周翠紅，常俊英，陳家慶，孔 惠

（北京石油化工學(xué)院 環(huán)境工程系，北京 102617）

污水處理過程中產(chǎn)生的污泥除含有大量的水分外，還含有豐富的營養(yǎng)成分，同時還含有病原體、寄生蟲卵以及銅、砷、鉛、鋅、鋁、汞等重金屬和難降解的有機(jī)污染物等有害成分。隨著污水量的增加和污水深度處理技術(shù)的使用，污泥產(chǎn)量將呈明顯的增加趨勢。污泥處理與處置是城市生活污水處理一個非常重要的環(huán)節(jié)，通常其運行成本占整個污水處理廠總運行成本的20%～50%，甚至高達(dá)70%左右［1］。降低污泥的水分是一種有效的減量方法。

常規(guī)的脫水方法很難達(dá)到較高的脫水率，目前冷融技術(shù)、磁場和電場、超聲波和微波作為預(yù)處理技術(shù)用于改善污泥的沉降與脫水特性的研究中，污泥脫水特性與污泥本身的理化特性有關(guān)，如胞外聚合物（Extracellular polymeric substance，EPS）的存在與結(jié)合水的含量直接影響著污泥的脫水性能［2－3］。預(yù)處理技術(shù)會破壞污泥內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，促進(jìn)結(jié)合水的釋放并提高污泥的脫水特性［4］。表征污泥脫水特性的參數(shù)較多，實驗室最常用的測定污泥脫水性能的方法有毛細(xì)吸水時間（Capillary suction time，CST）、污泥過濾比阻（Specific filtration resistance，SRF）、Zeta電位、粘度和含水率等［5－9］。

20世紀(jì)70年代，德國首先安裝了用于污泥消毒的輻射裝置［10］，微波輻射技術(shù)逐漸被用于污泥加熱中，促進(jìn)污泥消化和金屬離子去除等方面。波蘭學(xué)者 Wojciechowska［11］研究了微波加熱對污泥脫水性能的促進(jìn)作用，使用微波技術(shù)后明顯增加污泥懸浮液體中的BOD5和COD含量。Seehra等［12］人的研究中發(fā)現(xiàn)微波與普通的加熱方式相比具有良好的脫水效果。中山大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院使用微波預(yù)處理來改善污泥的脫水特性，實驗表明最佳條件下污泥中有1.5%～2%的物質(zhì)解體、EPS的含量為500～2000g／L，固體顆粒粒度分布在120～140 μm［13］。廣州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系通過研究溫升速率、細(xì)胞破解、SCOD／TCOD比值和生物質(zhì)氣體的產(chǎn)生，發(fā)現(xiàn)影響污泥含水率變化的最重要的因素是引起溫度升高的能耗［14］。清潔能源遼寧省重點實驗室運用灰色關(guān)聯(lián)分析決定微波試驗運行系統(tǒng)的主次因素，建立了影響因素對污泥脫水率和有機(jī)質(zhì)損失率的經(jīng)驗公式［15］。本文使用微波對污水污泥進(jìn)行預(yù)處理，打散污泥絮團(tuán)，改善污泥的脫水特性，促進(jìn)機(jī)械脫水效果的提高。

1 微波預(yù)處理脫水實驗及結(jié)果討論

1.1 材料與儀器

眾多學(xué)者研究了微波技術(shù)對污泥脫水特性的影響，微波具有選擇性加熱的特點，因為物質(zhì)吸收微波的能力主要由其介質(zhì)損耗因數(shù)來決定，介質(zhì)損耗因數(shù)大的物質(zhì)對微波的吸收能力強(qiáng)。微波比其它用于輻射加熱的電磁波，如紅外線、遠(yuǎn)紅外線等波長更長，因此具有更好的穿透性。另外微波導(dǎo)致介質(zhì)材料瞬時升溫，能耗相對較低。

污泥取自校內(nèi)中水站與某污水處理廠二沉池，沉降24h后去除污泥上清液，分別采用微波進(jìn)行預(yù)處理。使用 MD－6微波樣品處理系統(tǒng)，控溫范圍：0～300℃，控溫精度：±0.5℃；直接接觸式壓力測量：實時監(jiān)控達(dá)900psi；控壓精度：0.01MPa；排風(fēng)量3m3／min，同批次最多同時處理10個樣品。分次取定量污泥置于系統(tǒng)中，在不同的微波作用條件下測定污泥的CST、粘度、沉降比（SV）、含水率、上清液的COD含量、Zeta電位和形態(tài)學(xué)特征。采用Triton Electronics Type 319Multi－CST測定CST，采用紅外水分測定儀MA100測定水分，使用HAAKE RV1旋轉(zhuǎn)粘度計進(jìn)行粘度測定，采用JS94H微電泳儀測量污泥中的Zeta電位，顯微采集圖像使用的是OLYMPUS cx41System Microscope系統(tǒng)。實驗采用重鉻酸鉀法測定污泥離心后上清液的COD含量。

1.2 微波加熱方式的影響

實驗中先以不同溫升速率分別加熱到50、60、70、80℃，不使用絮凝劑，測量微波預(yù)處理后中水處理站污泥的CST記錄在表1中，在相同的溫升速率下，隨溫度升高CST減小；不同溫度條件下，CST的最小值均出現(xiàn)在溫升速率為10℃／min時；當(dāng)以10℃／min加熱到80℃時，CST最小為4.2s。實驗中還發(fā)現(xiàn)加熱時間要控制在400s之內(nèi)，否則會使脫水特性惡化。采用最佳溫升速率再進(jìn)行實驗考察污泥內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化與預(yù)處理后對離心脫水的促進(jìn)作用，將預(yù)處理后污泥進(jìn)行離心脫水測定上清液中多糖含量及泥餅中含水率的變化，具體如表2所示。隨著微波加熱溫度的升高，含水率逐漸降低，污泥脫水效果越好。微波加熱到70℃后的樣品經(jīng)離心后上清液中的多糖含量最高為73.275mg／L，80℃時多糖含量為68.315mg／L，實驗表明微波可使污泥中的大分子絮團(tuán)解體，有機(jī)物如多糖和蛋白質(zhì)釋放，促進(jìn)離心脫水效率的提高。80℃時濾餅的含水率最低為87.06%，微波處理的熱效應(yīng)使部分水分蒸發(fā)，在一定程度上降低了污泥的含水量。

表1 溫升速率與CST的關(guān)系

1.3 微波對污泥脫水特性的影響

用微波樣品處理系統(tǒng)在不同的實驗條件下處理城市污水處理廠污泥，以10℃／min加熱到20、50、60、70、80℃，不使用絮凝劑，所測得的污泥脫水特性參數(shù)見表3。由表3可看出污泥的SV、粘度、污泥含水率相應(yīng)降低，CST、Zeta電位變化規(guī)律不明顯，污泥離心后的上清液中COD含量逐漸增加，微波能量過大反而使污泥的脫水效果惡化。微波加熱溫度為50～80℃時，水層較清澈，分層較明顯如圖1所示。適當(dāng)?shù)奈⒉梢鹞勰囝w粒間作用力發(fā)生變化，同時微波可破壞結(jié)合水與污泥胞外聚合物之間的結(jié)合能力，表現(xiàn)為70～80℃時污泥粘度較低、Zeta電位較高和離心后上清液COD較高的規(guī)律，從而改善污泥的脫水性能，離心后含水率較低的現(xiàn)象。

表2 加熱溫度與脫水特性參數(shù)關(guān)系

表3 微波加熱后的污泥脫水特性參數(shù)

圖1 加熱溫度為20、50、60、70、80℃污泥沉降情況

2 污泥形態(tài)學(xué)的研究

學(xué)者多采用多種方法對污泥的脫水特征進(jìn)行表征。澳大利亞學(xué)者Jin等［16］系統(tǒng)地研究了污泥脫水特性與污泥絮體的關(guān)系，分別測試了絮體的形態(tài)特征、物理化學(xué)特征，使用結(jié)合水含量與CST來表示污泥脫水特性。圖像處理技術(shù)已用于衡量污泥的沉降、濃縮特性和評價污泥絮體結(jié)構(gòu)特征方面的研究中。隨著顯微鏡技術(shù)和計算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，對污泥的觀測也逐漸從定性朝定量的方向發(fā)展。目前文獻(xiàn)中多通過提取外形尺寸、平均面積、分形維數(shù)等圖像特征來進(jìn)行污泥絮體的定量表征［16－17］。華南師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院通過對污泥含水率和EPS含量的測定，考察了陽離子表面活性劑（CTAC）和陽離子聚丙烯酰胺（CPAM）對污泥脫水性能的影響，發(fā)現(xiàn)污泥絮團(tuán)被破壞，占體積分?jǐn)?shù)90%的顆粒粒徑均在52μm以下，較原樣明顯減小［18］。長沙理工大學(xué)水利學(xué)院給水排水系對微波的改性效果進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過微波處理后污泥絮體解體，污泥圖像的特征發(fā)生變化［19］。

2.1 污泥的粒徑分布

將樣品經(jīng)過微波加熱到20、50、60、70、80℃后適當(dāng)處理后并使用激光粒度儀進(jìn)行粒度測定，數(shù)據(jù)記錄到表4。由表4可知未經(jīng)微波處理時，污泥的平均粒徑較大為33.551μm，經(jīng)過微波加熱后粒徑明顯減小，降到28.055～28.929μm之間，實驗證明微波能夠改變污泥顆粒的聚集狀態(tài)，隨著微波加熱溫度的增加，大分子物質(zhì)被打散，改變了污泥顆粒的聚集狀態(tài)與相互作用力，與前面從脫水特性參數(shù)所分析和結(jié)果基本一致。進(jìn)一步提高加熱溫度時，污泥顆粒的平均粒徑有增加趨勢，可能是微波的熱效應(yīng)加劇了分子運動，污泥顆粒間碰撞聚集機(jī)率增加，使小顆粒聚集成較大顆粒，污泥顆粒出現(xiàn)粗大化現(xiàn)象。實驗結(jié)果也充分說明了預(yù)處理技術(shù)的使用需要根據(jù)實驗選擇最佳工藝參數(shù)，過量的預(yù)處理反而會使污泥脫水特性惡化。

表4 微波加熱后污泥的粒度變化

2.2 污泥的分形維數(shù)分析

表征污泥中顆粒聚集的形態(tài)參數(shù)有絮狀物粒徑分布、分形維數(shù)與絲狀指數(shù)，可以有效的衡量出污泥的脫水特性。分形維數(shù)作為圖像表面不規(guī)則程度的度量，不僅能度量復(fù)雜程度，而且有多尺度多分辨率變化的不變性，與人類視覺對圖像表面紋理粗糙的感知是一致的，即分形維數(shù)越大，對應(yīng)的圖像表面越粗糙；反之，分形維數(shù)越小，對應(yīng)的圖像表面越光滑。

研究中采用Fractalfox2.0軟件對污泥的顯微圖像進(jìn)行了分形維數(shù)的分析，導(dǎo)入圖像與計算分形維數(shù)過程的回歸數(shù)據(jù)界面分別如圖2、圖3所示。激光粒度儀得到污泥顆粒度的篩下累積產(chǎn)率如表5，在雙對數(shù)坐標(biāo)系建立污泥篩下累積百分含量和粒度的關(guān)系曲線，應(yīng)用Origin8.0軟件進(jìn)行線性擬合，可得斜率b值。再根據(jù)D＝3－b，即可由數(shù)學(xué)方法計算出的分形維數(shù)D值［20］。污泥的分形維數(shù)D表征絮狀體的結(jié)構(gòu)，表示了絮狀體顆粒間的填充程度，因此可以用D來測量顆粒的聚集狀態(tài)。微波處理后污泥的分形維數(shù)采用2種方法獲得的結(jié)果分別記錄在表6中。對預(yù)處理后的污泥使用Fractalfox2.0軟件分析方法得出和采用數(shù)學(xué)方法計算出的分形維數(shù)進(jìn)行對比，可看出使用2種方法得到的污泥分形維數(shù)變化趨勢基本一致，綜合前面實驗結(jié)果，認(rèn)為對于此類污泥微波加熱到60～80℃，脫水特性較好。另外發(fā)現(xiàn)，因激光粒度儀得到小于38μm粒度分布數(shù)據(jù)不詳細(xì)，在一定程度影響了分形維數(shù)的計算精度。

圖2 導(dǎo)入污泥圖像

圖3 分形維數(shù)計算過程的回歸分析數(shù)據(jù)

表5 微波加熱后污泥粒度的篩下累積產(chǎn)率分布

續(xù)表5

表6 微波加熱后污泥的分形維數(shù)

2.3 污泥脫水特性模型的建立

分析表3、表6中的數(shù)據(jù)，找出綜合性較強(qiáng)、易于使用儀器測量的4個參數(shù)，分別為粘度，SV，粒度和分形維數(shù)。再使用Origin8.0軟件，建立這4個參數(shù)與污泥含水率的脫水特性模型。首先假設(shè)污泥含水率和各參數(shù)之間的關(guān)系為多元線性關(guān)系，從而得到微波預(yù)處理后污泥脫水特性的表征參數(shù)與污泥含水率的函數(shù)關(guān)系為：

式中：A為污泥粘度；B為污泥SV；C為污泥粒度；D為分形維數(shù)。

多元線性模型擬合結(jié)果的相關(guān)性系數(shù)均接近于1，殘差E較小，說明借助Origin8.0軟件建立的污泥含水率和各參數(shù)之間的多元線性模型是有效的。

3 結(jié) 論

采用微波技術(shù)對污泥進(jìn)行預(yù)處理，對預(yù)處理后污泥的脫水特性參數(shù)與形態(tài)學(xué)分析，實驗結(jié)果表明輻射技術(shù)有助于脫水特性的提高，結(jié)論如下：

1）微波加熱中水站污泥的最佳溫升速率均10℃／min，且隨溫度升高CST減小，污泥脫水效果變好。最佳處理條件為加熱到70～80℃時脫水特性好，含水率低且離心后上清液中的多糖含量高。

2）在對污水處理廠污泥的微波預(yù)處理實驗是，隨著輻射能量的增加，污泥的SV、粘度、污泥含水率相應(yīng)降低，上清液中COD含量逐漸增加，微波加熱到60～80℃脫水特性較好，70℃時含水率最低為83.12%。

3）實驗中發(fā)現(xiàn)微波預(yù)處理后污泥的形態(tài)學(xué)特征變化比較明顯。利用Origin8.0軟件建立污泥含水率和表征參數(shù)的脫水特性模型，得到了微波預(yù)處理后污泥含水率和各參數(shù)的多元線性模型。

［1］錢覺時，岳燕飛，謝從波，等.摻加頁巖后污泥沉降濃縮效果與利用［J］.土木建筑與環(huán)境工程，2010，32（2）：140－144.Qian J S，Yue Y F，Xie C B，et al.Thickening properties and utilization of sewage sludge modified by shale［J］.Journal of Civil，Architectural ＆ Environmental Engineering，2010，32（2）：140－144.

［2］Subramanian S B，Yan S，Tyagi R D，et al.Extracellular polymeric substances（EPS）producing bacterial strains of municipal wastewater sludge：Isolation，molecular identification，EPS characterization and performance for sludge settling and dewatering ［J］.Water Research，2010，44（7）：2253－2266.

［3］Lee D J.Interpretation of bound water data measured via dilatometric technique［J］.Water Research，1996，30（9）：2230－2232.

［4］周翠紅，陳家慶，孔惠，等.市政污泥強(qiáng)化脫水實驗研究［J］.環(huán)境工程學(xué)報，2011，5（9）：2125－2128.Zhou C H，Chen J Q，Kong H，et al.Experiment of improved dehydration capability of municipal sludge［J］.Chinese Journal of Environmental Engineering，2011，5（9）：2125－2128.

［5］Vaxelaire J，Cezac P.Moisture distribution in activated sludges：a review ［J］.Water Research，2004，38（9）：2215－2230.

［6］謝敏，施周，李淑展.污泥脫水性能參數(shù)－比阻檢測的若干問題研討［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2006，29（3）：15－16，42.Xie M，Shi Z，Li S Z.Measuring specific resistance to filtration（SRF）of sludge［J］.Environmental Science and Technology，2006，29（3）：15－16，42.

［7］Wolny L，Wolskip，Zawieja I.Rheological parameters of dewatered sewage sludge after conditioning ［J］.Desalination，2008，222（3）：382－387.

［8］Turchiuli C，F(xiàn)argues C.Influence of structural properties of alum and ferric flocs on sludge dewaterability［J］.Chemical Engineering Journal，2004，103（3）：123－131.

［9］Yuan H P，Zhu N W，Song F Y.Dewaterability characteristics of sludge conditioned with surfactants pretreatment by electrolysis ［J］. Bioresource Technology，2011，102（3）：2308－2315.

［10］Borrely S I，Cruz A C，Mastro N L.Radiation processing of sewage and sludge.A review ［J］.Progress in Nuclear Energy，1998，33（1）：3－21.

［11］Wojciechowska E.Application of microwaves for sewage sludge conditioning［J］.Water Research，2005，39（19）：4749－4754.

［12］Seehra M S，Kalra A，Manivannan A.Dewatering of fine coal slurries by selective heating with microwaves［J］.Fuel，2007，86（5）：829－834.

［13］Yu Q Y，Lei H Y，Yu G W.Influence of microwave irradiation on sludge dewaterability［J］.Chemical Engineering Journal，2009，155（1）：88－93.

［14］Tang B，Yu L F，Huang S S.Energy efficiency of pretreating excess sewage sludge with microwave irradiation［J］.Bioresource Technology，2010，101（14）：5092－5097.

［15］李延吉，李潤東，馮磊，等.基于微波輻射研究城市污水污泥脫水特性［J］.環(huán)境科學(xué)研究，2009，22（5）：545－548.Li Y J，Li R D，F(xiàn)eng L，et al.Microwave radiation research on dewater characteristics of municipal sewage sludge［J］.Research of Environmental Sciences，2009，22（5）：545－548.

［16］Jin B，Wilén B，Lant M P.Impacts of morphological，physical and chemical properties of sludge flocs on dewaterability of activated sludge ［J］.Chemical Engineering Journal，2004，98（2）：115－126.

［17］Mesquita D P，Amaral A L，F(xiàn)erreira E C.Identifying different types of bulking in an activated sludge system through quantitative image analysis［J］.Chemosphere，2011，85（4）：1126－1134.

［18］李愷，葉志平，李煥文，等.表面活性劑CTAC對活性污泥的脫水性能及機(jī)理研究［J］.華南師范大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010（2）：76－81.Li K，Ye Z P，Li H W，et al.Study of surfactants on activated sludge’s dewaterability and mechanism ［J］.Journal of South China Normal University：Natural Science Edition，2010（2）：76－81.

［19］謝敏，施周，劉小波，等.微波輻射對凈水廠污泥脫水性能及分形結(jié)構(gòu)的影響［J］.環(huán)境化學(xué)，2009，28（3）：418－420.Xie M，Shi Z，Liu X B，et al.The Influence of microwave condition to the dewaterability and fractal structure of water treatment plant sludge ［J］.Environment Chemistry，2009，28（3）：418－420.

［20］段晨龍，趙躍民，何亞群，等.廢棄電路板破碎產(chǎn)物粒度分形分布的研究［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2009，38（3）：357－360.Duan C L，Zhao Y M，He Y Q，et al.Research on t he fractal model of size distribution of crushed waste printed circuit boards［J］.Journal of China University of Mining ＆ Technology，2009，38（3）：357－360.