桑稳姣,方笑笑,龚雅君,欧阳钦,刘峥嵘,张 倩,李翠华,张少辉

(1.武汉理工大学土木工程与建筑学院,湖北 武汉430070；2.浙江工业大学建筑规划设计研究院有限公司,浙江 杭州310014)

连续流2450MHz电磁波剩余污泥脱水与溶出效果研究

桑稳姣1*,方笑笑2,龚雅君1,欧阳钦1,刘峥嵘1,张 倩1,李翠华1,张少辉1

(1.武汉理工大学土木工程与建筑学院,湖北 武汉430070；2.浙江工业大学建筑规划设计研究院有限公司,浙江 杭州310014)

利用连续流2450MHz的电磁波污泥脱水装置,对2种不同的污泥进行均匀性试验,得到加载功率270W、加载时间200s、加载泥量150mL工况最优.该工况下,污泥离心含水率、沉降含水率、SV分别由原泥的90.46%、96.35%、88%下降到87.32%、95.55%、76%,比阻由2.37×109m/kg升高至1.22×1010m/kg ,在同等离心条件下,经过2450MHz电磁波处理的污泥体积比不经电磁波处理的体积减少了25%.加载后,TN、TP、SCOD的最大溶出倍数分别达到了17.69、9.50和40.11,EPS降低61.9%,与现有的微波加载实验结果对比发现,在原泥比阻值较低情况下,连续流状态下比阻值未降反增,但污泥胞内物质的溶出倍数明显更大,能有效降低 EPS,改善污泥脱水性能,表明了2450MHz电磁波动态污泥脱水的效果更好.

连续流；2450MHz电磁波；动态污泥脱水；均匀性试验；溶出效果

随着我国污水处理厂的不断建成与运行,环保部门对城市污水处理厂出厂污泥含水率要求的提高,污泥脱水技术成为研究热点与难点[1-2].电磁波技术被引入污泥脱水领域,但大多数研究目前仅限于静态微波处理试验[3-5],制约着电磁波污泥脱水技术的应用与发展.本研究在连续流条件下,采用均匀性试验,优化2450MHz电磁波污泥脱水工况,分析最优工况下的污泥脱水性能和溶出物变化规律,与其它静态微波加载试验结果进行对比,为连续流2450MHz电磁波污泥脱水的工业化应用提供理论基础.

1 材料与方法

1.1 污泥来源与性质

试验所用污泥分别于2013年1月12日取自武汉市龙王嘴污水处理厂和2014年1月2日取自武汉市沙湖污水处理厂.两个污水处理厂主要处理城市生活污水,采用A2/O工艺,未设初沉池.日常运行时,龙王嘴污水处理厂混合液浓度高于沙湖污水处理厂,所取剩余污泥的基本性质如表1所示.

表1 原泥特性Table1 Properties of the sludge before dewatered

1.2 试验装置

试验所用连续流2450MHz电磁波装置由进泥系统、电磁波加载腔体、电磁波加载控制系统组成[6].装置示意见图1.

图1 2450MHz电磁波污泥脱水连续流示意Fig.1 Schematic experimental system of continuous inflow sludge dewatering with2450MHz electromagnetic wave

进泥系统由蠕动泵控制进泥量,采用磁力搅拌器使进泥保持均匀,通过调节输泥管的长度调节电磁波加载时间,通过改变电源的输出电压对腔体内的实际加载功率进行调节.

1.3 污泥性质测定方法

试验中测试的污泥性质指标包括污泥的离心含水率、沉降含水率、污泥沉降比(SV30)、污泥容积指数(SVI)、污泥比阻(SRF)、总氮(TN)、总磷(TP)、可溶性化学需氧量(SCOD)和胞外聚合物(EPS),其中TN、TP、SCOD均是将污泥离心(3000r/min)取上清液过滤后测得,采用国家标准方法[7];含水率均由 Sartorius MA45型水分分析仪测定;污泥比阻采用布式漏斗过滤实验进行测定[8].

1.4 试验方法设计

试验采用均匀试验设计法,试验采用3个因素8个水平[9-10],考虑蠕动泵机械挤压的影响,共对包括原泥在内的10种泥样进行了检测,试验工况见表2.

表2 均匀试验工况列表Table2 List of homogeneity experiments condition

利用 SPSS软件[11]对实验数据进行回归分析,建立回归方程,并对试验的3个因素:加载功率、加载时间、加载体积分别进行显著性检验,确定各指标的主次影响次序,利用直观分析法判断最优工况.

2 结果与讨论

2.1 连续流2450MHz电磁波加载工况优化结果

表3的线性回归分析结果表明,对于武汉市龙王嘴污水处理厂的污泥,离心含水率的一次线性回归方程在a=0.1下不显著,沉降含水率、SV、TN、TP、SCOD、比阻和EPS的一次线性回归方程在a=0.1下显著. 加载功率对沉降含水率、TP的影响明显, 加载时间对离心含水率、SV、TN、SCOD、比阻和EPS的影响明显,得到其最优工况为:加载功率270W、加载时间200s、加载泥量150mL.

表3 均匀性试验结果回归分析表(武汉市龙王嘴污水处理厂泥源)Table3 Result of regression analysis by homogeneity experiments(sludge from Longwangzui WWTP in Wuhan)

表4 均匀性试验结果回归分析表(武汉市沙湖污水处理厂泥源)Table4 Result of regression analysis by homogeneity experiments(sludge from Shahu WWTP in Wuhan)

表4为取用武汉沙湖污水处理厂污泥的回归分析,结果说明沉降含水率、SV的一次线性回归方程在a=0.1下不显著,离心含水率、TN、TP、SCOD、EPS以及比阻的一次线性回归方程在a=0.1下显著,且所有指标的主要影响因素均为电磁波加载时间,其中,离心含水率和沉降含水率的次要影响因素为电磁波加载功率,SV、SVI、TN、TP、SCOD、EPS和比阻的次要影响因素为加载污泥量,得到其最优工况为:加载功率330W、加载时间125s、加载泥量150mL.

在同一条件下的对比试验回归分析结果表明,对于2450Mhz电磁波连续流污泥脱水,不同的泥源,加载时间和加载功率是影响脱水效果的主要因素.2种污泥的性质差别主要体现在MLSS浓度和温度的差别,也影响到SV值和污泥的比阻,最优工况的结果表明,不管泥源性质如何,最佳加载体积都是150mL,但最佳加载功率和加载时间有差异,对于MLSS含量高的污泥,尽管其含水率稍低,但其需要的能耗更多.

2.2 连续流2450MHz电磁波加载对污泥含水率的影响

图2为10种工况下的污泥含水率及沉降性能试验结果.经电磁波加载后,各工况的污泥离心含水率、沉降含水率、SV和SVI都有降低.其中,对于龙王嘴污水处理厂的污泥,经过泵抽的污泥离心含水率从原泥的90.46%降低到90.20%,沉降含水率从原泥的96.34%升高到96.37%,SV和SVI都与原泥一致,而对于沙湖污水处理厂的污泥,在经过蠕动泵后,污泥离心含水率、沉降含水率、SV和SVI值变化很小,说明蠕动泵的机械挤压作用对污泥脱水效果的影响可以忽略.

图2 连续流2450MHz电磁波加载后污泥的含水率及沉降性能Fig.2 The centrifuge water content and settled characteristics of sludge dewatered with2450MHz electromagnetic wave

从各指标的变化趋势看,对于两处来源不同的污泥,工况“均2”、“均4”和“均6”都较为特殊.对于龙王嘴污水处理厂的污泥,在以上3种工况下,各污泥指标都低于其他几种工况;而对于沙湖污水处理厂的污泥,其离心含水率均为较低值,但是沉降含水率、SV和SVI值都处于较高值,说明经过2450MHz电磁波连续流脱水后,污泥的离心脱水性能均有明显改善,但污泥的MLSS和SV值影响该技术对污泥沉降性能的影响效果,结合前面回归分析的最优工况结论,确定2450MHz电磁波连续流脱水的最优工况为:加载功率270W、加载时间200s、加载泥量150mL.经计算,在同等离心条件下,经过2450MHz电磁波处理的污泥体积比不经电磁波处理的体积减少了25%.

2.3 连续流2450MHz电磁波加载对污泥比阻的影响

在初始比阻值较低的情况下,剩余污泥经过连续流2450MHz电磁波加载后,比阻所表现出的变化如图3所示,与梁仁礼等[12-14]的微波静态加载结果有所不同,比阻值不降反升,且各工况下变化显著.

图3 连续流2450MHz电磁波加载后污泥的比阻与离心含水率Fig.3 The SRF and centrifugal water content of sludge dewatered with2450 MHz electromagnetic wave

图3a中,工况“均2”、“均6”、“均8”的比阻较大,污泥比阻从原泥的2.37×109升高到工况“均6”的最大值1.61×1010m/kg,在工况“均7”出现最小值为3.99×109m/kg.工况“均8”时,污泥比阻和离心含水率均较高.在工况“均2”和“均6”时,污泥的离心含水率为较低值;图3b中,工况“均2”和“均4”时,污泥比阻值较大,但污泥的离心含水率较低,在工况“均8”时,污泥比阻和离心含水率同时达到较低值,在工况“均6”时,污泥比阻和离心含水率同时达到较低值.说明在最优工况下,尽管污泥比阻比原泥有增加且为较大值,但能获得较低的离心含水率.

2.4 连续流2450MHz电磁波加载对污泥溶出物的影响

图4为胞内溶出物影响试验结果.

图4 连续流2450MHz电磁波加载后污泥溶出效果Fig.4 The solubilization effect of sludge dewatered with2450MHz electromagnetic wave

图4a和图4b的溶出物均匀试验结果表明,经过2450MHz电磁波加载后,尽管泥源不同,但污泥胞内物质的溶出特征相同,TN、TP和SCOD的溶出效果在大部分工况都较为显著.从变化趋势看,工况“均2”和“均6”依然较为特殊.SCOD的最大溶出倍数出现在工况“均6”,达到41.41,溶出浓度由29.41mg/L增大到820.90mg/L;TN和TP的最大溶出倍数出现在工况“均2”,分别为17.69和7.54,溶出溶度分别由3.96、3.75mg/L增大到70.06mg/L和28.14mg/L,明显高于静态微波加载的溶出倍数[15-19],也优于采用 Fenton和US+Fenton 处理污泥的溶出效果[20],说明2450MHz电磁波连续流污泥脱水更有利于污泥胞内物质的溶出,也为连续流电磁波污泥脱水技术的应用研究奠定了实验基础.

结合前面污泥比阻和含水率的变化特点,可以看出,在工况“均2”和“均6”污泥胞内物质大量溶出,胞内物质浓度增大,污泥的比阻明显变大,此时,随着胞内物质的溶出,污泥胞内水分也随之大量排出,离心含水率显著降低.在工况“均1”、“均5”和“均7”恰好与此相反,说明2450MHz电磁波污泥脱水的效果与加载条件关系密切,针对不同的污泥特性,工况优化非常必要.

2.5 连续流2450MHz电磁波加载对污泥 EPS的影响

胞外聚合物(EPS)影响污泥的絮凝性能、沉降性能、脱水性能,若能够减少污泥的EPS含量或破坏 EPS结构,能够加速污泥的生化降解性,且有利于污泥脱水[21].

图5 连续流2450MHz电磁波加载后的污泥EPS与离心含水率Fig.5 The EPS and centrifugal water content of sludge dewatered with2450MHz electromagnetic wave

图5可以看出,在脱水过程中,2种不同泥源,污泥EPS和离心含水率的变化趋势相近,但各工况作用下的结果差别较大“,均2”、“均4”和“均6”、“均8”4种工况较为特殊,其中工况“均8”的EPS最低,从原泥的15.24mg/(g干污泥)降低到6.01mg/(g干污泥);对于2种污泥,在工况“均2”时,EPS和离心含水率都有显著降低,离心含水率达到最低值87.32%,EPS浓度为6.76mg/(g干污泥),最大降低百分比分别为3.5%和61.9%,证明通过连续流2450MHZ电磁波加载,能有效降低污泥EPS,改善污泥的脱水性能,降低污泥的离心含水率.结合污泥胞内物质的溶出特点,可以看出,随着胞内的SCOD大量溶出,可以有效改善污泥EPS组成,从而有助于降低污泥EPS浓度,提高污泥脱水效果.从运行效果看,还可以通过装置运行参数的动态调整得到不同的污泥破解效果,寻求脱水性能改善与含水率降低的协同效应.

3 结论

3.1 连续流2450MHz电磁波污泥脱水技术对污泥胞内TN、TP和SCOD的溶出效果明显,EPS能够明显降低,可有效改善污泥脱水性能,特别是

TN和SCOD的溶出倍数明显高于现有的其他研究成果,为2450MHz电磁波连续流污泥脱水技术的应用研究提供了可靠的实验基础.针对国内低碳污水处理现状,有助于在实现该技术提高污泥脱水效果的同时,为补充碳源提供了可能.

3.2 连续流2450MHz电磁波污泥脱水时,由于胞内物质的大量溶出,胞内水分也随之大量排出,导致污泥比阻未降反增.污泥胞内物质的溶出倍数均大于已有的实验结果.

3.3 根据不同的污泥脱水要求,可以通过选择合适的电磁波加载条件实现电磁波污泥脱水的动态控制.最优工况确定为:加载功率270W、加载时间200s、加载泥量150mL,同等离心条件下,经电磁波处理后的污泥体积比未经电磁波处理的减少25%.

[1] 方笑笑.连续流电磁波污泥脱水装置设计与研究 [D]. 武汉:武汉理工大学,2013.

[2] 孟昭辉,吴凡松,郭婉茜,等.污泥减量化水处理技术的研究现状和进展 [J]. 中国给水排水,2013,29(8):26-28.

[3] 傅大放,蔡明元.污水厂污泥微波处理试验研究 [J]. 中国给水排水,1999,15(3):44-46.

[4] 周翠红,凌 鹰,曹洪月.市政污泥脱水性能实验研究与形态学分析 [J]. 中国环境科学,2013,33(5):898-903.

[5] 田 禹,方 琳,黄君礼.微波辐射预处理对污泥结构及脱水性能的影响 [J]. 中国环境科学,2006,26(4):459-463.

[6] 桑稳姣,方笑笑,田中凯,等.一种连续流电磁波污泥脱水试验装置的的设计研究 [J]. 武汉理工大学学报,2013,35(10):120-124.

[7] 国家环境保护总局.水和废水监测分析方法 [M].4版,北京:中国环境科学出版社,2002.

[8] 章非娟,徐竟成.环境工程实验 [M]. 北京:高等教育出版社,2006.

[9] Haner A, Mason C A, Hamer G．Death and lysis during aerobic thermophilic sludge treatment:characterization of recalcitrant products [J]. Water Res,1994,28(4):863-869.

[10] 陈 魁.实验设计与分析 [M].2版.北京:清华大学出版社,2005.

[11] 李志西,杜双奎.试验优化设计与统计分析 [M]. 北京:科学出版社,2010.

[12] 梁仁礼,雷恒毅,俞 强,等.微波辐射对污泥性质及脱水性能的影响 [J]. 环境工程学报,2012,6(6):2087-2091.

[13] 任伯织,侯保林,陈文文,等.微波辐射对污水处理厂动态流活性污泥性能的影响研究 [J]. 环境科学学报,2013,33(6):1624-1628.

[14] Idris A, Khalid K, Omar M. Drying of silica sludge using microwave heating [J]. Applied thermal engineering,2004,24:905-918.

[15] Cigdem Eskicioglu, Nicolas Terzianb,etal. Athermal microwave effects for enhancing digestibility of waste activated sludge [J]. Water Research,2007,41:2457-2466.

[16] Menendez J A. Microwave-induced pyrolysis of sewage sludge [J]. Water Research,2002,36:3261-3264.

[17] Hanna Hamid, Cigdem Eskicioglu. Effect of microwave hydrolysis on transformation of steroidal hormones during anaerobic digestion of municipal sludge cake [J]. Water Research,2013,47:4966-4977.

[18] Ewa Wojciechowska. Application of microwaves for sewage sludge conditioning [J]. Water Research,2005,39:4749-4754.

[19] 谢 波,郭 亮,李小明,等.三种预处理方法对污泥的破解效果[J]. 中国环境科学,2008,28(5):417-421.

[20] 潘 胜,黄光团,谭学军,等.Fenton试剂对剩余污泥脱水性能的改善 [J]. 净水技术,2012.31(3):26-31.

[21] 吕 英.活性污泥胞外聚合物提取方法及其对重金属离子的吸附研究 [D]. 天津:天津大学环境科学与工程学院,2007.

致谢：本研究的试验装置由广东省美的集团威特真空电子制造有限公司王贤友先生和王彩育女士协助完成,在此表示感谢.

Study on dewaterability and solubilization of intracellular substances during sludge dewatered by continuous inflow with2450MHz electromagnetic wave.

SANG Wen-jiao1*, FANG Xiao-xiao2, GONG Ya-jun1, OUYANG Qin1, LIU Zheng-rong1, ZHANG Qian1, LI Cui-hua1, ZHANG Shao-hui1
(1.School of Civil Engineering and Architecture, Wuhan university of Technology, Wuhan430070,China；2.Architectural and Planning Design and Research Institute Co., Ltd, Zhejiang University of Technology, Hangzhou310014, China). China Environmental Science,2014,34(8)：

The optimal condition of continuous inflow sludge dewatering with2450MHz electromagnetic wave was examined by the homogeneity tests with two different sludge. Based on the test, the system was optimally operated under the power of270W, time of200s and sludge loading of150mL. Under the optimal condition, the centrifugal water content, settled water content and SV of the excess sludge dropped from90.46%,96.35%,88% to87.32%,95.55%,76% respectively. SRF increased from2.37×109to1.22×1010m/kg, and the volume of sludge was25% less than those which were operated without2450MHz electromagnetic wave. In addition, the biggest solubilization mulriple of TN, TP and SCOD was17.69,9.50 and40.11 respectively, while EPS of sludge decreased61.9%. To sludge of low SRF, as compared with other existed experiments, SRF didn’t decrease but increase, while the solubilization ratio of intracellular substance was much higher, and EPS decreased obviously simultaneously with better sludge dewaterability. In summary, dynamic continuous inflow sludge dewatering was better than static ones with2450MHz electromagnetic wave.

t：continuous inflow；2450MHz electromagnetic wave；dynamic sludge dewatering；homogeneity test；solubilization effect

X703,TU992.3

：A

：1000-6923(2014)08-2024-06

桑稳姣(1974-),女,湖北公安人,副教授,博士,主要从事污水处理与污泥减量领域的教学和科研工作.发表论文10余篇.

2013-12-16

国家自然科学基金资助项目(51108360和51208397);湖北省自然基金项目(2011CDB428);中央高校基本科研业务费专项资金资助(2013-IV-031和2013-ZY-062)

* 责任作者, 副教授, lgswj74@126.com