2450MHz电磁波污泥脱水过程中的温度效应

李丹熠,桑稳姣*,张 倩,张宛君,丰洋洋,李志轩



2450MHz电磁波污泥脱水过程中的温度效应

李丹熠1,桑稳姣1*,张 倩1,张宛君2,丰洋洋3,李志轩1

(1.武汉理工大学土木工程与建筑学院,湖北 武汉 430070；2.中国市政工程中南设计研究总院有限公司,湖北 武汉 430010；3.安徽省城建设计研究总院股份有限公司,安徽 合肥 230051)

采用2450MHz电磁波进行污泥脱水,研究电磁波加载过程中污泥温度变化对于剩余污泥性质和溶出效应的影响.研究发现,经电磁波加载后,污泥的容积指数(SVI)随着温度的升高而降低,在温度为80℃时由原泥的130.73mL/g降至最低值95.25mL/g,污泥沉降性能得到改善;经电磁波加载后,污泥离心含水率也随着温度的升高持续降低,最低降到80℃时的93.52%;污泥的毛细吸水时间(CST)在60℃时由原泥的29.4s降至最低值23.2s,污泥比阻(SRF)始终高于初始值,说明电磁波的加载一定程度上可以改善剩余污泥的离心脱水和板框压滤脱水效果,但不利于剩余污泥的真空抽滤.在电磁波加载过程中,检测污泥胞外聚合物(EPS)及上清液中可溶性化学需氧量(SCOD)的含量,发现污泥温度升高有利于污泥胞内物质的溶出.在80℃时,污泥上清液中SCOD含量由初始的124.1mg/L增大到883.4mg/L;同时也发现,温度高于60℃后,污泥中微生物细胞破壁更明显,污泥EPS含量随之发生变化,对污泥脱水性能的影响更加显著.

电磁波加载；连续流；温度效应；污泥脱水；SCOD；EPS

污水处理过程中产生的大量剩余污泥成为当前的处置难题[1].污泥脱水技术的研究成为热点.当前,国内外学者研究了多种强化污泥脱水方法,常见的方法有外加酶、热水解、电渗透、超声、微波[2-7]等.在这些方法中,电磁波由于分子水平的加热机理使其可以均匀快速地加热其中的介质,且易于操作,改善脱水效果明显,受到了越来越多的关注[7-10].

目前, 2450MHz电磁波处理污泥大多仍处于静态试验阶段[11-13],这种间歇式电磁波反应器的荷载时断时续,难以为污泥提供稳定的处理环境,限制了电磁波污泥脱水技术的实际应用;其次,电磁波技术在污泥脱水领域的应用,能耗成本是重要的制约条件.因此,在一定温度范围内进行电磁波污泥脱水会更有利于技术的推进.本试验通过响应面优化(RSM)设计了连续流2450MHz电磁波污泥脱水试验,研究实际生产过程中最易调控的温度条件对污泥特性和污泥溶出效应的影响,为电磁波污泥脱水的工程应用提供试验依据和理论基础.

1 材料与方法

1.1 试验污泥

本试验所用污泥取自武汉市沙湖污水厂二沉池排泥口的剩余污泥.原泥基本性质见表1.

表1 供试污泥基本性质

注:离心含水率的测定方法详见1.3.

1.2 试验装置

为了最大限度接近生产实际,试验采用的电磁波污泥脱水装置设置为连续流,如图1所示.该装置可实现污泥的连续流动,以及电磁波加载功率、加载时间和污泥加载量的调控.

图1 连续流2450MHz电磁波污泥加载实验装置

1.3 试验方法

根据前期试验结果[14],本次试验中的电磁波加载功率选为200、300、400W,电磁波加载时间选为100、150、200s,污泥加载量选为100、150、200mL.采用Design Expert软件设计实验操作条件(表2).

经电磁波加载后的污泥从泥管出口取出后用温度计读取其温度.试验过程中测得不同电磁波加载条件下的污泥温度见表2.

取泥管出口处的泥,冷却至室温,取样测定污泥离心含水率、毛细吸水时间(CST)、污泥比阻(SRF)、污泥沉降比(SV)、污泥浓度(MLSS)、污泥zeta电位、污泥胞外聚合物(EPS).将污泥离心(6000r/min,5min)后,测其上清液的SCOD浓度.

其中,SCOD、SV、MLSS采用国家标准方法测定[15].EPS测定方法参考文献[14],CST采用304M(英国Triton公司)污泥毛细吸水时间测定仪进行测定. SRF用布氏漏斗过滤实验进行测定[16]. zeta电位采用JS94H型微电泳仪测定.离心含水率的具体测定方法为:将待测污泥装入50mL离心管后放入离心机,以6000r/min的转速离心5min.取离心管下部沉泥放入烘箱,在105℃环境下烘10h,后采用称重法计算出的污泥含水率即为污泥离心含水率.试验中,每组试验条件重复两次,取两次试验结果的平均值进行数据分析.

表2 不同污泥温度下的电磁波加载条件

2 结果与讨论

2.1 温度对电磁波加载污泥物理性质的影响

Yu等[7]研究发现,温度是影响污泥物理化学性质的关键因素.通常,污泥物理性质包括污泥含水率、污泥比阻及污泥沉降性能等.反映活性污泥聚集、沉降性能的是污泥容积指数SVI,此值宜介于70~100之间,过低说明活性污泥颗粒细小,无机物质含量高,过高说明活性污泥的沉降性能欠佳.

温度对污泥SVI值的影响结果如图2所示.从图2可以看出,污泥SVI值随着污泥温度的升高而持续降低,在80℃时由原泥的130.73mL/g降至95.25mL/g,拟合曲线的相关系数R2=0.989,说明污泥温度与污泥的SVI值相关性显著,表明了电磁波加载污泥导致的污泥升温可以有效改善污泥的沉降性能,有利于污泥浓缩.

图2 温度对污泥SVI值的影响

CST表征污泥脱水的快慢程度,其值与污泥中结合水含量以及滤饼含水率呈正相关;SRF反映了水分通过污泥颗粒形成泥饼时所受的阻力,其值越大,脱水越困难[17].这两项指标广泛用于表征污泥的脱水性能[3,11],可用于衡量剩余污泥是否适合用板框压滤和真空抽滤进行脱水处理;另外,也可通过测定污泥离心含水率来直观评价污泥的离心脱水效果[18].

污泥温度对污泥脱水性能的影响如图3所示.从图3可以看出,电磁波加载剩余污泥的过程中,污泥温度对CST、SRF和离心含水率的影响可分为4个阶段.第一阶段,污泥温度由初始的19℃升高到55℃,污泥CST和SRF值略微升高,离心含水率略有下降,此时污泥脱水效果并未受到明显影响;第二阶段,污泥温度由55℃升至60℃,污泥CST和离心含水率分别突然降至23.2s和94.02%,可见,温度升高到60℃时带来了明显的电磁波生物效应窗口[19];第三阶段,污泥温度在60~70℃区间内,污泥CST和SRF出现增大趋势,污泥离心含水率先降后升,均在70℃时出现最大值,此时出现了第二个窗口特征,在此窗口效应作用下污泥脱水性能急剧恶化.其原因主要是电磁波的持续加载导致温度的不断升高,高温环境使污泥中微生物细胞壁受到胞内水分的机械性撞击而破裂,其中大量带负电荷的大分子物质从胞内释放到了胞外,增大了污泥颗粒间的静电斥力,形成大量细小的污泥颗粒,稳定性增强,不利于污泥脱水;第四阶段,当污泥温度超过70℃后,污泥离心含水率、CST及SRF均呈减小趋势,分别于80℃达到93.52%、34s、4.65×1013m/kg.

图3 温度对污泥离心含水率、CST、SRF的影响

综上可知,电磁波加载剩余污泥过程中,污泥离心含水率下降明显,CST值有一定降低,而SRF值虽然在一定条件下有减少趋势,但始终高于其初始值,说明电磁波加载剩余污泥可作为污泥板框压滤和离心脱水的预处理手段,但并不适用于剩余污泥真空抽滤脱水的预处理.

Claire等[20]研究了水热处理对污泥脱水效果的影响,结果表明,污泥温度低于130℃时,污泥的CST值与温度呈正相关变化,温度高于150℃时CST值会急剧减少;当温度升到190℃时, CST值达到最低13s.与水热技术相比,本试验中电磁波加载污泥至温度达到60℃以及高于70℃后,污泥脱水性能便出现了改善趋势,可见,由于电磁波作用所导致的一定范围内的升温会有效地改善污泥的脱水性能.然而,电磁波加载污泥升温至一定程度后,也会增大处理过程所需的能耗(污泥温度超过70℃后,电磁波能量密度达到500J/mL).因此,电磁波加载宜尽可能将污泥温度控制在较低范围内.本试验中,电磁波加载功率为200W、电磁波加载时间为150s、污泥加载量为200mL时,污泥温度达到60℃,此时电磁波能量密度仅为150J/mL,而污泥离心含水率、CST值均明显减小.因此,60℃可作为电磁波加载连续流污泥脱水过程中较优的操作温度.

2.2 温度对电磁波加载污泥溶出效应的影响

污泥温度的升高会使污泥中主要的溶解性生物聚合物释放出来[21],电磁波加载剩余污泥过程中,表现出了明显的胞内物质溶出效果[22].污泥中EPS含量和污泥上清液的SCOD值可用于表征污泥絮体的破解程度和溶出效应.研究表明,EPS为双层结构,里层为包裹细胞的紧密型胞外聚合物(TB-EPS),外层为包裹TB-EPS的松散型胞外聚合物(LB- EPS)[23].由于污泥温度的升高,污泥中微生物细胞结构被不同程度的破坏,其中的胞内物质溶出会影响污泥的表面性质.污泥温度对污泥的溶出效果的影响见图4.

由图4(a)可见,随着温度的升高,污泥上清液中SCOD含量呈不断增大趋势,说明电磁波加载对剩余污泥的溶出效果有明显影响.同时,污泥中EPS含量随着温度升高也表现出了明显的变化,总体可分为以下4个阶段:

(1)污泥温度由原泥的19℃上升到55℃时,污泥中总EPS含量和其中的大分子物质含量均无明显变化(见图4d),而LB-EPS含量有些许增大,尤其是蛋白质和DNA的含量增长幅度明显,分别由1.3, 2.4mg/g-SS增大到21.3, 11.6mg/g-SS(图4b), TB-EPS中蛋白质含量则由49.7mg/g-SS减小到了28.0mg/g-SS, DNA和多糖含量略微下降(图4c).说明在此温度范围内,污泥絮体结构的变化主要表现为TB-EPS与LB-EPS之间物质的传递释放,EPS总量并未出现明显增加.

(2)污泥温度由55℃继续升至60℃过程中,污泥中EPS、LB-EPS和TB-EPS含量显著增大,其中的大分子物质成分也出现明显变化,如图4(d)所示, EPS中DNA及多糖含量略微增大,蛋白质含量则由49.3mg/g-SS增大到了116.0mg/g-SS; LB-EPS中蛋白质含量减少,多糖及DNA含量增大(图4b); TB-EPS中蛋白质含量增大明显,由28.0mg/g-SS增大到103.0mg/g-SS,而多糖及DNA含量无明显变化(图4c).

不难看出,温度达到60℃时,电磁波加载出现了第一个窗口效应,此时细菌细胞壁上的蛋白质结构被破坏,以蛋白质为主的胞内大分子物质溶出,由于其具有粘性,分散的小颗粒污泥容易聚集.研究表明,当污泥中小颗粒絮体占多数时,污泥的过滤和脱水性能会遭到恶化,而结构良好的絮体则表现出了较优的过滤和脱水性能[24].因此,当温度升高到60℃时,由于胞内具有粘性的大分子物质的溶出使小颗粒絮体出现的聚集效果,一定程度上改善了污泥的脱水性能.

(3)污泥温度由60℃升高到70℃的过程中,污泥中LB-EPS、TB-EPS和EPS含量均在65℃时出现陡降,其中的大分子物质除了LB-EPS中蛋白质含量略有增大外,其余均显著减少(图4),说明在此温度下,微生物胞内物质的溶出不再显著,影响污泥溶出效应的主要原因是EPS中的大分子组分溶解并释放进入污泥上清液中.

当污泥温度继续升至70℃时,出现了第二个窗口效应,此时污泥中LB-EPS、TB-EPS和EPS含量再一次增大(图4a), EPS中蛋白质含量显著增多,由36.0mg/g-SS增大到136.0mg/g-SS(图4d),其中TB-EPS中蛋白质含量也增大明显,由14.7mg/g-SS增大到113.0mg/g-SS(图4c).其原因主要是电磁波加载带来的高温环境下,污泥内部的偶极子在电磁波加载时震动激烈,使污泥微生物细胞结构破坏加剧,致大部分胞内物质溶出,多数带负电荷的大分子物质包裹在微生物细胞周围,污泥表面电荷明显下降,如图4(d)所示, zeta电位由-15.88mV大幅减小到-28.96mV.虽然包围污泥颗粒的大分子物质具有粘性,但由于此时静电斥力过大,污泥颗粒之间很难接触聚集,小颗粒絮体的增多使污泥脱水变得更为困难.

(4)污泥温度超过70℃后,污泥LB-EPS、TB-EPS及EPS含量均呈减小趋势,蛋白质、多糖及DNA含量也不断减小,这是由于高温条件下有利于释放的蛋白质、多糖、DNA等有机物质的快速转化[24],其中,蛋白质可水解为肽类物质和个别氨基酸释放出来,这些物质可进一步降解为脂肪酸和氨氮,使得检测出的蛋白质含量减少[21];同理,因为与水有强力结合作用的大分子聚合物被分解,检测出的多糖含量也减少.这些大分子物质的分解,会使被其包围的水分释放出来,同时,随着温度的升高,污泥中的水分逐渐被蒸发,这两部分水分的脱除,使污泥的CST值和SRF值减少,污泥的脱水性能出现改善趋势.

图4 温度对污泥溶出效应及污泥zeta电位的影响

图5 电磁波加载剩余污泥过程中胞内物质溶出示意

根据试验结果,不同温度下,电磁波加载剩余污泥时,胞内物质的溶出过程如图5所示.原泥温度为19℃,此时胞内大分子物质和其中包围的水分没有释放, EPS中TB-EPS占多数,污泥絮体处于稳定状态;当温度达到60℃时出现了第一个生物效应窗口,微生物细胞明显破壁,其中的大分子物质大量溶出进入EPS和上清液中, EPS含量增长近乎一倍;同时, TB-EPS与LB-EPS中的物质也在相互传递并向外释放,由于这些大分子物质具有粘性,使得污泥絮体更容易聚集,这对剩余污泥脱水效果的改善有一定的积极作用;当污泥温度继续升高到最高温度80℃时,胞内大分子物质继续被分解,此时总EPS含量低于初始状态, TB-EPS中的物质转化进入LB-EPS和上清液中,且部分胞内物质在高温环境中被降解,其中包围的水分也因此得以释放去除.

3 结论

3.1 电磁波加载污泥会带来污泥温度的升高,污泥沉降性能和脱水性能得到改善.污泥温度升至60℃时,污泥CST和离心含水率分别由29.4s和96.95%降至23.2s和94.02%,污泥脱水效果得到改善;温度进一步升高到70℃时,污泥的CST、SRF明显增大,污泥脱水性能恶化.在温度高于70℃后,污泥脱水性能得到再次改善,污泥离心含水率降至最低值93.52%.

3.2 电磁波加载剩余污泥过程中,污泥上清液中SCOD含量与污泥温度的升高呈正相关关系,由124.08mg/L持续增至80℃时的883.42mg/L.

3.3 在温度低于55℃时,污泥中总的EPS含量受影响不明显,在温度高于60℃后,总EPS含量波动较大,蛋白质含量变化尤为明显,由51mg/g-SS突增至116mg/g-SS,具有明显的污泥破壁效应.

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Temperature effect of 2450MHz electromagnetic wave during sludge dewatering.

LI Dan-yi1, SANG Wen-jiao1*, ZHANG Qian1, ZHANG Wan-jun2, FENG Yang-yang3, LI Zhi-xuan1

(1.School of Civil Engineering & Architecture, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China；2.Central and Southern China Municipal Engineering Design & Research Institute Co.Ltd., Wuhan 430010, China；3.Anhui Urban Construction Design Institute Co.Ltd., Hefei 230051, China)., 2018,38(11)：4147~4152

In this paper, theinfluence of temperature on residual sludge properties and solubility was studied during the process of sludge dewatering with 2450MHz electromagnetic wave. Results showed that sludge volume index (SVI) decreased from 130.73mL/g to 95.25mL/g at 80℃, which improved the sludge settlement performance. At the same time, the centrifugal water content of the sludge achieved the lowest of 93.52% at 80℃ and the capillary suction time (CST) of the sludge decreased to 23.2s at 60℃. The value of the specific resistance to filtration (SRF), however, was always higher than the initial value of the raw sludge. Therefore, electromagnetic wave treatment of sludge could improve the dewaterability of centrifugal and plate frame filter press of residual sludge, while deteriorated the dewaterability of vacuum filtration. According to the analysis of the extracellular polymeric substances (EPS) and the soluble chemical oxygen demand (SCOD) in the supernatant, higher temperature was beneficial for the solubilization of sludge. The SCOD raised from the initial value of 124.1mg/L to 883.4mg/L at 80℃. The disruption of microbial cell in sludge was more obvious, when the sludge temperature was higher than 60℃. The EPS in the sludge was closely related to the change of dewaterability of the sludge.

loading of electromagnetic wave；continuous flow；temperature effect；sludge dewatering；SCOD；EPS

X703

A

1000-6923(2018)11-4147-06

李丹熠(1994-),女,山西大同人,武汉理工大学硕士研究生,主要研究方向为污水处理与污泥减量.发表论文1篇.

2018-04-12

国家自然科学基金资助项目(51108360,51208397);湖北省科技支撑计划资助项目(2015BCA304)

* 责任作者, 副教授, whlgdxswj@126.com