超聲波對污泥脫水的影響

發(fā)表時間：2021-11-15 12:34:08 閱讀次

　　超聲波是一種清潔、無二次污染的高級氧化技術(shù)能有效改善污泥脫水性能并促進污泥減量，在污泥預處理中逐漸受到重視。超聲波作為壓力波通過介質(zhì)傳播并且通過聲波引起分子的振動。超聲波作用于液體時會產(chǎn)生局部負壓，在該狀態(tài)下微小氣泡急劇生長并崩潰，瞬間產(chǎn)生局部高溫高壓并釋放出巨大的能量，可增加兩相接觸面積，促進反應物之間的均勻混合并提高反應速率，這就是超聲空化效應。為進一步探究超聲波由空化效應所產(chǎn)生的化學效應，由美雁等研究了超聲波作用于污泥過程中所產(chǎn)生的過氧化氫(H2O2)含量，驗證了超聲波化學效應的存在。超聲聲能密度(或功率、比能)、頻率和作用時間均可對污泥脫水特性產(chǎn)生不同程度的影響，破碎污泥絮體和微生物細胞的結(jié)構(gòu)，使污泥絮體的間隙水和表面水釋放為自由水，以便于水分脫除。表征污泥中顆粒特征的參數(shù)主要包括形貌、物理結(jié)構(gòu)、絮狀物粒徑分布、分形維數(shù)與絲狀指數(shù)等，可以有效的衡量出污泥的脫水特性。粒徑分布可準確描述不同調(diào)質(zhì)方法處理后污泥顆粒大小及分布范圍，而分形維數(shù)作為圖像表面不規(guī)則程度的度量是污泥絮體結(jié)構(gòu)的重要特征之一，可有效表明調(diào)質(zhì)處理后污泥的聚集形態(tài)，是反映污泥脫水特性的重要參數(shù)。分形結(jié)構(gòu)是活性污泥絮體的重要特征之一，分形維數(shù)的準確描述對于絮凝動力學過程模擬至關(guān)重要。

　　基于超聲波應用于污泥預處理的高效性，能有效改善污泥脫水性能并促進污泥減量，對超聲波聲強及其對污泥脫水特性的影響進行深入研究。利用2種不同結(jié)構(gòu)的超聲波設備，通過聲強變化反應空化效應的強弱，利用碘量法定量分析了超聲氧化性的變化。以市政污泥為研究對象，根據(jù)聲強及氧化性的測定分析了超聲波對污泥含水率、顆粒粒徑及分形維數(shù)變化的影響。

　　一、材料與方法

　　1.1 實驗材料與裝置

　　實驗所用的污泥為某污水處理廠經(jīng)過二級處理后的活性污泥，其含水率為98.49%。研究中使用2種形式超聲波設備，第1種設備的有效尺寸為400mm×100mm×100mm，超聲波換能器由6個雙頻(25，45kHz)壓電換能器并聯(lián)組成放置于槽體底部，第2種設備的有效尺寸為200mm×100mm×100mm，在槽體側(cè)面寬度方向有2個相對的換能器(25，45kHz)，在槽體側(cè)面長度方向有3個為1組的換能器相對放置。實驗裝置還包括XO-1000D型探頭式超聲波細胞破碎儀、YCSQ2060型數(shù)字超聲波聲強測量儀、UV-2600型紫外分光光度計、HC103水分測定儀、馬爾文激光粒度儀Mastersize2000。實驗所用藥品H2O2、碘化鉀、鉬酸銨均為分析純。

　　1.2 實驗方法

　　(1)聲強測試：對2種超聲波設備在45kHz下進行聲場分布測量比較，通過公式(1)對實測聲強和聲壓之間進行計算轉(zhuǎn)換：

　　式中：P為聲壓，Pa，I為聲強，W/m2，籽為密度，kg/m3，c為聲速，m/s。

　　以去離子水、含水率99.69%的污泥、含水率96.10%的污泥為介質(zhì)測量聲強變化，以去離子水為介質(zhì)的條件下進行軟件模擬與實測聲壓值的比較。

　　(2)超聲氧化性測定：燒杯中定量加入碘化鉀和鉬酸銨，分別改變超聲時間、功率和污泥處理量，取處理前后的污泥上清液過濾后于351nm處測吸光度，根據(jù)吸光度計算H2O2濃度。

　　(3)污泥脫水特性研究：使用探頭式超聲波細胞破碎儀在不同超聲時間、功率、處理量下處理污泥并測定抽濾后的含水率。每組實驗重復2次后取平均值。使用馬爾文激光粒度儀測定超聲處理后的污泥粒徑并計算分形維數(shù)。

　　二、結(jié)果與討論

　　2.1 聲強分布規(guī)律

　　2.1.1 不同形式超聲波設備對聲強的影響

　　2種超聲波設備的聲壓等值線圖見圖1、圖2。由圖1、圖2可以明顯看出第2種超聲波設備的能量更集中且聲壓分布更為均勻。在一定范圍內(nèi)能量越集中空化氣泡及氣泡破裂時產(chǎn)生自由基的數(shù)量就越多，剪切力也越大，對打破污泥的聚集狀態(tài)越有效。

　　2.1.2 模擬與實驗對比

　　使用軟件建立了上述2種超聲波設備模型并以水為介質(zhì)進行了聲壓模擬，其聲壓等值面圖見圖3。

　　第2種超聲波設備聲能更加集中且其最大值可達到4.2×105Pa，產(chǎn)生的空化效應比第一種更強，這與能量輸入方式及在液體中的衰減有關(guān)。對不同超聲波設備分別取點對比模擬值與實測值發(fā)現(xiàn)，兩者誤差相對較小且變化規(guī)律極為相似。見表1。

　　2.1.3 介質(zhì)作用對聲強的影響

　　為探究不同介質(zhì)對超聲聲強的影響，對設備進行布點并比較3種介質(zhì)下聲強測試結(jié)果，聲強受介質(zhì)作用影響顯著，超聲波在液體中的傳質(zhì)效率高于固體，相同超聲條件下固體對超聲波聲強有衰減作用。見表2。

　　2.2 超聲氧化性測定

　　超聲波作用于液體時由于空化效應會產(chǎn)生局部高溫高壓，從而產(chǎn)生羥基自由基。自由基之間相互結(jié)合后生成H2O2，反應方程式見(2)，(3)。因此可以通過測定溶液中H2O2含量從而間接測定超聲作用產(chǎn)生的自由基的量，進而評定超聲氧化性的強弱。

　　采用碘量法測定H2O2的方程式見(4)，(5)：

　　根據(jù)H2O2的變化量定量分析了不同條件下超聲氧化性的變化，實驗結(jié)果見圖4。

　　由圖4可以看出，隨超聲時間的增加，H2O2產(chǎn)量呈先上升后下降趨勢且在150s處達到最大值。這是由于羥基自由基的生成和湮沒是一個動態(tài)反應過程，超聲150s時該反應基本達到平衡狀態(tài)，因此超聲時間為150s時空化效應最強。

　　在相同的超聲時間下，功率小于450W時，羥基自由基的產(chǎn)量隨著功率的增加而增加。這主要是由于進入反應器的能量增加，空化氣泡的數(shù)量增加，使得空化效應裂解水分子產(chǎn)生的羥基自由基也增多，說明超聲功率的增強對自由基的產(chǎn)生具有促進作用。當功率大于450W時，功率繼續(xù)增加反應平衡狀態(tài)被打破致使空化效應降低。

　　不同污泥處理量下H2O2濃度呈先上升后下降趨勢。當超聲作用時間和功率一定時，在污泥溶液中超聲產(chǎn)生的空化強弱導致單位體積羥基自由基的變化。當超聲波能量過大時，產(chǎn)生的過量空化氣泡會成為整個液體傳遞聲能的屏障，降低聲化學效應。

　　綜上所述，不同條件下H2O2濃度的變化直接反映了實驗過程中羥基自由基的產(chǎn)量，從而反映了不同超聲時間、功率、處理量下空化效應的強弱。在超聲時間為150s、功率為450W、處理量為100mL時空化效應是最強的。

　　2.3 污泥脫水特性研究

　　2.3.1 污泥含水率分析

　　污泥含水率是其脫水特性的直接表征手段，因此在對超聲氧化性研究的基礎之上分析了超聲時間、功率、污泥處理量對污泥含水率變化的影響，實驗結(jié)果見圖5。

　　由圖5可以看出，作用時間小于150s時污泥含水率呈先下降后上升趨勢且在120s處含水率最低為73.28%，脫水時加入50mg/L的PAC溶液，攪拌靜置分層，去除上清液后抽濾。隨時間的增加超聲空化效應對污泥的破解作用增強，污泥絮體顆粒減小同時微生物細胞壁被打破，使得更多的間隙水以及部分內(nèi)部結(jié)合水轉(zhuǎn)化為自由水易于脫除。但超聲時間過長會使得溶液粘度升高過濾性能惡化，導致抽濾時間增加。

　　超聲功率為90~450W時，經(jīng)過抽濾后污泥含水率明顯降低，可降至74.75%。但是超聲功率繼續(xù)增加至810W時，污泥含水率呈上升趨勢。其原因是，在一定范圍內(nèi)超聲功率越大空化效應越強，使得污泥中絮體結(jié)構(gòu)被破壞后釋放出結(jié)合水。但功率過大同樣會降低污泥的脫水性能。功率在超聲處理污泥過程中起到了非常重要的作用，450W時不僅氧化性最強，對污泥脫水特性的影響也最大。

　　處理量為60~80mL時污泥含水率明顯降低，可降至75.12%。但是處理量為80~120mL時污泥含水率呈上升趨勢，從75.12%增大至81.75%。處理量過低導致超聲聲能密度過大，產(chǎn)生聲屏蔽效應從而降低脫水率，處理量過高時使得聲能量密度較小，難以達到最佳處理效果。

　　2.3.2 污泥粒度測試及分形維數(shù)分析

　　使用馬爾文激光粒度儀對污泥顆粒進行測試，得到粒度分布曲線見圖6。

　　從圖6中可以看出，超聲時間為30~120s時污泥顆粒粒徑逐漸減小，但隨著超聲時間的繼續(xù)增加，粒徑在6~8μm之間波動但變化不明顯。表明此時繼續(xù)增加超聲時間對其改變不再有明顯作用。綜上所述，超聲空化作用對分散污泥效果顯著，通過分析超聲時間、功率對污泥含水率的影響及污泥粒徑分布結(jié)果可知污泥粒徑在6~7μm范圍內(nèi)脫水效果最好。不同超聲條件下的篩下累積產(chǎn)率見表3。

　　在雙對數(shù)坐標系下做粒度-篩下累計產(chǎn)率圖，擬合后得到其斜率值b，可根據(jù)公式D=3-b[20]計算出污泥的分形維數(shù)D值，見表4。分形維數(shù)D表征了污泥的圖像特征，D越大污泥的聚集程度越高。由表4可知，超聲時間120和180s時污泥粒徑最小且聚集程度最高。分析以上實驗結(jié)果可得到在超聲時間為120s、功率為450W時，污泥脫水效果較好。