微波对污水污泥脱水特性及形态影响.pdf

第 3 5卷第 1期 2 O 1 3年 2月 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 J o u r n a l o f Civ il Ar c h it e c t u r a l En v ir o n me n t a l En g in e e r in g Vo 1 3 5 No 1 Fe b 2 O13 d o i 1 0 3 9 6 9 j is s n 1 6 7 4 4 7 6 4 2 0 1 3 0 1 0 2 2 微波对污水污泥脱水特性及形态影响 周翠红 常俊 北京石 油化 工学院 英 陈家庆 孔 惠 环 境 工 程 系 北 京 l 0 2 6 1 7 摘 要 研 究 了微 波加 热 温度 和温 升速 率对 污 泥脱 水 特 性 的影 响 并 对微 波 处 理后 污泥 的 C S T 粘 度 沉降比 含水率 上清液 c oD含量 Z e t a电位 形态学特征进行 了测试与分析 实验结果表 明 温升 速 率为 1 0 min 加 热到 7 0 8 0 时 中水站 污泥 脱水 特 性较 好 随 温度 上升 污水 处理 厂 污 泥 的 S V 粘度 含 水 率相 应 降低 C o D 含 量逐 渐增 加 对 比直接 从 污 泥 图像 与据 污泥颗 粒 的粒径 分 布得到分形维数与粒径 发现在不同的加热条件下污泥形态有明显变化 加热到 6 0 8 0 时脱水特 性较 好 7 O 时含 水 率最低 为 8 3 1 2 关键 词 污泥 微 波 脱水 特性 形 态 分 形 维数 中图分 类号 X7 0 5 文献 标 志码 A 文章 编 号 1 6 7 4 4 7 6 4 2 0 1 3 0 1 0 1 3 5 0 5 I mpa c t s o f M ic r o wa v e o n De wa t e r Ab il it y a n d M o r p ho l o g ic a l Fe a t u r e o f S e wa g e S l u d g e De p a r t me n t o f En v ir o n me n t a l Cu ih o n g Ch a n g J u n yi n g Ch e n d iaq in g Ko n g Hu i En g in e e r i n g B e i j i n g I n s t it u t e o f P e t r o c h e mic a l Te c h n o l o g y B e i j in g 1 0 2 6 1 7 P R Ch i n a Ab s t r a c t Fir s t l y t he im p a c t s o f he a t in g t e mpe r a t u r e a nd r a t e of mic r o wa ve o n de wa t e r a b il it y a n d mo r p ho l o gic a l f e a t u r e o f s e wa ge s l ud ge we r e in v e s t iga t e d The n CS T vis c os it y S V mo is t u r e c o nt e nt COD Ze t a e l e c t r ic po t e nt ia l a n d mor ph ol o g ic a 1 f e a t ur e we r e t e s t e d I t is s ho wn t h a t t he l o we s t CST o f r e c l a ime d wa t e r p l a n t is 4 2 s wh il e t h e h e a t in g r a t e is I O C min a n d h e a t in g t e mp e r a t u r e is 8 0 C S V v is c o s it y m o is t ur e c o nt e nt o f wa s t e wa t e r pl a nt s l u dge d e c r e a s e a nd COD inc r e a s e s wh e n he a t in g t e m p e r a t u r e is h igh e r I t is in dic a t e d t ha t mor p ho l og y o f s l ud g e c ha ng e s un de r d if f e r e n t h e a t ing c on d it io ns f r o m f r a c t a I d ime n s io n a n d p a r t ic l e s iz e d a t a wh i c h is a n a l y z e d f r o m ima g e a n d c a l c u l a t e d f r o m c u mu l a t iv e we igh t p e r c e nt a g e un de r s iz e o f s l udg e pa r t ic l e Af t e r 6 o 8 o C m i c r o wa v e pr e t r e a t m e n t d e wa t e r a b il it y is p r ov e d Ke y wo r ds s e wa g e s l ud ge mic r o wa v e de wa t e r a bil it y m o r ph ol o gy f r a c t a l d ime ns i on 污水 处理 过程 中产 生 的污 泥除 含有 大 量 的水 分 外 还含有丰富的营养成分 同时还含有病原体 寄 生虫卵以及铜 砷 铅 锌 铝 汞等重金属和难降解 的有机污染物等有害成分 随着污水量 的增加和污 水深度处理技术 的使用 污泥产量将呈明显的增加 趋势 污泥处理与处置是城市生活污水处理一个非 常重要的环节 通常其运行成本 占整个污水处理厂 总 运行成 本 的 2 O 5 0 甚 至 高 达 7 0 左 右l 1 降低污泥的水分是一种有效 的减量方法 常规 的脱水方法很难达到较 高的脱水率 目前 冷融技术 磁场和电场 超声波和微波作为预处理技 术用于改善污泥的沉降与脱水特性 的研究 中 污泥 收稿 日期 2 0 1 2 0 4 3 0 基金项 目 国家 自然科学基金 5 1 1 0 4 0 2 2 北京市属 高等学校 人才强教深化计划 RHR 2 0 1 0 0 8 3 6 2 作者简介 周 翠红 1 9 7 3 一 女 副教授 博 士 主要 从 事 固体废 弃物 处理 技术 及设 备研 究 E ma il z h o u c u i h o n g b ip t e d u C F I 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 1 3 6 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第 3 5 卷 脱 水特 性与污 泥 本 身 的理 化 特 性 有 关 如 胞 外 聚合 物 E x t r a c e l l u l a r p o l y me r i c s u b s t a n c e E P S 的存 在 与结合 水 的 含 量 直 接 影 响 着 污 泥 的 脱 水 性 能 口 预处理技术会破坏污泥 内部 的结构 促进结合水的 释放并 提 高污泥 的脱水 特性 l 4 表 征 污泥 脱 水特 性 的参数较多 实验室最常用的测定污泥脱水性能的 方 法 有 毛 细 吸 水 时 间 C a p i l l a r y s u c t i o n t i me C S T 污泥 过滤 比阻 S p e c i f i c f i l t r a t i o n r e s i s t a n c e S R F Z e t a电位 粘度 和含 水率等 5 2 0世纪 7 0年 代 德 国首 先 安 装 了用 于 污 泥 消 毒 的辐射 装置 1 微 波辐 射 技术 逐 渐被 用 于 污 泥加 热中 促进污泥消化和金属离子去除等方面 波兰 学者 Wo j c i e c h o ws k a 研究 了微波加热对污泥脱水 性能的促进作用 使用微波技术后 明显增加污泥悬 浮液体 中的 B O D 和 C O D 含量 S e e h r a等 人 的 研究 中发 现微 波 与普通 的加 热方式 相 比具 有 良好 的 脱水效 果 中山大学环 境科 学与工 程 学 院使用 微 波 预处理来改善污泥的脱水特性 实验表 明最佳条件 下污泥中有 1 5 2 的物质解体 E P S的含量为 5 0 0 2 0 0 0 g L 固体 颗 粒 粒 度 分 布 在 1 2 0 1 4 0 m l l 广州大学环境科学与工程 系通过研究温升 速 率 细 胞 破 解 S C O D TC O D 比值 和 生 物 质 气 体 的产生 发现影 响污 泥 含水 率 变 化 的 最 重要 的 因素 是引起温度升高的能耗l 清洁能源辽宁省重点 实 验室 运用 灰色关 联分 析决定 微波 试验 运行 系 统 的 主次 因素 建立 了影 响 因素 对污 泥 脱 水 率 和有 机 质 损失率的经验公式l 1 本文使用微波对污水污泥进 行 预处 理 打散 污 泥絮 团 改 善 污 泥 的 脱水 特 性 促 进机械脱水效果的提高 1 微波预 处理脱水 实验及结果讨论 1 1 材料 与仪 器 众多学 者研究 了微 波技 术对 污泥 脱水 特性 的影 响 微 波具 有选择 性加 热 的特点 因为 物 质吸 收微 波 的能力主要由其介质损耗 因数来决定 介质损耗 因 数 大的物 质对微 波 的吸收 能力强 微 波 比其 它用 于 辐射加热 的电磁波 如红外线 远红外线 等波长更 长 因此 具有 更 好 的穿 透 性 另 外 微 波 导 致介 质 材 料瞬时升温 能耗相对较低 污 泥取 自校 内 中水 站 与 某 污 水 处 理 厂二 沉 池 沉降 2 4 h后去除污泥上清液 分别采用微波进行预 处 理 使用 MD 6微 波 样 品 处 理 系 统 控 温 范 围 0 3 0 0 控温精度 0 5 直接接触式压力 测 量 实时监 控 达 9 0 0 p s i 控 压精 度 0 0 1 MP a 排 风 量 3 m rai n 同批 次 最 多 同时 处 理 1 O个 样 品 分 次取定 量 污泥置 于系 统 中 在不 同 的微 波 作 用 条件 下测定 污 泥的 C S T 粘 度 沉 降 比 S V 含 水率 上 清液 的 C O D 含 量 Z e t a电位 和形 态 学 特 征 采 用 Tr i t o n El e c t r o n i c s Ty p e 3 1 9 Mu l t i C S T 测 定 C S T 采 用红外 水 分 测定 仪 MA1 0 0测 定 水 分 使 用 HAAKE R V1旋 转 粘 度 计 进 行 粘 度 测 定 采 用 J S 9 4 H微电泳仪测量污泥中的 Z e t a电位 显微采集 图像 使用 的是 OI Y MP US c x 4 1 S y s t e m Mi c r o s c o p e 系统 实验采 用重 铬酸钾 法测 定污 泥离 心后 上 清液 的 C OD含量 1 2 微 波加 热方 式的影 响 实验中先以不同温升速率分别加热到 5 0 6 0 7 0 8 O 不使用絮凝剂 测量微波预处理后 中水处理站 污泥 的 C S T记 录在 表 1中 在相 同 的温升速 率 下 随 温度升 高 C S T减小 不 同温 度条件 下 C S T的最 小值 均 出现 在 温 升 速 率 为 1 0 rai n时 当 以1 O rai n 加热到 8 0 时 C S T最小 为 4 2 S 实验 中还 发现 加 热时间要控制在 4 0 0 S之 内 否则会使脱水特性恶 化 采用最佳温升速率再进行实验考察污泥 内部结 构变化与预处理后对离心脱水 的促进作用 将预处 理后污泥进行离心脱水测定上清液中多糖含量及泥 饼 中含水率的变化 具体如表 2所示 随着微波加 热温度 的 升 高 含 水 率 逐 渐 降低 污 泥 脱 水 效 果 越 好 微 波加 热 到 7 0 后 的样 品经 离 心 后 上 清 液 中 的多糖 含量 最高 为 7 3 2 7 5 rag I 8 O o C时多 糖 含量 为 6 8 3 1 5 mg I 实 验 表 明微 波 可 使 污 泥 中 的 大分 子絮 团解体 有机 物如 多糖 和蛋 白质 释放 促 进 离 心 脱水 效 率 的 提 高 8 0 时 滤 饼 的 含 水 率 最 低 为 8 7 O 6 微波处理的热效应使部分水分蒸发 在一 定程 度上 降低 了污泥 的含水 量 表 1温升速率与 C S T的关系 1 3微 波 对污泥 脱水特 性 的影响 用 微波 样 品处 理 系统在 不 同的实 验条 件下 处 理 城市 污水 处 理厂 污 泥 以 1 0 mi n加热 到 2 0 5 0 6 o 7 o 8 o 不使用絮凝剂 所测得的污泥脱水特性 参数见表 3 由表 3可看 出污泥 的 S V 粘度 污泥 含 水率相 应 降低 C S T Z e t a电位 变 化 规 律 不 明 显 污 泥离心 后 的上清液 中 C O D含量 逐渐 增加 微波 能 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 第 1 期 周翠红 等 微 波对 污水 污泥 脱水特 性及 形 态影响 量过大反而使污泥的脱水效果恶化 微波加热温度 为 5 O 8 O 时 水 层 较 清澈 分 层 较 明 显 如 图 1所 示 适当的微波可引起 污泥颗粒 问作用力 发生变 化 同时微波可破坏结合水与污泥胞外聚合物之 间 的结合能力 表现为 7 0 8 0 时污泥粘度较低 Z e t a 电位较高和离心后上清液 C OD较高的规律 从 而改 善污泥的脱水性能 离心后含水率较低的现象 表 2加热温 度与脱水 特性参数关系 加热 温度 c 含水率 多糖 mg L 1 图 1 加热温度 为 2 0 5 0 6 0 7 0 8 0 C污泥沉降情况 2 污泥形态学的研究 学者多采用多种方法对污泥的脱水特征进行表 征 澳大利亚学者 J i n等口 系统地研究了污泥脱水 特性与污泥絮体的关 系 分别 测试了絮体的形 态特 征 物理化学特征 使用结合水含量 与 C S T来 表示 污泥脱水特性 图像处理技术 已用于衡量污泥的沉 降 浓缩特性和评价污泥絮体结 构特征方 面的研究 中 随着显微镜技术和计算机科学 的发展 对 污泥 的观测也逐渐从定性朝定量的方向发展 目前文献 中多通过提取外形尺寸 平均面积 分形维数等图像 特征来进行污泥絮体的定量表征 1 华南师范大 学化学与环境学院通过 对污泥含水率 和 E P S含量 的测定 考察 了阳离子表 面活性剂 c T AC 和阳离 子聚丙烯酰胺 c P AM 对污泥脱水性 能的影 响 发 现污泥絮团被破坏 占体积分数 9 0 的颗粒粒径均 在 5 2 m 以下 较原 样 明显 减小 1 长 沙 理工 大 学 水利学院给水排水 系对微 波的改性效果进行 了研 究 发现经过微波处理后污泥絮体解体 污泥图像的 特征 发生 变化 l 2 1 污 泥的粒 径分 布 将样 品 经 过 微 波 加 热 到 2 O 5 O 6 0 7 0 8 0 后 适当处理后并使用激 光粒度仪进行粒度测定 数据 记 录到 表 4 由表 4可 知 未 经 微 波 处理 时 污 泥 的 平均粒径较大为 3 3 5 5 1 m 经过微波加热后 粒径 明显 减小 降到 2 8 0 5 5 2 8 9 2 9 p m 之 间 实 验证 明 微波能够改变污泥颗粒的聚集状态 随着微波加热 温度的增加 大分子物质被打散 改变了污泥颗粒的 聚集状态与相互作用力 与前 面从脱水特性参数所 分析和结果基本一致 进一步提高加热温度 时 污 泥颗粒的平均粒径有增加趋势 可能是微波的热效 应加 剧 了分子 运动 污泥 颗粒 间碰撞 聚集 机率 增加 使小颗粒聚集成较大颗粒 污泥颗粒 出现粗大化现 象 实验结果也充分说明了预处理技术的使用需要 根据实验选择最佳工艺参数 过量 的预处理反而会 使污泥脱水特性恶化 表 4微波加热后污泥的粒度变化 加热温度 污泥粒度 m 2 2 污 泥 的分形 维数分 析 表征 污泥 中颗 粒聚集 的形 态参 数 有絮 状物 粒 径 分 布 分形 维 数与丝 状指 数 可 以有 效 的衡 量 出污 泥 的脱水特性 分形维数作为图像表面不规则程度 的 度量 不仅能度量复杂程度 而且有多尺度多分辨率 变化 的不 变性 与人 类 视 觉 对 图像 表 面纹 理 粗 糙 的 感知是一致的 即分形维数越大 对应的图像表面越 粗糙 反之 分形维数越小 对应的图像表面越光滑 研究 中采用 F r a ct a l f o x 2 0软件对污泥 的显微 图像进行 了分形维数 的分析 导人 图像与计算 分形 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 第 1 期 周 翠红 等 微 波对 污水 污泥脱 水特 性及 形 态影响 1 3 9 3 实 验 中发现 微波 预处 理后 污 泥 的形 态学 特 征 变化 比较 明显 利 用 O r ig in 8 0软件 建 立 污 泥 含 水 率和表征参数 的脱水特性模 型 得到了微波预处理 后污泥含水率和各参数的多元线性模型 参 考文 献 1 钱觉 时 岳燕飞 谢 从波 等 掺加页岩 后污泥沉 降浓 缩效果 与利用 J 土 木建 筑 与环境 工程 2 0 1 0 3 2 2 1 4 0 1 44 Qi a n J S Yu e Y F Xie C B e t a 1 Th ic k e n i n g p r o p e r t i e s a n d u t il iz a t io n o f s e w a g e s l u d g e mo d i f i e d b y s h a l e J J o u r n a l o f Ci v i l Ar c h i t e c t u r a l En v i r o n me n t a l Eng in e e r ing 2 01 0 32 2 1 40 1 4 4 2 S u b r a ma n i a n S B Ya n S T y a g i R D e t a 1 E x t r a c e l l u l a r p o l y me r ic s u b s t a n c e s E PS p r o d u c in g b a c t e r ia l s t r a in s o f mu n ic ip a l wa s t e wa t e r s l u d g e I s o l a t io n mo l e c u l a r id e nt if ic a t ion EPS c ha r a c t e r iz at io n a n d p e r f o r ma n c e f o r s l u d g e s e t t l i n g a n d d e w a t e r i n g J Wa t e r Re s e a r c h 2 O 1 0 4 4 7 2 2 5 3 2 2 6 6 3 L e e D J I n t e r p r e t a t io n o f b o u n d wa t e r d a t a me a s u r e d v ia d i l a t o me t r ic t e c h n i q u e E J Wa t e r R e s e a r c h 1 9 9 6 3 0 9 2 23 0 2 23 2 4 周翠 红 陈家庆 孔惠 等 市政污泥 强化脱水 实验研究 口 环境工程学 报 2 0 1 1 5 9 2 1 2 5 2 1 2 8 Z h o u C H Ch e n J Q Ko n g H e t a 1 Ex p e r i me n t o f impr ove d de hy dr a t ion c ap a bil it y o f munic ipa l s l ud ge J C h in e s e J o u r n a l o f E n v i r o n me n t a l E n g in e e r i n g 2 011 5 9 21 2 5 21 2 8 5 Va x e l a ir e J C e z a c P Mo is t u r e d is t r i b u t io n i n a c t iv a t e d s l u d g e s a r e v ie w J Wa t e r Re s e a r c h 2 0 0 4 3 8 9 22 15 22 3 0 6 谢敏 施周 李 淑展 污 泥脱水 性能参 数一 比阻检 测 的若 干 问题研讨 J 环 境科 学 与技 术 2 0 0 6 2 9 3 1 5 1 6 42 Xie M S hi Z Li S Z M e a s ur in g s pe c if ic r e s is t a nc e t o f il t r a t i o n S R F o f s l u d g e口 E n v i r o n me n t a l S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y 2 0 0 6 2 9 3 1 5 1 6 4 2 7 Wo l n y L Wo l s k ip Z a wi e j a I R h e o l o g i c a l p a r a me t e r s o f d e w a t e r e d s e w a g e s l u d g e a f t e r c o n d it io n i n g J De s a l ina t ion 2 00 8 22 2 3 3 8 2 3 87 8 Tu r c h iu l i c F a r g u e s C I n f l u e n c e o f s t r u c t u r a l p r o p e r t ie s o f a l u m a n d f e r r ic f l o e s o n s l u d g e d e w a t e r a b i l it y口 C h e mi c a l E n g i n e e r i n g J o u r n a l 2 0 0 4 1 0 3 3 1 23 13 1 9 Yu a n H P Z h u N W S o n g F Y D e wa t e r a b i l i t y c ha r ac t e r is t ic s o f s l ud ge c o nd it ion e d wit h s ur f a c t a nt s p r e t r e a t me n t b y e l e c t r o l y s i s J B i o r e s o u r c e Te c h n o l o g y 2 0 1 1 1 0 2 3 2 3 0 8 2 3 1 5 1 O B o r r e l y S I C r u z A C Ma s t r o N L R a d i a t io n p r o c e s s in g o f s e w a g e a n d s l u d g e A r e v i e w J P r o g r e s s i n Nu c l e a r En e r g y 1 9 9 8 3 3 1 3 2 1 1 1 Wo j c ie c h o ws k a E Ap p l i c a t i o n o f mi c r o w a v e s f o r s e w a g e s l u d g e c o n d i t i o n in g J Wa t e r R e s e a r c h 2 O 0 5 3 9 1 9 47 49 47 5 4 1 2 S e e h r a M S K a l r a A Ma n i v a n n a n A D e wa t e r i n g o f f i n e c o a l s l u r r i e s b y s e l e c t iv e h e a t i n g w it h mi c r o w a v e s J Fu e l 2 0 0 7 8 6 5 8 2 9 8 3 4 1 3 Y u Q Y L e i H Y Y u G W I n f l u e n c e o f mic r o wa v e i r r a d i a t io n o n s l u d g e d e w a t e r a b il i t y J C h e mi c a l En g i n e e r i n g J o u r n a l 2 0 0 9 1 5 5 1 8 8 9 3 1 4 T a n g B Yu L F Hu a n g S S E n e r g y e f f i c ie n c y o f p r e t r e at in g e x c e s s s e wa ge s l u d ge wit h mic r owa v e i r r a d i a t i o n J B i o r e s o u r c e T e c h n o l o g y 2 0 1 0 1 0 1 1 4 5 09 2 5 09 7 1 5 3李延吉 李 润东 冯磊 等 基于微 波辐射研 究城市 污水 污泥脱 水 特 性 J 环 境 科 学 研 究 2 0 0 9 2 2 5 5 4 5 5 48 Li Y J L i R D Fe n g L e t a 1 Mi c r o wa v e r a d ia t i o n r e s e a r c h o n d e wa t e r c ha r a c t e r is t ic s o f munic ipa l s e wa g e s l u d g e J Re s e a r c h o f E n v ir o n me n t a l S c ie n c e s 2 0 0 9 2 2 5 5 4 5 5 4 8 E 1 6 J i n B Wi l f n B L a n t M P I mp a c t s o f mo r p h o l o g i c a l p h y s ic a l a n d c h e mic a l p r o p e r t ie s o f s l u d g e f l o e s o n d e wa t e r a b i l i t y o f a c t i v a t e d s l u d g e J C h e mic a l E n g i n e e r i n g J o u r n a l 2 0 0 4 9 8 2 1 1 5 1 2 6 1 7 Me s q u i t a D P Ama r a l A L F e r r e i r a E C I d e n t i f y in g d if f e