高壓噴射撞擊流破解剩余污泥的研究

謝元華, 楊岱恩, 白 冰, 朱 彤

(東北大學 機械工程與自動化學院, 遼寧 沈陽 110819)

在全球水資源面臨嚴峻挑戰的背景下,廢水處理和再循環使用可以增加水資源的利用.活性污泥法是目前應用最廣泛的污水處理技術之一,然而這種處理方法會產生大量含有毒有害物質及有機物的剩余污泥[1].目前,污泥處理中應用最廣泛的方法是衛生填埋和焚燒,但這不能完全去除污泥中的寄生蟲、病毒、細菌和重金屬,還容易導致土地浪費和空氣污染.污泥破解能有效地回收污泥中的有機物,便于去除有毒有害物質.高效穩定的污泥破解方法逐漸引起越來越多的關注.

污泥破解方法主要有物理法(超聲波[2-3]、微波[4]、爆炸[5]等)、化學法(氧化[6-7]、堿水解[8]等)、生物法(好氧發酵[9]、厭氧消化[10-11]等),以及組合法(堿解聯合超聲[12]、超聲聯合消化[13]、化學聯合超聲[14]等).不同方法的適當組合能比單一方法取得更加良好的破解效果.

研究表明高壓均質法對剩余污泥能取得明顯的破解效果[15-16].高壓流體在均質腔中會受到高速剪切、高頻沖擊、湍流渦流、空化現象及相應的熱物化效應,有利于污泥的破解.此外,Nah等[17]發現,撞墻式高壓噴射可以有效地實現剩余污泥的增溶.Xie等[18]證明高壓射流裝置(high pressure jet device,HPJD)對細菌細胞具有協同破壞作用.這說明HPJD方法比類似高壓裝置[17]和高壓均化[16]更能有效破解剩余污泥[19].撞擊流為具有有/無化學反應的多相傳熱傳質過程提供了理想的條件[20],可以大大提高反應過程的傳熱傳質能力.這說明撞擊與高壓噴射的結合可產生碰撞、擠壓、剪切等相互作用的多重效應,可能有助于促進污泥的破解.該方法是一種無二次污染的新型污泥破解方法.

本文以高壓射流與撞擊流相結合的方法對污泥進行破解,以探討該方法的有效性.并通過分析不同因素對污泥破解效果和能耗的影響,確定最佳破解條件.

1 實驗材料和方法

1.1 實驗材料

本文中實驗材料(剩余污泥)取自沈水灣污水處理廠的二沉池,在實驗室自行培養.剩余污泥原始數據為:50%粒徑的累積分布(distribution up to 50% particle size,D50)(179±23) μm,污泥質量濃度(5 120±550) mg·L-1,上清液中可溶性化學需氧量(soluble chemical oxygen demand,SCOD)(118±15) mg·L-1,肽聚糖(Peptidoglycan,PGN)(5.5±3.5) mg·L-1,蛋白質(57±7) mg·L-1.

1.2 實驗設備

本文破解污泥采用動力源裝置為高壓清洗機(LF-6000),見圖1,其工藝流程見圖2.將污泥投加至回轉鼓中后由高壓清洗機吸出, 在密閉空間內經兩個對向排布的噴嘴壓縮后噴射而出,近距離對撞污泥混濁液,撞擊破解后的污泥回流至回轉鼓,與回轉鼓內污泥混合后重復上述過程.

圖1 高壓噴射裝置

實驗中通過測量污泥的粒徑變化(D50)和上清液中SCOD、肽聚糖、蛋白質的濃度變化分析污泥破解情況.使用數字化消化儀(COD-571-1)、紫外分光光度計(UV-5100)、激光粒度分析儀(Bettersize-2000)、鼓風干燥箱(HN101-0)和離心機(TD5A)對污泥參數進行分析.

圖2 實驗流程

1.3 分析方法

本文進行了撞擊距離、撞擊時間和撞擊壓力3個單變量實驗,確定最佳參數范圍.然后采用響應面法(response surface methodology, RSM),對3個參數進行優化,并對其能耗進行分析.

采用破解能耗比(disintegration energy ratio,DER)估算破解能耗,具體計算公式如下:

(1)

式中:DER是單位能耗下各指標(蛋白質、PGN和SCOD)的溶解增量;A是破解后上清液中各指標的質量濃度,mg·L-1;B是破解前上清液中各指標的質量濃度,mg·L-1;P是機器的功率,W;t是處理時間,s.

2 結果與分析

2.1 單變量實驗

2.1.1 撞擊距離

污泥通過噴嘴加壓后,流體壓力在狹窄處降低,在寬闊處迅速增大.這導致了污泥液體中微小氣泡的迅速膨脹和壓縮.在這一過程中,特別是當液體不均勻時,氣泡極容易坍塌產生空化效應.在不同的撞擊距離下,污泥中氣泡壓縮和坍塌的情況不同.

本文撞擊距離研究選擇的參數為1,3,5,7,9，11 cm.實驗條件為壓力13.79 MPa,8 min,污泥質量濃度4 500 mg·L-1,污泥量12 L.結果表明(圖3),距離過高或過低會對污泥破解產生負面影響,最佳撞擊距離為5 cm,此時SCOD、PGN和蛋白質的質量濃度達到最高水平,D50為10.399 μm.

圖3 不同距離下D50，SCOD，PGN和蛋白質的變化

空化對污泥的破解有顯著影響,可分為四個部分,即氣泡移動、片空化、云空化和超空化[21].污泥在噴嘴中經歷壓縮-擴張的過程,完全經歷這四個部分形成的空化氣泡在壓力恢復時會突然坍塌,產生強烈的剪切、高壓、高溫和氧化自由基.這些理化效應能有效地破解污泥.在距離較近時,液相中的氣泡未經歷完整的氣泡移動、片空化、云空化和超空化過程,發育不完全,無法高效地破解污泥;在距離較遠時,射流速度下降,沖擊力減小,已經被空化效應破解的污泥可能出現再次聚合,也會影響破解效果.只有在適當的距離下,空化氣泡完全形成,此時射流仍具備有效的沖擊力,立即發生撞擊,才有最佳的破解效果.

2.1.2 撞擊時間

撞擊時間和循環次數是影響污泥破解程度的重要因素.實驗參數為:時間5,10,15,20,25,30 min,壓力13.79 MPa,距離3 cm,污泥質量濃度2 500 mg·L-1,體積12 L.

如圖4所示,D50在前5 min下降至7.275 μm,下降95.94%.然而,隨時間推移,D50反而逐漸增加.這是因為污泥撞擊后速度迅速下降,大量動能轉化為內能,導致溫度升高.被破解的物質發生聚合,D50有所增加.其他學者也發現了類似的現象[22].

隨著撞擊破解時間的增加,污泥中SCOD、PGN和蛋白質的含量不斷提升(圖4).而SCOD、PGN和蛋白質的增長速率呈下降趨勢.在破解初期,大量的菌膠團被破解,導致各項指標顯著上升.然而,隨著時間的推移,未破解的污泥不斷減少,導致SCOD、PGN和蛋白質質量濃度的增長趨勢逐漸變緩.這表明在一定的閾值后,觀察不到明顯的變化.僅考慮污泥破解的影響,在污泥破解更為充分的前提下,建議最佳時間為20～25 min.

2.1.3 噴射壓力

壓力和流量是控制射流撞擊力的重要因素.射流撞擊力越大,破解效果越好.破解最大撞擊力為

(2)

式中:F為撞擊力,N;Q為體積流量,L·min-1;p為撞擊壓力,MPa;φ為撞擊角,φ=90°.

根據式(2),最大流量、最大壓力和最佳角度產生最大作用力.因此,選擇Q=12 L·min-1(高壓清洗機最大流量)和φ=90°(sinφ最大為1).為保證實驗安全選擇17.24 MPa作為最高撞擊壓力.采用3.45,6.89,10.34,13.79和17.24 MPa五個壓力等級,參數如下:距離3 cm,持續8 min,污泥質量濃度5 677.5 mg·L-1,體積12 L.圖5為上清液中D50，SCOD，PGN和蛋白質隨噴射壓力的變化情況.

圖4 不同時間下D50，SCOD，PGN和蛋白質 的變化

隨著壓力的增加,D50變化不大,SCOD、PGN和蛋白質質量濃度呈顯著上升趨勢,開始時幾乎呈線性上升,但上升速度呈波動性.在3.45～10.34 MPa范圍內,隨著壓力的增大,越來越多的胞外聚合物和細胞壁被破解,導致SCOD、PGN和蛋白質迅速增加.在10.34～13.79 MPa范圍內,胞內物質被有效擠出,SCOD和蛋白質含量明顯增加,此時胞外聚合物基本被破解殆盡,因此PGN增加率較低.此時,大部分污泥都已經被破解,這是在13.79～17.24 MPa時SCOD、PGN和蛋白質沒有顯著增加的原因.考慮到在較高壓力下能耗較高,因此建議采用13.79 MPa的壓力.

圖5 不同壓力下D50，SCOD，PGN和蛋白質的變化

2.2 響應面法(RSM)

本文RSM實驗中實際污泥質量濃度為4 080 mg·L-1,在Design Expert 8.05軟件中,將時間(t)、壓力(p)和距離(L)三個因素用作自變量,各因素水平取值如表1所示.以DERSCOD為評價指標進行了回歸分析,表2為RSM實驗結果.DERSCOD回歸方程如下:

DERSCOD=+2.134×10-3-3.485×10-5×t-1.128×10-6×p-3.540×10-5×L+1.199×10-8×t×p+6.194×10-6×t×L-1.259×10-9×p×L-1.037×10-6×t2+2.773×10-10×p2+8.079×10-7×L2+1.1021×10-9×t2×p-1.964×10-7×t2×L-9.568×10-12×t×p2.

(4)

回歸方程的回歸系數見表3,該模型的F值為25.77,模型是顯著的.對回歸方程進行方差分析，其標準差為4.76×10-5，平均誤差為6.20×10-4，變動系數為7.67%，R2為0.987 2，校正R2為0.948 9.該模型精度達到17.242,具有良好的抗干擾能力,與實驗結果吻合較好,表明該模型適合于實驗優化和結果預測.沖擊壓力p,沖擊時間t,沖擊距離L,p2,t2p,tp2是影響破解效果的顯著因素.

表2 RSM實驗結果

時間和距離、時間和壓力、距離和壓力的相互作用如圖6所示.最佳時間為7 min,隨著時間的延長,DERSCOD降低;隨著距離的增大,DERSCOD變化不大,最佳距離為6 cm;隨著壓力的增大,DERSCOD逐漸降低,最佳壓力為6.92 MPa.在7 min，6.92 MPa和6 cm時,求解方程得DERSCOD為1.092×10-3mg·L-1·J-1.在此優化參數下,進行了三次平行實驗,DERSCOD平均值為1.103×10-3mg·L-1·J-1,與理論優化結果基本一致.

表3 回歸系數

圖6 時間、距離與壓力間的相互作用

由于污泥在7 min和6.92 MPa條件下的破解效果較差,無法實際應用.考慮到2.1節中的破解效果,選擇優化參數為:距離5～6 cm,時間15～20 min,壓力13.79 MPa.

3 結 論

1) 本文單變量研究表明,最佳撞擊距離、撞擊時間和撞擊壓力分別為5 cm,20～25 min和13.79 MPa.

2) 以DERSCOD為評價指標進行RSM分析,在6 cm,7 min,6.92 MPa條件下,最優DERSCOD達到1.092×10-3mg·L-1·J-1.該條件下三次平行實驗DERSCOD為1.103×10-3mg·L-1·J-1,與理論優化結果吻合.

3) 綜合考慮破解效果和DERSCOD,高壓噴射撞擊流破解最佳參數為撞擊距離5～6 cm,撞擊時間15～20 min,撞擊壓力13.79 MPa.