高压喷射撞击流破解剩余污泥的研究

谢元华, 杨岱恩, 白 冰, 朱 彤

(东北大学 机械工程与自动化学院, 辽宁 沈阳 110819)

在全球水资源面临严峻挑战的背景下,废水处理和再循环使用可以增加水资源的利用.活性污泥法是目前应用最广泛的污水处理技术之一,然而这种处理方法会产生大量含有毒有害物质及有机物的剩余污泥[1].目前,污泥处理中应用最广泛的方法是卫生填埋和焚烧,但这不能完全去除污泥中的寄生虫、病毒、细菌和重金属,还容易导致土地浪费和空气污染.污泥破解能有效地回收污泥中的有机物,便于去除有毒有害物质.高效稳定的污泥破解方法逐渐引起越来越多的关注.

污泥破解方法主要有物理法(超声波[2-3]、微波[4]、爆炸[5]等)、化学法(氧化[6-7]、碱水解[8]等)、生物法(好氧发酵[9]、厌氧消化[10-11]等),以及组合法(碱解联合超声[12]、超声联合消化[13]、化学联合超声[14]等).不同方法的适当组合能比单一方法取得更加良好的破解效果.

研究表明高压均质法对剩余污泥能取得明显的破解效果[15-16].高压流体在均质腔中会受到高速剪切、高频冲击、湍流涡流、空化现象及相应的热物化效应,有利于污泥的破解.此外,Nah等[17]发现,撞墙式高压喷射可以有效地实现剩余污泥的增溶.Xie等[18]证明高压射流装置(high pressure jet device,HPJD)对细菌细胞具有协同破坏作用.这说明HPJD方法比类似高压装置[17]和高压均化[16]更能有效破解剩余污泥[19].撞击流为具有有/无化学反应的多相传热传质过程提供了理想的条件[20],可以大大提高反应过程的传热传质能力.这说明撞击与高压喷射的结合可产生碰撞、挤压、剪切等相互作用的多重效应,可能有助于促进污泥的破解.该方法是一种无二次污染的新型污泥破解方法.

本文以高压射流与撞击流相结合的方法对污泥进行破解,以探讨该方法的有效性.并通过分析不同因素对污泥破解效果和能耗的影响,确定最佳破解条件.

1 实验材料和方法

1.1 实验材料

本文中实验材料(剩余污泥)取自沈水湾污水处理厂的二沉池,在实验室自行培养.剩余污泥原始数据为:50%粒径的累积分布(distribution up to 50% particle size,D50)(179±23) μm,污泥质量浓度(5 120±550) mg·L-1,上清液中可溶性化学需氧量(soluble chemical oxygen demand,SCOD)(118±15) mg·L-1,肽聚糖(Peptidoglycan,PGN)(5.5±3.5) mg·L-1,蛋白质(57±7) mg·L-1.

1.2 实验设备

本文破解污泥采用动力源装置为高压清洗机(LF-6000),见图1,其工艺流程见图2.将污泥投加至回转鼓中后由高压清洗机吸出, 在密闭空间内经两个对向排布的喷嘴压缩后喷射而出,近距离对撞污泥混浊液,撞击破解后的污泥回流至回转鼓,与回转鼓内污泥混合后重复上述过程.

图1 高压喷射装置

实验中通过测量污泥的粒径变化(D50)和上清液中SCOD、肽聚糖、蛋白质的浓度变化分析污泥破解情况.使用数字化消化仪(COD-571-1)、紫外分光光度计(UV-5100)、激光粒度分析仪(Bettersize-2000)、鼓风干燥箱(HN101-0)和离心机(TD5A)对污泥参数进行分析.

图2 实验流程

1.3 分析方法

本文进行了撞击距离、撞击时间和撞击压力3个单变量实验,确定最佳参数范围.然后采用响应面法(response surface methodology, RSM),对3个参数进行优化,并对其能耗进行分析.

采用破解能耗比(disintegration energy ratio,DER)估算破解能耗,具体计算公式如下:

(1)

式中:DER是单位能耗下各指标(蛋白质、PGN和SCOD)的溶解增量;A是破解后上清液中各指标的质量浓度,mg·L-1;B是破解前上清液中各指标的质量浓度,mg·L-1;P是机器的功率,W;t是处理时间,s.

2 结果与分析

2.1 单变量实验

2.1.1 撞击距离

污泥通过喷嘴加压后,流体压力在狭窄处降低,在宽阔处迅速增大.这导致了污泥液体中微小气泡的迅速膨胀和压缩.在这一过程中,特别是当液体不均匀时,气泡极容易坍塌产生空化效应.在不同的撞击距离下,污泥中气泡压缩和坍塌的情况不同.

本文撞击距离研究选择的参数为1,3,5,7,9，11 cm.实验条件为压力13.79 MPa,8 min,污泥质量浓度4 500 mg·L-1,污泥量12 L.结果表明(图3),距离过高或过低会对污泥破解产生负面影响,最佳撞击距离为5 cm,此时SCOD、PGN和蛋白质的质量浓度达到最高水平,D50为10.399 μm.

图3 不同距离下D50，SCOD，PGN和蛋白质的变化

空化对污泥的破解有显著影响,可分为四个部分,即气泡移动、片空化、云空化和超空化[21].污泥在喷嘴中经历压缩-扩张的过程,完全经历这四个部分形成的空化气泡在压力恢复时会突然坍塌,产生强烈的剪切、高压、高温和氧化自由基.这些理化效应能有效地破解污泥.在距离较近时,液相中的气泡未经历完整的气泡移动、片空化、云空化和超空化过程,发育不完全,无法高效地破解污泥;在距离较远时,射流速度下降,冲击力减小,已经被空化效应破解的污泥可能出现再次聚合,也会影响破解效果.只有在适当的距离下,空化气泡完全形成,此时射流仍具备有效的冲击力,立即发生撞击,才有最佳的破解效果.

2.1.2 撞击时间

撞击时间和循环次数是影响污泥破解程度的重要因素.实验参数为:时间5,10,15,20,25,30 min,压力13.79 MPa,距离3 cm,污泥质量浓度2 500 mg·L-1,体积12 L.

如图4所示,D50在前5 min下降至7.275 μm,下降95.94%.然而,随时间推移,D50反而逐渐增加.这是因为污泥撞击后速度迅速下降,大量动能转化为内能,导致温度升高.被破解的物质发生聚合,D50有所增加.其他学者也发现了类似的现象[22].

随着撞击破解时间的增加,污泥中SCOD、PGN和蛋白质的含量不断提升(图4).而SCOD、PGN和蛋白质的增长速率呈下降趋势.在破解初期,大量的菌胶团被破解,导致各项指标显著上升.然而,随着时间的推移,未破解的污泥不断减少,导致SCOD、PGN和蛋白质质量浓度的增长趋势逐渐变缓.这表明在一定的阈值后,观察不到明显的变化.仅考虑污泥破解的影响,在污泥破解更为充分的前提下,建议最佳时间为20～25 min.

2.1.3 喷射压力

压力和流量是控制射流撞击力的重要因素.射流撞击力越大,破解效果越好.破解最大撞击力为

(2)

式中:F为撞击力,N;Q为体积流量,L·min-1;p为撞击压力,MPa;φ为撞击角,φ=90°.

根据式(2),最大流量、最大压力和最佳角度产生最大作用力.因此,选择Q=12 L·min-1(高压清洗机最大流量)和φ=90°(sinφ最大为1).为保证实验安全选择17.24 MPa作为最高撞击压力.采用3.45,6.89,10.34,13.79和17.24 MPa五个压力等级,参数如下:距离3 cm,持续8 min,污泥质量浓度5 677.5 mg·L-1,体积12 L.图5为上清液中D50，SCOD，PGN和蛋白质随喷射压力的变化情况.

图4 不同时间下D50，SCOD，PGN和蛋白质 的变化

随着压力的增加,D50变化不大,SCOD、PGN和蛋白质质量浓度呈显著上升趋势,开始时几乎呈线性上升,但上升速度呈波动性.在3.45～10.34 MPa范围内,随着压力的增大,越来越多的胞外聚合物和细胞壁被破解,导致SCOD、PGN和蛋白质迅速增加.在10.34～13.79 MPa范围内,胞内物质被有效挤出,SCOD和蛋白质含量明显增加,此时胞外聚合物基本被破解殆尽,因此PGN增加率较低.此时,大部分污泥都已经被破解,这是在13.79～17.24 MPa时SCOD、PGN和蛋白质没有显著增加的原因.考虑到在较高压力下能耗较高,因此建议采用13.79 MPa的压力.

图5 不同压力下D50，SCOD，PGN和蛋白质的变化

2.2 响应面法(RSM)

本文RSM实验中实际污泥质量浓度为4 080 mg·L-1,在Design Expert 8.05软件中,将时间(t)、压力(p)和距离(L)三个因素用作自变量,各因素水平取值如表1所示.以DERSCOD为评价指标进行了回归分析,表2为RSM实验结果.DERSCOD回归方程如下:

DERSCOD=+2.134×10-3-3.485×10-5×t-1.128×10-6×p-3.540×10-5×L+1.199×10-8×t×p+6.194×10-6×t×L-1.259×10-9×p×L-1.037×10-6×t2+2.773×10-10×p2+8.079×10-7×L2+1.1021×10-9×t2×p-1.964×10-7×t2×L-9.568×10-12×t×p2.

(4)

回归方程的回归系数见表3,该模型的F值为25.77,模型是显著的.对回归方程进行方差分析，其标准差为4.76×10-5，平均误差为6.20×10-4，变动系数为7.67%，R2为0.987 2，校正R2为0.948 9.该模型精度达到17.242,具有良好的抗干扰能力,与实验结果吻合较好,表明该模型适合于实验优化和结果预测.冲击压力p,冲击时间t,冲击距离L,p2,t2p,tp2是影响破解效果的显著因素.

表2 RSM实验结果

时间和距离、时间和压力、距离和压力的相互作用如图6所示.最佳时间为7 min,随着时间的延长,DERSCOD降低;随着距离的增大,DERSCOD变化不大,最佳距离为6 cm;随着压力的增大,DERSCOD逐渐降低,最佳压力为6.92 MPa.在7 min，6.92 MPa和6 cm时,求解方程得DERSCOD为1.092×10-3mg·L-1·J-1.在此优化参数下,进行了三次平行实验,DERSCOD平均值为1.103×10-3mg·L-1·J-1,与理论优化结果基本一致.

表3 回归系数

图6 时间、距离与压力间的相互作用

由于污泥在7 min和6.92 MPa条件下的破解效果较差,无法实际应用.考虑到2.1节中的破解效果,选择优化参数为:距离5～6 cm,时间15～20 min,压力13.79 MPa.

3 结 论

1) 本文单变量研究表明,最佳撞击距离、撞击时间和撞击压力分别为5 cm,20～25 min和13.79 MPa.

2) 以DERSCOD为评价指标进行RSM分析,在6 cm,7 min,6.92 MPa条件下,最优DERSCOD达到1.092×10-3mg·L-1·J-1.该条件下三次平行实验DERSCOD为1.103×10-3mg·L-1·J-1,与理论优化结果吻合.

3) 综合考虑破解效果和DERSCOD,高压喷射撞击流破解最佳参数为撞击距离5～6 cm,撞击时间15～20 min,撞击压力13.79 MPa.