超声波或生石灰单独及联合作用对污泥脱水性能的影响

苏建文，郑 浩，王彩冬，王俊超，许尚营，时永辉

(鲁南制药集团股份有限公司污染控制与资源化研究中心，山东临沂 273400)

污水处理厂的污泥经机械脱水后含水率普遍超过80%，这对于后续的污泥处置很不利，有关污泥的深度脱水成为国内外研究的热点。为改善污泥的脱水性能，通常采用物理法、化学法或生物法对污泥进行调理［1-7］。

超声波调节属于一种物理调节方法。超声波的频率范围为20×103～10×106Hz，当一定强度的超声波作用于某一液体系统中时，将产生一系列理化反应，并明显改变液体中的溶解态和颗粒态物质的特征。这些反应是由声场条件下大量空化泡的产生和破灭引起的［8］。超声破解污泥主要作用途径是水剪切力的机械作用［9］。随着超声波频率增加，细胞降解程度明显下降［10-12］。为了获得高效的污泥分解效果，推荐采用较低的超声频率(不超过40 kHz)。污泥中的菌胶团具有良好的保水性，内部包含的水量约占总水量的27%，而且结构稳定，难以为机械作用(压滤、离心等)所破坏;超声波可以有效破坏污泥菌胶团的结构，将其内部包含水释放成容易去除的自由水［13］。殷绚等［14］研究认为较小声强超声波(＜600 W/m2)处理较短时间有利于减少污泥的结合水，其机理可能是超声波促进混凝作用和EPS对污泥颗粒团聚作用的共同结果。

生石灰(CaO)可以作为污泥脱水的助凝剂。生石灰在污泥脱水过程中能起到填充料的作用，使污泥不易粘附堵塞滤布，在污泥中构建更加多孔的、可渗透的、刚硬的格子框架结构，促使污泥颗粒化，降低污泥黏度，让自由水更容易透过，从而提高污泥脱水效果［15］。生石灰中的钙与污泥中的有机物结合，提高了污泥的颗粒密度，污泥的比阻随生石灰投加量的增加而降低［16］。此外，生石灰的强碱性还常被用来稳定污泥，将生石灰作为污泥脱水添加剂，可在提高污泥的脱水效果的同时实现污泥的稳定化［17］。

本文以制药厂污水站浓缩污泥为研究对象，考察超声波与生石灰单独及联合作用对污泥脱水性能的影响。

1 试验部分

1.1 试验材料

CaO:分析纯，天津恒兴化学试剂

浓缩污泥:取自山东新时代药业三期环保站污泥浓缩池，基本性质如表1所示。

表1 浓缩污泥的基本性质Tab.1 Basic Properties of Sludge

1.2 试验仪器

JY99超声波连续流细胞粉碎机;TDZ5-WS多管架自动平衡离心机;JH-12型COD恒温加热器;JB-2型磁力搅拌器;101-2A型电热鼓风干燥箱;SHZ-D(Ⅲ)型循环水式真空泵。

1.3 试验方法

1.3.1 超声波单独处理

取1 L浓缩污泥放入超声波仪的钢制容器内，将超声波探头顶端浸没于污泥液面下10 mm处，设定不同的超声时间;开启电源进行超声处理，超声频率为28 kHz，功率为2 800 W。将处理后的污泥试样存放于试剂瓶并检验污泥的脱水性能。

考察污泥的沉降性能:用量筒精确量取100 mL的污泥，静置于通风橱内，分别记录24、48、72 h污泥沉降后的体积。

考察污泥的抽滤脱水性能:取30 mL的各组污泥试样，以中速定性滤纸为过滤介质，在真空度为0.095 Mpa下抽滤5 min后，测定滤饼的含水率。滤饼含水率的高低可反映污泥抽滤脱水程度的高低。

考察污泥的离心脱水性能:取一定量的各组污泥试样，分别装满4个10 mL的离心管，匀称地摆放在离心机内，最大离心半径为10 cm，在2 000 r/min的转速下离心5 min。用量筒收集离心上清液，测定液体体积并检测其COD。离心液体积的多少可以反映离心脱水程度的高低，其COD的大小则反映离心脱水效果的好坏。

1.3.2 生石灰单独处理

取100 mL浓缩污泥，加入一定量的CaO，用磁力搅拌器先快速搅拌2 min，再慢速搅拌8 min，搅拌均匀后检验污泥的脱水性能。

羟氯喹血药浓度与系统性红斑狼疮疗效相关性的研究进展……………………… 罗雪梅，彭 颖，束 庆，等（1·40）

考察污泥的离心脱水性能:同上。

考察污泥的抽滤脱水性能:取30 mL的各组污泥试样进行抽滤，当真空度达0.095 Mpa时开始计时直至滤饼龟裂、真空被破坏，记录抽滤时间并测定滤饼含水率。抽滤时间和滤饼含水率分别表征抽滤脱水的速率和程度。

1.3.3 超声波与生石灰联合处理

取1 L浓缩污泥先用超声波处理，再从中取100 mL污泥加入一定量的CaO，用磁力搅拌器先快速搅拌2 min，再慢速搅拌8 min，搅拌均匀后进行离心脱水试验，考察污泥的脱水性能。

2 试验结果与讨论

2.1 超声波单独处理

浓缩污泥经超声波分别处理1、3、5 min后，沉降曲线、抽滤脱水性能和离心脱水性能分别如图1、图2和图3所示。

图1 污泥经不同时间超声处理后的沉降曲线Fig.1 Settlement Curves of Sludge Treated by Ultrasonic with Different Time

图2 超声处理时间对污泥抽滤后滤饼含水率的影响Fig.2 Effect of Ultrasonic Time on Moisture Content of Sludge Cake

图3 超声处理时间对污泥离心脱水性能的影响Fig.3 Effect of Ultrasonic Time on Dewaterability of Sludge by Centrifugation

由图1可知经不同时间的超声处理后污泥的沉降速率大小为V3＞V5＞V1＞V0，这说明超声波处理能够提高污泥的沉降性能，相对而言，超声处理3 min后污泥的沉降性能最好。超声波对污泥能够产生一种海绵效应，使水分更容易从波面传播产生的通道通过，从而使污泥颗粒团聚、粒径增大，当其粒径大到一定程度，就会做热运动相互碰撞、黏结，最终沉淀［13］。

由图2可知污泥抽滤后滤饼的含水率会随着超声处理时间的增加而增大，说明经超声处理后污泥的抽滤脱水性能变差，而且超声处理时间越长，污泥的抽滤脱水性能越差。这是由于超声波功率过大，产生的空化效应会过分破坏污泥颗粒，使得污泥絮体破碎严重，增加了过滤比阻，造成抽滤困难。

2.2 生石灰单独处理

生石灰的投加量分别为 0、2‰、4‰、6‰、8‰、10‰、12‰、14‰和 16‰，浓缩污泥经生石灰处理后，抽滤脱水性能和离心脱水性能分别如图4和图5所示。

图4 CaO投加量对污泥抽滤脱水性能的影响Fig.4 Relationship between CaO Dosage and Dewaterability of Sludge by Filtration

图5 CaO添加量对污泥离心脱水性能的影响Fig.5 Relationship between CaO Dosage and Dewaterability of Sludge by Centrifugation

由图4可知不添加CaO，污泥的抽滤脱水时间为17 min，滤饼含水率为74.5%;当CaO投加量为2‰时，抽滤时间增大到22 min;随着CaO投加量的增大，污泥抽滤时间呈直线下降趋势;当CaO投加量≥10‰ 时，抽滤时间降至1 min以内。然而当CaO投加量≤10‰时，污泥抽滤后的滤饼含水率呈增大趋势，最大达到80.8%;此后随着CaO投加量的增大，滤饼含水率缓慢下降。由于各个试验样品的抽滤时间不同，抽滤后的滤饼含水率并不能体现抽滤脱水效果的好坏;但是仅从抽滤时间来看，添加CaO对浓缩污泥进行调理可以显著提高污泥的抽滤脱水性能。

由图5可知随着CaO投加量的增大，污泥离心脱水后离心液的体积逐渐增大，由18.5 mL增大到22.5 mL。当CaO投加量＜10‰ 时，随着添加剂量增大，离心出水体积增长趋势较快;而当CaO投加量≥10‰时，离心出水体积增长缓慢。同时，随着CaO投加量的增大，离心出水的澄清度增加，由乌黑浑浊液逐渐变为浅黄色澄清液;而且出水COD呈下降趋势，并以CaO投加量10‰为分界点，下降趋势前快后慢。结果说明添加CaO对浓缩污泥进行调理可以明显提高污泥的离心脱水性能，不仅能增加出水体积，还可以改善出水水质。当CaO投加量达10‰时，再增加CaO的量对污泥脱水性能的改善作用不大，即10‰的投加量为CaO单独处理时的最优添加量。

2.3 超声波与生石灰联合处理

浓缩污泥先经超声处理(处理时间分别为1、2和3 min)，再分别投加一定量的CaO，投加量分别为0、2‰、4‰、6‰、8‰和 10‰。经过超声波和 CaO 的联合处理后，污泥的离心脱水性能分别如图6和图7所示。

图6 超声处理时间和CaO投加量对污泥离心液体积的影响Fig.6 Effect of Ultrasonic Time and CaO Dosage on Centrifugation Volume of Sludge

图7 超声处理时间和CaO投加量对污泥离心液COD值的影响Fig.7 Effect of Ultrasonic Time and CaO Dosage on COD of Centrifugal Effluent

由图6可知污泥经超声波和CaO联合处理后，其离心出水体积随CaO投加量的变化趋势与CaO单独处理时的变化趋势基本一致，都呈现先减小后增大的趋势。当CaO投加量≥6‰时，超声波和CaO联合处理后的离心出水体积才超过CaO单独处理时的离心出水体积。在联合处理时，超声时间对离心出水体积的影响并不明显。

由图7可知超声波和CaO对污泥联合处理时，随超声时间的增加，离心出水的COD明显增大;然而当CaO投加量＞2‰时，离心出水的COD会随着CaO添加量的增大而降低，离心出水的澄清度逐步提高，出水水质明显好转。当CaO投加量≥6‰时，曲线变化趋缓，对水质的改善作用不再明显。

综合图6和图7并考虑经济因素，当超声波和CaO对污泥联合处理时，超声处理1 min以及6‰的CaO投加量为最优的处理条件。在此条件下，污泥离心脱水的效率较高并能得到较好的出水水质。

3 结论

(1)超声波处理能够提高污泥的沉降性能和离心脱水效果。超声处理3 min后，污泥的沉降速度能提高6%，污泥离心脱水的出水体积可增加22.6%。然而单独超声处理会增大污泥离心出水的COD，使得出水水质变差;此外大功率超声波处理会增加过滤比阻，也不利于污泥的过滤除水。

(2)CaO对污泥单独处理时，10‰的投加量为最优投加量。对比不添加CaO的污泥，采用10‰的CaO投加量进行处理后，污泥的抽滤脱水时间可以下降94%，污泥离心脱水的出水体积可增加18.9%，离心出水的COD可以下降57.5%。此时污泥的抽滤脱水性能和离心脱水性能都得到显著改善。

(3)超声波和CaO对污泥联合处理时，最优的处理条件为1 min的超声波处理时间和6‰的CaO投加量。相对于超声波单独处理，联合处理能够改善污泥离心出水的水质，离心出水的COD可以下降30.6%，出水的澄清度明显提高;相对于CaO单独处理，联合处理能使CaO的投加量减少40%，从而节省药剂费用并减少最终的污泥产量。

(4)在污泥离心脱水之前，用超声波和CaO进行联合处理时，可采用如下工艺参数:超声波频率为28 kHz、声能密度为2 800 W/L、超声处理时间为1 min、CaO的投加量为6‰(即1 L湿污泥中投加6 g CaO)。

［1］杨虹，王芬，季民，等.超声与碱耦合作用破解剩余污泥的效能分析［J］.环境污染治理技术与设备，2006，7(5):78-81.

［2］Neyens E，Baeyens J.A review of thermal sludge pretreatment processes to improve dewaterability［J］.Journal of Hazardous Materials，2003，98(1-3):51-67.

［3］D.Mihoub.Mechanical and thermal dewatering of residual sludge［J］.Desalination，2004，167:135-139.

［4］Elisabeth Neyens，Jan Baeyens，Raf Dewil，et al.Advanced sludge treatment affects extracellular polymeric substances to improve activated sludge dewatering［J］.Journal of Hazardous Materials，2004，106:83-92.

［5］Rong Han，Jinwen Liu，Yuancheng Zhang.Dewatering and granulation of sewage sludge by biophysicaldrying and thermodegradation performance ofprepared sludge particlesduring succedent fast pyrolysis［J］.Bioresource Technology，2012，107:429-436.

［6］李建芳，凌雪峰，刘鑫.调理剂/絮凝剂双元投加工艺对污泥脱水性能的优化［J］.净水技术，2013，32(2):48-51，82.

［7］张莹，李璋璋，周轶.污泥脱水系统工况实践与理论分析［J］.供水技术，2008，2(1):50-51.

［8］张宁宁.污泥超声处理研究的进展［J］.广州环境科学，2007，22(2):23-27.

［9］王芬，季民.剩余污泥超声破解性能研究［J］.农业环境科学学报，2004，23(3):584-587.

［10］Uwe Neis.Ultrasound in water，wastewater and sludge treatment［J］.Water 21，2000，(4):36-39.

［11］Dewil R，Baeyens J，Gouturind R.Ultrasonic treatment of waste activated sludge［J］.Environ Prog，2006，25(2):121-128.

［12］Bougrier C，Carrere H，Delgenes J P.Solubilisation of wasteactivated sludge by ultrasonic treatment［J］. Chemical Engineering Journal，2005，106(2):163-169.

［13］张光明，张信芳，张盼月.城市污泥资源化技术进展［M］.北京:化学工业出版社，2006.

［14］殷绚，阙子龙，吕效平，等.超声波声强及处理时间对污泥结合水的影响［J］.化工进展，2005，24(3):307-310.

［15］余志荣，郁雨苍，高延耀，等.石灰在污泥调治中的应用及作用机理研究［J］.中国给水排水，1989，5(6):7-11.

［16］杨斌，杨家宽，唐毅，等.粉煤灰和生石灰对生活污水污泥脱水影响研究［J］.环境科学与技术，2007，30(4):98-100.

［17］杨国友，石林，柴妮，等.生石灰与微波协同作用对污泥脱水的影响［J］.环境化学，2011，30(3):698-701.