3、5 min后，沉降曲線、抽濾脫水性能和離心脫水性能分別如圖1、圖2和圖3所示。

圖1 污泥經(jīng)不同時(shí)間超聲處理后的沉降曲線Fig.1 Settlement Curves of Sludge Treated by Ultrasonic with Different Time

圖2 超聲處理時(shí)間對(duì)污泥抽濾后濾餅含水率的影響Fig.2 Effect of Ultrasonic Time on Moisture Content of Sludge Cake

圖3 超聲處理時(shí)間對(duì)污泥離心脫水性能的影響Fig.3 Effect of Ultrasonic Time on Dewaterability of Sludge by Centrifugation

由圖1可知經(jīng)不同時(shí)間的超聲處理后污泥的沉降速率大小為V3＞V5＞V1＞V0，這說(shuō)明超聲波處理能夠提高污泥的沉降性能，相對(duì)而言，超聲處理3 min后污泥的沉降性能最好。超聲波對(duì)污泥能夠產(chǎn)生一種海綿效應(yīng)，使水分更容易從波面?zhèn)鞑ギa(chǎn)生的通道通過(guò)，從而使污泥顆粒團(tuán)聚、粒徑增大，當(dāng)其粒徑大到一定程度，就會(huì)做熱運(yùn)動(dòng)相互碰撞、黏結(jié)，最終沉淀［13］。

由圖2可知污泥抽濾后濾餅的含水率會(huì)隨著超聲處理時(shí)間的增加而增大，說(shuō)明經(jīng)超聲處理后污泥的抽濾脫水性能變差，而且超聲處理時(shí)間越長(zhǎng)，污泥的抽濾脫水性能越差。這是由于超聲波功率過(guò)大，產(chǎn)生的空化效應(yīng)會(huì)過(guò)分破壞污泥顆粒，使得污泥絮體破碎嚴(yán)重，增加了過(guò)濾比阻，造成抽濾困難。

2.2 生石灰單獨(dú)處理

生石灰的投加量分別為 0、2‰、4‰、6‰、8‰、10‰、12‰、14‰和 16‰，濃縮污泥經(jīng)生石灰處理后，抽濾脫水性能和離心脫水性能分別如圖4和圖5所示。

圖4 CaO投加量對(duì)污泥抽濾脫水性能的影響Fig.4 Relationship between CaO Dosage and Dewaterability of Sludge by Filtration

圖5 CaO添加量對(duì)污泥離心脫水性能的影響Fig.5 Relationship between CaO Dosage and Dewaterability of Sludge by Centrifugation

由圖4可知不添加CaO，污泥的抽濾脫水時(shí)間為17 min，濾餅含水率為74.5%;當(dāng)CaO投加量為2‰時(shí)，抽濾時(shí)間增大到22 min;隨著CaO投加量的增大，污泥抽濾時(shí)間呈直線下降趨勢(shì);當(dāng)CaO投加量≥10‰ 時(shí)，抽濾時(shí)間降至1 min以內(nèi)。然而當(dāng)CaO投加量≤10‰時(shí)，污泥抽濾后的濾餅含水率呈增大趨勢(shì)，最大達(dá)到80.8%;此后隨著CaO投加量的增大，濾餅含水率緩慢下降。由于各個(gè)試驗(yàn)樣品的抽濾時(shí)間不同，抽濾后的濾餅含水率并不能體現(xiàn)抽濾脫水效果的好壞;但是僅從抽濾時(shí)間來(lái)看，添加CaO對(duì)濃縮污泥進(jìn)行調(diào)理可以顯著提高污泥的抽濾脫水性能。

由圖5可知隨著CaO投加量的增大，污泥離心脫水后離心液的體積逐漸增大，由18.5 mL增大到22.5 mL。當(dāng)CaO投加量＜10‰ 時(shí)，隨著添加劑量增大，離心出水體積增長(zhǎng)趨勢(shì)較快;而當(dāng)CaO投加量≥10‰時(shí)，離心出水體積增長(zhǎng)緩慢。同時(shí)，隨著CaO投加量的增大，離心出水的澄清度增加，由烏黑渾濁液逐漸變?yōu)闇\黃色澄清液;而且出水COD呈下降趨勢(shì)，并以CaO投加量10‰為分界點(diǎn)，下降趨勢(shì)前快后慢。結(jié)果說(shuō)明添加CaO對(duì)濃縮污泥進(jìn)行調(diào)理可以明顯提高污泥的離心脫水性能，不僅能增加出水體積，還可以改善出水水質(zhì)。當(dāng)CaO投加量達(dá)10‰時(shí)，再增加CaO的量對(duì)污泥脫水性能的改善作用不大，即10‰的投加量為CaO單獨(dú)處理時(shí)的最優(yōu)添加量。

2.3 超聲波與生石灰聯(lián)合處理

濃縮污泥先經(jīng)超聲處理(處理時(shí)間分別為1、2和3 min)，再分別投加一定量的CaO，投加量分別為0、2‰、4‰、6‰、8‰和 10‰。經(jīng)過(guò)超聲波和 CaO 的聯(lián)合處理后，污泥的離心脫水性能分別如圖6和圖7所示。

圖6 超聲處理時(shí)間和CaO投加量對(duì)污泥離心液體積的影響Fig.6 Effect of Ultrasonic Time and CaO Dosage on Centrifugation Volume of Sludge

圖7 超聲處理時(shí)間和CaO投加量對(duì)污泥離心液COD值的影響Fig.7 Effect of Ultrasonic Time and CaO Dosage on COD of Centrifugal Effluent

由圖6可知污泥經(jīng)超聲波和CaO聯(lián)合處理后，其離心出水體積隨CaO投加量的變化趨勢(shì)與CaO單獨(dú)處理時(shí)的變化趨勢(shì)基本一致，都呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。當(dāng)CaO投加量≥6‰時(shí)，超聲波和CaO聯(lián)合處理后的離心出水體積才超過(guò)CaO單獨(dú)處理時(shí)的離心出水體積。在聯(lián)合處理時(shí)，超聲時(shí)間對(duì)離心出水體積的影響并不明顯。

由圖7可知超聲波和CaO對(duì)污泥聯(lián)合處理時(shí)，隨超聲時(shí)間的增加，離心出水的COD明顯增大;然而當(dāng)CaO投加量＞2‰時(shí)，離心出水的COD會(huì)隨著CaO添加量的增大而降低，離心出水的澄清度逐步提高，出水水質(zhì)明顯好轉(zhuǎn)。當(dāng)CaO投加量≥6‰時(shí)，曲線變化趨緩，對(duì)水質(zhì)的改善作用不再明顯。

綜合圖6和圖7并考慮經(jīng)濟(jì)因素，當(dāng)超聲波和CaO對(duì)污泥聯(lián)合處理時(shí)，超聲處理1 min以及6‰的CaO投加量為最優(yōu)的處理?xiàng)l件。在此條件下，污泥離心脫水的效率較高并能得到較好的出水水質(zhì)。

3 結(jié)論

(1)超聲波處理能夠提高污泥的沉降性能和離心脫水效果。超聲處理3 min后，污泥的沉降速度能提高6%，污泥離心脫水的出水體積可增加22.6%。然而單獨(dú)超聲處理會(huì)增大污泥離心出水的COD，使得出水水質(zhì)變差;此外大功率超聲波處理會(huì)增加過(guò)濾比阻，也不利于污泥的過(guò)濾除水。

(2)CaO對(duì)污泥單獨(dú)處理時(shí)，10‰的投加量為最優(yōu)投加量。對(duì)比不添加CaO的污泥，采用10‰的CaO投加量進(jìn)行處理后，污泥的抽濾脫水時(shí)間可以下降94%，污泥離心脫水的出水體積可增加18.9%，離心出水的COD可以下降57.5%。此時(shí)污泥的抽濾脫水性能和離心脫水性能都得到顯著改善。

(3)超聲波和CaO對(duì)污泥聯(lián)合處理時(shí)，最優(yōu)的處理?xiàng)l件為1 min的超聲波處理時(shí)間和6‰的CaO投加量。相對(duì)于超聲波單獨(dú)處理，聯(lián)合處理能夠改善污泥離心出水的水質(zhì)，離心出水的COD可以下降30.6%，出水的澄清度明顯提高;相對(duì)于CaO單獨(dú)處理，聯(lián)合處理能使CaO的投加量減少40%，從而節(jié)省藥劑費(fèi)用并減少最終的污泥產(chǎn)量。

(4)在污泥離心脫水之前，用超聲波和CaO進(jìn)行聯(lián)合處理時(shí)，可采用如下工藝參數(shù):超聲波頻率為28 kHz、聲能密度為2 800 W/L、超聲處理時(shí)間為1 min、CaO的投加量為6‰(即1 L濕污泥中投加6 g CaO)。

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