周翠紅,凌 鷹,曹洪月

(1.北京石油化工學院環(huán)境工程系,北京 102617；2.北京工業(yè)大學環(huán)境與能源工程學院,北京 100124)

目前世界上生產(chǎn)污泥已達 1億 t/a(干污泥),我國已達900萬t/a(合干污泥300～350萬t/a)[1].污泥中含有大量水分使其體積龐大,這為污泥的堆放、運輸和處置帶來很大困難,并且污泥含有大量微生物及有毒有害物質(zhì),如重金屬、有機質(zhì)和氮、磷、鉀等營養(yǎng)成分,將對環(huán)境造成嚴重的二次污染[2-3].2009年2月住房與建設部、環(huán)境保護部以及科技部聯(lián)合頒布《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理處置及污染防治技術政策(試行)》,2010年3月環(huán)境保護部發(fā)布《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理處置污染防治最佳可行技術指南(試行)》確定了污泥處理處置減量化、穩(wěn)定化和無害化的目標.污泥是一種高水分的多孔介質(zhì)物質(zhì),未經(jīng)處理的污泥含水率高達 95%以上[4],經(jīng)脫水處理的污泥將采用焚燒、堆肥、填埋和綜合利用等方法進行進一步處置.污泥脫水時最重要的前處理過程,高效脫除污泥中的水分,成為經(jīng)濟、高效處理污泥的瓶頸[3].污泥脫水的方法主要有自然風化和機械脫水等,機械脫水前往往要添加絮凝劑[6].

國內(nèi)外廣泛使用化學調(diào)理,通常采用添加絮凝劑與助凝劑的方法,主要不足是成本高.絮凝劑類型有無機絮凝劑、有機絮凝劑、生物絮凝劑等,投加量過高或過低都會導致脫水性能降低.美國杜克大學采用人工配置的活性污泥進行脫水特性的研究,結果表明添加高分子絮凝劑和 Ca2+可以改變污泥絮體的特征,從而改善污泥的脫水特性和沉降特性[7].

眾多學者通過實驗研究了輻射技術對污泥脫水特性的影響.波蘭學者使用微波技術后明顯增加污泥懸浮液體中的BOD5和COD含量[8].污泥微波加熱技術在實際生產(chǎn)已經(jīng)有成功應用,另外微波改性技術在原油脫水、降黏方面有著較好的效果,在污泥改性脫水方面的應用潛力較大.

研究表明,污泥的脫水特性不僅受污泥本身的物理化學組成影響,還與結合水存在的形式、毛細吸水時間、過濾比阻,可壓縮性和電勢能等有關[9-12].在脫水過程中,污泥中的含水量隨污泥性質(zhì)和含固率變化而改變,隨著污泥含固率的增大,結合水在污泥總水量中的比例會增大,對污泥含水率的影響也就隨之增大,因此污泥中水分狀態(tài)在研究中非常受到重視.測試污泥中水分的方法有真空干燥、常溫干燥、膨脹法、離心沉降法、壓榨法、過濾法、差熱分析法(DTA)、差示掃描量熱儀(DSC)、熱重分析、核磁共振等[13].一般情況下污泥中含有 25%左右的結合水,這些水分通過化學力結合在污泥顆粒的表面或存在于污泥顆粒內(nèi)部.結合水在 0℃以下不會被凍結,可利用膨脹法冷凝其他水分進行測定[14].

圖像處理技術已用于衡量污泥的沉降、濃縮特性和評價污泥絮體結構特征方面的研究[15-16].隨著顯微鏡技術和計算機科學的發(fā)展,對污泥的觀測逐漸從定性朝定量的方向發(fā)展.使用掃描電鏡技術與圖像分析系統(tǒng)相結合,不僅能探測污泥絮體的形態(tài)學特征和內(nèi)部結構,還能進行絮體結構的定量表征.目前多通過提取外形尺寸、平均面積、分形維數(shù)等[17]圖像特征來進行污泥絮體的定量表征.李愷等[18]通過對污泥含水率和 EPS含量的測定,考察了化學調(diào)理對污泥脫水性能的影響,發(fā)現(xiàn)污泥絮團被破壞,占體積分數(shù)90%的顆粒粒徑均在 52μm 以下,較原樣明顯減小.謝敏等[19]發(fā)現(xiàn)經(jīng)過微波處理后污泥絮體解體,污泥圖像的分形維數(shù)發(fā)生變化.

目前的研究中沒有將污泥的調(diào)質(zhì)技術與離心機脫水技術結合,考察調(diào)質(zhì)技術對機械脫水效果的促進作用,對污泥脫水特性參數(shù)的表征不夠具體.基于以上原因,為了提高污泥的脫水效率,本研究中將經(jīng)過微波處理后的污泥進行調(diào)質(zhì)進行離心脫水實驗,系統(tǒng)考察污泥的含水率與各脫水特性參數(shù)的關系,將污泥脫水性能參數(shù)與形態(tài)學作為重點研究內(nèi)容,建立污泥脫水性能參數(shù)預測模型,進行預處理技術作用效果評價,達到污泥脫水性能的改善以實現(xiàn)污泥深度脫水的目的.

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

微波采用 MAS-I型常壓微波輔助合成/萃取反應儀,功率自動變化范圍為11000W,控溫范圍為室溫 250℃,精度為±1℃,同批次最多同時處理10個樣品.機械脫水采用離心脫水,離心機為Digtor21C離心機,該離心機主要應用于對礦物油,水和沉積物的離心、黏性流體的分離,環(huán)境溫度調(diào)節(jié)范圍為570℃.此外毛細吸水時間(CST)采用Triton Electronics Type 319 Multi-CST測定,含水率采用紅外水分測定儀MA100測定,黏度采用BROOKFIELD R/S Plus流變儀在25℃時測定.

1.2 實驗過程

實驗分三大部分,第一部分分次取定量污泥置于僅含離心脫水的處理系統(tǒng)中,在不同的離心脫水條件下測定污泥的含水率;第二部分分次取定量污泥在不同微波作用下進行處理,測定污泥經(jīng)不同微波條件處理后的脫水特性參數(shù)與顯微圖像;第三部分分次取定量污泥置于微波和離心脫水相結合的處理系統(tǒng)中,在不同的微波溫度、微波功率、離心轉速和離心時間條件下測定污泥的CST、黏度、含水率和提取圖像特征.

2 結果與討論

2.1 離心脫水實驗的結果及討論

用離心機在不同轉速、溫度以及作用時間條件下處理污泥,設置離心轉速為 400,500,1000,1500,2000r/min,離心溫度為 30,40,50,60,70℃.離心時間為3,5,10,15,20min.圖1和圖2是離心時間分別為3min和15min時,在不同溫度和轉速下所測得的污泥含水率的情況.

由圖 1可以看出,在相同的時間內(nèi),隨著離心轉速和溫度的增加污泥的含水率逐漸降低,但溫度過高會破壞污泥的內(nèi)部結構導致污泥脫水性能的惡化.同樣,在相同溫度下,隨著離心時間和轉速的增加污泥的含水率也在逐漸降低,從實驗中可以看出離心時間過長對提高污泥的脫水效率的作用不明顯.因此,在離心脫水的過程中要選擇適當?shù)膶嶒灄l件才可達到較好的脫水效果.

圖1 離心3min和15min時污泥含水率的變化Fig.1 The sludge water content after 3min and 15min centrifuging

通過實驗污泥離心脫水的最佳實驗條件被確 定 為：15min,60 ℃ ,2000r/min.但 在 實際的 生 產(chǎn)中由于要考慮成本費用等問題離心處理時并不加熱,因此,在后續(xù)實驗的離心處理過程中只考慮污泥處于室溫(20℃)的情況.

2.2 微波與離心脫水結合實驗的結果及討論

2.2.1 污泥經(jīng)微波處理后毛細吸水時間(CST)及黏度的測定 測定功率為200,400,600,800,1000W,加熱溫度為40,50, 60,70,80℃條件下處理后污泥的CST及黏度.

首先測得污泥未經(jīng)微波處理時的 CST為13.7s.由圖 2可以看出,當微波功率為 200W 和600W時溫度由 40℃增加至 70℃的過程中污泥CST呈下降趨勢,這有利于污泥的脫水,但在70℃以后CST隨溫度的上升而增加,600W時上升尤為迅速.當功率為400W、800W和1000W時,都在 50℃或 60℃開始出現(xiàn) CST上升,這不利于污泥脫水.總而言之,微波處理對污泥的 CST是存在顯著影響,且在適當?shù)奈⒉l件下使得污泥CST下降,從而有利于污泥的脫水.

4)如圖6d所示情況，機體軸線與設計軸線發(fā)生偏移，且其運行趨勢偏離設計軸線，此時需進行及時糾偏，控制掘進機的鉆進路線。當偏移量過大，超過工程要求的最大限制值時，為防止出現(xiàn)工程事故，掘進機應停止工作，并派遣技術人員對偏斜因素進行詳細排查。

由圖3可以看出,在微波功率為200W、400W時,隨著微波溫度的增加污泥黏度變化不大;當功率為 1000W 時,微波溫度為 60℃時污泥黏度最低,為 1.264mPa·s;當功率較大時,污泥黏度值都有很大浮動,說明微波處理后污泥絮體的結構發(fā)生變化,對污泥黏度有明顯的影響.特別是當微波功率為 800W 時由于水分蒸發(fā),污泥的含水量發(fā)生變化,導致污泥黏度增加.

2.2.2 離心脫水后污泥含水率的測定 根據(jù)上述實驗結果可以看出,污泥 CST在微波溫度為60℃時變化最為平緩,而在50℃時有最低值出現(xiàn),且較其他溫度條件變化也較平緩.污泥黏度在60℃時有較大波動,而在50℃時較為穩(wěn)定且保持較低水平.因此,考察微波溫度為 50℃,離心時間為 15min,轉速為 2000r/min,功率為 200,400,600,800,1000W的污泥含水率分別為：84.03%,87.03%,88.44%,84.52%,83.75%.響,為4因素3水平實驗(表1),實驗結果見表2.

圖2 微波功率及溫度與CST的關系Fig.2 The correlation between microwave power,microwave temperature and CST

表1 因素水平表Table 1 The level of factor

圖3 微波功率及溫度與污泥黏度的關系Fig.3 The correlation between microwave power,microwave temperature and sludge viscosity

表2 正交實驗結果Table 2 The results of orthogonal experiment

表3 正交實驗計算表Table 3 Calculated table of orthogonal experiments

污泥經(jīng)微波處理后含水率最低達到83.75%,相比離心脫水實驗后污泥的含水率88.33%,脫水效果更好.可以看出微波預處理技術對污泥的脫水性能有較大的促進作用,因此微波預處理對于污泥的脫水效率的提高存在一定的實用價值.

2.3 正交實驗

考察微波溫度、微波功率、離心轉速、離心時間對污泥含水率、CST和黏度 3個指標的影

將正交實驗結果進行直觀分析可知(表3),對于污泥含水率,各個因素的影響由大到小排列為：離心轉速、微波功率、離心時間、微波溫度,且所選最優(yōu)方案為：A3B2C3D3,對于污泥 CST,各個因素的影響由大到小排列為：微波溫度、離心轉速、離心時間、微波功率,且所選最優(yōu)方案為：A2B2C1D1,對于污泥黏度,各個因素的影響由大到小排列為：微波溫度、離心轉速、微波功率、離心時間,且所選最優(yōu)方案為：A2B1C3D3.綜合考慮各個因素對指標的影響程度及實際情況,從而選定的最佳方案為：微波溫度為 50℃,微波功率為 800W,離心轉速為 2000r/min,離心時間為20min.

3 污泥形態(tài)學研究

3.1 污泥的顯微分析

微 波 處 理 條 件 為 50 ℃ ( 8 00W)、 50℃(1000W)、60 ℃ ( 8 00W)、60 ℃ ( 1 000W),將這4個樣本進行顯微觀察并拍照進行分析,顯微圖像如圖4所示.

由圖 4a與4b可以看出,隨著微波功率的增加,微波輻射破壞了污泥顆粒的結構,污泥顆粒越小且結構越松散.由圖 4a和圖 4c可以看出,微波加熱溫度越高,污泥顆粒結構越松散,圖 4d與其他 3幅圖相比,污泥的顆粒粒徑最小且結構最為松散,這也驗證了上述結論,即當微波功率和溫度越高時,污泥顆粒越小且結構越松散.

3.2 污泥的分形維數(shù)分析

提取污泥中絮狀物質(zhì)的形態(tài)學的特征,可以有效地衡量污泥的脫水性能.采用 Fractalfox 2.0軟件對污泥的顯微圖片進行分形維數(shù)的分析.微波功率為 200,400,600,800,1000W 時,其分形維數(shù)為2.75,2.72,2.52,2.43,2.52;正交實驗序號為1、2、3、4、5、6、7、8、9所對應測得的污泥的分形維數(shù)依次為 2.879,2.787,2.713,2.612,2.558,2.712,2.691,2.772,2.765.

圖4 污泥的顯微圖像Fig.4 The slice image of sludge

污泥的分形維數(shù)D表征絮狀體的結構.D表示了絮狀體顆粒間的填充程度,因此可以用D來測量絮狀體的聚集結構.通過優(yōu)化和正交試驗數(shù)據(jù)所求得的分形維數(shù)數(shù)據(jù)表明,污泥的分形維數(shù)變化明顯,說明在不同的處理條件下污泥的絮體結構發(fā)生變化.

4 污泥脫水性能模型的建立

首先假設污泥含水率和各參數(shù)之間的關系為多元線性關系,從而可以得到表征參數(shù)對污泥含水率的函數(shù)關系為：

式中：B為微波溫度(30～70℃),℃;C為微波功率,W;D為離心轉速, r/min;E為離心時間(小于20min),min.

多元線性擬合得到的相關系數(shù)R2為0.93606,接近于 1,得到的含水率預測值與實際值很接近.顯然,利用Origin8.0建立的污泥含水率與微波溫度、微波功率、離心轉速和離心時間的多元線性模型是有效的.

5 結論

5.1 在離心脫水實驗中,在相同的時間內(nèi),隨著離心轉速和溫度的增加污泥的含水率逐漸降低,但溫度過高會破壞污泥的內(nèi)部結構導致污泥脫水性能的惡化.同樣,在相同溫度下,隨著離心時間和轉速的增加污泥的含水率也在逐漸降低.

5.2 當微波功率確定的情況下,增加微波的溫度,污泥的 CST、黏度、含水率都有不同程度的下降,微波溫度過高會導致污泥CST和黏度上升,即向不利于污泥脫水的方向發(fā)展.通過正交實驗得出最佳方案：微波溫度為 50℃,微波功率為800W,離心轉速為2000r/min,離心時間為20min.

5.3 經(jīng)分形維數(shù)的測定,微波改性后污泥的分形維數(shù)在2.4～2.8之間,利用顯微鏡進行圖像分析表明,經(jīng)微波改性污泥顆粒結構變化明顯;微波功率和溫度越高,污泥顆粒粒徑越小且結構越松散.

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