鄔 艷,楊艷玲,李 星,周志偉,蘇兆陽,郭 璇 (北京工業(yè)大學(xué),北京市水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100124)

超聲對(duì)凈水沉淀污泥絮體特性及對(duì)污泥回流效能的影響

鄔 艷,楊艷玲*,李 星,周志偉,蘇兆陽,郭 璇 (北京工業(yè)大學(xué),北京市水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100124)

為解決污泥回流強(qiáng)化混凝技術(shù)存在的有毒有害物質(zhì)積累的問題,取凈水沉淀污泥經(jīng)超聲預(yù)處理后進(jìn)行回流試驗(yàn),考察超聲作用后凈水沉淀污泥絮體特性的變化及其對(duì)回流效能的影響.結(jié)果表明:超聲作用后污泥溶液的溫度升高,絮體粒徑減小,長時(shí)間作用后粒徑可降至幾個(gè)μm,且粒徑與聲能密度呈現(xiàn)相關(guān)性;1,5W/mL的超聲處理后,絮體Zeta電位降低,比表面積增大,10,15W/mL的超聲處理后絮體Zeta電位升高,比表面積有所下降;低聲能密度(1W/mL)超聲處理后污泥回流可強(qiáng)化混凝效果,30min超聲作用后污泥回流的濁度、UV254和 CODMn去除率分別提高了 2.7%、23.12%和 10.02%,長時(shí)間高聲能密度(15W/mL)超聲波處理污泥回流后混凝效果反而惡化.超聲技術(shù)對(duì)污泥回流后污染物的去除率有一定的提高,但超聲時(shí)間和聲能密度必須很好控制.

超聲作用；污泥回流；絮體特性；比表面積；FI指數(shù)

超聲技術(shù)在去除水中污染物尤其是難降解的污染物方面功效顯著.超聲空化作用時(shí)產(chǎn)生的·O、·H、·OH 自由基和 H2O2,以及泡核內(nèi)高溫(最大可達(dá)5000K以上)熱解反應(yīng)在一定條件下能有效降解水中腐植酸,鹵代烴和芳香烴類等有機(jī)物[1],同時(shí)能殺菌和消毒[2].超聲波作用于凈水沉淀污泥時(shí)同樣可有效去除污泥中的有機(jī)物及病原體[3-4],這將為污泥回流強(qiáng)化混凝處理低濁水出現(xiàn)的污泥質(zhì)量下降問題,如各種有機(jī)污染物、重金屬元素及有毒物質(zhì)積累提供新的解決方法.將超聲無害化污泥回流強(qiáng)化混凝處理低濁水,一方面提高了顆粒的有效碰撞幾率,并增加混凝劑水解產(chǎn)物的絮凝核心,從而提高混凝效果提高出水水質(zhì)[5];另一方面實(shí)現(xiàn)了污泥的資源化,且解決了污泥回流出現(xiàn)的有害物質(zhì)在污泥中富集的問題.但超聲作用之后污泥絮體的特性,如表面電荷、粒徑、比表面積等發(fā)生了很大的變化,Chu[6]研究發(fā)現(xiàn),超聲作用之后污泥絮體粒徑下降,Zeta電位也有所改變.Guan[7]等研究發(fā)現(xiàn),超聲波作用于污泥絮體時(shí)可以提高污泥中小顆粒的數(shù)量,使得絮體的比表面積整體上升,經(jīng)超聲波作用離散、破碎的絮體回流時(shí),更有利于原水顆粒間有效碰撞和破碎絮體再絮凝,從而強(qiáng)化污染物的去除.本文研究不同超聲作用條件下的凈水沉淀污泥的粒徑、Zeta電位和比表面積的變化規(guī)律,并結(jié)合污泥回流后的混凝效能,進(jìn)一步明確絮體特性的變化對(duì)污泥回流混凝效能的影響.

1 材料及方法

1.1 污泥來源

凈水沉淀污泥取自實(shí)驗(yàn)室在線模擬裝置,水樣經(jīng)常規(guī)水處理工藝混凝-沉淀-砂濾,原水在混合池中停留時(shí)間為 2min,然后經(jīng)過串聯(lián)絮凝池,共分為 3級(jí),攪拌速度依次為 350,250,150r/min,每級(jí)停留時(shí)間為 3min,模擬工藝以 PACl(聚合氯化鋁)為混凝劑,最佳投藥量為 20mg/L.沉淀污泥主要性質(zhì)如表1所示.

表1 凈水沉淀污泥性質(zhì)Table 1 Characteristics of drinking water precipitated sludge

1.2 試驗(yàn)方法及裝置

超聲處理:采用變幅桿式超聲波反應(yīng)器(圖1),反應(yīng)器主要由信號(hào)發(fā)生器、超聲波換能器、超聲探頭及反應(yīng)容器組成,超聲發(fā)生頻率為25kHz,電功率為 0～1500w(可調(diào)),鈦合金探頭直徑為 18mm,反應(yīng)容器為 250mL 的玻璃容量瓶,容器上部敞開.試驗(yàn)過程中將 100mL泥樣置于250mL容量瓶中,超聲前輕輕搖勻,然后將超聲探頭垂直伸入污泥液面 10mm下,保持每次位置一致,作用過程中不控制溫度.

圖1 超聲試驗(yàn)裝置Fig.1 Test equipment of ultraonic reactor

回流試驗(yàn):污泥回流強(qiáng)化混凝試驗(yàn)采用六聯(lián)攪拌機(jī)(深圳中潤,ZR4-6).混凝程序?yàn)?混勻(350r/min,30s);混合(300r/min,1min);快速攪拌(120r/min,1min);慢速攪拌(50r/min,15min);靜沉20min,試驗(yàn)過程中將污泥回流至混合階段,再測(cè)定上清液濁度、CODMn和 UV254等指標(biāo).靜態(tài)回流試驗(yàn)在預(yù)試驗(yàn)優(yōu)選出的最佳回流比(4%)及最佳投藥量(PACl:20mg/L)下進(jìn)行.

1.3 檢測(cè)方法

通過光學(xué)顯微鏡(Olympus, BX51TF, Japan)觀察所截取絮體的圖像,并通過CCD攝像系統(tǒng)對(duì)絮體進(jìn)行拍照.攝像系統(tǒng)具有 1944(垂直)×2952(水平)像素,通過長度為 1μm 的標(biāo)尺進(jìn)行標(biāo)定,計(jì)算得每個(gè)像素代表實(shí)際長度 0.699μm.然后通過image J圖像處理軟件對(duì)所截取的絮體平均粒徑進(jìn)行計(jì)算.

測(cè)定比表面積的預(yù)處理方法采用王毅力等[8]介紹的低溫急速冷凍-真空干燥機(jī)(labconocofreezone, 7740031, American)干燥,然后將預(yù)處理后的樣品用高速自動(dòng)比表面及孔徑分析儀(nova2000,美國)測(cè)定.

SEM圖像分析采用SCD005型離子濺射儀噴金預(yù)處理后,用FEI公司Quanta200型掃描電鏡進(jìn)行拍照.

Zeta電位采用Zeta電位儀(馬爾文 2000,UK)檢測(cè);pH用 pHS-3C測(cè)定儀測(cè)定;濁度用(HACH2100N,US)濁度儀測(cè)定;UV254采用1cm比色皿分光光度儀(UV2600)來測(cè)量,測(cè)定前水樣先經(jīng) 0.45μm 膜過濾;CODMn采用酸性高錳酸鉀滴定法測(cè)定.

通過光散射分析儀(PDA-2000)監(jiān)測(cè)絮體形成過程.PDA輸出信號(hào)包括:平均透光強(qiáng)度、脈動(dòng)值和R值.R值也稱為絮凝指數(shù)FI,可靈敏地反映懸浮液中顆粒絮凝程度的變化,是反映絮體大小和數(shù)量的重要指標(biāo).試驗(yàn)過程中,電腦每隔 2s記錄一次數(shù)據(jù).

2 結(jié)果與討論

2.1 超聲作用對(duì)污泥溫度和pH值的影響

圖2 超聲作用對(duì)污泥溫度和pH值的影響Fig.2 Effects of ultrasound on temperature and pH

超聲作用后污泥溶液溫度變化較大,污泥介質(zhì)的聲吸收特性使得超聲能量傳入后部分轉(zhuǎn)化為熱能,污泥溶液溫度升高.如圖2所示,溫度隨超聲時(shí)間的延長不斷升高,同時(shí)也隨聲能密度的增加而升高,在聲能密度為 1W/mL及 5W/mL時(shí),污泥介質(zhì)溫度僅發(fā)生了幾℃的變化,而在高聲能密度下(10,15W/mL)30min后溫度變化很大,最終可達(dá)到69℃.

圖2也反映出,超聲作用后污泥溶液pH值在±0.3的范圍內(nèi)波動(dòng),pH值變化不大說明污泥溶液體系有較大的緩沖能力.由于超聲波的空化作用產(chǎn)生的剪切力破壞了絮凝體結(jié)構(gòu),導(dǎo)致污泥破解和有機(jī)物質(zhì)溶出[9],溶出物質(zhì)重新水解后使得溶液pH值發(fā)生改變,但由于溶解的成分復(fù)雜,pH值變化無明顯規(guī)律且改變不大,因此 pH值的改變對(duì)后續(xù)污泥回流試驗(yàn)影響不大.

2.2 超聲作用對(duì)絮體特性的影響

2.2.1 平均粒徑的變化 圖 3所示為超聲作用前后污泥絮體粒徑的變化,超聲作用后簇狀結(jié)構(gòu)絮體變得松散,相應(yīng)地絮體粒徑有所下降.污泥絮體的初始粒徑為 51.03μm,粒徑隨超聲時(shí)間的增加不斷減小,在聲能密度為 1W/mL時(shí)絮體尺寸改變不大,而在聲能密度為15W/mL作用 30min后,下降 70%以上,最終粒徑降為幾個(gè)μm,說明達(dá)到一定聲能密度時(shí),絮體結(jié)構(gòu)充分瓦解,而在低聲能密度

圖3 超聲作用對(duì)污泥絮體粒徑的影響Fig.3 Effect of ultrasound on floc size

下絮體結(jié)構(gòu)只是輕微被破壞[10].在超聲作用的前5min中污泥絮體粒徑變化較大,之后粒徑隨時(shí)間的變化曲線逐漸平緩.不同聲能密度下超聲時(shí)間對(duì)粒徑的影響規(guī)律相似.而在相同作用時(shí)間點(diǎn),粒徑隨聲能密度的增大均勻下降,對(duì)5個(gè)時(shí)間點(diǎn)下粒徑與聲能密度作線性相關(guān),得到粒徑與聲能密度的相關(guān)系數(shù)依次為0.970、0.995、0.996、0.986和0.931,Feng[11]和Na[12]在研究超聲作用對(duì)活性污泥特性影響時(shí)也得出兩者具有相關(guān)性的結(jié)論.

2.2.2 Zeta電位的變化 由圖4可知,聲能密度為 1W/mL,5W/mL的超聲波作用后,污泥絮體的Zeta電位隨超聲時(shí)間延長而降低,5W/mL的超聲波作用 30min后污泥絮體的 Zeta電位降低了1.55mV,由于膠體顆粒表面各向異性且吸附電荷的能量各不相同,一部分顆粒表面帶

有較多電荷,而另一部分帶電荷較少,超聲作用后破碎后絮體由于電荷重新分配或轉(zhuǎn)移,使得破碎后絮體表面電荷更均勻[13],整體表面電荷下降.而聲能密度為 10W/mL,15W/mL的超聲波作用后,污泥絮體的 Zeta電位在2min處出現(xiàn)降低后,開始隨時(shí)間延長而升高,15W/ml的超聲波作用30min后污泥絮體Zeta電位升高了2.17mV,這可能是由于一定時(shí)間的高聲能密度超聲作用后溫度效應(yīng)顯著,溶液溫度大幅上升對(duì)鋁鹽及聚合鋁離子濃度變化影響較大,高溫促進(jìn)了鋁鹽混凝劑的水解,溶液中正離子濃度增大,同時(shí)膠體水化膜效應(yīng)大大減小,有利于未絮凝膠體顆粒重新結(jié)合,最終污泥Zeta電位升高.

圖4 超聲作用對(duì)污泥絮體Zeta電位的影響Fig.4 Effect of ultrasound on Zeta potential of pre-sonicated sludge flocs

2.2.3 比表面積的變化 由圖 5可見,絮體經(jīng)1W/ml的超聲波處理后比表面積逐漸增大,經(jīng)5W/ml,10W/ml,15W/ml的超聲波處理2min達(dá)到最大值后,一直降低,最終降至原污泥大小甚至更低,由此可初步假設(shè),比表面積在一定范圍內(nèi)隨聲能密度的增大而增加,但超過這一范圍,聲能密度增大反而會(huì)出現(xiàn)反效果.超聲作用對(duì)絮體比表面積的影響可由公式推導(dǎo)加以說明:

圖5 超聲作用對(duì)污泥絮體比表面積的影響Fig.5 Effect of ultrasound on sludge floc specific surface

絮體比表面積S可以表示為

式中:S為比表面積,Stotal為絮體總表面積,mtotal為絮體總質(zhì)量,Spart為單個(gè)絮體表面積,n為絮體個(gè)數(shù).假設(shè)干燥絮體為球形,則單個(gè)絮體表面積

式中:k為絮體表面粗糙系數(shù),rpart為單個(gè)絮體半徑.絮體個(gè)數(shù)n可表示如下

式中:mpart和vpart為單個(gè)絮體質(zhì)量的質(zhì)量和體積,ρ為絮體密度.則絮體比表面積S為

根據(jù)公式(5)可知,比表面積與絮體表面粗糙程度和粒徑有關(guān),其與表面粗糙度成正比而與粒徑成反比,且兩者對(duì)比表面積貢獻(xiàn)度一樣.張光明等[14]認(rèn)為,一定聲能密度的超聲波通過含有微小顆粒的流體介質(zhì)時(shí),顆粒會(huì)與介質(zhì)一起振動(dòng),由于不同顆粒具有不同的振動(dòng)速度,顆粒將相互碰撞、粘合.圖6(b)所示與上述研究相符,低聲能密度超聲作用下,微小污泥絮體與較大絮體碰撞、粘合成立體性更強(qiáng)且團(tuán)簇結(jié)構(gòu)更加明顯的絮體,表面粗糙程度增加,同時(shí)粒徑減小,絮體比表面積增大.聲能密度過大時(shí),在短時(shí)間內(nèi)可能只是將絮體打碎,小顆粒污泥絮體數(shù)目急劇增加,污泥整體比表面積增大;而超聲時(shí)間繼續(xù)延長,粒徑下降速度有所降低,且其表面結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,如圖6(c)所示,原來表面上出現(xiàn)凹凸不平的褶皺曲面且有少許孔狀結(jié)構(gòu)的絮體在長時(shí)間大聲能密度的超聲作用后表面變得規(guī)整且光滑,雖然粒徑仍在降低,但表面粗糙程度也極大降低,因此在大功率作用下污泥絮體的比表面積先增大后降低.

圖6 超聲作用對(duì)污泥絮體表面形態(tài)的影響Fig.6 Effect of ultrasound on sludge floc surface topography

2.3 無害化污泥回流試驗(yàn)(靜態(tài)試驗(yàn))

FI指數(shù)是反映絮體大小和數(shù)量的參數(shù),常作為評(píng)價(jià)絮凝效果的重要指標(biāo)[15].如 FI指數(shù)所示(圖 7),在混勻階段(350r/min,30s),由于非均相、未絮凝的懸浮液一般顆粒粒徑很小,FI值都維持在 0.60左右,投加混凝劑與回流污泥后,混凝劑水解產(chǎn)物與水中顆粒物及回流污泥顆粒結(jié)合,FI值出現(xiàn)了升高.進(jìn)入快速絮凝階段(120r/min,1min)后, FI直線上升,此時(shí)脫穩(wěn)的顆粒相互碰撞聚集.污泥回流后的絮體粒徑變化最大速率S相近,且都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于未回流時(shí)的 S值,穩(wěn)定后的 FI指數(shù)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于未回流時(shí),說明回流污泥提供了絮凝核心,增大了顆粒間碰撞結(jié)合的機(jī)會(huì)與速率,但是經(jīng)不同聲能密度超聲處理污泥回流的穩(wěn)定后FI指數(shù)出現(xiàn)差異,在低聲能密度(圖7a)超聲波處理后污泥回流的 FI值逐漸升高,高聲能密度(圖7b)超聲波處理后污泥回流的FI值先增后減,說明長時(shí)間低聲能密度的超聲處理后污泥回流有利于形成粒徑及強(qiáng)度較大的絮體,最終絮凝效果也相對(duì)較好.

效能曲線進(jìn)一步驗(yàn)證了以上結(jié)論,低聲能密度(圖 7c)超聲處理后污泥回流的濁度和有機(jī)物去除率相比于無超聲回流時(shí)都有所升高,30min超聲處理后污泥回流的濁度、UV254和 CODMn去除率分別提高了2.7%、23.12%和10.02%,而在高聲能密度(圖 7d)超聲處理后污泥回流的濁度和有機(jī)物去除率除了在 2min時(shí)稍有增加后(濁度、UV254和 CODMn去除率分別提高了 0.55%,3.12%和 4.1%),便一直呈現(xiàn)降低的趨勢(shì),最終濁度去除率和CODMn去除率分別下降了6.67%和4.60%,UV254變化不大.超聲作用后污泥絮體粒徑減小,比表面積增大,且顆粒數(shù)目也會(huì)增加,以上變化都為污泥回流創(chuàng)造了有利條件.一方面回流污泥提供了絮凝核心,顆粒間碰撞機(jī)會(huì)增大,混合速率得到提高[16];另一方面,較高絮體比表面積對(duì)應(yīng)較高的有機(jī)物去除率[17],根據(jù) Kobayashi[18]的研究結(jié)果,顆粒之間的力是由粘結(jié)力和微小絮體之間的接觸點(diǎn)數(shù)決定,超聲作用后絮體比表面積增大,對(duì)應(yīng)的吸附容量越大,絮體的吸附點(diǎn)數(shù)相應(yīng)越多,難以去除的顆粒被吸附到絮體表面的幾率增加,最終混凝效能提高,這也與 Guan[7]得出的超聲作用后污泥回流能強(qiáng)化污染物去除的結(jié)論一致,因此將凈水沉淀污泥進(jìn)行低聲能密度超聲處理后再回流有利于提高混凝效能.但在長時(shí)間高聲能密度作用下絮體結(jié)構(gòu)被破壞,原來被吸附的有機(jī)物釋放出來;同時(shí)吸附性能因?yàn)楸砻娼Y(jié)構(gòu)嚴(yán)重被破壞而大大降低,減小了其與脫穩(wěn)顆粒之間的碰撞結(jié)合機(jī)會(huì),有機(jī)物去除率下降;污泥絮體也會(huì)變得非常細(xì)小,沉降性能變差,大量的細(xì)小污泥絮體來不及與脫穩(wěn)顆粒充分接觸或沉淀,濁度去除率也降低,因此高聲能密度超聲處理污泥回流后混凝效能反而下降.

圖7 污泥回流效能Fig.7 Efficiency of sludge recycling

3 結(jié)論

3.1 高聲能密度的超聲場(chǎng)產(chǎn)生的熱效應(yīng)明顯,污泥溶液溫度大幅上升,而低聲能密度下溫度幾乎不改變;超聲作用后污泥溶液pH值變化不大.

3.2 超聲時(shí)間越長絮體粒徑越小,且到達(dá)一定超聲時(shí)間時(shí)繼續(xù)處理顆粒粒徑變化很小,聲能密度對(duì)絮體粒徑影響很大,經(jīng)高聲能密度超聲處理后絮體粒徑降至幾個(gè)μm,絮體粒徑與聲能密度呈線性相關(guān).Zeta電位的改變也主要受聲能密度的影響,在低聲能密度超聲作用下Zeta電位降低,在高聲能密度下Zeta電位升高,超聲前后Zeta電位總體變化不大,對(duì)回流影響較小.低聲能密度的超聲波能促進(jìn)污泥顆粒間的聚集,絮體表面褶皺增加,比表面積增大,高聲能密度的超聲波破壞絮體表面結(jié)構(gòu),絮體表面粗糙度降低,比表面積減小.

3.3 長時(shí)間低聲能密度的超聲處理后污泥回流有利于形成粒徑及強(qiáng)度較大的絮體,最終絮凝效果也相對(duì)較好.經(jīng)聲能密度為 1W/mL的超聲處理 30min后污泥回流后出水濁度、UV254和CODMn去除率分別提高了 2.7%、23.12%和10.02%,絮體粒徑的適當(dāng)減小和比表面積的增大為污泥回流創(chuàng)造了有利條件.

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Effects of ultrasound on flocs characteristics of drinking water precipitated sludge and its impact on coagulation efficiency of sludge recycling process.

WU Yan, YANG Yan-ling*, LI Xing, ZHOU Zhi-wei, SU Zhao-yang, Guo Xuan(College of Architecture and Civil Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China). China Environmental Science, 2014,34(5)：1166～1172

In the process of enhanced coagulation by recycling sludge, drinking water precipitated sludge was pre-treated by ultrasound and the recycle trails were subsequently carried out, in order to solve the enrichment problem of poisonous and pernicious substance. The effect of ultrasound on the variability offlocs characteristics of drinking water precipitated sludge was mainly focused on, and so was its impact on coagulation efficiency of sludge recycling process. After the exposure to ultrasound, the temperature of sonicated sludge solution was raised and floc size was decreased, even could drop to a few microns after a long-term treatment. And The floc size exhibited a linear correlation with the energy density.Zeta potential of flocs of pre-sonicated sludge was decreased while specific surface was improved with energy density of 1W/mL and 5W/mL, contrastively Zeta potential was raised and specific surface was decreased with energy density of 10W/mL and 15W/mL. The coagulation efficiency was enhanced by recycling pre-sonicated sludge with a low energy density (1W/mL)within 30min ultrasonication. The improvement of turbidity, UV254and CODMnremoval was 2.7%,23.12% and 10.02% respectively. Comparatively, a long time of ultrasonication under high energy density (15W/mL)could reduce the coagulation efficiency. Therefore, the ultrasound technique could enhance the pollutant removal, but the ultrasound time and energy density must be well controlled.

ultrasound；sludge recycling；flocs characteristics；specific surface；flocculation index

X703

A

1000-6923(2014)05-1166-07

2013-09-12

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51278005);北京市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(8132007);國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2012ZX07404-003);北京工業(yè)大學(xué)研究生科技基金(ykj-2012-8771)

* 責(zé)任作者, 研究員, yangyanling@bjut.edu.cn

鄔 艷(1989-),女,江西萍鄉(xiāng)人,北京工業(yè)大學(xué)碩士研究生,主要從事飲用水安全研究.