微波-超声波对铝加工污泥的脱水性能研究

吴 建 ，唐维学 ，潘湛昌 ，张永进 ，郭 鲤

（1.广东工业大学轻工化工学院，广东广州510006；2.广东省工业分析检测中心，广东广州510650）

铝合金建筑型材因具有质量轻、性能好、外观美、易回收和可再利用等优点，成为了门窗和幕墙主要的结构及装饰材料，在世界各国得到广泛应用。我国2018年铝型材产量超过2 000万t，占全世界总产量的50%以上，全国铝材加工过程中产生的污泥总量约为150万t（含水率为80%～90%），高含水率的铝加工污泥不易于储存、运输、以及资源化利用，因此对铝加工污泥进行减量化处理是铝加工污泥稳定化、无害化、资源化处理的基础〔1〕。

现阶段铝加工企业采用的污泥脱水方式主要以板框压滤为主，但传统的板框压滤处理时间慢，处理后污泥的含水率较高。近些年出现了以应力场为中心多场联合调理的污泥脱水方法，调理方式主要有温度场、电场、化学场和磁场等〔2〕。联合调理技术广泛应用于城市污水处理厂以及各种产生污泥的工业企业，污泥的前期调理十分重要，由于污泥自身的胶黏性和可压缩性导致污泥后期机械脱水的效率难以进一步提高，选择合适的污泥调理脱水机制将大大提高污泥的脱水性能〔3〕。微波调理技术和超声波调理技术具有处理速率快和不会造成二次污染等优点，一直以来备受广大研究者的关注〔4〕。本研究考察微波预调理、超声波预调理、微波超声波联合调理技术对铝加工污泥脱水性能的影响，针对污泥含水率变化以及预调理后污泥的损耗比情况，分析微波、超声波和微波-超声波联用下，污泥脱水性能的变化情况。

1 实验部分

1.1 实验污泥来源与设备

污泥来源：以广东某铝型材厂的氧化污泥为研究对象，含水率约为90%，pH为7.6。

实验设备：SHZ-Ⅲ型真空抽滤泵，上海亚荣生化仪器厂；T1000型电子天平，美国G&G；MARS-6型微波消解仪，美国培安科技公司；KQ5200E型超声清洗仪，昆山市超声仪器有限公司；101-1BS型烘箱，邦西仪器科技（上海）有限公司。

1.2 实验方法

（1）微波调理。将污泥样品分别以不同的微波辐射功率（300、400、500、600、700、800、900、1 000 W），处理不同的持续时间（0、20、40、60、80 s），抽滤处理后测定污泥含水率。

（2）超声调理。将多组污泥同时放入超声清洗仪中，分别于 0、2、4、6、8、10、12 min 后取出，抽滤处理后测定污泥含水率。

（3）微波-超声波联合调理。将两者结合，并考虑调理顺序，最终测定污泥含水率。

（4）污泥含水率的测定方法为差量法。

（5）污泥损耗比分为两种，一种为微波或超声波对污泥水分的影响，其表示物理作用对污泥水分直接的影响，通常只会减少少量的水分，主要考察的是不同物理作用条件下，污泥中水分的稳定性，污泥失去水分越多表明物理作用对污泥中水分影响越大，污泥结构变化的程度越高，本实验记为物理损耗比；另外一种为抽滤对污泥水分的影响，其表示经过物理作用之后污泥结构发生变化，通常会失去大量水分，抽滤过程失去水分越多，污泥的脱水性能越好，污泥含水率越低，本实验记为抽滤损耗比。

1.3 实验步骤

微波实验取玻璃坩埚并称量其质量，将污泥加入坩埚中称重得出污泥的质量，放入微波消解仪中处理后取出称量其总质量可得出微波过程中损耗的水分，然后将坩埚进行抽滤处理，处理至污泥出现裂缝并无水滴滴落，称量其总质量可得出抽滤过程中损耗的水分，最后放入烘箱中，烘干后可得到最终污泥的含水率。超声波实验与微波实验相比不同的地方为：超声实验将6组玻璃坩埚放入超声清洗仪中，依次在 2、4、6、8、10、12 min 中取出， 其他称量步骤都一致；微波-超声联用实验也是在物理处理阶段有不同的地方，先微波后超声实验为先用最佳的微波实验条件处理6组污泥，然后将污泥放入超声清洗仪中分别处理 2、4、6、8、10、12 min， 再依次计算损耗和含水率；先超声后微波实验则将物理处理阶段顺序调转，不计算污泥的损耗情况直接计算含水率，其余一致。

2 结果与讨论

2.1 微波调理

在微波功率分别为 300、400、500、600、700、800、900、1 000 W的条件下辐射污泥样品，辐射时间为20 s，实验结果表明，微波功率分别为 600、700、800、900、1 000 W时，最终污泥含水率分别为84.22%、85.10%、85.82%、86.05%、88.03%，可见在微波功率大于600 W时，随功率增大污泥含水率逐渐增加，同时由于高功率的微波调理在实际应用中会消耗大量的能量，因此实验选择微波辐射功率为600 W以下。

在微波功率分别为300、400、500 W的条件下，考察微波功率和微波辐射时间对污泥含水率的影响，结果见图1。

图1 微波功率和微波辐射时间对污泥含水率的影响

由图1可知，微波功率为400 W，微波辐射时间为40 s时，污泥含水率最低，为74.87%。这是因为，微波在污泥调理脱水中发挥作用的机制通常被认为是微波极高的震荡频率使污泥内部分子震荡，破坏污泥结构，打通疏水通道〔5〕，但功率过高的微波辐射往往不能取得更好的脱水效果，这是由于污泥内部结构不断震荡而使得脱水性能恶化导致的〔6〕。

在微波功率分别为300、400、500 W的条件下，考察不同微波辐射时间下污泥物理损耗比和抽滤损耗比的变化，结果见图2。

由图2可知，微波功率越高，物理损耗比越大，会使得污泥中越多的水分蒸发。微波功率为400 W，微波辐射时间为40 s时，抽滤损耗比达到最大。

图2 不同微波辐射时间下物理损耗比和抽滤损耗比的变化

2.2 超声波调理

超声波一方面利用声波能量对污泥产生的空化现象使污泥瞬间升温；另一方面超声波对污泥能够产生体重海绵效应，使水分更易从波面产生传播的通道通过，从而使污泥颗粒团聚、增大粒径，粒径越大污泥颗粒更易沉淀，从而提高污泥脱水性能〔7〕。超声波调理脱水作用具有无污染、高能量密度、快降解速率等优点，在污泥脱水领域有广泛的应用〔8〕。

将污泥样品进行0～12 min的超声调理，考察超声时间对污泥含水率和损耗比的影响，结果见图3。

图3 超声时间对污泥含水率和损耗比的影响

由图3可知，超声调理8 min，抽滤过后的污泥含水率达到最低，为77.57%。超声波作用污泥前后，污泥质量只有少量丢失，这可能是因为超声波产生的热能较低，污泥水分丢失较少。

2.3 微波-超声波联用调理

在微波功率为400 W，辐射时间为40 s条件下，考察不同超声时间下，微波-超声波联用顺序对污泥含水率的影响，结果见图4。

由图4可知，先微波后超声比先超声后微波的脱水效果好，采用先微波后超声的方法在超声时间为4 min时，污泥含水率降至最低，为74.09%。微波-超声联合调理污泥脱水技术，结合了微波和超声波的优点，使污泥内部结构发生较大改变，提高了污泥脱水效率〔9〕。

图4 微波-超声波联用顺序对污泥含水率的影响

3 结论

（1）微波和超声波调理脱水技术在铝加工污泥脱水处理中有明显的作用，将污泥含水率降至75%左右。

（2）使用单一调理脱水技术时，微波调理对铝加工污泥脱水调理作用更加明显，在微波功率为400 W，辐射时间为40 s时，污泥含水率最低，为74.87%；单独超声调理在超声时间为8 min时污泥含水率最低，为77.57%。

（3）微波和超声波联用时，先微波后超声调理比先超声后微波调理的污泥脱水效果更好，微波调理后进行4 min时，污泥含水率降至最低，为74.09%。