超声对污泥深度脱水的影响与分析

林 航，朱广锋，陈 赓

（1.中国船舶重工集团公司第七一五研究所，杭州 310023；2.杭州瑞利超声科技有限公司，杭州 310023）

0 引言

随着城镇化率越来越高，城镇用水量也越来越大，城镇污水处理厂处理污水的量也随之增加，污水处理过程中必然会产生剩余污泥，污泥结构松散，具有很高的含水率，从而引起排放量较大的问题。而且污泥容易滋生各种微生物，经常会有强烈的刺激性气味，具有较大的危害。污泥排放量的增加会越来越成为困扰污水处理厂和社会的重大问题。污泥的主要成分是水。如何有效对污泥进行深度脱水，降低污泥含水率是污泥减量的重要方法。较低的污泥含水率可以显著减少污泥的量，从而降低污水处理厂的污泥处理压力，有效降低处理费用，降低对社会资源的占用，并对环境保护产生积极的影响。

菌胶团是活性污泥的重要组成部分，其内部含有大量的水，在污泥处理过程中菌胶团越松散，其吸附、沉降性就越差，越不利于污泥的沉淀处理。据研究可知，污泥中菌胶团内主要包含间隙水、毛细水、吸附水及内部水[1]，其中毛细水和吸附水占污泥总水分含量的20%以上，该部分水表面结合力较大，结合较紧，难以通过机械力进行破坏，一般通过化学方法或者温压调节的方法进行脱水减量，但这些方法由于操作难度或者试剂污染等因素受到诸多限制，因此更需要找到适合的办法对其进行处理。而超声波处理过程因其可以避开上述缺陷越来越收到重视。

国外对超声污泥脱水技术早有研究，分析了超声波在不同频率时对细胞分解的速度影响，得出在41 kHz 时细胞分解最快，并指出超声波污泥分解主要是由于空化作用气泡破碎时产生的剪切力作用[2-3]。国外在21世纪初在该方面就形成有商业化运用。国内在这方面起步较晚，但也有大量的研究，分析总结了超声波频率及强度、反应器结构和超声波辐射时间等对污泥破解效果的影响[4-7]；童文锦等[8]通过SOUR和SCOD 来表征污泥活性和计算污泥破解率，选取一定频率超声波，探索了声能密度和超声时间对污泥预处理效果的影响；朱广峰等[9]涉及超声污泥减量技术的研究，偏重于城市超声污泥水处理对生化系统的影响；李静、胡正猛、Yang Jinmei、Jin Y Y 等[10-13]研究了超声处理时间和密度的影响，及絮凝剂添加量的影响。这些文献对超声污泥脱水技术过程中的各种影响因素进行了大量的研究，但没有涉及到超声预处理后污泥脱水时过滤方式的影响研究，因而不足以对污泥深度脱水设备的产生指导性作用，也就难以制定更为合理的污泥脱水工艺。

本文通过对超声处理污泥过程中不同时间添加絮凝剂PAC，得到不同添加时间对污泥含水率的影响。针对不同过滤方式时超声预处理剩余污泥脱水过程的定量分析，对污泥超声深度脱水的过程进行研究，得出超声预处理污泥压滤脱水和抽滤脱水的含水率比值。针对超声波处理后的抽滤脱水和压滤脱水进行比对研究，并分析污泥深度处理带来的经济价值与社会价值，指导后续新型的污泥深度脱水设备的研究及污泥脱水工艺制定。

1 试验原理

图1 所示为污泥中水分的示意图，一般认为，污泥中各水分的结合强度由大到小的顺序为：吸附水＞毛细水＞间隙水＞自由水，污泥中水分结合的强度越大，分离难度就越大。机械脱水方法一般只能去除自由水和部分间隙水，存在于污泥中的毛细水及吸附水则不能被去除。

图1 污泥中水分示意图

超声波处理污泥[14]，是利用一定振幅和频率的超声波在液体中会产生的空化现象，从而形成特殊的条件，促使污泥菌胶团内部的间隙水和毛细水（占污泥总水量的20%以上）更容易地释放出来，一定程度上破坏菌胶团的结构，再经过絮凝剂调理使得难以通过机械作用脱水处理的污泥变得更易于脱水处理。

2 试验材料与方法

2.1 试验泥样来源

试验污泥取自某市排水分公司氧化沟泥水混合物，静置30 min 后，倾去上层清液，即为试验用泥，污泥含水率为98.5%，采用贮料罐给料的方式。

2.2 试验装置

试验装置：超声发生装置为槽式，过滤装置为布氏漏斗抽滤装置和板框压滤机。试验装置及过程记录如图2所示。

图2 试验装置及过程记录

2.3 试验方法

用烧杯逐次取适量的污泥放置于超声波设备内部，在不同的超声功率条件下进行超声预处理，然后用絮凝剂调理，测定布氏漏斗抽滤和压滤机压滤后滤饼含水率。

（1）超声处理污泥

用烧杯分次取1 L含水率98.5%污泥置于超声波发生器内，在超声功率为30 W 与60 W 的条件下进行超声处理1 min备用。

（2）絮凝剂调理

配置75 g/L 的聚合氯化铝、2 g/L 的阳离子聚丙烯酰胺备用，将1 L 超声处理后的泥样加入5 mL 的聚合氯化铝，立即快速搅拌30 s，再加入2 mL 的聚丙烯酰胺，然后慢速搅拌1 min。取样前对污泥进行搅拌，保证污泥样品体系均匀。

（3）布氏漏斗抽滤实验

在前期准备好的待处理污泥样品中分次量取100 mL样本，分别进行不同功率的超声处理，然后进行抽滤，抽滤时间15 min，最后测定抽滤后滤饼的含水率。同时进行无超声处理的直接抽滤，测定直接抽滤后滤饼的含水率，对比上述处理后的样品含水率变化情况。

（4）板框压滤实验

将200 mL 污泥样品装入配料罐，正确装好滤板、滤框和滤布。使用前用水浸湿。滤布必须绷紧，不能起皱。压力保持恒定，压滤15 min。

2.4 分析方法

污泥滤饼含水率的测定方法：电子秤秤量60 mL 蒸发皿，记录质量W0。然后取一定质量的污泥滤饼于蒸发皿中，用电子秤称重，记录质量W1，然后将其移至102 ℃的烘箱2 h，取出冷却0.5 h，称重，记录重量W2，依照下式得出含水率：

式中：P为污泥含水率；W0为蒸发皿的质量，g；W1为烘干前质量（蒸发皿和湿污泥），g；W2为烘干后质量（蒸发皿和干污泥），g。

3 过程记录及结果分析

3.1 超声波作用在絮凝剂PAC 添加前后对污泥脱水试验滤饼含水率的影响

分别针对不做处理、超声处理前加入絮凝剂PAC、超声处理后加入絮凝剂PAC 等3 种情况的污泥分别进行脱水得出试验数据，详细结果如表1 所示。表中数据为超声波作用在絮凝剂PAC 添加前后污泥脱水试验抽滤滤饼含水率的结果。#1 项目为功率60 W 的超声波处理后加入絮凝剂PAC 的试验组，#2 项目为超声处理前加入PAC絮凝剂的试验组。

表1 超声处理对絮凝剂PAC添加的影响对比

数据显示，超声处理前加入PAC 絮凝剂效果优于超声处理后加入实验组。超声处理#2 泥饼含水率相对于未处理和超声处理#1 分别提高了2.44%与0.51%，污泥量相对减少了10.6%与2.3%。分析可知，污泥超声处理过程中，污泥菌胶团结构被改变，同时也促进絮凝剂PAC 与污泥充分的结合，使污泥脱水效果更佳。在超声处理前加入絮凝剂PAC 可使二者混合更充分，效果更好。

3.2 超声波对布氏漏斗抽滤后污泥滤饼含水率的影响

分别针对不做处理、超声处理（30 W）、超声处理（60 W）等3种情况的污泥分别进行抽滤脱水得出试验数据，详细结果如表2 所示。表中数据为超声处理与未超声处理后的污泥经布氏漏斗抽滤脱水结果，结果显示：功率为30 W 的超声波作用效果优于未超声处理，泥饼含水率减少了0.83%，污泥量相对减少了3.9%；功率60 W的超声波作用效果更佳，泥饼含水率相对于未处理减少了1.93%，污泥量相对减少了8.6%。

表2 超声处理抽滤泥饼脱水

3.3 超声波对压滤机压滤后污泥滤饼含水率的影响

分别针对不做处理、超声处理（30 W）、超声处理（60 W）等3种情况的污泥分别进行压滤脱水得出试验数据，详细结果如表3 所示。表中数据为超声处理与未超声处理后的污泥经压滤脱水的记录数据，结果显示：超声处理30 W 与未超声处理对比，泥饼含水率减少了2.58%，污泥量相对减少了12.7%；超声处理60 W 与未超声处理对比，泥饼含水率减少了3.69%，污泥量相对减少了17.2%。

表3 超声处理压滤泥饼脱水

分析可得：超声波对污泥菌胶团的内部结构会产生显著影响，促使污泥结构中的部分间隙水和毛细水转化为自由水，使污泥菌胶团结构更加紧密，从而促进了污泥的泥水分离。污泥含水率一定程度上会随着超声功率的增大显著的降低。

对比抽滤和压滤结果可得，超声波对于抽滤和压滤均有效果，但抽滤污泥泥饼的脱水效果弱于压滤污泥泥饼脱水效果。抽滤脱水相对于无超声处理时可以有效降低含水率比值2.2%以上，而压滤脱水可以有效降低含水率比值4.5%以上。分析过程认为：处理后的污泥在抽滤过程中，当污泥含水率达到一定程度时，泥饼会出现裂纹，从而造成抽滤的效果下降。

4 结束语

超声污泥减量技术是一种经济环保的技术，通过对其不同影响因素的研究，才能选出最佳的方案，最大化地提高超声处理在污泥减量中的技术效应和经济效应。

本文通过超声波对污泥深度脱水过程的分析，设计了压滤和抽滤的缩比模型系统，复现了超声波预处理后污泥脱水时的抽滤及压滤过程，并对结果进行分析，得出超声处理后压滤的效果明显优于抽滤，指导后期的新型污泥脱水设备的研制及脱水工艺的制定。

通过某地市污水厂处理数据可知，10 000 m3污水产泥量约25 t，污泥含水率为80%，污泥处理价格135元/t。按照处理后污泥含水率降低至77.7%，每天的污泥量可以减少10%，即2.5 t，费用节省337.5 元/天或12.3 万元/年。按照该地市污水处理量约220 万m3/天，即可节省费用74 250 元/天或2 706 万元/年。