超聲對(duì)污泥深度脫水的影響與分析

林 航，朱廣鋒，陳 賡

（1.中國船舶重工集團(tuán)公司第七一五研究所，杭州 310023；2.杭州瑞利超聲科技有限公司，杭州 310023）

0 引言

隨著城鎮(zhèn)化率越來越高，城鎮(zhèn)用水量也越來越大，城鎮(zhèn)污水處理廠處理污水的量也隨之增加，污水處理過程中必然會(huì)產(chǎn)生剩余污泥，污泥結(jié)構(gòu)松散，具有很高的含水率，從而引起排放量較大的問題。而且污泥容易滋生各種微生物，經(jīng)常會(huì)有強(qiáng)烈的刺激性氣味，具有較大的危害。污泥排放量的增加會(huì)越來越成為困擾污水處理廠和社會(huì)的重大問題。污泥的主要成分是水。如何有效對(duì)污泥進(jìn)行深度脫水，降低污泥含水率是污泥減量的重要方法。較低的污泥含水率可以顯著減少污泥的量，從而降低污水處理廠的污泥處理壓力，有效降低處理費(fèi)用，降低對(duì)社會(huì)資源的占用，并對(duì)環(huán)境保護(hù)產(chǎn)生積極的影響。

菌膠團(tuán)是活性污泥的重要組成部分，其內(nèi)部含有大量的水，在污泥處理過程中菌膠團(tuán)越松散，其吸附、沉降性就越差，越不利于污泥的沉淀處理。據(jù)研究可知，污泥中菌膠團(tuán)內(nèi)主要包含間隙水、毛細(xì)水、吸附水及內(nèi)部水[1]，其中毛細(xì)水和吸附水占污泥總水分含量的20%以上，該部分水表面結(jié)合力較大，結(jié)合較緊，難以通過機(jī)械力進(jìn)行破壞，一般通過化學(xué)方法或者溫壓調(diào)節(jié)的方法進(jìn)行脫水減量，但這些方法由于操作難度或者試劑污染等因素受到諸多限制，因此更需要找到適合的辦法對(duì)其進(jìn)行處理。而超聲波處理過程因其可以避開上述缺陷越來越收到重視。

國外對(duì)超聲污泥脫水技術(shù)早有研究，分析了超聲波在不同頻率時(shí)對(duì)細(xì)胞分解的速度影響，得出在41 kHz 時(shí)細(xì)胞分解最快，并指出超聲波污泥分解主要是由于空化作用氣泡破碎時(shí)產(chǎn)生的剪切力作用[2-3]。國外在21世紀(jì)初在該方面就形成有商業(yè)化運(yùn)用。國內(nèi)在這方面起步較晚，但也有大量的研究，分析總結(jié)了超聲波頻率及強(qiáng)度、反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和超聲波輻射時(shí)間等對(duì)污泥破解效果的影響[4-7]；童文錦等[8]通過SOUR和SCOD 來表征污泥活性和計(jì)算污泥破解率，選取一定頻率超聲波，探索了聲能密度和超聲時(shí)間對(duì)污泥預(yù)處理效果的影響；朱廣峰等[9]涉及超聲污泥減量技術(shù)的研究，偏重于城市超聲污泥水處理對(duì)生化系統(tǒng)的影響；李靜、胡正猛、Yang Jinmei、Jin Y Y 等[10-13]研究了超聲處理時(shí)間和密度的影響，及絮凝劑添加量的影響。這些文獻(xiàn)對(duì)超聲污泥脫水技術(shù)過程中的各種影響因素進(jìn)行了大量的研究，但沒有涉及到超聲預(yù)處理后污泥脫水時(shí)過濾方式的影響研究，因而不足以對(duì)污泥深度脫水設(shè)備的產(chǎn)生指導(dǎo)性作用，也就難以制定更為合理的污泥脫水工藝。

本文通過對(duì)超聲處理污泥過程中不同時(shí)間添加絮凝劑PAC，得到不同添加時(shí)間對(duì)污泥含水率的影響。針對(duì)不同過濾方式時(shí)超聲預(yù)處理剩余污泥脫水過程的定量分析，對(duì)污泥超聲深度脫水的過程進(jìn)行研究，得出超聲預(yù)處理污泥壓濾脫水和抽濾脫水的含水率比值。針對(duì)超聲波處理后的抽濾脫水和壓濾脫水進(jìn)行比對(duì)研究，并分析污泥深度處理帶來的經(jīng)濟(jì)價(jià)值與社會(huì)價(jià)值，指導(dǎo)后續(xù)新型的污泥深度脫水設(shè)備的研究及污泥脫水工藝制定。

1 試驗(yàn)原理

圖1 所示為污泥中水分的示意圖，一般認(rèn)為，污泥中各水分的結(jié)合強(qiáng)度由大到小的順序?yàn)椋何剿久?xì)水＞間隙水＞自由水，污泥中水分結(jié)合的強(qiáng)度越大，分離難度就越大。機(jī)械脫水方法一般只能去除自由水和部分間隙水，存在于污泥中的毛細(xì)水及吸附水則不能被去除。

圖1 污泥中水分示意圖

超聲波處理污泥[14]，是利用一定振幅和頻率的超聲波在液體中會(huì)產(chǎn)生的空化現(xiàn)象，從而形成特殊的條件，促使污泥菌膠團(tuán)內(nèi)部的間隙水和毛細(xì)水（占污泥總水量的20%以上）更容易地釋放出來，一定程度上破壞菌膠團(tuán)的結(jié)構(gòu)，再經(jīng)過絮凝劑調(diào)理使得難以通過機(jī)械作用脫水處理的污泥變得更易于脫水處理。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)?zāi)鄻觼碓?/h3>

試驗(yàn)污泥取自某市排水分公司氧化溝泥水混合物，靜置30 min 后，傾去上層清液，即為試驗(yàn)用泥，污泥含水率為98.5%，采用貯料罐給料的方式。

2.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置：超聲發(fā)生裝置為槽式，過濾裝置為布氏漏斗抽濾裝置和板框壓濾機(jī)。試驗(yàn)裝置及過程記錄如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)裝置及過程記錄

2.3 試驗(yàn)方法

用燒杯逐次取適量的污泥放置于超聲波設(shè)備內(nèi)部，在不同的超聲功率條件下進(jìn)行超聲預(yù)處理，然后用絮凝劑調(diào)理，測定布氏漏斗抽濾和壓濾機(jī)壓濾后濾餅含水率。

（1）超聲處理污泥

用燒杯分次取1 L含水率98.5%污泥置于超聲波發(fā)生器內(nèi)，在超聲功率為30 W 與60 W 的條件下進(jìn)行超聲處理1 min備用。

（2）絮凝劑調(diào)理

配置75 g/L 的聚合氯化鋁、2 g/L 的陽離子聚丙烯酰胺備用，將1 L 超聲處理后的泥樣加入5 mL 的聚合氯化鋁，立即快速攪拌30 s，再加入2 mL 的聚丙烯酰胺，然后慢速攪拌1 min。取樣前對(duì)污泥進(jìn)行攪拌，保證污泥樣品體系均勻。

（3）布氏漏斗抽濾實(shí)驗(yàn)

在前期準(zhǔn)備好的待處理污泥樣品中分次量取100 mL樣本，分別進(jìn)行不同功率的超聲處理，然后進(jìn)行抽濾，抽濾時(shí)間15 min，最后測定抽濾后濾餅的含水率。同時(shí)進(jìn)行無超聲處理的直接抽濾，測定直接抽濾后濾餅的含水率，對(duì)比上述處理后的樣品含水率變化情況。

（4）板框壓濾實(shí)驗(yàn)

將200 mL 污泥樣品裝入配料罐，正確裝好濾板、濾框和濾布。使用前用水浸濕。濾布必須繃緊，不能起皺。壓力保持恒定，壓濾15 min。

2.4 分析方法

污泥濾餅含水率的測定方法：電子秤秤量60 mL 蒸發(fā)皿，記錄質(zhì)量W0。然后取一定質(zhì)量的污泥濾餅于蒸發(fā)皿中，用電子秤稱重，記錄質(zhì)量W1，然后將其移至102 ℃的烘箱2 h，取出冷卻0.5 h，稱重，記錄重量W2，依照下式得出含水率：

式中：P為污泥含水率；W0為蒸發(fā)皿的質(zhì)量，g；W1為烘干前質(zhì)量（蒸發(fā)皿和濕污泥），g；W2為烘干后質(zhì)量（蒸發(fā)皿和干污泥），g。

3 過程記錄及結(jié)果分析

3.1 超聲波作用在絮凝劑PAC 添加前后對(duì)污泥脫水試驗(yàn)濾餅含水率的影響

分別針對(duì)不做處理、超聲處理前加入絮凝劑PAC、超聲處理后加入絮凝劑PAC 等3 種情況的污泥分別進(jìn)行脫水得出試驗(yàn)數(shù)據(jù)，詳細(xì)結(jié)果如表1 所示。表中數(shù)據(jù)為超聲波作用在絮凝劑PAC 添加前后污泥脫水試驗(yàn)抽濾濾餅含水率的結(jié)果。#1 項(xiàng)目為功率60 W 的超聲波處理后加入絮凝劑PAC 的試驗(yàn)組，#2 項(xiàng)目為超聲處理前加入PAC絮凝劑的試驗(yàn)組。

表1 超聲處理對(duì)絮凝劑PAC添加的影響對(duì)比

數(shù)據(jù)顯示，超聲處理前加入PAC 絮凝劑效果優(yōu)于超聲處理后加入實(shí)驗(yàn)組。超聲處理#2 泥餅含水率相對(duì)于未處理和超聲處理#1 分別提高了2.44%與0.51%，污泥量相對(duì)減少了10.6%與2.3%。分析可知，污泥超聲處理過程中，污泥菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)被改變，同時(shí)也促進(jìn)絮凝劑PAC 與污泥充分的結(jié)合，使污泥脫水效果更佳。在超聲處理前加入絮凝劑PAC 可使二者混合更充分，效果更好。

3.2 超聲波對(duì)布氏漏斗抽濾后污泥濾餅含水率的影響

分別針對(duì)不做處理、超聲處理（30 W）、超聲處理（60 W）等3種情況的污泥分別進(jìn)行抽濾脫水得出試驗(yàn)數(shù)據(jù)，詳細(xì)結(jié)果如表2 所示。表中數(shù)據(jù)為超聲處理與未超聲處理后的污泥經(jīng)布氏漏斗抽濾脫水結(jié)果，結(jié)果顯示：功率為30 W 的超聲波作用效果優(yōu)于未超聲處理，泥餅含水率減少了0.83%，污泥量相對(duì)減少了3.9%；功率60 W的超聲波作用效果更佳，泥餅含水率相對(duì)于未處理減少了1.93%，污泥量相對(duì)減少了8.6%。

表2 超聲處理抽濾泥餅脫水

3.3 超聲波對(duì)壓濾機(jī)壓濾后污泥濾餅含水率的影響

分別針對(duì)不做處理、超聲處理（30 W）、超聲處理（60 W）等3種情況的污泥分別進(jìn)行壓濾脫水得出試驗(yàn)數(shù)據(jù)，詳細(xì)結(jié)果如表3 所示。表中數(shù)據(jù)為超聲處理與未超聲處理后的污泥經(jīng)壓濾脫水的記錄數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示：超聲處理30 W 與未超聲處理對(duì)比，泥餅含水率減少了2.58%，污泥量相對(duì)減少了12.7%；超聲處理60 W 與未超聲處理對(duì)比，泥餅含水率減少了3.69%，污泥量相對(duì)減少了17.2%。

表3 超聲處理壓濾泥餅脫水

分析可得：超聲波對(duì)污泥菌膠團(tuán)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生顯著影響，促使污泥結(jié)構(gòu)中的部分間隙水和毛細(xì)水轉(zhuǎn)化為自由水，使污泥菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)更加緊密，從而促進(jìn)了污泥的泥水分離。污泥含水率一定程度上會(huì)隨著超聲功率的增大顯著的降低。

對(duì)比抽濾和壓濾結(jié)果可得，超聲波對(duì)于抽濾和壓濾均有效果，但抽濾污泥泥餅的脫水效果弱于壓濾污泥泥餅脫水效果。抽濾脫水相對(duì)于無超聲處理時(shí)可以有效降低含水率比值2.2%以上，而壓濾脫水可以有效降低含水率比值4.5%以上。分析過程認(rèn)為：處理后的污泥在抽濾過程中，當(dāng)污泥含水率達(dá)到一定程度時(shí)，泥餅會(huì)出現(xiàn)裂紋，從而造成抽濾的效果下降。

4 結(jié)束語

超聲污泥減量技術(shù)是一種經(jīng)濟(jì)環(huán)保的技術(shù)，通過對(duì)其不同影響因素的研究，才能選出最佳的方案，最大化地提高超聲處理在污泥減量中的技術(shù)效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。

本文通過超聲波對(duì)污泥深度脫水過程的分析，設(shè)計(jì)了壓濾和抽濾的縮比模型系統(tǒng)，復(fù)現(xiàn)了超聲波預(yù)處理后污泥脫水時(shí)的抽濾及壓濾過程，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，得出超聲處理后壓濾的效果明顯優(yōu)于抽濾，指導(dǎo)后期的新型污泥脫水設(shè)備的研制及脫水工藝的制定。

通過某地市污水廠處理數(shù)據(jù)可知，10 000 m3污水產(chǎn)泥量約25 t，污泥含水率為80%，污泥處理價(jià)格135元/t。按照處理后污泥含水率降低至77.7%，每天的污泥量可以減少10%，即2.5 t，費(fèi)用節(jié)省337.5 元/天或12.3 萬元/年。按照該地市污水處理量約220 萬m3/天，即可節(jié)省費(fèi)用74 250 元/天或2 706 萬元/年。