蘇建文，鄭 浩，王彩冬，王俊超，許尚營，時永輝

(魯南制藥集團股份有限公司污染控制與資源化研究中心，山東臨沂 273400)

污水處理廠的污泥經(jīng)機械脫水后含水率普遍超過80%，這對于后續(xù)的污泥處置很不利，有關(guān)污泥的深度脫水成為國內(nèi)外研究的熱點。為改善污泥的脫水性能，通常采用物理法、化學法或生物法對污泥進行調(diào)理［1-7］。

超聲波調(diào)節(jié)屬于一種物理調(diào)節(jié)方法。超聲波的頻率范圍為20×103～10×106Hz，當一定強度的超聲波作用于某一液體系統(tǒng)中時，將產(chǎn)生一系列理化反應(yīng)，并明顯改變液體中的溶解態(tài)和顆粒態(tài)物質(zhì)的特征。這些反應(yīng)是由聲場條件下大量空化泡的產(chǎn)生和破滅引起的［8］。超聲破解污泥主要作用途徑是水剪切力的機械作用［9］。隨著超聲波頻率增加，細胞降解程度明顯下降［10-12］。為了獲得高效的污泥分解效果，推薦采用較低的超聲頻率(不超過40 kHz)。污泥中的菌膠團具有良好的保水性，內(nèi)部包含的水量約占總水量的27%，而且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，難以為機械作用(壓濾、離心等)所破壞;超聲波可以有效破壞污泥菌膠團的結(jié)構(gòu)，將其內(nèi)部包含水釋放成容易去除的自由水［13］。殷絢等［14］研究認為較小聲強超聲波(＜600 W/m2)處理較短時間有利于減少污泥的結(jié)合水，其機理可能是超聲波促進混凝作用和EPS對污泥顆粒團聚作用的共同結(jié)果。

生石灰(CaO)可以作為污泥脫水的助凝劑。生石灰在污泥脫水過程中能起到填充料的作用，使污泥不易粘附堵塞濾布，在污泥中構(gòu)建更加多孔的、可滲透的、剛硬的格子框架結(jié)構(gòu)，促使污泥顆?；?，降低污泥黏度，讓自由水更容易透過，從而提高污泥脫水效果［15］。生石灰中的鈣與污泥中的有機物結(jié)合，提高了污泥的顆粒密度，污泥的比阻隨生石灰投加量的增加而降低［16］。此外，生石灰的強堿性還常被用來穩(wěn)定污泥，將生石灰作為污泥脫水添加劑，可在提高污泥的脫水效果的同時實現(xiàn)污泥的穩(wěn)定化［17］。

本文以制藥廠污水站濃縮污泥為研究對象，考察超聲波與生石灰單獨及聯(lián)合作用對污泥脫水性能的影響。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

CaO:分析純，天津恒興化學試劑

濃縮污泥:取自山東新時代藥業(yè)三期環(huán)保站污泥濃縮池，基本性質(zhì)如表1所示。

表1 濃縮污泥的基本性質(zhì)Tab.1 Basic Properties of Sludge

1.2 試驗儀器

JY99超聲波連續(xù)流細胞粉碎機;TDZ5-WS多管架自動平衡離心機;JH-12型COD恒溫加熱器;JB-2型磁力攪拌器;101-2A型電熱鼓風干燥箱;SHZ-D(Ⅲ)型循環(huán)水式真空泵。

1.3 試驗方法

1.3.1 超聲波單獨處理

取1 L濃縮污泥放入超聲波儀的鋼制容器內(nèi)，將超聲波探頭頂端浸沒于污泥液面下10 mm處，設(shè)定不同的超聲時間;開啟電源進行超聲處理，超聲頻率為28 kHz，功率為2 800 W。將處理后的污泥試樣存放于試劑瓶并檢驗污泥的脫水性能。

考察污泥的沉降性能:用量筒精確量取100 mL的污泥，靜置于通風櫥內(nèi)，分別記錄24、48、72 h污泥沉降后的體積。

考察污泥的抽濾脫水性能:取30 mL的各組污泥試樣，以中速定性濾紙為過濾介質(zhì)，在真空度為0.095 Mpa下抽濾5 min后，測定濾餅的含水率。濾餅含水率的高低可反映污泥抽濾脫水程度的高低。

考察污泥的離心脫水性能:取一定量的各組污泥試樣，分別裝滿4個10 mL的離心管，勻稱地擺放在離心機內(nèi)，最大離心半徑為10 cm，在2 000 r/min的轉(zhuǎn)速下離心5 min。用量筒收集離心上清液，測定液體體積并檢測其COD。離心液體積的多少可以反映離心脫水程度的高低，其COD的大小則反映離心脫水效果的好壞。

1.3.2 生石灰單獨處理

取100 mL濃縮污泥，加入一定量的CaO，用磁力攪拌器先快速攪拌2 min，再慢速攪拌8 min，攪拌均勻后檢驗污泥的脫水性能。

羥氯喹血藥濃度與系統(tǒng)性紅斑狼瘡療效相關(guān)性的研究進展……………………… 羅雪梅，彭 穎，束 慶，等（1·40）

考察污泥的離心脫水性能:同上。

考察污泥的抽濾脫水性能:取30 mL的各組污泥試樣進行抽濾，當真空度達0.095 Mpa時開始計時直至濾餅龜裂、真空被破壞，記錄抽濾時間并測定濾餅含水率。抽濾時間和濾餅含水率分別表征抽濾脫水的速率和程度。

1.3.3 超聲波與生石灰聯(lián)合處理

取1 L濃縮污泥先用超聲波處理，再從中取100 mL污泥加入一定量的CaO，用磁力攪拌器先快速攪拌2 min，再慢速攪拌8 min，攪拌均勻后進行離心脫水試驗，考察污泥的脫水性能。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 超聲波單獨處理

濃縮污泥經(jīng)超聲波分別處理1、3、5 min后，沉降曲線、抽濾脫水性能和離心脫水性能分別如圖1、圖2和圖3所示。

圖1 污泥經(jīng)不同時間超聲處理后的沉降曲線Fig.1 Settlement Curves of Sludge Treated by Ultrasonic with Different Time

圖2 超聲處理時間對污泥抽濾后濾餅含水率的影響Fig.2 Effect of Ultrasonic Time on Moisture Content of Sludge Cake

圖3 超聲處理時間對污泥離心脫水性能的影響Fig.3 Effect of Ultrasonic Time on Dewaterability of Sludge by Centrifugation

由圖1可知經(jīng)不同時間的超聲處理后污泥的沉降速率大小為V3＞V5＞V1＞V0，這說明超聲波處理能夠提高污泥的沉降性能，相對而言，超聲處理3 min后污泥的沉降性能最好。超聲波對污泥能夠產(chǎn)生一種海綿效應(yīng)，使水分更容易從波面?zhèn)鞑ギa(chǎn)生的通道通過，從而使污泥顆粒團聚、粒徑增大，當其粒徑大到一定程度，就會做熱運動相互碰撞、黏結(jié)，最終沉淀［13］。

由圖2可知污泥抽濾后濾餅的含水率會隨著超聲處理時間的增加而增大，說明經(jīng)超聲處理后污泥的抽濾脫水性能變差，而且超聲處理時間越長，污泥的抽濾脫水性能越差。這是由于超聲波功率過大，產(chǎn)生的空化效應(yīng)會過分破壞污泥顆粒，使得污泥絮體破碎嚴重，增加了過濾比阻，造成抽濾困難。

2.2 生石灰單獨處理

生石灰的投加量分別為 0、2‰、4‰、6‰、8‰、10‰、12‰、14‰和 16‰，濃縮污泥經(jīng)生石灰處理后，抽濾脫水性能和離心脫水性能分別如圖4和圖5所示。

圖4 CaO投加量對污泥抽濾脫水性能的影響Fig.4 Relationship between CaO Dosage and Dewaterability of Sludge by Filtration

圖5 CaO添加量對污泥離心脫水性能的影響Fig.5 Relationship between CaO Dosage and Dewaterability of Sludge by Centrifugation

由圖4可知不添加CaO，污泥的抽濾脫水時間為17 min，濾餅含水率為74.5%;當CaO投加量為2‰時，抽濾時間增大到22 min;隨著CaO投加量的增大，污泥抽濾時間呈直線下降趨勢;當CaO投加量≥10‰ 時，抽濾時間降至1 min以內(nèi)。然而當CaO投加量≤10‰時，污泥抽濾后的濾餅含水率呈增大趨勢，最大達到80.8%;此后隨著CaO投加量的增大，濾餅含水率緩慢下降。由于各個試驗樣品的抽濾時間不同，抽濾后的濾餅含水率并不能體現(xiàn)抽濾脫水效果的好壞;但是僅從抽濾時間來看，添加CaO對濃縮污泥進行調(diào)理可以顯著提高污泥的抽濾脫水性能。

由圖5可知隨著CaO投加量的增大，污泥離心脫水后離心液的體積逐漸增大，由18.5 mL增大到22.5 mL。當CaO投加量＜10‰ 時，隨著添加劑量增大，離心出水體積增長趨勢較快;而當CaO投加量≥10‰時，離心出水體積增長緩慢。同時，隨著CaO投加量的增大，離心出水的澄清度增加，由烏黑渾濁液逐漸變?yōu)闇\黃色澄清液;而且出水COD呈下降趨勢，并以CaO投加量10‰為分界點，下降趨勢前快后慢。結(jié)果說明添加CaO對濃縮污泥進行調(diào)理可以明顯提高污泥的離心脫水性能，不僅能增加出水體積，還可以改善出水水質(zhì)。當CaO投加量達10‰時，再增加CaO的量對污泥脫水性能的改善作用不大，即10‰的投加量為CaO單獨處理時的最優(yōu)添加量。

2.3 超聲波與生石灰聯(lián)合處理

濃縮污泥先經(jīng)超聲處理(處理時間分別為1、2和3 min)，再分別投加一定量的CaO，投加量分別為0、2‰、4‰、6‰、8‰和 10‰。經(jīng)過超聲波和 CaO 的聯(lián)合處理后，污泥的離心脫水性能分別如圖6和圖7所示。

圖6 超聲處理時間和CaO投加量對污泥離心液體積的影響Fig.6 Effect of Ultrasonic Time and CaO Dosage on Centrifugation Volume of Sludge

圖7 超聲處理時間和CaO投加量對污泥離心液COD值的影響Fig.7 Effect of Ultrasonic Time and CaO Dosage on COD of Centrifugal Effluent

由圖6可知污泥經(jīng)超聲波和CaO聯(lián)合處理后，其離心出水體積隨CaO投加量的變化趨勢與CaO單獨處理時的變化趨勢基本一致，都呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。當CaO投加量≥6‰時，超聲波和CaO聯(lián)合處理后的離心出水體積才超過CaO單獨處理時的離心出水體積。在聯(lián)合處理時，超聲時間對離心出水體積的影響并不明顯。

由圖7可知超聲波和CaO對污泥聯(lián)合處理時，隨超聲時間的增加，離心出水的COD明顯增大;然而當CaO投加量＞2‰時，離心出水的COD會隨著CaO添加量的增大而降低，離心出水的澄清度逐步提高，出水水質(zhì)明顯好轉(zhuǎn)。當CaO投加量≥6‰時，曲線變化趨緩，對水質(zhì)的改善作用不再明顯。

綜合圖6和圖7并考慮經(jīng)濟因素，當超聲波和CaO對污泥聯(lián)合處理時，超聲處理1 min以及6‰的CaO投加量為最優(yōu)的處理條件。在此條件下，污泥離心脫水的效率較高并能得到較好的出水水質(zhì)。

3 結(jié)論

(1)超聲波處理能夠提高污泥的沉降性能和離心脫水效果。超聲處理3 min后，污泥的沉降速度能提高6%，污泥離心脫水的出水體積可增加22.6%。然而單獨超聲處理會增大污泥離心出水的COD，使得出水水質(zhì)變差;此外大功率超聲波處理會增加過濾比阻，也不利于污泥的過濾除水。

(2)CaO對污泥單獨處理時，10‰的投加量為最優(yōu)投加量。對比不添加CaO的污泥，采用10‰的CaO投加量進行處理后，污泥的抽濾脫水時間可以下降94%，污泥離心脫水的出水體積可增加18.9%，離心出水的COD可以下降57.5%。此時污泥的抽濾脫水性能和離心脫水性能都得到顯著改善。

(3)超聲波和CaO對污泥聯(lián)合處理時，最優(yōu)的處理條件為1 min的超聲波處理時間和6‰的CaO投加量。相對于超聲波單獨處理，聯(lián)合處理能夠改善污泥離心出水的水質(zhì)，離心出水的COD可以下降30.6%，出水的澄清度明顯提高;相對于CaO單獨處理，聯(lián)合處理能使CaO的投加量減少40%，從而節(jié)省藥劑費用并減少最終的污泥產(chǎn)量。

(4)在污泥離心脫水之前，用超聲波和CaO進行聯(lián)合處理時，可采用如下工藝參數(shù):超聲波頻率為28 kHz、聲能密度為2 800 W/L、超聲處理時間為1 min、CaO的投加量為6‰(即1 L濕污泥中投加6 g CaO)。

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