超聲作用對凈水廠沉淀污泥絮體特性的影響

郭璇，楊艷玲，李星，周志偉，鄔艷

(北京工業大學 建筑工程學院，北京，100124)

超聲作用對凈水廠沉淀污泥絮體特性的影響

郭璇，楊艷玲，李星，周志偉，鄔艷

(北京工業大學 建筑工程學院，北京，100124)

采用槽式與探頭式超聲波反應器處理某凈水廠沉淀污泥，考察超聲過程中超聲波頻率(25 kHz和40 kHz)、聲能密度(0.025～7.000 W/mL)以及作用時間(0～30 min)對污泥絮體特性的影響。研究結果表明：超聲后污泥絮體結構被破壞，粒徑減小且主要發生在超聲作用的前5 min。超聲頻率越高絮體破碎程度越大，絮體粒徑明顯減小，比表面積逐漸增大且增幅變大。高聲能密度超聲波處理時絮體粒徑減小，減幅可達50%以上；聲能密度過高且經長時間超聲作用后，比表面積反而降低。頻率為40 kHz、聲能密度為25 mW/mL的超聲工況更有利于形成粒徑小、比表面積大的絮體。超聲波在較低的固體濃度污泥介質傳播時衰減程度低，破解程度高。超聲作用對污泥pH及Zeta電位的影響均不明顯。

超聲；聲能密度；超聲波頻率；絮體特性

污泥回流強化低濁水混凝過程中普遍存在有毒有害物質積累問題[1]，需對回流污泥進行無害化處理，這是實現污泥回流工藝及污泥資源化的前提。超聲技術是近年發展起來的一種新型水處理技術，可以有效去除水中污染物尤其是難降解的污染物。超聲波在介質中傳播時產生空化效應，空化氣泡破裂產生的高溫高壓會引發一系列物理化學變化[2?3]，可以降解水中難降解的有機物，并且滅活寄生蟲卵、隱孢子蟲以及其他耐消毒的病原體[4]。超聲技術可能成為無害化污泥回流的有效措施之一，但超聲作用會破壞絮體的結構，改變絮體特性[5?6]。研究發現，超聲可以降低污泥平均粒徑[7?8]，改變污泥的Zeta電位[9]，也可以增加污泥顆粒親水位點及絮體比表面積[10]。另外，超聲波反應器結構、超聲工況、污泥性質等條件都會影響超聲效果。薛玉偉等[11]對比了槽式和探頭式超聲波反應器處理效果，發現槽式反應器中超聲波大范圍均勻傳遞，更利于污泥破解；CHANG等[12]研究發現聲能密度越高污泥破解率越大，化學需氧量溶出率越高；SHOW等[13]發現在一定范圍內(1.0%～2.9%)污泥破解率隨含固率增加而增大。目前關于超聲作用破解污泥的研究主要是針對活性污泥展開的，而超聲作用對凈水廠沉淀污泥特性影響的報道較少，本文作者采用槽式與探頭式超聲波發生器對凈水沉淀污泥絮體進行處理，研究超聲頻率及聲能密度對絮體粒徑、Zeta電位、比表面積等特性的影響，并考察不同固體濃度的污泥經超聲處理后的絮體特性變化，為超聲無害化污泥回流工藝提供理論基礎。

1　試驗材料及方法

1.1污泥來源

試驗所用污泥為北京市某凈水廠沉淀污泥，其主要特性指標如下：溫度為28.4 ℃，pH為7.60；固體質量濃度為3.61 g/L，懸浮固體質量濃度為2.73 g/L，污泥絮體平均粒徑為29.241 μm，比表面積為80.282 m2/g，Zeta電位為?15.70 mV。

1.2試驗方法及裝置

1.2.1超聲處理

試驗中的超聲裝置為槽式超聲波反應器與變幅桿探頭式超聲波反應器。取沉淀污泥15 L至槽式超聲裝置的反應槽中(長×寬×高為 250 mm×250 mm×300 mm)，輸入功率為450 W，對應的有效聲能密度為25 mW/mL，考察超聲頻率為25和40 kHz，超聲時間分別為5，10，15，20，30 min。

變幅桿探頭式超聲波反應器超聲頻率為25和40 kHz，鈦合金探頭直徑為18 mm，電功率0～1.5 kW可調，本實驗選用25，100，300，500和700 W。取100 mL泥樣置于250 mL容量瓶中，超聲前輕輕搖勻，然后將超聲探頭垂直伸入污泥液面10 mm下，保持每次位置一致，作用過程中不控制溫度。取樣時間與槽式反應器相同。

通過以上試驗分析超聲條件對絮體特性的影響，得到最佳超聲工況，考察此工況下不同固體質量濃度(3.61 g/L和4.56 g/L)的凈水廠沉淀污泥絮體特性。

1.2.2檢測方法

通過光學顯微鏡(Olympus，BX51TF，日本)觀察所截取絮體的圖像，并通過CCD攝像系統對絮體進行拍照。攝像系統具有1 944像素×2 952像素，采用長度為1 μm的標尺進行標定，計算得每個像素代表實際長度0.699 μm。通過imageJ圖像處理軟件對所截取的絮體的圖像、平均尺寸、特征長度和投影面積進行分析。采用最小二乘法的方法計算二維邊緣分形維數:

式中：A為單個絮體的投影面積；P為單個絮體的特征長度；Dpf為所截取所有絮體的二維邊緣分形維數。

測定比表面積采用低溫急速冷凍?真空干燥機(7740031，美國)將污泥樣品干燥預處理，然后將預處理后的樣品用高速自動比表面及孔徑分析儀(nova2000，美國)測定。

Zeta電位采用Zeta電位儀(馬爾文2000，英國)檢測；pH采用pH測定儀(Orion3-Star，美國)測定。

2　結果與分析

2.1超聲頻率對污泥絮體特性的影響

超聲作用對污泥pH的影響如圖1所示。由圖1可知：經探頭式反應器處理后，污泥pH有所上升，而槽式反應器處理后的污泥pH下降，但變化幅度都不大。25 kHz的超聲波處理后，污泥的pH幾乎不變，40 kHz的超聲波對污泥pH的影響更大。同時，低聲能密度(25 mW/mL)超聲后絮體的Zeta電位在?3.6～ 2.7 mV的范圍內波動，而頻率與超聲時間對絮體表面電荷的影響不明顯(如圖2所示)，這與文獻[14]在低聲能密度下處理污泥所得出的結果相近。

圖1　超聲作用對污泥pH的影響Fig. 1 Effects of ultrasound on pH

圖2　超聲作用對污泥Zeta電位的影響Fig. 2 Effects of ultrasound on Zeta potential

有研究表明[15]，超聲波作用于活性污泥時，絮體被擊散，EPS穩定性被破壞，絮體粒徑減小；超聲時間較短時，污泥的沉降比增大，但是超聲超過2 min后產生大量微小絮體，污泥沉降性能惡化。因此有必要考察超聲作用對凈水污泥絮體粒徑的影響，避免小絮體數量過多而導致污泥沉降性能下降，不利于后續處理。超聲作用對污泥絮體粒徑的影響如圖3所示。由圖3可知：超聲后污泥絮體平均粒徑減小。槽式反應器在25 kHz的頻率下處理30 min后，絮體粒徑由29.241 μm減至22.422 μm，減幅23.32%；而同條件下探頭式反應器破解的絮體粒徑減幅37.69%，探頭式反應器對污泥絮體的破解作用更加明顯。槽式反應器中，超聲波大范圍均勻傳遞，但是超聲波在槽底發生反射、衰減，造成能量損耗；探頭式反應器的探頭直接浸入反應容器中，超聲波傳遞范圍較小，能量損耗低[11,16]，超聲波能量相對較大，污泥粒徑減小明顯。不同頻率下超聲時間對污泥絮體粒徑的影響規律相似，超聲作用前5 min內絮體粒徑明顯減小，且40 kHz的超聲頻率對絮體粒徑的影響更明顯。超聲5 min后的絮體粒徑分布如圖4所示，圖中：η為不同粒徑絮體數量占總絮體數量的比例。由圖4可知：不同頻率下超聲5 min時，絮體粒徑分布均最接近正態分布，分布較為均勻。超聲超過5 min，絮體粒徑繼續減小，但曲線趨于平緩，粒徑分布不均勻，粒徑較小的絮體數量明顯增加，不利于后續處理。超聲時間對絮體粒徑的影響比超聲頻率的影響更明顯。

圖3　超聲作用對污泥絮體粒徑的影響Fig. 3 Effects of ultrasound on floc size

圖4　超聲5 min后的絮體粒徑分布Fig. 4 Floc size distribution after 5 min ultrasonication

GUAN等[17]研究發現：超聲波作用于污泥絮體時可以提高污泥中小顆粒的數量，絮體的比表面積增加，回流時更有利于原水顆粒間有效碰撞和破碎絮體再絮凝，從而強化污染物的去除。圖5所示為低聲能密度(25 mW/mL)下污泥絮體比表面積隨超聲頻率和超聲時間的變化規律。由圖5可知：2種超聲波反應器處理后絮體比表面積均隨超聲時間的增加而逐漸增大，且超聲頻率越高比表面積增幅越大。初始污泥絮體比表面積為80.282 m2/g，頻率為40 kHz的槽式超聲波處理30 min后最大比表面積可達117.852 m2/g。比表面積與顆粒的粒徑、形狀、表面粗糙程度及孔結構密切相關，通常認為顆粒粒徑越小，表面越粗糙，孔徑越小，比表面積越大。超聲空化作用更容易發生在20～40 kHz的頻率范圍內[18]，固體表面附近形成穩定空洞和瞬時空洞。瞬時空化氣泡易破裂變形，朝著固體表面產生高速液體噴射，并產生沖擊波沖擊固體表面[19]，產生侵蝕、剝落作用，絮體顆粒變小，且粗糙、多孔，因此，比表面積不斷增大。對比發現，同條件下槽式超聲波反應器處理后的污泥絮體比表面積更大，說明大范圍均勻超聲場可能更有利于解耦合作用，絮體表面侵蝕效應較強，易形成比表面積更大的絮體，可能利于回流。

圖5　超聲作用對污泥比表面積的影響Fig. 5 Effects of ultrasound on specific surface area

2.2聲能密度對污泥絮體特性的影響

圖6所示為超聲頻率40 kHz時不同聲能密度對污泥pH的影響。超聲時間及聲能密度對污泥pH的影響均不明顯，超聲后污泥的pH在?0.36～0.06的范圍內波動，污泥體系的pH緩沖能力比較強。不同聲能密度下污泥絮體的Zeta電位無明顯規律，Zeta電位變化不大且出現波動(圖7)。這可能是因為污泥吸收超聲能量升溫，促進氫氧化鐵水解，正電荷離子濃度增大；且一定聲能密度的超聲波作用于污泥時，已經震碎的小絮體顆粒會發生振動，再次碰撞、結合[20]，絮體表面電荷重新分布，因此，絮體Zeta電位出現小幅度波動。

圖6　聲能密度對污泥pH的影響Fig. 6 Effects of energy density on pH

圖7　聲能密度對污泥Zeta電位的影響Fig. 7 Effects of energy density on Zeta potential

聲能密度對污泥絮體平均粒徑的影響如圖8所示。由圖8可知：絮體平均粒徑隨超聲時間的增加而減小，且聲能密度越高，粒徑減小越明顯。聲能密度為1 W/mL時絮體平均粒徑改變不大，超聲30 min后平均粒徑下降約21.43%，聲能密度7 W/mL的超聲波作用30 min后平均粒徑下降50%。與低聲能密度超聲處理絮體時的規律相似，粒徑的減小主要發生在前5 min，之后漸趨平緩，此時聲能密度成為主要限制因素。超聲過程中，空化氣泡的產生與空化閾和聲壓有關[13]，可以表示為：

圖8　聲能密度對污泥絮體粒徑的影響Fig. 8 Effects of energy density on floc size

圖9所示為聲能密度對絮體比表面積的影響。原泥絮體比表面積為80.282 m2/g。超聲前5 min，絮體比表面積增大，漲幅明顯，之后不同聲能密度對絮體比表面積有不同影響。聲能密度為1 W/mL時，絮體比表面積隨超聲時間的增加不斷增大，但曲線隨超聲時間的增加而趨于平緩；聲能密度為3 W/mL和5 W/mL時，比表面積分別在10 min和15 min達到峰值后下降；在高聲能密度(7 W/mL)下，比表面積在5 min時達到最大，為113.735 m2/g。高聲能密度超聲波能量較大，可以在短時間內將污泥絮體打碎，小顆粒絮體數量增加，且形成的大量瞬時空化氣泡破裂，污泥顆粒表面粗糙程度增加，比表面積增大；高聲能密度下超聲時間較短時，空化作用產生的剪切力迅速破壞絮體，絮體粒徑急速減小，比表面積增大。隨著超聲時間的增加，絮體被進一步破壞，但此時粒徑減小速率變得緩慢，且在長時間的超聲振動下，被震碎的小顆粒物填充絮體表面空洞，絮體變得均勻，通過分析絮體二維邊緣分形維數發現，在聲能密度7 W/mL下超聲30 min后絮體Dpf為1.334，低于原泥絮體Dpf1.515，絮體內部結構的填充度增加，絮體變得密實，比表面積減小。高聲能密度下的超聲時間應盡量控制在10 min以內，以獲得較大的絮體比表面積，利于后續處理。

圖9　聲能密度對污泥比表面積的影響Fig. 9 Effects of energy density on specific surface area

2.3不同固體質量濃度(TS)污泥經超聲處理后的絮體特性

在40 kHz、25 mW/mL的超聲工況下，不同固體質量濃度的污泥經槽反應器處理后的絮體特性如表1所示。超聲后污泥pH均略小于原泥的pH，隨著超聲時間的增加，pH出現小幅度波動但無明顯規律。固體質量濃度為4.56 g/L的污泥pH變化較小，說明固體質量濃度高的污泥pH緩沖能力更強。固體質量濃度為4.56 g/L的污泥Zeta電位上升約1 mV，超聲5 min后Zeta電位幾乎不隨超聲時間變化；固體質量濃度為3.61 g/L的污泥Zeta電位隨超聲時間波動，無明顯規律。

不同固體質量濃度的污泥絮體平均粒徑隨超聲時間的增加持續減小，超聲30 min后，固體質量濃度為4.56 g/L的絮體粒徑減幅約30%，低于固體質量濃度3.61 g/L的污泥絮體(約40%)，說明固體質量濃度高的污泥絮體破解程度相對低。超聲波在介質中傳播時伴隨著不可避免的能量衰減、吸附和擴散，其衰減程度取決于超聲波性質和介質均勻程度[2]。聲能密度的衰減規律如下：式中：Ix為距聲源x處的聲能密度；I0為聲源處的聲能密度；α為衰減系數。研究結果表明[20]：對于給定頻率的超聲波，介質黏性增加時，衰減系數增大。通常情況下，固體質量濃度大的污泥黏性較大，超聲波衰減程度較高，而且可能阻礙空化氣泡的傳播，影響污泥破解效果。

固體質量濃度為3.61 g/L的污泥絮體比表面積隨超聲時間增加而持續增大；而固體質量濃度為4.56 g/L的絮體比表面積增加主要發生在超聲前5 min，而后增幅降低。可能因為一方面超聲波在固體質量濃度大的污泥中傳播時衰減程度較高，形成的瞬時空化氣泡對絮體表面的剝蝕作用減弱，粒徑減小速度慢;另一方面，超聲后固體質量濃度大的污泥系統中小顆粒濃度大，在長時間超聲振動下重新結合、填充的概率大，絮體表面粗糙程度減小，比表面積緩慢增加甚至出現降低。因此，水廠在處理固體質量濃度較高的污泥時，可以進行稀釋預處理，以達到更好的超聲效果。

表1　固體質量濃度對污泥絮體特性的影響Table 1 Effects of total solid content on floc characteristics

3　結論

1) 不同頻率的超聲波處理后，污泥絮體的pH與Zeta電位均出現小幅波動。超聲后絮體結構被破壞，平均粒徑減小且主要發生在超聲作用的前5 min，之后粒徑減小逐漸緩慢，超聲頻率越高絮體破碎越明顯。超聲作用后污泥絮體表面粗糙多孔，比表面積逐漸增大，且頻率越高增幅越大。

2) 聲能密度對絮體pH與Zeta電位的影響不明顯，而對絮體粒徑及比表面積的影響較大。高聲能密度超聲波處理時絮體粒徑減小，減少幅度可達50%以上，同時比表面積增大，可能利于污泥回流；聲能密度過高且經長時間超聲作用后，絮體表面變得光滑、均勻，比表面積降低。

3) 在40 kHz，25 mW/mL的超聲條件下，超聲作用對不同固體質量濃度的污泥絮體的影響規律相似，但固體質量濃度低的污泥超聲波衰減程度低，破解程度較高。

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(編輯 趙俊)

Effects of ultrasound condition on flocs characteristics of drinking water treatment sludge

GUO Xuan, YANG Yanling, LI Xing, ZHOU Zhiwei, WU Yan
(College of Architecture and Civil Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

The effects of ultrasound frequencies (25 kHz and 40 kHz), energy density (0.025?7.000 W/mL) and sonication time (0?30 min) on the flocs characteristics of a drinking water treatment sludge (DWTS) were investigated using both bath and probe sonoreactors. The results indicate that the flocs size decreases as result of disintegration of DWTS flocs structure which occurs mainly during the first 5 min ultra-sonication. The extent of the disintegration, accompanying with the reduction in flocs size is greater at higher frequency than the lower one. The specific surface area of pre-sonciated flcos gradually increases as sonication is prolonged, and it increases greater at higher frequency. The flocs size is greatly reduced at higher energy density, the highest reduction rate reaches above 50%. The specific surface area of pre-sonciated flcos reduces in case of the higher energy density and longer sonication time together. The smallest flocs size and highest specific surface area of pre-sonciated flcos can be obtained at 40 kHz with 25 mW/mL of energy density. The lower solid content is benefit to the lower extent of attenuation when transmitted in such medium and the higher DWTS disruption. Ultrasound has little influence on pH and Zeta potential of the pre-sonicated flocs.

ultrasound; energy density; ultrasonic frequency; flocs characteristics

TU991.2

A

1672?7207(2016)03?1071?07

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.03.047

2015?03?26；

2015?06?09

國家自然科學基金資助項目(51278005)；北京市自然科學基金資助項目(8132007)；國家水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07404-003) (Project(51278005) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(8132007) supported by the Beijing Municipal Natural Science Foundation; Project(2012ZX07404-003) supported by the National Water Pollution Control and Treatment Science and Technology Major Project)

楊艷玲，研究員，博士生導師，從事水處理理論與技術等研究；E-mail: yangyanling@bjut.edu.cn