超聲處理剩余污泥的影響因素分析

胡滿杰

安徽省地質礦產勘查局三一二地質隊，安徽蚌埠，233040

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超聲處理剩余污泥的影響因素分析

胡滿杰

安徽省地質礦產勘查局三一二地質隊，安徽蚌埠，233040

為探討超聲時間、振幅、功率密度、能量密度等超聲條件以及污泥濃度對污泥絮體破碎及物質溶出的影響規律，采用超聲破碎儀處理生活污水處理廠二沉池的剩余污泥，然后用島津V-CPN型分析儀測定總有機碳(TOC)，用改良苯酚-硫酸法測定多糖，用改良福林-酚法測定蛋白質和腐植酸，用二苯胺法測定DNA，最后采用Varian Cary Eclipse熒光光度計進行三維熒光光譜分析。結果表明：較高的功率密度和超聲時間均會顯著增加功的耗散而降低能效；在相同的功率密度下低振幅則具有更高的能效；對不同的超聲目的，可以通過控制能量密度來實現，如使污泥EPS中的物質溶出的最佳能量密度約為26 kJ/L。

剩余污泥；超聲處理；功率密度；能量密度；胞外聚合物

1 研究背景

城市污水處理廠每年產生大量的剩余污泥，若處理處置不當，會給環境帶來顯著的危害。剩余污泥的脫水是污泥處理和處置前的重要步驟，脫水的效果直接影響到后續處理的成本和效果[1]。此外，厭氧消化是剩余污泥減量化和資源化的重要途徑，為了降低污泥中顆粒態有機物的溶解和水解對厭氧發酵速率的限制，常需要對剩余污泥進行預處理[2]。超聲法因其操作簡單、處理時間短且無須投加化學藥劑等特點，已被廣泛地應用于污泥脫水前的調理以及促進污泥中物質的溶出等領域[3-4]。

超聲法處理剩余污泥主要通過空化作用所產生的機械剪切力、羥基自由基以及瞬間高溫等實現的[5]。影響超聲處理剩余污泥效果的因素有很多，如污泥的濃度和粘度、溫度、超聲時間、聲強(振幅)以及聲密度等[6]，而目前常用的表征超聲條件的指標主要包括以面積為單位的超聲強度(W·cm-2)、以體積或干污泥(dry sludge,DS)質量為單位的功率密度(power density,PD,W·L-1、W·g-1)和能量密度(energy density,ED,J·L-1、J·g-1)等[7]。針對不同的目的，超聲處理剩余污泥的條件也存在顯著差異。研究表明，較弱的超聲條件有利于剩余污泥脫水性能的提高，并可以在相同的脫水效果下減少20%～50%的混凝劑用量[8]；進一步提高超聲的強度則會使污泥胞外聚合物(extracellular polymeric substance,EPS)中的物質大量溶出，因此超聲法也常被用于提取污泥中的EPS[9]。當超聲的強度達到一定水平后，污泥絮體及微生物細胞開始破裂，胞內的物質也隨之釋放到溶液中，污泥的脫水性能大幅降低，而污泥厭氧發酵的效率則顯著提高[3]。盡管將超聲應用于污泥處理的研究成果較為豐富，但不同的研究所采用的超聲參數體系并不統一，這為實際應用過程中超聲參數的對比和選擇帶來了不便。

本研究以生活污水處理廠的剩余污泥為對象，以污泥中物質的溶出情況為指標，研究了超聲時間、振幅、功率密度、能量密度等超聲條件以及剩余污泥的濃度對超聲效果的影響規律，并以所得到的結果為基礎明確了提取污泥中EPS的最佳超聲條件，為超聲應用于剩余污泥處理過程中參數的選擇提供了參考。

2 材料與方法

2.1 污泥來源

剩余污泥來源于某采用A/A/O工藝的生活污水處理廠二沉池。取回的污泥經18目篩濾除大顆粒雜質后，在4℃條件下靜置沉淀24 h進行濃縮。試驗中所用到的特定濃度的污泥為濃縮污泥經清液稀釋后得到。

2.2 試驗方法

采用S-450D(BRANSON)型超聲破碎儀對剩余污泥進行處理。該儀器為接觸式超聲破碎儀，超聲頻率為20 kHz，配備有兩種型號的變幅桿，其中高振幅變幅桿Φ為2mm，低振幅變幅桿Φ為8mm。在超聲過程中，將污泥進行冰水浴以避免溫度升高對超聲結果的影響。超聲后的樣品在進行指標測定前首先經10 000rpm離心15min，再經過0.45μm的PTFE濾膜過濾后得到清液，并在4℃下保存直至測定。

以濃度為20g·L-1的污泥為對象，選用Φ8型變幅桿，采用相同的功率密度(0.3kW·L-1，亦即15W·g-1DS)分別對200、150、100和50mL的污泥超聲處理20min，測定清液的總有機碳(totalorganiccarbon,TOC)以及蛋白質、多糖、腐植酸和DNA的含量，明確污泥體積對超聲效果的影響。

分別以濃度為6g·L-1和3g·L-1污泥為對象，選用Φ8型變幅桿，采用50W的功率對100mL污泥進行超聲處理，在超聲第1、2.5、5、10min時，取樣并測定清液的TOC，明確污泥濃度對超聲效果的影響。

以濃度為3g·L-1污泥為對象，選用Φ8型變幅桿，分別采用0.15、0.25和0.5kW·L-1功率密度對100mL污泥進行超聲處理，在超聲第1、2.5、5、10min時，取樣并測定清液的TOC，明確超聲強度對處理效果的影響。

以濃度為3g·L-1污泥為對象，分別選用Φ8和Φ2兩種型號的變幅桿并在0.15和0.25kW·L-1功率密度下對100mL污泥進行超聲處理，在超聲第1、2.5、5、10min時，取樣后測定清液的TOC，明確超聲振幅對處理效果的影響。

以試驗得出的結果為依據，選用Φ8型變幅桿，分別采用6、12、18、30、45、72、90kJ·L-1能量密度對濃度為17.5g·L-1污泥進行處理，對超聲后清液的TOC和DNA含量進行測定，同時對經6、30和90kJ·L-1能量密度超聲處理后的污泥以及未處理的污泥清液進行三維熒光光譜分析，明確采用超聲法提取污泥EPS的最佳條件

2.3 測試方法

污泥的TSS采用烘干稱重法測定[10]，清液中總有機碳(totalorganiccarbon,TOC)采用島津V-CPN型TOC分析儀進行測定，多糖采用改良苯酚-硫酸法測定并以D-葡萄糖為標準物質[11]，蛋白質和腐植酸的測定采用改良福林-酚法并以牛血清蛋白作為標準物質[12]，DNA采用二苯胺法并用小牛胸腺DNA作為標準物質[13]。

采用VarianCaryEclipse熒光光度計進行三維熒光光譜分析。測定過程中，光電倍增管設定為800mV，激發波長(EX)為200～450nm，步長為5nm，發射波長(EM)為250～500nm，步長為2nm，掃描速度為1 200nm/m，狹縫寬度為5nm。該熒光光度計的最高發射光響應值為1 000AU(ArbitraryUnits)，因此在測定前采用超純水將清液稀釋到合適的濃度范圍并記錄稀釋倍數。采用SigmaPlot11.0繪制測定結果的三維熒光圖。

曼來村是滄源佤族自治縣勐來鄉下屬行政村之一，位于勐來鄉西南海拔1500米的山區，轄6個自然村7個村民小組，共有298戶1121人，以佤族為主，全村共有貧困人口135戶482人，是全縣50個深度貧困村之一。這里實施脫貧計劃任務之重、難度之大顯而易見。但這些困難反而激勵著滄源縣公安局曼來村駐村扶貧工作隊的隊員們出實招、下苦功，千方百計去打贏脫貧攻堅這場硬仗。

3 結果與討論

3.1 污泥體積和濃度對超聲效果的影響

在相同功率密度條件下，對不同體積的污泥進行超聲處理，得到清液中各類物質的含量以及TOC，如圖1所示。從圖1中可見，作用在單位體積/質量污泥的功率相同的條件下，各體積污泥清液中的TOC濃度均在850mg·L-1左右，說明從污泥中釋放到清液中的物質的總量相近。而對清夜中物質組成的分析可見，4種超聲體積所得到的物質組成類型和濃度沒有明顯差異，且清液中DNA的含量相近，說明各組試驗污泥的破碎情況基本相同。

上述結果表明，在相同的功率密度下，超聲的體積對超聲效果無明顯影響，因此采用以體積為單位的功率密度能較好地反映實際的超聲效果。

圖1 超聲體積對污泥中物質溶出的影響

兩種不同濃度的污泥超聲處理后，清液中的TOC隨超聲時間的變化情況如圖2所示。在功率密度均為0.5kW·L-1條件下，濃度為6g·L-1的污泥清液中TOC濃度在不同的超聲時間下均顯著高于3g·L-1污泥。將清液TOC濃度除以污泥濃度得到單位濃度污泥的TOC釋放量(mgTOC·g-1DS)。從圖2中可見，盡管兩種濃度污泥TOC釋放的絕對量有所差異，但單位濃度污泥TOC釋放量卻基本相同。這一結果表明超聲的過程存在著能量的耗散，提高污泥的濃度可以使更多的能量作用于污泥上，從而提高能量的有效利用比例。

此外，若以干污泥質量為單位的功率密度來衡量，則濃度為3g·L-1污泥所承受的功率密度為6g·L-1污泥的2倍，這顯然與圖2所得到的結果不符。其主要原因是超聲過程中作用在單位體積上的功只有部分施加在污泥上，而另一部分則是施加在清液中而被耗散，采用以干污泥質量為單位的功率密度并沒有包含這部分被耗散的能量，因此無法較好地反映出實際的污泥處理效果。這進一步說明采用以體積為單位的功率密度能較好地反映實際的超聲效果。后文中如無特殊說明，則功率密度均指單位體積內所施加的功率。

圖2 不同濃度的污泥超聲后清液的TOC隨超聲時間的變化

3.2 超聲的功率密度、振幅和時間對超聲效果的影響

超聲過程中功率密度對清液中TOC濃度的影響如圖3所示。可見，在污泥濃度等其他條件相同的情況下，在各個超聲時間段內從污泥中釋放到清液中的物質均隨著功率密度的提高而顯著增加。而從圖3中單位功率密度所得到的TOC的結果可以發現，盡管提高功率密度可以加快污泥重物質的釋放，但能量的有效利用效率卻顯著降低，即更多的超聲能量被耗散掉而沒有被有效地作用于污泥的處理中。因此，在應用過程中功率密度的選擇需要根據實際情況和要求確定在一個合適的范圍內。

圖3 不同功率密度超聲后污泥清液的TOC隨超聲時間的變化

在功率密度分別為0.15和0.25kW·L-1時，采用不同的振幅對污泥進行超聲處理后清液的TOC如圖4所示。從圖4可知，在相同的功率密度下，采用較底的振幅(Φ8變幅桿)相比于高振幅(Φ2變幅桿)在各超聲時間內均可使污泥中的物質更多的溶出。其主要原因是盡管較高的振幅可以提高污泥絮體的破碎程度，但在輸入功率相同的情況下，提高振幅則降低了單位時間超聲的變幅桿所處理的污泥量，因此，從總量上來說，在保證污泥破碎基本要求的條件下，采用較低的超聲振幅要優于高振幅的效果。

圖4 功率密度為0.15和0.25 kW·L-1時不同振幅超聲后污泥清液的TOC隨超聲時間的變化

圖5 單位時間內由污泥釋放到清液中的TOC隨超聲時間的變化

3.3 能量密度與超聲效果的相關性分析

根據3.2可以發現，在對剩余污泥進行超聲處理的過程中，污泥濃度、功率密度、超聲時間等因素均對超聲效果產生顯著的影響。將以上各組低振幅試驗條件下的功率密度與超聲時間相乘，得到超聲處理過程中所消耗的總的能量密度，并將該能量密度下單位污泥的TOC釋放量作圖，得到的結果如圖6所示。從圖6可以發現，單位污泥的TOC釋放量隨著能量密度的提高而顯著升高，且兩者呈現出了良好的線性關系，其回歸后的R2為0.966。這一結果說明，通過改變能量密度這一指標，可以很好地實現對污泥超聲效果的控制。

圖6 能量密度與單位濃度的污泥釋放到清液中的TOC之間的關系

綜合上述試驗結果，在利用超聲處理剩余污泥的實際應用過程中，可根據污泥的處理目標確定相應的能量密度，而超聲時間、振幅和功率密度等參數則可根據污泥性質(如濃度、粘度、破碎的難易程度等)及能效因素以能量密度為基礎進行調整。

3.4 超聲法提取污泥EPS的工況優化

剩余污泥的EPS是污泥絮體的重要組成部分，它對污泥絮體的穩定性、沉降性能以及脫水性能都具有顯著的影響，目前在對剩余污泥的相關研究中常涉及到對EPS的提取和分析。超聲是一種常用的提取EPS的方法，但在不同的研究中超聲參數的設定存在很大的差異。以下以前述的研究結果為依據對超聲提取污泥中EPS的工況進行考察。

對污泥的EPS進行提取的理想情況是在不破壞微生物細胞結構的前提下盡可能地得到更多的胞外物質。根據前述研究，通過改變能量密度可以很好地實現對污泥超聲效果的控制，而TOC和DNA的濃度則可以反映污泥中物質的釋放量以及細胞的破碎程度。不同能量密度超聲后，污泥清液中TOC和DNA濃度的測定結果如圖7所示。從圖7中可以看出，隨著能量密度的提高，污泥中物質的溶出(亦即清液中TOC的濃度)呈現出線性升高的趨勢，這與之前的研究結果相一致。而清液中DNA的濃度則隨著能量密度的提高而具有明顯的拐點。在達到拐點之前，清液中DNA的含量隨能量密度的變化較為緩慢，說明此時細胞破碎的比例較低，清液中的TOC主要來源于污泥的胞外物質即EPS；而拐點之后的DNA濃度隨能量密度的提高而顯著升高，此時TOC的升高則主要來源于細胞破碎后胞內物質的釋放。因此，根據提取EPS的理想情況分析，DNA出現拐點時的能量密度(約為26 kJ·L-1)即為超聲法提取EPS的最佳工況。

圖7 不同能量密度超聲后污泥清液中的TOC以及DNA的濃度

對未經超聲處理的污泥清液、經超聲處理且聲能密度在DNA濃度出現拐點前(6 kJ·L-1)、拐點附近(30 kJ·L-1)以及超過拐點后(90 kJ·L-1)的污泥清液進行三維熒光光譜(EEM)分析，其譜圖如圖8所示。

圖8 超聲處理后的污泥清液(能量密度分別為6、30和90 kJ·L-1)以及未處理的污泥清液的三維熒光光譜

從圖8可知，不同的超聲條件得到的清液中有機物的組成存在著一定的差異。其中未處理的污泥清液在三個位置出現了顯著的熒光峰，其Ex/Em分別為225/360 nm(Peak A)、275/360 nm(Peak B)和320/430 nm(Peak C)。根據文獻報道，在相同發射波長下出現的Peak A和Peak B均是蛋白類物質的熒光峰，其中Peak A主要是含芳香環類的蛋白，Peak B主要是色氨酸類蛋白，Peak C則是以腐植酸類物質為主[14-15]。腐植酸主要存在于污泥的EPS中，而隨著超聲能量密度的提高，腐植酸在清液中所占的比例逐漸降低，說明清液中來源于污泥EPS的物質所占的比例逐漸降低。此外，隨著能量密度的提高，從圖8中可見Peak A和Peak B發生了一定的紅移，熒光峰的紅移表明了熒光物質中羰基、羥基、烷氧基、氨基和羧基等基團的增多，是污泥中胞內的復雜有機物釋放到清液中的結果[14]，這進一步說明了在較高的能量密度下清液中胞內物質的比例會逐漸升高。因此，為了實現污泥EPS的有效提取和分離，需要將能量密度控制在一定的范圍內，如本研究中針對該污泥的性質所選擇的最佳超聲提取EPS的條件約為26 kJ·L-1。

4 結 論

污泥濃度、功率密度、超聲時間、振幅等因素均會顯著影響剩余污泥的超聲效果，而在功率密度一定的條件下，污泥的體積對超聲效果的影響較小，且采用以體積為單位的功率密度能更好地反映實際的超聲效果。污泥超聲過程存在著能量耗散，較高的功率密度和超聲時間均會顯著增加功的耗散而降低能效，在相同的功率密度下低振幅具有更高的能效。以能量密度作為指標可以很好地控制超聲的強度，以實現不同的超聲目的，如提取污泥EPS中物質的最佳能量密度約為26 kJ·L-1。本文試驗結果和結論為污泥處理過程中超聲參數的選擇提供了指導和借鑒。

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(責任編輯：汪材印)

10.3969/j.issn.1673-2006.2015.06.027

2015-02-28

胡滿杰(1963-)，安徽懷寧人，高級工程師，主要研究方向：環境工程。

X703.1

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1673-2006(2015)06-0100-05