機械轉盤聯合超聲破解剩余污泥

孫志成，韓進，張明楊，MD. Asadur Rahoman，王有昭，齊元欣，王敏，謝元華，朱彤

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機械轉盤聯合超聲破解剩余污泥

孫志成，韓進，張明楊，MD. Asadur Rahoman，王有昭，齊元欣，王敏，謝元華，朱彤

（東北大學機械工程與自動化學院，遼寧沈陽 110819）

采用自主設計并制造的機械轉盤剩余污泥破解裝置對污泥進行破解處理，并聯合超聲技術以提升破解效果，考察不同運行條件對污泥破解效果的影響，采用響應面法優化處理參數，通過掃描電鏡觀察破解污泥的細胞形態。實驗發現：盤間距離（）和轉盤破解時間（m）是影響機械轉盤剩余污泥破解液溶解性化學需氧量的增加值（SCOD）和效能比（EDR）的重要因素；在1.5 mm，轉速為2300 r·min-1運行條件下破解25 min時SCOD為3130 mg·L-1，破解效果良好。根據Central Composite Design實驗設計原理，注重剩余污泥破解的能源利用效率，以SCOD和EDR為響應指標對機械轉盤聯用超聲破解參數進行優化，當優化條件為2.76 mm，m10.89 min，u（超聲處理時間）=17.2 min時，剩余污泥破解液SCOD7871.78 mg·L-1，EDR8.475 mg·L-1·kJ-1，在相同總處理時間下分別是單獨機械轉盤法（2610 mg·L-1，3.11 mg·L-1·kJ-1）的3.02倍、2.7倍，單獨超聲法（3170 mg·L-1，3.26 mg·L-1·kJ-1）的2.48倍和2.6倍。

廢物處理；優化設計；顯微結構；機械轉盤；超聲；響應面法

引 言

當今世界上超過90%的城市污水都在采用活性污泥法進行處理，但由此產生的剩余污泥體積龐大、成分復雜，難于經濟、有效地處理，已經成為亟待解決的環保問題之一。通過剩余污泥破解技術，將污泥破解，溶出易降解的有機質，以促進厭氧發酵、能源回收，達到污泥減量化、資源化的目的，已成為污泥處理領域的研究熱點[1-7]。

韓進等[8]用自主設計的高速轉盤污泥破解裝置進行污泥破解實驗，破解污泥的中值粒徑可達15μm以下、破解率在50%左右，但轉盤轉速較高，耗能較大，因此，通過改進轉盤結構，提出機械轉盤污泥破解裝置（MRD），在低轉速、低能耗的條件下實現污泥的有效破解。

超聲技術由于具有無污染和破解速度快等特點在污泥破解技術中備受關注，其破解污泥的主要作用機理是機械效應和聲化學效應[9]，可以實現較好的污泥破解效果[10]，但能耗較大。近年來，為提高破解效果和能源利用效率，超聲耦合作用破解剩余污泥是研究熱點[11-14]，但對于機械轉盤聯合超聲破解生物污泥的方法研究鮮有報道，因此本文采用自主研發的新型機械轉盤破解裝置聯合超聲破解技術對污泥進行破解處理，以污泥溶解性化學需氧量增加值（SCOD）、核酸溶出量（NA）以及效能比（EDR）為評價指標，探討機械轉盤聯合超聲技術破解剩余污泥的效果。

1 實驗裝置與方法

1.1 實驗裝置

機械轉盤破解裝置示意圖如圖1(a)所示，機械轉盤破解裝置由電機、轉盤、靜盤、破解室和回流管路等部分構成，結構及運行參數見表1。電機帶動機械轉盤旋轉產生離心作用，容器中的污泥會從定盤中間的空孔進入靜盤與轉盤之間的間隙，在流體剪切力等作用下實現污泥破解。

圖1(b)所示為靜盤（左）和動盤（右）實物圖，新型轉盤與靜盤表面加工有特殊的由間斷環形槽和徑向槽組成的加工槽。隨著轉盤的高速轉動，盤間距會發生周期性的變化，當轉盤槽頂與靜盤槽頂相對時，最小，產生的速度梯度最大；當轉盤槽底與靜盤槽頂相對時，在離心力的作用下，轉盤槽中液體隨著轉盤的高速旋轉產生很大的徑向運動速度，在間斷式環形壁的阻礙下，高速運動的液體不斷與槽壁碰撞而產生沖擊力，碰撞之后的污泥破解液在徑向壁的阻礙下分向左右兩側沿槽壁向前流動，并在下一個出口匯合碰撞并進行動能交換。如此，盤腔中形成周期性變化的切應力可有效降低細胞壁的強度。轉盤的轉動作用對槽中液體產生較大的流體剪切力的同時盤面加工槽增加了液體在盤腔中的擠壓、碰撞以及流動距離，由此，可提高其對細胞的破解能力。

圖1 機械轉盤破解裝置示意圖

表1 機械轉盤剩余污泥破解裝置結構及運行參數

Note:1—diameter of stator;2—diameter of rotator;—space between stator and rotator.

超聲破解裝置是QYH系列超聲波污泥處理器，裝置由超聲發生器、聚能器和處理腔3部分構成，其運行參數如表2所示。機械轉盤聯合超聲破解系統示意圖如圖2所示。

表2 超聲破解裝置結構與運行參數

圖2 機械轉盤聯合超聲破解系統示意圖

1—mechanical rotary disk; 2—ultrasonic reactor; 3—amplitude transformer; 4—cavity; 5—ultrasonic generator

1.2 實驗污泥

本實驗采用的剩余污泥是以采集于沈陽市沈水灣污水處理廠機械脫水的污泥（含水率為80%）為接種污泥培養而成。剩余污泥的pH為6.8，總固體濃度（TS）為18500～21000 mg·L-1，懸浮固體濃度(MLSS)為12000～15000 mg·L-1，揮發性固體濃度（MLVSS）為9500～10500 mg·L-1。

1.3 實驗方法

機械轉盤破解剩余污泥：實驗通過改變機械轉盤裝置盤間距離（），考察不同的和作用時間（m）對污泥破解效果的影響，運用響應面法優化運行參數，使用掃描電鏡觀察破解前后的污泥，并對機械轉盤破解的機理和效能比進行分析。

機械轉盤聯用超聲處理器破解剩余污泥：取優化條件下機械轉盤破解后的剩余污泥破解液，利用超聲處理器進行進一步破解，對聯用破解效果和效能比進行分析，并與單獨機械轉盤法破解和單獨超聲法破解效果進行對比。

1.4 分析方法

剩余污泥、破解污泥的TS、MLSS和MLVSS采用質量濃度法測定；黏度采用NDJ-1旋轉式黏度計檢測；溶解性化學需氧量（SCOD）的測定采用重鉻酸鉀法[15]；核酸量（NA）采用紫外吸收法（260 nm）測定。

實驗中將破解后污泥SCOD與破解之前污泥SCOD的差值定義為污泥溶解性化學需氧量增加值（SCOD）[16]，將破解后污泥NA與破解前污泥NA的差值定義為核酸溶出量（NA），污泥溶解性化學需氧量增加值（SCOD）與破解過程中所消耗能量（）的比值定義為效能比（EDR），如式（1）所示

2 實驗結果與分析

2.1 機械轉盤破解剩余污泥

2.1.1和m對處理結果的影響 改變機械轉盤破解裝置盤間距離,對剩余污泥進行破解處理，不同的條件下剩余污泥破解液SCOD和EDR隨破解時間變化如圖3所示。

圖3 SCOD+和EDR隨破解時間的變化趨勢

如圖3所示，隨著破解時間的增加，剩余污泥破解液SCOD持續增加，m相同的情況下越小剩余污泥破解液SCOD越大，表明降低對破解效果具有促進作用。隨著破解時間的進行EDR呈明顯下降趨勢，即破解時間越長能源利用效率越低。實驗發現在15 min后SCOD增加緩慢，在35 min后SCOD停止增加，以達到35 min時破解效果SCOD的90%所用的時間來表征有效破解時間（e），分別為4.5、3.0、1.5 mm時e分別為5、15和20 min，機械轉盤越小e越長。在小于e的時間范圍內，裝置破解菌膠團和細胞的效果非常明顯，SCOD數值變化迅速，且EDR較高，時間大于e之后SCOD增加緩慢，EDR迅速降低。從4.5 mm降低到3.0 mm和1.5 mm，m35 min時，SCOD從1230 mg·L-1分別升高至2240 mg·L-1和3130 mg·L-1，EDR從1.63 mg·L-1·kJ-1分別升高至2.13 mg·L-1·kJ-1和降低到1.17 mg·L-1·kJ-1。在相同轉速和破解時間下，雖然減小可提高處理效果，但是轉盤阻力變大，導致電機功率增大和能耗增加，因此引起EDR的降低。

各條件下剩余污泥破解液NA和pH隨時間變化如圖4所示。在剩余污泥中核酸只存在于細胞內，故各條件下在有效破解時間內核酸溶出量迅速增加的現象表明細胞破解效果良好。從4.5 mm減小至3 mm時NA增加了81.6%，從3 mm減小到1.5 mm時NA增加18%，的影響減弱。分析認為，的減小雖然有利于流體剪切作用的增強，但同時也降低了剩余污泥破解液在兩盤之間的流量，此時剪切力對剩余污泥難以高效地發揮作用，效果影響減弱。在破解過程中剩余污泥破解液pH呈明顯的降低趨勢，主要原因是細胞破解導致胞內酸類物質進入剩余污泥破解液，進一步驗證了機械轉盤對剩余污泥的破解效果。

圖4 NA+和pH隨破解時間的變化趨勢

2.1.2 響應面法優化機械轉盤法破解剩余污泥結果分析 響應面優化應用Design expert(8.0.6)軟件，根據Central CompositeDesign（CCD）實驗設計原理，在單因素實驗基礎上，選擇(A)和m(B)為實驗因素，以SCOD和EDR為檢測指標進行實驗設計，對工藝參數進行優化，采用二階經驗模型對變量的響應進行表征。因素水平編碼如表3所示。根據實驗初始階段破解效果不佳而末尾階段EDR明顯降低的實際情況，選擇m(B)的區間為3～15 min。

表3 因素水平編碼

對結果進行回歸分析，交互影響擬合曲面分別如圖5(a)、圖6(a)所示，分別建立二次回歸方程如式（2）、式（3）所示

應用Design expert(8.0.6)設計實驗得到的交互影響等高線分別如圖5(b)、圖6(b)所示，等高線分布呈典型的橢圓形[17-18]，表明機械轉盤破解污泥過程中和m兩個因素對SCOD和EDR影響的交互作用顯著。如圖5(b)所示，與相比m等高線較密集，擬合曲面坡度較大，說明m對SCOD的結果影響較大；如圖6(b)所示，與m相比，的等高線更密集，說明對EDR的影響更大。

圖5 A(d)和B(Tm)兩因素對SCOD+的交互影響

二次曲面模型的方差分析以及回歸系數顯著性檢驗見表4。值和值代表相關系數的顯著性，兩個模型的分別為273.18和21.54，（Prob＞）分別為（Prob＞）＜0.0001，（Prob＞）0.0014[（Prob＞）＜0.05視為模型顯著][19]，表明機械轉盤和m對剩余污泥破解液SCOD+和EDR均有顯著影響。模型決定系數2分別為0.9949和0.9390，調整決定系數分別為（0.9913-0.9637＜0.2）和（0.8954-0.7752＜0.2），表明實驗的可信度和精確度高，回歸方程擬合度高，能很好地模擬兩個自變量對響應值（SCOD和EDR）的影響。

表4 二次曲面模型的方差分析及回歸系數顯著性檢驗

圖6 A(d)和B(Tm)兩因素對EDR的交互影響

綜合考慮SCOD和EDR兩個指標，對和m兩個條件的優化結果為：2.76 mm，m10.89 min時，剩余污泥破解液SCOD1752.32 mg·L-1，EDR6.405 mg·L-1·kJ-1。然后進行3次實驗驗證，在最佳工藝條件下514 W，剩余污泥破解液SCOD分別為1855 mg·L-1、1830 mg·L-1和1843 mg·L-1，平均值為1842 mg·L-1，相對應的EDR平均值為6.1 mg·L-1·kJ-1，誤差范圍在5%以內，說明模型對實驗結果具有較好的預測結果，有一定的指導意義，為機械轉盤聯用超聲法破解剩余污泥提供數據支持。

2.1.3 掃描電鏡觀察 處理前污泥的SEM圖像如圖7(a)所示，在放大倍數為500倍的情況下可以清晰地觀察到菌膠團中球菌、桿菌在粘連作用下聚合在一起，菌膠團集結了大量的細胞。破解后污泥的SEM圖像如圖7(b)所示，在放大倍數為2000倍的條件下觀察機械轉盤破解（3 mm，m30 min）后的細胞形態，可清晰觀察到污泥的絮凝結構已經被完全解體，單獨細胞已經分散在破解液之中，細胞壁上出現了破裂、穿孔，細胞已經變形，細胞內含物質已溶出。因此證明，機械轉盤產生的流體剪切力足以破壞細胞壁的結構，從而達到剩余污泥破解的目的。

圖7 處理前和破解后污泥的SEM照片

2.2 機械轉盤聯用超聲法破解剩余污泥

2.2.1 超聲法破解剩余污泥 超聲破解SCOD和EDR隨破解時間變化趨勢如圖8所示，剩余污泥破解液SCOD在較長時間內接近線性增長，在40 min后破解效果趨于穩定，SCOD4210 mg·L-1。超聲破解的效能比呈現先增大后不斷減小的趨勢；EDR最大值出現在u5 min左右，EDR5.06 mg·L-1·kJ-1。中值粒徑隨處理時間的變化趨勢如圖9所示，雖然超聲破解能夠在短時間內減小粒徑，但明顯機械轉盤法更加迅速，盤間距對粒徑減小的影響不大。采用超聲法破解時，污泥體中值粒徑減小65%，采用機械轉盤法破解時為80%。

圖8 SCOD+和EDR隨破解時間的變化趨勢

圖9 中值粒徑隨處理時間的變化趨勢

結合機械轉盤法圖3數據圖分析，在破解初期機械轉盤法效能比更高，但隨著破解時間的增加機械轉盤法破解剩余污泥的EDR迅速下降；超聲法可以在一定時間段內維持較為穩定的EDR和破解速率，并且可以實現剩余污泥的深度破解，但耗能較多，效能比較低。為得到較好破解效果的同時提高EDR，結合兩種破解工藝的特點，提出機械轉盤聯用超聲破解剩余污泥的工藝，探究超聲處理經機械轉盤預處理之后的剩余污泥的高效性。

2.2.2 機械轉盤聯用超聲法破解剩余污泥 結合前文研究結果，取用機械轉盤破解裝置在優化條件（2.76 mm，m10.89 min）下破解之后的剩余污泥進一步運用超聲處理器進行破解，并將聯合破解與單獨機械轉盤破解方法（2.76 mm，514 W）、單獨超聲破解方法（600 W，20 kHz）相比較。不同破解方法下SCOD和EDR隨時間的變化關系如圖10所示。

機械轉盤聯用超聲破解剩余污泥SCOD在10 min后激增，破解速率加快，在40 min時剩余污泥破解液SCOD達到9820 mg·L-1，是相同處理時間下機械轉盤法（2820 mg·L-1）的3.48倍、超聲破解法（5600 mg·L-1）的1.75倍。經過機械轉盤預處理后的剩余污泥在后期超聲破解過程中EDR大幅度提高，最大EDR出現在超聲破解10 min，為8.9 mg·L-1·kJ-1，是總破解時間下機械轉盤方法（4.34 mg·L-1·kJ-1）的2.05倍，超聲法（4.375 mg·L-1·kJ-1）的2.03倍。根據圖9中值粒徑隨處理時間的變化趨勢圖及圖7破解前后SEM照片分析認為，通過機械轉盤預處理之后的剩余污泥，菌膠團等大分子聚合物在流體剪切力的作用下被打散、分離而粒徑變小，可實現在保證較高EDR的前提下提高超聲破解速率，相比較單獨機械轉盤法和超聲法，機械轉盤聯用超聲破解剩余污泥法可提高能源利用效率，在較短時間內實現剩余污泥的深度破解。

2.2.3 機械轉盤聯合超聲破解剩余污泥結果優化

實驗結果優化根據One Factor實驗設計原理，選擇優化條件下機械轉盤破解之后的u為實驗因素，以SCOD和EDR為檢測指標進行實驗設計，對u進行優化。選取400 W，u5～35 min為變量變化范圍，采用四階模型對變量的響應進行表征。

對結果進行回歸分析，擬合曲線如圖11所示。四次曲線模型方差分析及回歸系數顯著性檢驗顯示實驗可信度和精確度高，優化結果為當u17.2 min時，SCOD7871.78 mg·L-1，EDR8.475 mg·L-1·kJ-1。在最優工作條件下進行3次實驗，剩余污泥破解液SCOD平均值為8140 mg·L-1，相對應的EDR為8.76 mg·L-1·kJ-1，與實驗預測值最大相對誤差在5%左右，具有一定的指導意義。

圖11 剩余污泥破解液SCOD+和EDR擬合曲線

3 結 論

（1）新型機械轉盤破解裝置可在較低轉速下實現剩余污泥的有效破解，破解效果受和m的影響。減小和延長m均能提高破解效果，其表現為SCOD的增加，但同時，的減小和m延長會造成EDR減小，降低能源利用效率，增加處理成本。

（2）根據Central Composite Design實驗設計原理，以SCOD和EDR為響應指標，優化結果為：當2.76 mm，m10.89 min，u17.2 min時，剩余污泥破解液SCOD7871.78 mg·L-1，EDR8.475 mg·L-1·kJ-1，在相同總破解時間（28.09 min）下分別是單獨機械轉盤法（2610 mg·L-1，3.11 mg·L-1·kJ-1）的3.02倍、2.7倍，單獨超聲法（3170 mg·L-1，3.26 mg·L-1·kJ-1）的2.48倍和2.6倍。

（3）機械轉盤聯合超聲破解剩余污泥工藝在保證一定的能源利用效率的基礎上可有效實現污泥深度破解，具有高效性。

符 號 說 明

D1，D2，d——分別為靜盤直徑、動盤直徑、盤間距，mm EDR——效能比，mg·L-1·kJ-1 f——超聲破解裝置頻率 MLSS——混合液懸浮固體顆粒濃度，mg·L-1 n——電機轉速，r·min-1 P——功率，kW SCOD+——溶解性化學需氧量增加值 Tm，Tu，T——分別為高速轉盤破解時間、超聲破解時間、總破解時間，min V0——單次處理量，ml

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Disintegration of excess sludge by mechanical rotary disk combination with ultrasonication

SUN Zhicheng, HAN Jin, ZHANG Mingyang, MD. Asadur Rahoman, WANG Youzhao, QI Yuanxin, WANG Min, XIE Yuanhua, ZHU Tong

(School of Mechanical Engineering and Automation, Northeastern University, Shenyang 110819, Liaoning, China)

The new-type mechanical rotary disk (MRD), which was used for the experiment of excess sludge disintegration combination with ultrasound, was manufactured by independent design to improve the disintegration effect. To investigate the MRD disintegration effect, the experiments under different operation conditions were carried out. The results showed that(the distance between the plates) andm(the disintegrationtime) were the important factors to influence SCOD(the added value of solubility chemical oxygen demand) and EDR (energy disintegration ratio). The SCODwas 3130 mg·L-1after 25 min of MRD disintegration under the condition thatwas 1.5 mm and the revolving speed was 2300 r·min-1, which presented that the disintegration was effective. According to the center combination experimental design of Central-Composite based on the response surface method, SCODand EDR were considered as response to paid attention to the energy efficiency. SCODand EDR were 7871.78 mg·L-1and 8.475 mg·L-1·kJ-1under the optimal conditions that,mandu(ultrasound disintegration time) were 2.76 mm, 10.89 min and 17.2 min, respectively. The results were respectively 3.02 times and 2.7 times of What used MRD（2610 mg·L-1，3.11 mg·L-1·kJ-1）and 2.48 times and 2.6 times of that used ultrasonic（3170 mg·L-1，3.26 mg·L-1·kJ-1）under the same total disintegration time.

waste treatment;optimal design; microstructure; mechanical rotary disk; ultrasonic; response surface method

date: 2016-07-18.

ZHU Tong, tongzhu@me.neu.edu.cn

10.11949/j.issn.0438-1157.20161006

X 705

A

0438—1157（2016）12—5229—08

國家自然科學基金項目（51178089）。

supported by the National Natural Science Foundation of China (51178089).

2016-07-18收到初稿，2016-09-13收到修改稿。

聯系人：朱彤。第一作者：孫志成（1990—），男，碩士研究生。