超声波声强及其对污泥脱水特性影响的研究

王彦莹， 周翠红， 吴玉鹏， 曾婉琳

（1．北京工业大学环境与能源工程学院， 北京 100124； 2．北京石油化工学院环境工程系， 北京 102617）

0 引言

我国在《“十三五” 生态环境保护规划》（国发[2016]65 号）中提出要大力推进污泥稳定化、无害化和资源化处理处置， 规定了地级及以上城市污泥无害化处理处置率需达到90%， 京津冀区域达到95%。 因此污泥脱水成为提高污泥处理率、降低处理成本、减少处理能耗的重要预处理步骤[1-2]。

超声波是一种清洁、 无二次污染的高级氧化技术能有效改善污泥脱水性能并促进污泥减量， 在污泥预处理中逐渐受到重视。 超声波作为压力波通过介质传播并且通过声波引起分子的振动。 超声波作用于液体时会产生局部负压， 在该状态下微小气泡急剧生长并崩溃， 瞬间产生局部高温高压并释放出巨大的能量，可增加两相接触面积，促进反应物之间的均匀混合[3-5]并提高反应速率，这就是超声空化效应。 为进一步探究超声波由空化效应所产生的化学效应，由美雁等[6]研究了超声波作用于污泥过程中所产生的过氧化氢（H2O2）含量，验证了超声波化学效应的存在。 超声声能密度（或功率、比能）、频率和作用时间均可对污泥脱水特性产生不同程度的影响[7]，破碎污泥絮体和微生物细胞的结构，使污泥絮体的间隙水和表面水释放为自由水，以便于水分脱除[8]。 表征污泥中颗粒特征的参数主要包括形貌、物理结构、絮状物粒径分布、分形维数与丝状指数等，可以有效的衡量出污泥的脱水特性[9]。粒径分布可准确描述不同调质方法处理后污泥颗粒大小及分布范围， 而分形维数作为图像表面不规则程度的度量是污泥絮体结构的重要特征之一， 可有效表明调质处理后污泥的聚集形态，是反映污泥脱水特性的重要参数[10]。 分形结构是活性污泥絮体的重要特征之一， 分形维数的准确描述对于絮凝动力学过程模拟至关重要[11-12]。

基于超声波应用于污泥预处理的高效性， 能有效改善污泥脱水性能并促进污泥减量， 对超声波声强及其对污泥脱水特性的影响进行深入研究。 利用2 种不同结构的超声波设备， 通过声强变化反应空化效应的强弱； 利用碘量法定量分析了超声氧化性的变化。以市政污泥为研究对象，根据声强及氧化性的测定分析了超声波对污泥含水率、 颗粒粒径及分形维数变化的影响。

1 材料与方法

1．1 实验材料与装置

实验所用的污泥为某污水处理厂经过二级处理后的活性污泥，其含水率为98．49%。 研究中使用2种形式超声波设备， 第1 种设备的有效尺寸为400 mm×100 mm×100 mm， 超声波换能器由6 个双频（25，45 kHz） 压电换能器并联组成放置于槽体底部；第2 种设备的有效尺寸为200 mm×100 mm ×100 mm， 在槽体侧面宽度方向有2 个相对的换能器（25，45 kHz），在槽体侧面长度方向有3 个为1 组的换能器相对放置。 实验装置还包括XO-1000D 型探头式超声波细胞破碎仪、YCSQ2060 型数字超声波声强测量仪、UV-2600 型紫外分光光度计、HC103 水分测定仪、马尔文激光粒度仪Mastersize 2000。 实验所用药品H2O2、碘化钾、钼酸铵均为分析纯。

1．2 实验方法

（1） 声强测试：对2 种超声波设备在45 kHz 下进行声场分布测量比较，通过公式（1）对实测声强和声压之间进行计算转换[13]：

式中：P 为声压，Pa；I 为声强，W/m2；ρ 为密度，kg/m3；c 为声速，m/s。

以去离子水、 含水率99．69%的污泥、 含水率96．10%的污泥为介质测量声强变化；以去离子水为介质的条件下进行软件模拟与实测声压值的比较。

（2） 超声氧化性测定：烧杯中定量加入碘化钾和钼酸铵，分别改变超声时间、功率和污泥处理量，取处理前后的污泥上清液过滤后于351 nm 处测吸光度，根据吸光度计算H2O2浓度。

（3） 污泥脱水特性研究：使用探头式超声波细胞破碎仪在不同超声时间、功率、处理量下处理污泥并测定抽滤后的含水率。 每组实验重复2 次后取平均值。 使用马尔文激光粒度仪测定超声处理后的污泥粒径并计算分形维数。

2 结果与讨论

2．1 声强分布规律

2．1．1 不同形式超声波设备对声强的影响

2 种超声波设备的声压等值线图见图1、 图2。由图1、图2 可以明显看出第2 种超声波设备的能量更集中且声压分布更为均匀。在一定范围内能量越集中空化气泡及气泡破裂时产生自由基的数量就越多，剪切力也越大，对打破污泥的聚集状态越有效[14-15]。

图1 设备1 声压等值线

图2 设备2 声压等值线

2．1．2 模拟与实验对比

使用软件建立了上述2 种超声波设备模型并以水为介质进行了声压模拟，其声压等值面图见图3。

图3 45 kHz 的声压分布模拟结果

第2 种超声波设备声能更加集中且其最大值可达到4．2×105Pa，产生的空化效应比第一种更强，这与能量输入方式及在液体中的衰减有关。 对不同超声波设备分别取点对比模拟值与实测值发现，两者误差相对较小且变化规律极为相似。 见表1。

表1 超声波设备声压模拟结果与实测结果对比

2．1．3 介质作用对声强的影响

为探究不同介质对超声声强的影响， 对设备进行布点并比较3 种介质下声强测试结果， 声强受介质作用影响显著，超声波在液体中的传质效率高于固体，相同超声条件下固体对超声波声强有衰减作用。 见表2。

表2 不同介质声强实测结果W·cm-2

2．2 超声氧化性测定

超声波作用于液体时由于空化效应会产生局部高温高压，从而产生羟基自由基。自由基之间相互结合后生成H2O2[16]，反应方程式见（2），（3）。 因此可以通过测定溶液中H2O2含量从而间接测定超声作用产生的自由基的量，进而评定超声氧化性的强弱。

采用碘量法测定H2O2的方程式见（4），（5）[17]：

根据H2O2的变化量定量分析了不同条件下超声氧化性的变化，实验结果见图4。

图4 不同处理条件下H2O2 浓度

由图4 可以看出， 随超声时间的增加，H2O2产量呈先上升后下降趋势且在150 s 处达到最大值。这是由于羟基自由基的生成和湮没是一个动态反应过程，超声150 s 时该反应基本达到平衡状态，因此超声时间为150 s 时空化效应最强。

在相同的超声时间下， 功率小于450 W 时，羟基自由基的产量随着功率的增加而增加。 这主要是由于进入反应器的能量增加，空化气泡的数量增加，使得空化效应裂解水分子产生的羟基自由基也增多， 说明超声功率的增强对自由基的产生具有促进作用。 当功率大于450 W 时，功率继续增加反应平衡状态被打破致使空化效应降低。

不同污泥处理量下H2O2浓度呈先上升后下降趋势。当超声作用时间和功率一定时，在污泥溶液中超声产生的空化强弱导致单位体积羟基自由基的变化。当超声波能量过大时，产生的过量空化气泡会成为整个液体传递声能的屏障[18]，降低声化学效应。

综上所述，不同条件下H2O2浓度的变化直接反映了实验过程中羟基自由基的产量， 从而反映了不同超声时间、功率、处理量下空化效应的强弱。 在超声时间为150 s、功率为450 W、处理量为100 mL 时空化效应是最强的。

2．3 污泥脱水特性研究

2．3．1 污泥含水率分析

污泥含水率是其脱水特性的直接表征手段，因此在对超声氧化性研究的基础之上分析了超声时间、功率、污泥处理量对污泥含水率变化的影响，实验结果见图5。

图5 不同处理条件下污泥含水率

由图5 可以看出， 作用时间小于150 s 时污泥含水率呈先下降后上升趋势且在120 s 处含水率最低为73．28%， 脱水时加入50 mg/L 的PAC 溶液，搅拌静置分层，去除上清液后抽滤。随时间的增加超声空化效应对污泥的破解作用增强， 污泥絮体颗粒减小同时微生物细胞壁被打破， 使得更多的间隙水以及部分内部结合水转化为自由水易于脱除。 但超声时间过长会使得溶液粘度升高过滤性能恶化， 导致抽滤时间增加[19]。

超声功率为90 ～450 W 时，经过抽滤后污泥含水率明显降低，可降至74．75%。 但是超声功率继续增加至810 W 时，污泥含水率呈上升趋势。 其原因是，在一定范围内超声功率越大空化效应越强，使得污泥中絮体结构被破坏后释放出结合水。 但功率过大同样会降低污泥的脱水性能。 功率在超声处理污泥过程中起到了非常重要的作用，450 W 时不仅氧化性最强，对污泥脱水特性的影响也最大。

处理量为60 ～80 mL 时污泥含水率明显降低，可降至75．12%。 但是处理量为80 ～120 mL 时污泥含水率呈上升趋势，从75．12%增大至81．75%。 处理量过低导致超声声能密度过大， 产生声屏蔽效应从而降低脱水率；处理量过高时使得声能量密度较小，难以达到最佳处理效果。

2．3．2 污泥粒度测试及分形维数分析

使用马尔文激光粒度仪对污泥颗粒进行测试，得到粒度分布曲线见图6。

图6 粒度分布曲线

从图6 中可以看出， 超声时间为30 ～120 s 时污泥颗粒粒径逐渐减小， 但随着超声时间的继续增加，粒径在6 ～8 μm 之间波动但变化不明显。 表明此时继续增加超声时间对其改变不再有明显作用。综上所述，超声空化作用对分散污泥效果显著，通过分析超声时间、 功率对污泥含水率的影响及污泥粒径分布结果可知污泥粒径在6 ～7 μm 范围内脱水效果最好。 不同超声条件下的筛下累积产率见表3。

表3 超声处理后污泥粒度的筛下累计产率分布

在双对数坐标系下做粒度-筛下累计产率图，拟合后得到其斜率值b，可根据公式D=3-b[20]计算出污泥的分形维数D 值，见表4。 分形维数D 表征了污泥的图像特征，D 越大污泥的聚集程度越高。由表4 可知，超声时间120 和180 s 时污泥粒径最小且聚集程度最高。 分析以上实验结果可得到在超声时间为120 s、功率为450 W 时，污泥脱水效果较好。

表4 超声处理后污泥的分形维数

3 结论

（1）对比不同空间点处超声波设备声强变化得出反应腔尺寸及换能器分布形式不同， 声压分布不同，使得液体中产生空化作用的强度不同。

（2）对超声波产生H2O2含量测定得出在超声时间为150 s、功率为450 W、处理量为100 mL 时，超声波产生H2O2含量最高即超声的氧化性最强。

（3）通过进行超声波处理污泥实验得出空化效应对促进污泥脱水具有积极作用， 经超声波处理后污泥的聚集状态明显改变，颗粒粒径变小且在6 ～7 μm 时有益脱水。