2450MHz電磁波污泥脫水過程中的溫度效應

李丹熠,桑穩姣*,張 倩,張宛君,豐洋洋,李志軒

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2450MHz電磁波污泥脫水過程中的溫度效應

李丹熠1,桑穩姣1*,張 倩1,張宛君2,豐洋洋3,李志軒1

(1.武漢理工大學土木工程與建筑學院,湖北 武漢 430070；2.中國市政工程中南設計研究總院有限公司,湖北 武漢 430010；3.安徽省城建設計研究總院股份有限公司,安徽 合肥 230051)

采用2450MHz電磁波進行污泥脫水,研究電磁波加載過程中污泥溫度變化對于剩余污泥性質和溶出效應的影響.研究發現,經電磁波加載后,污泥的容積指數(SVI)隨著溫度的升高而降低,在溫度為80℃時由原泥的130.73mL/g降至最低值95.25mL/g,污泥沉降性能得到改善;經電磁波加載后,污泥離心含水率也隨著溫度的升高持續降低,最低降到80℃時的93.52%;污泥的毛細吸水時間(CST)在60℃時由原泥的29.4s降至最低值23.2s,污泥比阻(SRF)始終高于初始值,說明電磁波的加載一定程度上可以改善剩余污泥的離心脫水和板框壓濾脫水效果,但不利于剩余污泥的真空抽濾.在電磁波加載過程中,檢測污泥胞外聚合物(EPS)及上清液中可溶性化學需氧量(SCOD)的含量,發現污泥溫度升高有利于污泥胞內物質的溶出.在80℃時,污泥上清液中SCOD含量由初始的124.1mg/L增大到883.4mg/L;同時也發現,溫度高于60℃后,污泥中微生物細胞破壁更明顯,污泥EPS含量隨之發生變化,對污泥脫水性能的影響更加顯著.

電磁波加載；連續流；溫度效應；污泥脫水；SCOD；EPS

污水處理過程中產生的大量剩余污泥成為當前的處置難題[1].污泥脫水技術的研究成為熱點.當前,國內外學者研究了多種強化污泥脫水方法,常見的方法有外加酶、熱水解、電滲透、超聲、微波[2-7]等.在這些方法中,電磁波由于分子水平的加熱機理使其可以均勻快速地加熱其中的介質,且易于操作,改善脫水效果明顯,受到了越來越多的關注[7-10].

目前, 2450MHz電磁波處理污泥大多仍處于靜態試驗階段[11-13],這種間歇式電磁波反應器的荷載時斷時續,難以為污泥提供穩定的處理環境,限制了電磁波污泥脫水技術的實際應用;其次,電磁波技術在污泥脫水領域的應用,能耗成本是重要的制約條件.因此,在一定溫度范圍內進行電磁波污泥脫水會更有利于技術的推進.本試驗通過響應面優化(RSM)設計了連續流2450MHz電磁波污泥脫水試驗,研究實際生產過程中最易調控的溫度條件對污泥特性和污泥溶出效應的影響,為電磁波污泥脫水的工程應用提供試驗依據和理論基礎.

1 材料與方法

1.1 試驗污泥

本試驗所用污泥取自武漢市沙湖污水廠二沉池排泥口的剩余污泥.原泥基本性質見表1.

表1 供試污泥基本性質

注:離心含水率的測定方法詳見1.3.

1.2 試驗裝置

為了最大限度接近生產實際,試驗采用的電磁波污泥脫水裝置設置為連續流,如圖1所示.該裝置可實現污泥的連續流動,以及電磁波加載功率、加載時間和污泥加載量的調控.

圖1 連續流2450MHz電磁波污泥加載實驗裝置

1.3 試驗方法

根據前期試驗結果[14],本次試驗中的電磁波加載功率選為200、300、400W,電磁波加載時間選為100、150、200s,污泥加載量選為100、150、200mL.采用Design Expert軟件設計實驗操作條件(表2).

經電磁波加載后的污泥從泥管出口取出后用溫度計讀取其溫度.試驗過程中測得不同電磁波加載條件下的污泥溫度見表2.

取泥管出口處的泥,冷卻至室溫,取樣測定污泥離心含水率、毛細吸水時間(CST)、污泥比阻(SRF)、污泥沉降比(SV)、污泥濃度(MLSS)、污泥zeta電位、污泥胞外聚合物(EPS).將污泥離心(6000r/min,5min)后,測其上清液的SCOD濃度.

其中,SCOD、SV、MLSS采用國家標準方法測定[15].EPS測定方法參考文獻[14],CST采用304M(英國Triton公司)污泥毛細吸水時間測定儀進行測定. SRF用布氏漏斗過濾實驗進行測定[16]. zeta電位采用JS94H型微電泳儀測定.離心含水率的具體測定方法為:將待測污泥裝入50mL離心管后放入離心機,以6000r/min的轉速離心5min.取離心管下部沉泥放入烘箱,在105℃環境下烘10h,后采用稱重法計算出的污泥含水率即為污泥離心含水率.試驗中,每組試驗條件重復兩次,取兩次試驗結果的平均值進行數據分析.

表2 不同污泥溫度下的電磁波加載條件

2 結果與討論

2.1 溫度對電磁波加載污泥物理性質的影響

Yu等[7]研究發現,溫度是影響污泥物理化學性質的關鍵因素.通常,污泥物理性質包括污泥含水率、污泥比阻及污泥沉降性能等.反映活性污泥聚集、沉降性能的是污泥容積指數SVI,此值宜介于70~100之間,過低說明活性污泥顆粒細小,無機物質含量高,過高說明活性污泥的沉降性能欠佳.

溫度對污泥SVI值的影響結果如圖2所示.從圖2可以看出,污泥SVI值隨著污泥溫度的升高而持續降低,在80℃時由原泥的130.73mL/g降至95.25mL/g,擬合曲線的相關系數R2=0.989,說明污泥溫度與污泥的SVI值相關性顯著,表明了電磁波加載污泥導致的污泥升溫可以有效改善污泥的沉降性能,有利于污泥濃縮.

圖2 溫度對污泥SVI值的影響

CST表征污泥脫水的快慢程度,其值與污泥中結合水含量以及濾餅含水率呈正相關;SRF反映了水分通過污泥顆粒形成泥餅時所受的阻力,其值越大,脫水越困難[17].這兩項指標廣泛用于表征污泥的脫水性能[3,11],可用于衡量剩余污泥是否適合用板框壓濾和真空抽濾進行脫水處理;另外,也可通過測定污泥離心含水率來直觀評價污泥的離心脫水效果[18].

污泥溫度對污泥脫水性能的影響如圖3所示.從圖3可以看出,電磁波加載剩余污泥的過程中,污泥溫度對CST、SRF和離心含水率的影響可分為4個階段.第一階段,污泥溫度由初始的19℃升高到55℃,污泥CST和SRF值略微升高,離心含水率略有下降,此時污泥脫水效果并未受到明顯影響;第二階段,污泥溫度由55℃升至60℃,污泥CST和離心含水率分別突然降至23.2s和94.02%,可見,溫度升高到60℃時帶來了明顯的電磁波生物效應窗口[19];第三階段,污泥溫度在60~70℃區間內,污泥CST和SRF出現增大趨勢,污泥離心含水率先降后升,均在70℃時出現最大值,此時出現了第二個窗口特征,在此窗口效應作用下污泥脫水性能急劇惡化.其原因主要是電磁波的持續加載導致溫度的不斷升高,高溫環境使污泥中微生物細胞壁受到胞內水分的機械性撞擊而破裂,其中大量帶負電荷的大分子物質從胞內釋放到了胞外,增大了污泥顆粒間的靜電斥力,形成大量細小的污泥顆粒,穩定性增強,不利于污泥脫水;第四階段,當污泥溫度超過70℃后,污泥離心含水率、CST及SRF均呈減小趨勢,分別于80℃達到93.52%、34s、4.65×1013m/kg.

圖3 溫度對污泥離心含水率、CST、SRF的影響

綜上可知,電磁波加載剩余污泥過程中,污泥離心含水率下降明顯,CST值有一定降低,而SRF值雖然在一定條件下有減少趨勢,但始終高于其初始值,說明電磁波加載剩余污泥可作為污泥板框壓濾和離心脫水的預處理手段,但并不適用于剩余污泥真空抽濾脫水的預處理.

Claire等[20]研究了水熱處理對污泥脫水效果的影響,結果表明,污泥溫度低于130℃時,污泥的CST值與溫度呈正相關變化,溫度高于150℃時CST值會急劇減少;當溫度升到190℃時, CST值達到最低13s.與水熱技術相比,本試驗中電磁波加載污泥至溫度達到60℃以及高于70℃后,污泥脫水性能便出現了改善趨勢,可見,由于電磁波作用所導致的一定范圍內的升溫會有效地改善污泥的脫水性能.然而,電磁波加載污泥升溫至一定程度后,也會增大處理過程所需的能耗(污泥溫度超過70℃后,電磁波能量密度達到500J/mL).因此,電磁波加載宜盡可能將污泥溫度控制在較低范圍內.本試驗中,電磁波加載功率為200W、電磁波加載時間為150s、污泥加載量為200mL時,污泥溫度達到60℃,此時電磁波能量密度僅為150J/mL,而污泥離心含水率、CST值均明顯減小.因此,60℃可作為電磁波加載連續流污泥脫水過程中較優的操作溫度.

2.2 溫度對電磁波加載污泥溶出效應的影響

污泥溫度的升高會使污泥中主要的溶解性生物聚合物釋放出來[21],電磁波加載剩余污泥過程中,表現出了明顯的胞內物質溶出效果[22].污泥中EPS含量和污泥上清液的SCOD值可用于表征污泥絮體的破解程度和溶出效應.研究表明,EPS為雙層結構,里層為包裹細胞的緊密型胞外聚合物(TB-EPS),外層為包裹TB-EPS的松散型胞外聚合物(LB- EPS)[23].由于污泥溫度的升高,污泥中微生物細胞結構被不同程度的破壞,其中的胞內物質溶出會影響污泥的表面性質.污泥溫度對污泥的溶出效果的影響見圖4.

由圖4(a)可見,隨著溫度的升高,污泥上清液中SCOD含量呈不斷增大趨勢,說明電磁波加載對剩余污泥的溶出效果有明顯影響.同時,污泥中EPS含量隨著溫度升高也表現出了明顯的變化,總體可分為以下4個階段:

(1)污泥溫度由原泥的19℃上升到55℃時,污泥中總EPS含量和其中的大分子物質含量均無明顯變化(見圖4d),而LB-EPS含量有些許增大,尤其是蛋白質和DNA的含量增長幅度明顯,分別由1.3, 2.4mg/g-SS增大到21.3, 11.6mg/g-SS(圖4b), TB-EPS中蛋白質含量則由49.7mg/g-SS減小到了28.0mg/g-SS, DNA和多糖含量略微下降(圖4c).說明在此溫度范圍內,污泥絮體結構的變化主要表現為TB-EPS與LB-EPS之間物質的傳遞釋放,EPS總量并未出現明顯增加.

(2)污泥溫度由55℃繼續升至60℃過程中,污泥中EPS、LB-EPS和TB-EPS含量顯著增大,其中的大分子物質成分也出現明顯變化,如圖4(d)所示, EPS中DNA及多糖含量略微增大,蛋白質含量則由49.3mg/g-SS增大到了116.0mg/g-SS; LB-EPS中蛋白質含量減少,多糖及DNA含量增大(圖4b); TB-EPS中蛋白質含量增大明顯,由28.0mg/g-SS增大到103.0mg/g-SS,而多糖及DNA含量無明顯變化(圖4c).

不難看出,溫度達到60℃時,電磁波加載出現了第一個窗口效應,此時細菌細胞壁上的蛋白質結構被破壞,以蛋白質為主的胞內大分子物質溶出,由于其具有粘性,分散的小顆粒污泥容易聚集.研究表明,當污泥中小顆粒絮體占多數時,污泥的過濾和脫水性能會遭到惡化,而結構良好的絮體則表現出了較優的過濾和脫水性能[24].因此,當溫度升高到60℃時,由于胞內具有粘性的大分子物質的溶出使小顆粒絮體出現的聚集效果,一定程度上改善了污泥的脫水性能.

(3)污泥溫度由60℃升高到70℃的過程中,污泥中LB-EPS、TB-EPS和EPS含量均在65℃時出現陡降,其中的大分子物質除了LB-EPS中蛋白質含量略有增大外,其余均顯著減少(圖4),說明在此溫度下,微生物胞內物質的溶出不再顯著,影響污泥溶出效應的主要原因是EPS中的大分子組分溶解并釋放進入污泥上清液中.

當污泥溫度繼續升至70℃時,出現了第二個窗口效應,此時污泥中LB-EPS、TB-EPS和EPS含量再一次增大(圖4a), EPS中蛋白質含量顯著增多,由36.0mg/g-SS增大到136.0mg/g-SS(圖4d),其中TB-EPS中蛋白質含量也增大明顯,由14.7mg/g-SS增大到113.0mg/g-SS(圖4c).其原因主要是電磁波加載帶來的高溫環境下,污泥內部的偶極子在電磁波加載時震動激烈,使污泥微生物細胞結構破壞加劇,致大部分胞內物質溶出,多數帶負電荷的大分子物質包裹在微生物細胞周圍,污泥表面電荷明顯下降,如圖4(d)所示, zeta電位由-15.88mV大幅減小到-28.96mV.雖然包圍污泥顆粒的大分子物質具有粘性,但由于此時靜電斥力過大,污泥顆粒之間很難接觸聚集,小顆粒絮體的增多使污泥脫水變得更為困難.

(4)污泥溫度超過70℃后,污泥LB-EPS、TB-EPS及EPS含量均呈減小趨勢,蛋白質、多糖及DNA含量也不斷減小,這是由于高溫條件下有利于釋放的蛋白質、多糖、DNA等有機物質的快速轉化[24],其中,蛋白質可水解為肽類物質和個別氨基酸釋放出來,這些物質可進一步降解為脂肪酸和氨氮,使得檢測出的蛋白質含量減少[21];同理,因為與水有強力結合作用的大分子聚合物被分解,檢測出的多糖含量也減少.這些大分子物質的分解,會使被其包圍的水分釋放出來,同時,隨著溫度的升高,污泥中的水分逐漸被蒸發,這兩部分水分的脫除,使污泥的CST值和SRF值減少,污泥的脫水性能出現改善趨勢.

圖4 溫度對污泥溶出效應及污泥zeta電位的影響

圖5 電磁波加載剩余污泥過程中胞內物質溶出示意

根據試驗結果,不同溫度下,電磁波加載剩余污泥時,胞內物質的溶出過程如圖5所示.原泥溫度為19℃,此時胞內大分子物質和其中包圍的水分沒有釋放, EPS中TB-EPS占多數,污泥絮體處于穩定狀態;當溫度達到60℃時出現了第一個生物效應窗口,微生物細胞明顯破壁,其中的大分子物質大量溶出進入EPS和上清液中, EPS含量增長近乎一倍;同時, TB-EPS與LB-EPS中的物質也在相互傳遞并向外釋放,由于這些大分子物質具有粘性,使得污泥絮體更容易聚集,這對剩余污泥脫水效果的改善有一定的積極作用;當污泥溫度繼續升高到最高溫度80℃時,胞內大分子物質繼續被分解,此時總EPS含量低于初始狀態, TB-EPS中的物質轉化進入LB-EPS和上清液中,且部分胞內物質在高溫環境中被降解,其中包圍的水分也因此得以釋放去除.

3 結論

3.1 電磁波加載污泥會帶來污泥溫度的升高,污泥沉降性能和脫水性能得到改善.污泥溫度升至60℃時,污泥CST和離心含水率分別由29.4s和96.95%降至23.2s和94.02%,污泥脫水效果得到改善;溫度進一步升高到70℃時,污泥的CST、SRF明顯增大,污泥脫水性能惡化.在溫度高于70℃后,污泥脫水性能得到再次改善,污泥離心含水率降至最低值93.52%.

3.2 電磁波加載剩余污泥過程中,污泥上清液中SCOD含量與污泥溫度的升高呈正相關關系,由124.08mg/L持續增至80℃時的883.42mg/L.

3.3 在溫度低于55℃時,污泥中總的EPS含量受影響不明顯,在溫度高于60℃后,總EPS含量波動較大,蛋白質含量變化尤為明顯,由51mg/g-SS突增至116mg/g-SS,具有明顯的污泥破壁效應.

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Temperature effect of 2450MHz electromagnetic wave during sludge dewatering.

LI Dan-yi1, SANG Wen-jiao1*, ZHANG Qian1, ZHANG Wan-jun2, FENG Yang-yang3, LI Zhi-xuan1

(1.School of Civil Engineering & Architecture, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China；2.Central and Southern China Municipal Engineering Design & Research Institute Co.Ltd., Wuhan 430010, China；3.Anhui Urban Construction Design Institute Co.Ltd., Hefei 230051, China)., 2018,38(11)：4147~4152

In this paper, theinfluence of temperature on residual sludge properties and solubility was studied during the process of sludge dewatering with 2450MHz electromagnetic wave. Results showed that sludge volume index (SVI) decreased from 130.73mL/g to 95.25mL/g at 80℃, which improved the sludge settlement performance. At the same time, the centrifugal water content of the sludge achieved the lowest of 93.52% at 80℃ and the capillary suction time (CST) of the sludge decreased to 23.2s at 60℃. The value of the specific resistance to filtration (SRF), however, was always higher than the initial value of the raw sludge. Therefore, electromagnetic wave treatment of sludge could improve the dewaterability of centrifugal and plate frame filter press of residual sludge, while deteriorated the dewaterability of vacuum filtration. According to the analysis of the extracellular polymeric substances (EPS) and the soluble chemical oxygen demand (SCOD) in the supernatant, higher temperature was beneficial for the solubilization of sludge. The SCOD raised from the initial value of 124.1mg/L to 883.4mg/L at 80℃. The disruption of microbial cell in sludge was more obvious, when the sludge temperature was higher than 60℃. The EPS in the sludge was closely related to the change of dewaterability of the sludge.

loading of electromagnetic wave；continuous flow；temperature effect；sludge dewatering；SCOD；EPS

X703

A

1000-6923(2018)11-4147-06

李丹熠(1994-),女,山西大同人,武漢理工大學碩士研究生,主要研究方向為污水處理與污泥減量.發表論文1篇.

2018-04-12

國家自然科學基金資助項目(51108360,51208397);湖北省科技支撐計劃資助項目(2015BCA304)

* 責任作者, 副教授, whlgdxswj@126.com