超声声能密度对净水厂污泥脱水性能的影响

张 浩,杨艳玲,李 星,郭 璇,王 帅,冀思扬,周志伟 (北京工业大学建筑工程学院,北京 100124)

超声声能密度对净水厂污泥脱水性能的影响

张 浩,杨艳玲*,李 星,郭 璇,王 帅,冀思扬,周志伟 (北京工业大学建筑工程学院,北京 100124)

考察了不同声能密度(0.03,1.0,3.0,5.0W/mL)时超声作用对净水厂污泥脱水性能的影响,明确了污泥脱水性能变化的影响因素.结果表明,较低声能密度(0.03,1.0W/mL)超声作用少于10min时,污泥脱水性能可改善;而高声能密度条件下,无论超声时间长短,污泥的脱水性能均恶化.声能密度越高,污泥上清液中溶出有机物越高,絮体特性变化越明显,污泥脱水性能恶化程度越显著.在较低声能密度时,污泥的脱水性能与溶出有机物和污泥絮体特性变化无关;而在高声能密度(5.0W/mL)时,脱水性能的恶化程度与溶出有机物和絮体Zeta电位密切相关.关键词：净水厂污泥；脱水性能；超声波；声能密度

在给水处理的混凝-沉淀或气浮过程中,会产生大量的净水污泥,其主要包括悬浮颗粒物、可溶性物质、部分絮凝剂水解产物等.净水污泥的性质与原水杂质的组成及投加的混凝剂种类有关.目前,大部分净水污泥多就近直接排放至天然水体中,造成水体的二次污染,因此对污泥进行处置和综合利用是非常必要的.

活性污泥调理的方法主要有化学调理、氧化、酸碱、热处理、超声波空化等[1-3].超声波作为活性污泥厌氧发酵的预处理技术得到了广泛研究,相关研究主要围绕着活性污泥的破解特性、上清液中物质成分及浓度水平、污泥沉降性和脱水性变化、污泥中微生物活性、缩短硝化时间和提高产气量等方面.超声作用对污泥物理特性的影响主要体现在污泥沉降性能和脱水性能等方面.超声声能密度(或功率、比能)、频率和作用时间均可对活性污泥物理特性产生影响,采用较高声能密度、较长超声时间作用后,活性污泥颗粒粒径显著减小,颗粒内部结构变得更为疏松,同时上清液浊度显著增加,超声作用条件对污泥的沉降性能和脱水性能的改善程度存在一个最佳值,超过或低于该最佳值,污泥的沉降性能或脱水性能均呈现恶化的趋势[3-7].另外,活性污泥脱水性能的变化与其表面特性,如胞外聚合物(EPS)的溶出组分和含量,以及表面Zeta电位密切相关[2,8-11].

采用超声波技术处理净水污泥还少见报道,其作用对污泥脱水性能的影响机制尚不完善.由于净水污泥与活性污泥在微生物含量、有物浓度与组分以及污泥絮体表面特性等方面存在较大差异,超声波对净水污泥脱水性的影响也会显著不同.因此,本文考察了不同超声波声能密度(0.03,1.0,3.0,5.0W/mL)时,超声作用对净水厂污泥脱水性能的影响,并探讨了絮体表面特性的变化与其脱水性能之间的相关性,旨在为净水厂污泥的调理提供参考.

1 材料与方法

1.1 试验方法

试验污泥为北京市某净水厂沉淀污泥,主要特性指标如下:温度为(20.4±0.8)℃,pH 值为7.60±0.54,固体浓度TS为(1.57±0.22)g/L,污泥容积指数 SVI为(110.4±0.37)mL/g,污泥的总TCODCr为(307±10)mg/L;污泥上清液中溶解性SCOD、多糖和蛋白质分别为(10.43±0.56), (11.82±1.30),(0.37±0.05)mg/L;污泥的平均比阻SRF值为 17.92×1012m/kg、平均毛细吸水时间CST值为20.8s.

采用探头式超声装置(XH-2008DE),考察0.03,1.0,3.0,5.0W/mL的声能密度对污泥脱水性能的影响.该超声波装置频率为25kHz,钛合金探头直径为18mm,电功率0～1500W可调,反应容器为 100mm×100mm×50mm,声能密度可在一定范围内选取.在不同声能密度条件下,将输入电功率分别调至7.5,250,750,1250W,然后将250mL污泥加到反应容器中,保持超声探头垂直伸入液面10mm下,磁力搅拌速度为270rpm,整个超声过程不控温.考察超声作用时间为5,10,15,20,30min时污泥的无机物/有机物指标(如TS、SCOD、多糖和蛋白质等)、污泥表面特性指标(Zeta电位和BET比表面积)、以及污泥的CST和SRF指标变化.每个超声作用时刻点结束后更换反应容器中污泥,进行下一组试验.每组试验重复1次,数据均为平行试验的平均值.

1.2 主要指标的测定方法

SRF的测定步骤如下:1)测定净水厂污泥的含固率 C0;2)在布氏漏斗上放置滤纸,用水浸湿,紧贴底部;3)取150mL污泥,均匀倒入布氏漏斗滤纸上,开动真空泵,调节真空泵压力至 0.035MPa;达到此压力时,开始启动秒表,并记下启动秒表时量筒内滤液体积;4)每隔一定时间(开始时可为10s或15s,滤速减慢后可为30s)记下量筒内相应的滤液体积;5)过滤至真空破坏,如真空长时间不破坏,抽滤20min即可;6)关闭真空泵,用小勺在滤纸上取少许泥样,烘干,测其含固率 Cu;7)记录的过滤时间t除以对应的滤液体积V,得t/V值,以t/V为纵坐标、V为横坐标作图,曲线的直线段斜率即为b值,将b值代入式(1)中.

式中:P为过滤压强,Pa;过滤的压力差,N/m2;A为过滤面积,m2;b为比阻测定中的斜率,由坐标值可以计算出,s/m6;µ为滤液黏度,(N⋅s)/m2;W 为单位体积滤液产生的干污泥质量,kg/m3;SRF为比阻值,m/kg.

CST采用毛细吸水时间测定仪(DPC-10a型,恒奥德,北京)测定,测定方法参见文献[12].污泥絮体的 BET比表面积采用比表面积测定仪(Nova 2000e,Quantachrome公司,美国)测定.pH值用Thermo pH测定仪测定.污泥絮体Zeta电位采用Zeta电位仪(ZetasizerNano2000,Malvern,英国)测定,仪器自动检测 3次,结果取其平均值.取超声作用后的污泥混合液在 4000r/min下离心10min,取上清液测定 SCOD、蛋白质和多糖含量.SCOD采用连华科技5B-3型快速测定仪测定,蛋白质浓度采用BCA法测定试剂盒(SK3061,上海Sangon)测定,多糖采用蒽酮比色法测定.

2 结果与讨论

2.1 污泥SRF和CST变化规律

从图 1(a)可以看出,0.03W/mL与 1.0W/mL声能密度条件下,超声作用 10min后 SRF从12.66×1012m/kg分别降至 10.66×1012m/kg和11.33×1012m/kg的最低值,比超声作用前降低了15.8%和 10.5%.随着超声作用时间的延长,SRF先增大后降低,但经 0.03W/mL超声作用 30min后,SRF比超声作用前降低了15.8%.在较高声能密度(3.0,5.0W/mL)条件下,超声作用时间为15min时,SRF分别达到 20.02×1012m/kg与22.72×1012m/kg的最大值,随后SRF降低直至平缓,且5.0W/mL声能密度条件下的SRF增幅比3.0W/mL的更高.该结果表明,在低声能密度(0.03,1.0W/mL)条件下,适宜的超声作用时间可降低污泥的SRF,改善污泥脱水性能.在高声能密度(3.0,5.0W/mL)条件下,无论超声时间长短,污泥脱水性能均呈现恶化的趋势.

图1 SRF和CST变化情况Fig.1 Changes in SRF and CST

由图1(b)可知,CST的变化趋势与SRF基本一致,即在 0.03,1.0W/mL声能密度条件下,超声作用10min后,CST值从18s分别降至12.5s和15.3s的最低值,比超声作用前的降低了30.6%和 15%.随着超声作用时间延长,CST呈现先增大后降低的趋势.在声能密度0.03W/mL、超声作用时间30min时,CST比超声作用前的降低了12.2%.在较高声能密度(3.0,5.0W/mL)时,CST随着作用时间逐渐增大,均在30min时达到33.3s与36.4s的最大值.另外,声能密度越大,CST增幅越高,在声能密度为5.0W/mL、超声作用30min时,CST增幅最大,从超声作用前的18s增加至36.4s.

以上结果表明,超声声能密度为 0.03W/mL和1.0W/mL且超声作用时间少于10min时,污泥的脱水性能有所改善,而当声能密度为 3.0W/mL和 5.0W/mL时,污泥的脱水性能均恶化,声能密度越高,脱水性能恶化越明显.

2.2 污泥溶出物及其与SRF和CST相关性

据 Zhou等[13]研究表明,污泥经超声作用后,絮体平均粒径与释放到上清液中的SCOD含量具有显著的线性关系,因而可以通过污泥絮体粒径的变化来反映上清液中SCOD溶出情况.从图2(a)中可知,随着超声作用时间的延长,污泥絮体的平均粒径均呈下降趋势,在初始的15min内,污泥絮体平均粒径的变化相差不大;但在声能密度为5.0W/mL时,污泥絮体平均粒径下降得非常明显,超声作用30min后,絮体的平均粒径下降程度达 42.67%.这说明,需要足够大的声能密度才能将絮体的平均粒径打碎到更小的粒径.郭璇等[14]研究也表明,声能密度越大,超声波越有利于空化效应,污泥破解的效果越明显.Show等[5]研究也认为,在比能输入值为10kWh/kg DS、声能密度为 0.52,0.33,0.18W/mL条件下,活性污泥絮体经超声作用后,平均粒径分别从初始的 49μm降至9,13,19μm,表明声能密度越大,絮体的平均粒径降低越明显.

从图2(b)中可知,随着超声作用时间的延长,上清液中多糖含量持续上升;在声能密度为0.03,1.0,3.0W/mL时,多糖的含量变化情况相差不大,而在 5.0W/mL的声能密度条件下,多糖含量随着作用时间明显上升,且在超声作用 30min时,多糖含量从初始的 13.42mg/L增加至最大值23.61mg/L.蛋白质的变化趋势与多糖稍有差异(图2(c)),在较高声能密度(3.0,5.0W/mL)条件下、超声作用时间超过20min后,蛋白质浓度不再发生变化,这可能是由于蛋白质的释放含量与变性含量趋于平衡.上清液中蛋白质与多糖含量随声能密度的增加而上升现象是由于高声能密度超声作用后,空化作用引起的机械剪切作用更显著,导致污泥絮体结构破坏得更剧烈及微生物胞内物质溶出更多.

图2 超声污泥絮体平均粒径、上清液中多糖和蛋白质变化Fig.2 Change in flocs’ average size, concentration of polysaccharides and proteins in supernatant

从图3中可知,在0.03W/mL时,污泥SRF或CST均与污泥絮体粒径、溶出蛋白质和多糖没有关联性;在1W/mL时,污泥的SRF或CST与溶出的多糖含量存在显著线性关系,说明多糖的溶出对污泥脱水性能的影响较大,而且CST与污泥的平均粒径有显著相关性(Pearson’r=0.98,Adj. R2=0.94);在3.0W/mL时,SRF与污泥絮体平均粒径、溶出的多糖和蛋白质含量均无关,而CST仅与溶出的多糖含量有关;在5W/mL时,污泥SRF或CST均与污泥絮体粒径、溶出的蛋白质和多糖含量有关,且污泥絮体粒径与SRF或CST的Pearson’r系数接近-1,表明二者呈显著的负相关,也即污泥絮体的粒径越小,SRF或CST越大,脱水性能越差.

王红武等[10]认为,EPS总量对活性污泥脱水性能影响很小,但其组成如松散性的LB-EPS、紧密粘附性的 TB-EPS相对含量对脱水性有显著影响,mLB/mTB质量比越大,污泥的脱水性能变差.在净水厂污泥体系中,超声声能密度越大,污泥中的多糖、蛋白质和SCOD释放量越大,且净水污泥中部分不溶性的有机物变成溶解性的有机物,增强了与水的结合能力,污泥脱水性能变差;另外,在较低声能密度时(0.03W/mL),超声能量不足以将污泥絮体打碎到很小的尺寸,其脱水性变化也不明显;随着声能密度的增大,污泥絮体的平均粒径下降得越明显,污泥的脱水性能也随之变差.因此,在较低声能密度条件下,污泥的脱水性能和絮体粒径、溶出的蛋白质和多糖含量关联性不大,而在高声能密度条件(5.0W/mL)下,污泥的脱水性能和三者具有较明显的相关性.

2.3 污泥絮体表面特性及其与SRF和CST相关性

由图 4(a)可知,随着超声作用时间的延长, Zeta电位不断升高,声能密度为 0.03,1.0,3.0, 5.0W/mL的超声作用30min后,Zeta电位分别提高了 0.73,2.57,2.8,2.37mV,这可能是由于一定时间的超声作用后,污泥介质体系温度升高,而污泥温度升高对铁盐及聚合铁离子浓度变化影响较大,促进了铁盐混凝剂的水解;另外溶液黏度减小,加速了未絮凝胶体颗粒的聚合,使得污泥Zeta电位升高.

图3 污泥SRF/CST与絮体平均粒径、溶出多糖和蛋白质相关性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

图4 超声污泥Zeta电位和BET比表面积变化Fig.4 Change in Zeta potential and specific surface area of sonicated sludge

由图 4(b)可知,在较低声能密度(0.03,1.0W/ mL)时,随着超声作用时间的延长,污泥絮体的BET比表面积逐渐增大;在较高声能密度(3.0, 5.0W/mL)时,随着超声作用时间的延长,污泥絮体的BET比表面积呈现先增大后降低的趋势,且在 5min时达到最大值.表明在低声能密度(0.03,1.0W/mL)超声作用条件下,污泥絮体粒径逐渐减小,絮体比表面积也随之增大,而在高声能密度(3.0,5.0W/mL)时,絮体的比表面积则出现先升高后降低的现象.这一结果与邬艳等[15]研究一致,即低声能密度(0.03,1.0W/mL)的超声作用促使微小絮体与较大絮体碰撞并粘合成立体性更强且团簇结构更加明显的絮体,致使表面粗糙程度增加,粒径减小,絮体比表面积增大;在高声能密度(3.0,5.0W/mL)条件下,短时间的超声作用可能只是将絮体打碎成小颗粒,污泥整体比表面积增大,而超声时间继续延长,絮体粒径下降速率低于絮体表面粗糙程度下降的速率,因此高声能密度作用下污泥絮体的比表面积先升高后降低.

从表1中可以看出,在0.03和1.0W/mL声能密度时,污泥的 SRT或 CST与 Zeta电位和BET比表面积不存在相关性;在3.0W/mL声能密度时,SRF与污泥絮体的Zeta电位和BET比表面积无关,而 CST仅与 Zeta电位有关;在5.0W/mL声能密度时,SRF或CST均与污泥絮体的Zeta电位有关,而与BET比表面积无关,其中SRF与Zeta电位Pearson’r系数接近1,表明二者呈显著正相关.

表1 污泥SRF/CST与Zeta电位和BET比表面积回归系数Table 1 Linear-regression analysis of SRF/CST between Zeta potential and BET specific surface area.

曹秉帝等[16]认为,溶解性EPS会通过自身所带电荷、官能团电力等作用吸收水分,具有高度的水合作用,对活性污泥脱水性具有负面影响. Liao[11]和Pere等[17]研究证实,Zeta电位值增大表明污泥絮体表面的离子化多聚物较多,与水分子之间的极性作用增强,即亲水性增强,从而导致污泥絮体内结合水增多,与水分离的难度增大,污泥的脱水性能恶化.在净水厂污泥介质体系中,在较低声能密度(0.03,1.0W/mL)时,污泥的脱水性能与絮体Zeta电位和BET比表面积相关性不大,这可能与 Zeta跳跃式变化有关;在高声能密度(5.0W/mL)条件下,污泥脱水性能的恶化与超声过程中絮体的 Zeta电位具有显著相关性,但与BET比表面积的变化无关.

3 结论

3.1 声能密度为0.03,1.0W/mL、超声时间少于10min时,污泥絮体的脱水性能可以得到改善;声能密度为3.0和5.0W/mL时,脱水性能均恶化,且声能密度越高,脱水性能恶化程度越明显.

3.2 声能密度越高,污泥上清液中溶出的有机物含量越高,污泥絮体 Zeta电位绝对值变化越大、BET比表面积增加越明显.

3.3 较低声能密度(0.03,1.0W/mL)条件下,污泥的脱水性能和絮体粒径、溶出的蛋白质和多糖,以及絮体Zeta电位和BET比表面积相关性不大;高声能密度(5.0W/mL)条件下,污泥的脱水性能恶化,是由于有机物的溶出以及Zeta电位的升高,而与BET比表面积的变化无关.

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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

张 浩(1991-),男,湖北省恩施人,北京工业大学建筑工程学院硕士研究生,主要从事饮用水安全研究.

2016-07-18

国家自然科学基金项目(51278005);北京市自然科学基金项目(8132007)

* 责任作者, 研究员, yangyanling@bjut.edu.cn