超聲聲能密度對凈水廠污泥脫水性能的影響

張 浩,楊艷玲,李 星,郭 璇,王 帥,冀思揚,周志偉 (北京工業大學建筑工程學院,北京 100124)

超聲聲能密度對凈水廠污泥脫水性能的影響

張 浩,楊艷玲*,李 星,郭 璇,王 帥,冀思揚,周志偉 (北京工業大學建筑工程學院,北京 100124)

考察了不同聲能密度(0.03,1.0,3.0,5.0W/mL)時超聲作用對凈水廠污泥脫水性能的影響,明確了污泥脫水性能變化的影響因素.結果表明,較低聲能密度(0.03,1.0W/mL)超聲作用少于10min時,污泥脫水性能可改善;而高聲能密度條件下,無論超聲時間長短,污泥的脫水性能均惡化.聲能密度越高,污泥上清液中溶出有機物越高,絮體特性變化越明顯,污泥脫水性能惡化程度越顯著.在較低聲能密度時,污泥的脫水性能與溶出有機物和污泥絮體特性變化無關;而在高聲能密度(5.0W/mL)時,脫水性能的惡化程度與溶出有機物和絮體Zeta電位密切相關.關鍵詞：凈水廠污泥；脫水性能；超聲波；聲能密度

在給水處理的混凝-沉淀或氣浮過程中,會產生大量的凈水污泥,其主要包括懸浮顆粒物、可溶性物質、部分絮凝劑水解產物等.凈水污泥的性質與原水雜質的組成及投加的混凝劑種類有關.目前,大部分凈水污泥多就近直接排放至天然水體中,造成水體的二次污染,因此對污泥進行處置和綜合利用是非常必要的.

活性污泥調理的方法主要有化學調理、氧化、酸堿、熱處理、超聲波空化等[1-3].超聲波作為活性污泥厭氧發酵的預處理技術得到了廣泛研究,相關研究主要圍繞著活性污泥的破解特性、上清液中物質成分及濃度水平、污泥沉降性和脫水性變化、污泥中微生物活性、縮短硝化時間和提高產氣量等方面.超聲作用對污泥物理特性的影響主要體現在污泥沉降性能和脫水性能等方面.超聲聲能密度(或功率、比能)、頻率和作用時間均可對活性污泥物理特性產生影響,采用較高聲能密度、較長超聲時間作用后,活性污泥顆粒粒徑顯著減小,顆粒內部結構變得更為疏松,同時上清液濁度顯著增加,超聲作用條件對污泥的沉降性能和脫水性能的改善程度存在一個最佳值,超過或低于該最佳值,污泥的沉降性能或脫水性能均呈現惡化的趨勢[3-7].另外,活性污泥脫水性能的變化與其表面特性,如胞外聚合物(EPS)的溶出組分和含量,以及表面Zeta電位密切相關[2,8-11].

采用超聲波技術處理凈水污泥還少見報道,其作用對污泥脫水性能的影響機制尚不完善.由于凈水污泥與活性污泥在微生物含量、有物濃度與組分以及污泥絮體表面特性等方面存在較大差異,超聲波對凈水污泥脫水性的影響也會顯著不同.因此,本文考察了不同超聲波聲能密度(0.03,1.0,3.0,5.0W/mL)時,超聲作用對凈水廠污泥脫水性能的影響,并探討了絮體表面特性的變化與其脫水性能之間的相關性,旨在為凈水廠污泥的調理提供參考.

1 材料與方法

1.1 試驗方法

試驗污泥為北京市某凈水廠沉淀污泥,主要特性指標如下:溫度為(20.4±0.8)℃,pH 值為7.60±0.54,固體濃度TS為(1.57±0.22)g/L,污泥容積指數 SVI為(110.4±0.37)mL/g,污泥的總TCODCr為(307±10)mg/L;污泥上清液中溶解性SCOD、多糖和蛋白質分別為(10.43±0.56), (11.82±1.30),(0.37±0.05)mg/L;污泥的平均比阻SRF值為 17.92×1012m/kg、平均毛細吸水時間CST值為20.8s.

采用探頭式超聲裝置(XH-2008DE),考察0.03,1.0,3.0,5.0W/mL的聲能密度對污泥脫水性能的影響.該超聲波裝置頻率為25kHz,鈦合金探頭直徑為18mm,電功率0～1500W可調,反應容器為 100mm×100mm×50mm,聲能密度可在一定范圍內選取.在不同聲能密度條件下,將輸入電功率分別調至7.5,250,750,1250W,然后將250mL污泥加到反應容器中,保持超聲探頭垂直伸入液面10mm下,磁力攪拌速度為270rpm,整個超聲過程不控溫.考察超聲作用時間為5,10,15,20,30min時污泥的無機物/有機物指標(如TS、SCOD、多糖和蛋白質等)、污泥表面特性指標(Zeta電位和BET比表面積)、以及污泥的CST和SRF指標變化.每個超聲作用時刻點結束后更換反應容器中污泥,進行下一組試驗.每組試驗重復1次,數據均為平行試驗的平均值.

1.2 主要指標的測定方法

SRF的測定步驟如下:1)測定凈水廠污泥的含固率 C0;2)在布氏漏斗上放置濾紙,用水浸濕,緊貼底部;3)取150mL污泥,均勻倒入布氏漏斗濾紙上,開動真空泵,調節真空泵壓力至 0.035MPa;達到此壓力時,開始啟動秒表,并記下啟動秒表時量筒內濾液體積;4)每隔一定時間(開始時可為10s或15s,濾速減慢后可為30s)記下量筒內相應的濾液體積;5)過濾至真空破壞,如真空長時間不破壞,抽濾20min即可;6)關閉真空泵,用小勺在濾紙上取少許泥樣,烘干,測其含固率 Cu;7)記錄的過濾時間t除以對應的濾液體積V,得t/V值,以t/V為縱坐標、V為橫坐標作圖,曲線的直線段斜率即為b值,將b值代入式(1)中.

式中:P為過濾壓強,Pa;過濾的壓力差,N/m2;A為過濾面積,m2;b為比阻測定中的斜率,由坐標值可以計算出,s/m6;μ為濾液黏度,(N?s)/m2;W 為單位體積濾液產生的干污泥質量,kg/m3;SRF為比阻值,m/kg.

CST采用毛細吸水時間測定儀(DPC-10a型,恒奧德,北京)測定,測定方法參見文獻[12].污泥絮體的 BET比表面積采用比表面積測定儀(Nova 2000e,Quantachrome公司,美國)測定.pH值用Thermo pH測定儀測定.污泥絮體Zeta電位采用Zeta電位儀(ZetasizerNano2000,Malvern,英國)測定,儀器自動檢測 3次,結果取其平均值.取超聲作用后的污泥混合液在 4000r/min下離心10min,取上清液測定 SCOD、蛋白質和多糖含量.SCOD采用連華科技5B-3型快速測定儀測定,蛋白質濃度采用BCA法測定試劑盒(SK3061,上海Sangon)測定,多糖采用蒽酮比色法測定.

2 結果與討論

2.1 污泥SRF和CST變化規律

從圖 1(a)可以看出,0.03W/mL與 1.0W/mL聲能密度條件下,超聲作用 10min后 SRF從12.66×1012m/kg分別降至 10.66×1012m/kg和11.33×1012m/kg的最低值,比超聲作用前降低了15.8%和 10.5%.隨著超聲作用時間的延長,SRF先增大后降低,但經 0.03W/mL超聲作用 30min后,SRF比超聲作用前降低了15.8%.在較高聲能密度(3.0,5.0W/mL)條件下,超聲作用時間為15min時,SRF分別達到 20.02×1012m/kg與22.72×1012m/kg的最大值,隨后SRF降低直至平緩,且5.0W/mL聲能密度條件下的SRF增幅比3.0W/mL的更高.該結果表明,在低聲能密度(0.03,1.0W/mL)條件下,適宜的超聲作用時間可降低污泥的SRF,改善污泥脫水性能.在高聲能密度(3.0,5.0W/mL)條件下,無論超聲時間長短,污泥脫水性能均呈現惡化的趨勢.

圖1 SRF和CST變化情況Fig.1 Changes in SRF and CST

由圖1(b)可知,CST的變化趨勢與SRF基本一致,即在 0.03,1.0W/mL聲能密度條件下,超聲作用10min后,CST值從18s分別降至12.5s和15.3s的最低值,比超聲作用前的降低了30.6%和 15%.隨著超聲作用時間延長,CST呈現先增大后降低的趨勢.在聲能密度0.03W/mL、超聲作用時間30min時,CST比超聲作用前的降低了12.2%.在較高聲能密度(3.0,5.0W/mL)時,CST隨著作用時間逐漸增大,均在30min時達到33.3s與36.4s的最大值.另外,聲能密度越大,CST增幅越高,在聲能密度為5.0W/mL、超聲作用30min時,CST增幅最大,從超聲作用前的18s增加至36.4s.

以上結果表明,超聲聲能密度為 0.03W/mL和1.0W/mL且超聲作用時間少于10min時,污泥的脫水性能有所改善,而當聲能密度為 3.0W/mL和 5.0W/mL時,污泥的脫水性能均惡化,聲能密度越高,脫水性能惡化越明顯.

2.2 污泥溶出物及其與SRF和CST相關性

據 Zhou等[13]研究表明,污泥經超聲作用后,絮體平均粒徑與釋放到上清液中的SCOD含量具有顯著的線性關系,因而可以通過污泥絮體粒徑的變化來反映上清液中SCOD溶出情況.從圖2(a)中可知,隨著超聲作用時間的延長,污泥絮體的平均粒徑均呈下降趨勢,在初始的15min內,污泥絮體平均粒徑的變化相差不大;但在聲能密度為5.0W/mL時,污泥絮體平均粒徑下降得非常明顯,超聲作用30min后,絮體的平均粒徑下降程度達 42.67%.這說明,需要足夠大的聲能密度才能將絮體的平均粒徑打碎到更小的粒徑.郭璇等[14]研究也表明,聲能密度越大,超聲波越有利于空化效應,污泥破解的效果越明顯.Show等[5]研究也認為,在比能輸入值為10kWh/kg DS、聲能密度為 0.52,0.33,0.18W/mL條件下,活性污泥絮體經超聲作用后,平均粒徑分別從初始的 49μm降至9,13,19μm,表明聲能密度越大,絮體的平均粒徑降低越明顯.

從圖2(b)中可知,隨著超聲作用時間的延長,上清液中多糖含量持續上升;在聲能密度為0.03,1.0,3.0W/mL時,多糖的含量變化情況相差不大,而在 5.0W/mL的聲能密度條件下,多糖含量隨著作用時間明顯上升,且在超聲作用 30min時,多糖含量從初始的 13.42mg/L增加至最大值23.61mg/L.蛋白質的變化趨勢與多糖稍有差異(圖2(c)),在較高聲能密度(3.0,5.0W/mL)條件下、超聲作用時間超過20min后,蛋白質濃度不再發生變化,這可能是由于蛋白質的釋放含量與變性含量趨于平衡.上清液中蛋白質與多糖含量隨聲能密度的增加而上升現象是由于高聲能密度超聲作用后,空化作用引起的機械剪切作用更顯著,導致污泥絮體結構破壞得更劇烈及微生物胞內物質溶出更多.

圖2 超聲污泥絮體平均粒徑、上清液中多糖和蛋白質變化Fig.2 Change in flocs’ average size, concentration of polysaccharides and proteins in supernatant

從圖3中可知,在0.03W/mL時,污泥SRF或CST均與污泥絮體粒徑、溶出蛋白質和多糖沒有關聯性;在1W/mL時,污泥的SRF或CST與溶出的多糖含量存在顯著線性關系,說明多糖的溶出對污泥脫水性能的影響較大,而且CST與污泥的平均粒徑有顯著相關性(Pearson’r=0.98,Adj. R2=0.94);在3.0W/mL時,SRF與污泥絮體平均粒徑、溶出的多糖和蛋白質含量均無關,而CST僅與溶出的多糖含量有關;在5W/mL時,污泥SRF或CST均與污泥絮體粒徑、溶出的蛋白質和多糖含量有關,且污泥絮體粒徑與SRF或CST的Pearson’r系數接近-1,表明二者呈顯著的負相關,也即污泥絮體的粒徑越小,SRF或CST越大,脫水性能越差.

王紅武等[10]認為,EPS總量對活性污泥脫水性能影響很小,但其組成如松散性的LB-EPS、緊密粘附性的 TB-EPS相對含量對脫水性有顯著影響,mLB/mTB質量比越大,污泥的脫水性能變差.在凈水廠污泥體系中,超聲聲能密度越大,污泥中的多糖、蛋白質和SCOD釋放量越大,且凈水污泥中部分不溶性的有機物變成溶解性的有機物,增強了與水的結合能力,污泥脫水性能變差;另外,在較低聲能密度時(0.03W/mL),超聲能量不足以將污泥絮體打碎到很小的尺寸,其脫水性變化也不明顯;隨著聲能密度的增大,污泥絮體的平均粒徑下降得越明顯,污泥的脫水性能也隨之變差.因此,在較低聲能密度條件下,污泥的脫水性能和絮體粒徑、溶出的蛋白質和多糖含量關聯性不大,而在高聲能密度條件(5.0W/mL)下,污泥的脫水性能和三者具有較明顯的相關性.

2.3 污泥絮體表面特性及其與SRF和CST相關性

由圖 4(a)可知,隨著超聲作用時間的延長, Zeta電位不斷升高,聲能密度為 0.03,1.0,3.0, 5.0W/mL的超聲作用30min后,Zeta電位分別提高了 0.73,2.57,2.8,2.37mV,這可能是由于一定時間的超聲作用后,污泥介質體系溫度升高,而污泥溫度升高對鐵鹽及聚合鐵離子濃度變化影響較大,促進了鐵鹽混凝劑的水解;另外溶液黏度減小,加速了未絮凝膠體顆粒的聚合,使得污泥Zeta電位升高.

圖3 污泥SRF/CST與絮體平均粒徑、溶出多糖和蛋白質相關性Fig.3 Linear-regression analysis of SRF/CST wiith flocs’ average size, proteins and polysaccharides(a)0.03W/mL,SRF;(b)0.03W/mL,CST ;(c)1.0W/mL,SRF;(d)1.0W/mL,CST;(e)3.0W/mL,SRF;(f)3.0W/mL,CST;(g)5.0W/mL,SRF;(h)5.0W/mL,CST

圖4 超聲污泥Zeta電位和BET比表面積變化Fig.4 Change in Zeta potential and specific surface area of sonicated sludge

由圖 4(b)可知,在較低聲能密度(0.03,1.0W/ mL)時,隨著超聲作用時間的延長,污泥絮體的BET比表面積逐漸增大;在較高聲能密度(3.0, 5.0W/mL)時,隨著超聲作用時間的延長,污泥絮體的BET比表面積呈現先增大后降低的趨勢,且在 5min時達到最大值.表明在低聲能密度(0.03,1.0W/mL)超聲作用條件下,污泥絮體粒徑逐漸減小,絮體比表面積也隨之增大,而在高聲能密度(3.0,5.0W/mL)時,絮體的比表面積則出現先升高后降低的現象.這一結果與鄔艷等[15]研究一致,即低聲能密度(0.03,1.0W/mL)的超聲作用促使微小絮體與較大絮體碰撞并粘合成立體性更強且團簇結構更加明顯的絮體,致使表面粗糙程度增加,粒徑減小,絮體比表面積增大;在高聲能密度(3.0,5.0W/mL)條件下,短時間的超聲作用可能只是將絮體打碎成小顆粒,污泥整體比表面積增大,而超聲時間繼續延長,絮體粒徑下降速率低于絮體表面粗糙程度下降的速率,因此高聲能密度作用下污泥絮體的比表面積先升高后降低.

從表1中可以看出,在0.03和1.0W/mL聲能密度時,污泥的 SRT或 CST與 Zeta電位和BET比表面積不存在相關性;在3.0W/mL聲能密度時,SRF與污泥絮體的Zeta電位和BET比表面積無關,而 CST僅與 Zeta電位有關;在5.0W/mL聲能密度時,SRF或CST均與污泥絮體的Zeta電位有關,而與BET比表面積無關,其中SRF與Zeta電位Pearson’r系數接近1,表明二者呈顯著正相關.

表1 污泥SRF/CST與Zeta電位和BET比表面積回歸系數Table 1 Linear-regression analysis of SRF/CST between Zeta potential and BET specific surface area.

曹秉帝等[16]認為,溶解性EPS會通過自身所帶電荷、官能團電力等作用吸收水分,具有高度的水合作用,對活性污泥脫水性具有負面影響. Liao[11]和Pere等[17]研究證實,Zeta電位值增大表明污泥絮體表面的離子化多聚物較多,與水分子之間的極性作用增強,即親水性增強,從而導致污泥絮體內結合水增多,與水分離的難度增大,污泥的脫水性能惡化.在凈水廠污泥介質體系中,在較低聲能密度(0.03,1.0W/mL)時,污泥的脫水性能與絮體Zeta電位和BET比表面積相關性不大,這可能與 Zeta跳躍式變化有關;在高聲能密度(5.0W/mL)條件下,污泥脫水性能的惡化與超聲過程中絮體的 Zeta電位具有顯著相關性,但與BET比表面積的變化無關.

3 結論

3.1 聲能密度為0.03,1.0W/mL、超聲時間少于10min時,污泥絮體的脫水性能可以得到改善;聲能密度為3.0和5.0W/mL時,脫水性能均惡化,且聲能密度越高,脫水性能惡化程度越明顯.

3.2 聲能密度越高,污泥上清液中溶出的有機物含量越高,污泥絮體 Zeta電位絕對值變化越大、BET比表面積增加越明顯.

3.3 較低聲能密度(0.03,1.0W/mL)條件下,污泥的脫水性能和絮體粒徑、溶出的蛋白質和多糖,以及絮體Zeta電位和BET比表面積相關性不大;高聲能密度(5.0W/mL)條件下,污泥的脫水性能惡化,是由于有機物的溶出以及Zeta電位的升高,而與BET比表面積的變化無關.

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Effect of ultrasound energy density on dewaterability of drinking water treatment sludge.

ZHANG Hao, YANG Yan-ling*, LI Xing, GUO Xuan, WANG Shuai, JI Si-yang, ZHOU Zhi-wei (College of Architecture and Civil Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China). China Environmental Science, 2017,37(3)：1009～1015

The influence of ultrasound energy densities on dewaterability of drinking water treatment sludge and the involved influencing factors was investigated. The dewaterability of sonicated sludge was improved at relatively low energy densities of 0.03 and 1.0W/mL in less than 10minutes. However, at relatively high energy densities, the dewaterability of sludge was deteriorated regardless of ultra-sonication time. The content of solubilized organic matter in the supernatant of sonicated sludge was increased. Additionally, the floc characteristics changed obviously and the dewaterability got worse as the energy density increased. At lower energy densities of 0.03 and 1.0W/mL, the dewaterability of sludge was not correlated with solubilized organic matters and floc characteristics of sonicated sludge. However, at a high energy density of 5W/mL, the dewaterability was significantly related to solubilized organic matters and Zeta potential of sludge.

drinking water treatment chemically sludge；dewaterability；ultrasound；energy density

X703.5

A

1000-6923(2017)03-1009-07

張 浩(1991-),男,湖北省恩施人,北京工業大學建筑工程學院碩士研究生,主要從事飲用水安全研究.

2016-07-18

國家自然科學基金項目(51278005);北京市自然科學基金項目(8132007)

* 責任作者, 研究員, yangyanling@bjut.edu.cn