李丹熠,桑穩(wěn)姣*,張 倩,張宛君,豐洋洋,李志軒

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2450MHz電磁波污泥脫水過程中的溫度效應(yīng)

李丹熠1,桑穩(wěn)姣1*,張 倩1,張宛君2,豐洋洋3,李志軒1

(1.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院,湖北 武漢 430070；2.中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司,湖北 武漢 430010；3.安徽省城建設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司,安徽 合肥 230051)

采用2450MHz電磁波進(jìn)行污泥脫水,研究電磁波加載過程中污泥溫度變化對(duì)于剩余污泥性質(zhì)和溶出效應(yīng)的影響.研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)電磁波加載后,污泥的容積指數(shù)(SVI)隨著溫度的升高而降低,在溫度為80℃時(shí)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;經(jīng)電磁波加載后,污泥離心含水率也隨著溫度的升高持續(xù)降低,最低降到80℃時(shí)的93.52%;污泥的毛細(xì)吸水時(shí)間(CST)在60℃時(shí)由原泥的29.4s降至最低值23.2s,污泥比阻(SRF)始終高于初始值,說明電磁波的加載一定程度上可以改善剩余污泥的離心脫水和板框壓濾脫水效果,但不利于剩余污泥的真空抽濾.在電磁波加載過程中,檢測(cè)污泥胞外聚合物(EPS)及上清液中可溶性化學(xué)需氧量(SCOD)的含量,發(fā)現(xiàn)污泥溫度升高有利于污泥胞內(nèi)物質(zhì)的溶出.在80℃時(shí),污泥上清液中SCOD含量由初始的124.1mg/L增大到883.4mg/L;同時(shí)也發(fā)現(xiàn),溫度高于60℃后,污泥中微生物細(xì)胞破壁更明顯,污泥EPS含量隨之發(fā)生變化,對(duì)污泥脫水性能的影響更加顯著.

電磁波加載；連續(xù)流；溫度效應(yīng)；污泥脫水；SCOD；EPS

污水處理過程中產(chǎn)生的大量剩余污泥成為當(dāng)前的處置難題[1].污泥脫水技術(shù)的研究成為熱點(diǎn).當(dāng)前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究了多種強(qiáng)化污泥脫水方法,常見的方法有外加酶、熱水解、電滲透、超聲、微波[2-7]等.在這些方法中,電磁波由于分子水平的加熱機(jī)理使其可以均勻快速地加熱其中的介質(zhì),且易于操作,改善脫水效果明顯,受到了越來越多的關(guān)注[7-10].

目前, 2450MHz電磁波處理污泥大多仍處于靜態(tài)試驗(yàn)階段[11-13],這種間歇式電磁波反應(yīng)器的荷載時(shí)斷時(shí)續(xù),難以為污泥提供穩(wěn)定的處理環(huán)境,限制了電磁波污泥脫水技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用;其次,電磁波技術(shù)在污泥脫水領(lǐng)域的應(yīng)用,能耗成本是重要的制約條件.因此,在一定溫度范圍內(nèi)進(jìn)行電磁波污泥脫水會(huì)更有利于技術(shù)的推進(jìn).本試驗(yàn)通過響應(yīng)面優(yōu)化(RSM)設(shè)計(jì)了連續(xù)流2450MHz電磁波污泥脫水試驗(yàn),研究實(shí)際生產(chǎn)過程中最易調(diào)控的溫度條件對(duì)污泥特性和污泥溶出效應(yīng)的影響,為電磁波污泥脫水的工程應(yīng)用提供試驗(yàn)依據(jù)和理論基礎(chǔ).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)污泥

本試驗(yàn)所用污泥取自武漢市沙湖污水廠二沉池排泥口的剩余污泥.原泥基本性質(zhì)見表1.

表1 供試污泥基本性質(zhì)

注:離心含水率的測(cè)定方法詳見1.3.

1.2 試驗(yàn)裝置

為了最大限度接近生產(chǎn)實(shí)際,試驗(yàn)采用的電磁波污泥脫水裝置設(shè)置為連續(xù)流,如圖1所示.該裝置可實(shí)現(xiàn)污泥的連續(xù)流動(dòng),以及電磁波加載功率、加載時(shí)間和污泥加載量的調(diào)控.

圖1 連續(xù)流2450MHz電磁波污泥加載實(shí)驗(yàn)裝置

1.3 試驗(yàn)方法

根據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)果[14],本次試驗(yàn)中的電磁波加載功率選為200、300、400W,電磁波加載時(shí)間選為100、150、200s,污泥加載量選為100、150、200mL.采用Design Expert軟件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)操作條件(表2).

經(jīng)電磁波加載后的污泥從泥管出口取出后用溫度計(jì)讀取其溫度.試驗(yàn)過程中測(cè)得不同電磁波加載條件下的污泥溫度見表2.

取泥管出口處的泥,冷卻至室溫,取樣測(cè)定污泥離心含水率、毛細(xì)吸水時(shí)間(CST)、污泥比阻(SRF)、污泥沉降比(SV)、污泥濃度(MLSS)、污泥zeta電位、污泥胞外聚合物(EPS).將污泥離心(6000r/min,5min)后,測(cè)其上清液的SCOD濃度.

其中,SCOD、SV、MLSS采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定[15].EPS測(cè)定方法參考文獻(xiàn)[14],CST采用304M(英國(guó)Triton公司)污泥毛細(xì)吸水時(shí)間測(cè)定儀進(jìn)行測(cè)定. SRF用布氏漏斗過濾實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)定[16]. zeta電位采用JS94H型微電泳儀測(cè)定.離心含水率的具體測(cè)定方法為:將待測(cè)污泥裝入50mL離心管后放入離心機(jī),以6000r/min的轉(zhuǎn)速離心5min.取離心管下部沉泥放入烘箱,在105℃環(huán)境下烘10h,后采用稱重法計(jì)算出的污泥含水率即為污泥離心含水率.試驗(yàn)中,每組試驗(yàn)條件重復(fù)兩次,取兩次試驗(yàn)結(jié)果的平均值進(jìn)行數(shù)據(jù)分析.

表2 不同污泥溫度下的電磁波加載條件

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度對(duì)電磁波加載污泥物理性質(zhì)的影響

Yu等[7]研究發(fā)現(xiàn),溫度是影響污泥物理化學(xué)性質(zhì)的關(guān)鍵因素.通常,污泥物理性質(zhì)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積指數(shù)SVI,此值宜介于70~100之間,過低說明活性污泥顆粒細(xì)小,無機(jī)物質(zhì)含量高,過高說明活性污泥的沉降性能欠佳.

溫度對(duì)污泥SVI值的影響結(jié)果如圖2所示.從圖2可以看出,污泥SVI值隨著污泥溫度的升高而持續(xù)降低,在80℃時(shí)由原泥的130.73mL/g降至95.25mL/g,擬合曲線的相關(guān)系數(shù)R2=0.989,說明污泥溫度與污泥的SVI值相關(guān)性顯著,表明了電磁波加載污泥導(dǎo)致的污泥升溫可以有效改善污泥的沉降性能,有利于污泥濃縮.

圖2 溫度對(duì)污泥SVI值的影響

CST表征污泥脫水的快慢程度,其值與污泥中結(jié)合水含量以及濾餅含水率呈正相關(guān);SRF反映了水分通過污泥顆粒形成泥餅時(shí)所受的阻力,其值越大,脫水越困難[17].這兩項(xiàng)指標(biāo)廣泛用于表征污泥的脫水性能[3,11],可用于衡量剩余污泥是否適合用板框壓濾和真空抽濾進(jìn)行脫水處理;另外,也可通過測(cè)定污泥離心含水率來直觀評(píng)價(jià)污泥的離心脫水效果[18].

污泥溫度對(duì)污泥脫水性能的影響如圖3所示.從圖3可以看出,電磁波加載剩余污泥的過程中,污泥溫度對(duì)CST、SRF和離心含水率的影響可分為4個(gè)階段.第一階段,污泥溫度由初始的19℃升高到55℃,污泥CST和SRF值略微升高,離心含水率略有下降,此時(shí)污泥脫水效果并未受到明顯影響;第二階段,污泥溫度由55℃升至60℃,污泥CST和離心含水率分別突然降至23.2s和94.02%,可見,溫度升高到60℃時(shí)帶來了明顯的電磁波生物效應(yīng)窗口[19];第三階段,污泥溫度在60~70℃區(qū)間內(nèi),污泥CST和SRF出現(xiàn)增大趨勢(shì),污泥離心含水率先降后升,均在70℃時(shí)出現(xiàn)最大值,此時(shí)出現(xiàn)了第二個(gè)窗口特征,在此窗口效應(yīng)作用下污泥脫水性能急劇惡化.其原因主要是電磁波的持續(xù)加載導(dǎo)致溫度的不斷升高,高溫環(huán)境使污泥中微生物細(xì)胞壁受到胞內(nèi)水分的機(jī)械性撞擊而破裂,其中大量帶負(fù)電荷的大分子物質(zhì)從胞內(nèi)釋放到了胞外,增大了污泥顆粒間的靜電斥力,形成大量細(xì)小的污泥顆粒,穩(wěn)定性增強(qiáng),不利于污泥脫水;第四階段,當(dāng)污泥溫度超過70℃后,污泥離心含水率、CST及SRF均呈減小趨勢(shì),分別于80℃達(dá)到93.52%、34s、4.65×1013m/kg.

圖3 溫度對(duì)污泥離心含水率、CST、SRF的影響

綜上可知,電磁波加載剩余污泥過程中,污泥離心含水率下降明顯,CST值有一定降低,而SRF值雖然在一定條件下有減少趨勢(shì),但始終高于其初始值,說明電磁波加載剩余污泥可作為污泥板框壓濾和離心脫水的預(yù)處理手段,但并不適用于剩余污泥真空抽濾脫水的預(yù)處理.

Claire等[20]研究了水熱處理對(duì)污泥脫水效果的影響,結(jié)果表明,污泥溫度低于130℃時(shí),污泥的CST值與溫度呈正相關(guān)變化,溫度高于150℃時(shí)CST值會(huì)急劇減少;當(dāng)溫度升到190℃時(shí), CST值達(dá)到最低13s.與水熱技術(shù)相比,本試驗(yàn)中電磁波加載污泥至溫度達(dá)到60℃以及高于70℃后,污泥脫水性能便出現(xiàn)了改善趨勢(shì),可見,由于電磁波作用所導(dǎo)致的一定范圍內(nèi)的升溫會(huì)有效地改善污泥的脫水性能.然而,電磁波加載污泥升溫至一定程度后,也會(huì)增大處理過程所需的能耗(污泥溫度超過70℃后,電磁波能量密度達(dá)到500J/mL).因此,電磁波加載宜盡可能將污泥溫度控制在較低范圍內(nèi).本試驗(yàn)中,電磁波加載功率為200W、電磁波加載時(shí)間為150s、污泥加載量為200mL時(shí),污泥溫度達(dá)到60℃,此時(shí)電磁波能量密度僅為150J/mL,而污泥離心含水率、CST值均明顯減小.因此,60℃可作為電磁波加載連續(xù)流污泥脫水過程中較優(yōu)的操作溫度.

2.2 溫度對(duì)電磁波加載污泥溶出效應(yīng)的影響

污泥溫度的升高會(huì)使污泥中主要的溶解性生物聚合物釋放出來[21],電磁波加載剩余污泥過程中,表現(xiàn)出了明顯的胞內(nèi)物質(zhì)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體的破解程度和溶出效應(yīng).研究表明,EPS為雙層結(jié)構(gòu),里層為包裹細(xì)胞的緊密型胞外聚合物(TB-EPS),外層為包裹TB-EPS的松散型胞外聚合物(LB- EPS)[23].由于污泥溫度的升高,污泥中微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)被不同程度的破壞,其中的胞內(nèi)物質(zhì)溶出會(huì)影響污泥的表面性質(zhì).污泥溫度對(duì)污泥的溶出效果的影響見圖4.

由圖4(a)可見,隨著溫度的升高,污泥上清液中SCOD含量呈不斷增大趨勢(shì),說明電磁波加載對(duì)剩余污泥的溶出效果有明顯影響.同時(shí),污泥中EPS含量隨著溫度升高也表現(xiàn)出了明顯的變化,總體可分為以下4個(gè)階段:

(1)污泥溫度由原泥的19℃上升到55℃時(shí),污泥中總EPS含量和其中的大分子物質(zhì)含量均無明顯變化(見圖4d),而LB-EPS含量有些許增大,尤其是蛋白質(zhì)和DNA的含量增長(zhǎng)幅度明顯,分別由1.3, 2.4mg/g-SS增大到21.3, 11.6mg/g-SS(圖4b), TB-EPS中蛋白質(zhì)含量則由49.7mg/g-SS減小到了28.0mg/g-SS, DNA和多糖含量略微下降(圖4c).說明在此溫度范圍內(nèi),污泥絮體結(jié)構(gòu)的變化主要表現(xiàn)為TB-EPS與LB-EPS之間物質(zhì)的傳遞釋放,EPS總量并未出現(xiàn)明顯增加.

(2)污泥溫度由55℃繼續(xù)升至60℃過程中,污泥中EPS、LB-EPS和TB-EPS含量顯著增大,其中的大分子物質(zhì)成分也出現(xiàn)明顯變化,如圖4(d)所示, EPS中DNA及多糖含量略微增大,蛋白質(zhì)含量則由49.3mg/g-SS增大到了116.0mg/g-SS; LB-EPS中蛋白質(zhì)含量減少,多糖及DNA含量增大(圖4b); TB-EPS中蛋白質(zhì)含量增大明顯,由28.0mg/g-SS增大到103.0mg/g-SS,而多糖及DNA含量無明顯變化(圖4c).

不難看出,溫度達(dá)到60℃時(shí),電磁波加載出現(xiàn)了第一個(gè)窗口效應(yīng),此時(shí)細(xì)菌細(xì)胞壁上的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)被破壞,以蛋白質(zhì)為主的胞內(nèi)大分子物質(zhì)溶出,由于其具有粘性,分散的小顆粒污泥容易聚集.研究表明,當(dāng)污泥中小顆粒絮體占多數(shù)時(shí),污泥的過濾和脫水性能會(huì)遭到惡化,而結(jié)構(gòu)良好的絮體則表現(xiàn)出了較優(yōu)的過濾和脫水性能[24].因此,當(dāng)溫度升高到60℃時(shí),由于胞內(nèi)具有粘性的大分子物質(zhì)的溶出使小顆粒絮體出現(xiàn)的聚集效果,一定程度上改善了污泥的脫水性能.

(3)污泥溫度由60℃升高到70℃的過程中,污泥中LB-EPS、TB-EPS和EPS含量均在65℃時(shí)出現(xiàn)陡降,其中的大分子物質(zhì)除了LB-EPS中蛋白質(zhì)含量略有增大外,其余均顯著減少(圖4),說明在此溫度下,微生物胞內(nèi)物質(zhì)的溶出不再顯著,影響污泥溶出效應(yīng)的主要原因是EPS中的大分子組分溶解并釋放進(jìn)入污泥上清液中.

當(dāng)污泥溫度繼續(xù)升至70℃時(shí),出現(xiàn)了第二個(gè)窗口效應(yīng),此時(shí)污泥中LB-EPS、TB-EPS和EPS含量再一次增大(圖4a), EPS中蛋白質(zhì)含量顯著增多,由36.0mg/g-SS增大到136.0mg/g-SS(圖4d),其中TB-EPS中蛋白質(zhì)含量也增大明顯,由14.7mg/g-SS增大到113.0mg/g-SS(圖4c).其原因主要是電磁波加載帶來的高溫環(huán)境下,污泥內(nèi)部的偶極子在電磁波加載時(shí)震動(dòng)激烈,使污泥微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)破壞加劇,致大部分胞內(nèi)物質(zhì)溶出,多數(shù)帶負(fù)電荷的大分子物質(zhì)包裹在微生物細(xì)胞周圍,污泥表面電荷明顯下降,如圖4(d)所示, zeta電位由-15.88mV大幅減小到-28.96mV.雖然包圍污泥顆粒的大分子物質(zhì)具有粘性,但由于此時(shí)靜電斥力過大,污泥顆粒之間很難接觸聚集,小顆粒絮體的增多使污泥脫水變得更為困難.

(4)污泥溫度超過70℃后,污泥LB-EPS、TB-EPS及EPS含量均呈減小趨勢(shì),蛋白質(zhì)、多糖及DNA含量也不斷減小,這是由于高溫條件下有利于釋放的蛋白質(zhì)、多糖、DNA等有機(jī)物質(zhì)的快速轉(zhuǎn)化[24],其中,蛋白質(zhì)可水解為肽類物質(zhì)和個(gè)別氨基酸釋放出來,這些物質(zhì)可進(jìn)一步降解為脂肪酸和氨氮,使得檢測(cè)出的蛋白質(zhì)含量減少[21];同理,因?yàn)榕c水有強(qiáng)力結(jié)合作用的大分子聚合物被分解,檢測(cè)出的多糖含量也減少.這些大分子物質(zhì)的分解,會(huì)使被其包圍的水分釋放出來,同時(shí),隨著溫度的升高,污泥中的水分逐漸被蒸發(fā),這兩部分水分的脫除,使污泥的CST值和SRF值減少,污泥的脫水性能出現(xiàn)改善趨勢(shì).

圖4 溫度對(duì)污泥溶出效應(yīng)及污泥zeta電位的影響

圖5 電磁波加載剩余污泥過程中胞內(nèi)物質(zhì)溶出示意

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,不同溫度下,電磁波加載剩余污泥時(shí),胞內(nèi)物質(zhì)的溶出過程如圖5所示.原泥溫度為19℃,此時(shí)胞內(nèi)大分子物質(zhì)和其中包圍的水分沒有釋放, EPS中TB-EPS占多數(shù),污泥絮體處于穩(wěn)定狀態(tài);當(dāng)溫度達(dá)到60℃時(shí)出現(xiàn)了第一個(gè)生物效應(yīng)窗口,微生物細(xì)胞明顯破壁,其中的大分子物質(zhì)大量溶出進(jìn)入EPS和上清液中, EPS含量增長(zhǎng)近乎一倍;同時(shí), TB-EPS與LB-EPS中的物質(zhì)也在相互傳遞并向外釋放,由于這些大分子物質(zhì)具有粘性,使得污泥絮體更容易聚集,這對(duì)剩余污泥脫水效果的改善有一定的積極作用;當(dāng)污泥溫度繼續(xù)升高到最高溫度80℃時(shí),胞內(nèi)大分子物質(zhì)繼續(xù)被分解,此時(shí)總EPS含量低于初始狀態(tài), TB-EPS中的物質(zhì)轉(zhuǎn)化進(jìn)入LB-EPS和上清液中,且部分胞內(nèi)物質(zhì)在高溫環(huán)境中被降解,其中包圍的水分也因此得以釋放去除.

3 結(jié)論

3.1 電磁波加載污泥會(huì)帶來污泥溫度的升高,污泥沉降性能和脫水性能得到改善.污泥溫度升至60℃時(shí),污泥CST和離心含水率分別由29.4s和96.95%降至23.2s和94.02%,污泥脫水效果得到改善;溫度進(jìn)一步升高到70℃時(shí),污泥的CST、SRF明顯增大,污泥脫水性能惡化.在溫度高于70℃后,污泥脫水性能得到再次改善,污泥離心含水率降至最低值93.52%.

3.2 電磁波加載剩余污泥過程中,污泥上清液中SCOD含量與污泥溫度的升高呈正相關(guān)關(guān)系,由124.08mg/L持續(xù)增至80℃時(shí)的883.42mg/L.

3.3 在溫度低于55℃時(shí),污泥中總的EPS含量受影響不明顯,在溫度高于60℃后,總EPS含量波動(dòng)較大,蛋白質(zhì)含量變化尤為明顯,由51mg/g-SS突增至116mg/g-SS,具有明顯的污泥破壁效應(yīng).

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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,武漢理工大學(xué)碩士研究生,主要研究方向?yàn)槲鬯幚砼c污泥減量.發(fā)表論文1篇.

2018-04-12

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51108360,51208397);湖北省科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015BCA304)

* 責(zé)任作者, 副教授, whlgdxswj@126.com