剩余污泥的超聲破解與影響因素程度分析

1、剩余污泥的超聲破解與影響因素程度分析王芬 季民 汪泳 張書(shū)廷（天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津，300072）摘要：采用超聲波技術(shù)破解污泥絮體及污泥微生物細(xì)胞，使固體性有機(jī)物與胞內(nèi)物質(zhì)變?yōu)槿芙庑杂袡C(jī)物（SCOD）。SCOD溶出率隨超聲作用時(shí)間、聲強(qiáng)及聲能密度的增加而增加，在一定聲強(qiáng)下，SCOD溶出率隨時(shí)間延長(zhǎng)呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，即污泥破解反應(yīng)遵從一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)規(guī)律。VSS的變化規(guī)律同SCOD溶出率的變化規(guī)律相似。利用多元統(tǒng)計(jì)學(xué)中t分布檢驗(yàn)方法分析諸因素對(duì)破解效果所產(chǎn)生的影響，得出各因素影響程度從大至小順序?yàn)椋撼曌饔脮r(shí)間聲強(qiáng)聲能密度。關(guān)鍵詞：超聲波；剩余污泥；破解；t分布Ultrasonic as

2、 Pretreatment for Disintegration of Waste Activated Sludge and Analysis of Contribution WANG Fen , JI Min , WANG Yong , ZHANG Shu-ting(School of Environmental Science and Technology , Tianjin University ,Tianjin ,300072)Abstract: Ultrasonic can be applied to disintegrate flocs and bacterial cells in

3、 sewage sludge. Thus the quantity of SCOD(solved chemical oxygen demand ) in the water phase is significantly increased .The degree of disintegration is improved as the ultrasonic intensity ,ultrasonic density and the reaction time increased .Under the certain ultrasonic density and ultrasonic inten

4、sity ,the degree of disintegration rises linearly as the time extends . That is to say , the reaction of sludge disintegration is the first order one . The change of the quantity of VSS is similar to the degree of disintegration. In this article, t distribution check method in the multivariate stati

5、stical analysis is used to recognize which variable affects the disintegration result most . After analyzing ,we find the influence sequence is as following :reaction timeultrasonic intensity ultrasonic density .Key words : Ultrasonic ; sewage sludge ；disintegration ; t distribution 城市污水生物處理廠剩余污泥的處理

6、費(fèi)用約占污水處理廠總運(yùn)行費(fèi)用的2540，有時(shí)甚至高達(dá)601。通常采用的污泥中溫厭氧消化工藝，存在著反應(yīng)速度慢，污泥在池內(nèi)的停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，池體體積龐大，操作管理復(fù)雜等缺點(diǎn)。污泥厭氧消化過(guò)程中，污泥水解是限速步驟2。采用一定的預(yù)處理方式，使細(xì)胞壁破裂，細(xì)胞內(nèi)含物溶出，可以加速污泥的水解過(guò)程，從而達(dá)到縮短消化時(shí)間，減少消化池容積，提高甲烷產(chǎn)量的目的。目前，國(guó)外有使用超聲波 3、堿與超聲波結(jié)合的方法 4、攪拌球磨機(jī)及高壓均質(zhì)器等機(jī)械方式 5、高壓滅菌器6等方法破解剩余污泥的實(shí)驗(yàn)研究報(bào)道。目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于污泥細(xì)胞破壁技術(shù)的研究較少。本文采用超聲波方式破解剩余污泥，主要研究了在超聲波作用下，污泥固體性有機(jī)物

7、和細(xì)胞物質(zhì)的溶出效果，并分析了超聲聲強(qiáng)、聲能密度和超聲作用時(shí)間對(duì)破解效率的影響程度。1. 實(shí)驗(yàn)原理與方法1.1 污泥來(lái)源本實(shí)驗(yàn)所采用的污泥取自一容積為40L的SBR反應(yīng)器，種泥取自天津市紀(jì)莊子污水處理廠及天津大學(xué)中水回用處理站膜生物反應(yīng)器內(nèi)污泥。SBR反應(yīng)器內(nèi)污泥停留時(shí)間為13.3d。每日運(yùn)行3個(gè)周期，處理人工模擬廢水，主要基質(zhì)為葡萄糖，進(jìn)水COD濃度為600mg/L。按照BOD：N：P為100：5：1的比例，投加葡萄糖、氯化銨（或硫酸氨）、磷酸二氫鉀（或磷酸氫二鉀）作為碳、氮、磷源。反應(yīng)器內(nèi)MLSS為50006000mg/L。取反應(yīng)器內(nèi)每一個(gè)運(yùn)行周期末的污泥，經(jīng)重力沉降，使污泥濃縮至原體積的

8、一半時(shí)，棄去上清液，用濃縮污泥(含水率為99%左右)進(jìn)行破壁實(shí)驗(yàn)。1.2 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置如圖1示，主要由超聲波換能器、超聲探頭及反應(yīng)容器組成。其中探頭式超聲發(fā)生器由寧波新芝科器研究所研制生產(chǎn)，超聲發(fā)生頻率為20KHz，電功率為3201200W（可調(diào)），鈦合金探頭直徑為20mm。圖1 超聲波處理剩余污泥的實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Schematic diagram of ultrasonic pretreatment for disintegration of waste activated sludge 1.3 實(shí)驗(yàn)方法在室溫條件下，向1000ml燒杯內(nèi)加入濃縮后的污泥，超聲探頭浸入液面1cm。

9、改變超聲破解時(shí)間，分析各指標(biāo)變化。1.4 分析項(xiàng)目及方法1.4.1 揮發(fā)性懸浮物（VSS）VSS的測(cè)定方法為取定量污泥，離心機(jī)（轉(zhuǎn)速為4500rpm）離心10min后，將離心后固體部分完全轉(zhuǎn)移至坩堝內(nèi)，放入烘箱內(nèi)于105下烘至恒重后，放入馬弗爐內(nèi)，在600下灼燒至恒重后，取出測(cè)定其VSS值。1.4.2 化學(xué)需氧量 （COD）測(cè)定COD的方法為重鉻酸鉀法。其中SCOD（溶解性化學(xué)需氧量）為離心機(jī)（轉(zhuǎn)速為4500rpm）離心40min后上清液的COD值；總化學(xué)需氧量（TCOD）為被處理污泥混合液的COD值。2. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了輸出功率為720W時(shí)破解1000ml及500ml污泥與384

10、W、192W時(shí)破解1000ml污泥的實(shí)驗(yàn)，即聲強(qiáng)為0.72W/ml、1.44W/ml、0.384W/ml及0.192W/ml，聲能密度為229.2W/cm2、122.23W/cm2、61.11 W/cm2時(shí)破解污泥的實(shí)驗(yàn)。2.1 SCOD溶出率的變化本文中SCOD溶出率定義為超聲波破解后污泥SCOD扣除破解前SCOD值后占TCOD的百分率。SCOD溶出率隨超聲作用時(shí)間和聲強(qiáng)的變化如圖2所示。圖2 不同超聲聲強(qiáng)下，SCOD溶出率隨超聲作用時(shí)間變化圖Fig.2 Degree of sludge disintegration under different ultrasonic intensity

11、and time由圖2可以看出，隨著聲強(qiáng)與破解時(shí)間的增加，SCOD溶出率顯著增加。在聲強(qiáng)為0.192W/ml、0.384W/ml、0.72W/ml、1.44W/ml時(shí)，破解10min后， SCOD溶出率分別為：5.79、8.47、17.0、26.1；而破解30min后，各實(shí)驗(yàn)聲強(qiáng)下，SCOD溶出率分別為 24、30、42.6、68.36?？梢?jiàn)聲強(qiáng)與超聲作用時(shí)間都是影響超聲破解效果的重要因素。由圖2還可以看出，在實(shí)驗(yàn)超聲作用時(shí)間范圍內(nèi)，隨著破解時(shí)間的延長(zhǎng)，SCOD溶出率呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。以SCOD溶出率（Y1）對(duì)時(shí)間t作圖為一直線（如圖2示），說(shuō)明在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的反應(yīng)時(shí)間內(nèi)，超聲波破解污泥的反應(yīng)符合一

12、級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)規(guī)律。Y1kt 式中k值為破解速率常數(shù)。采用最小二乘法擬合k、R2，得出不同聲強(qiáng)下，污泥破解的破解速率常數(shù)，具體結(jié)果見(jiàn)表1所示。表1 超聲波破解污泥反應(yīng)擬合結(jié)果 Table 1 Results of fitting for the sludge disintegration by ultrasonic 超聲作用聲強(qiáng)（W/ml）kR20.1920.66670.94640.3840.8920.97690.721.53790.97401.442.40340.9841 表1中k值越大說(shuō)明污泥破解反應(yīng)的速率越快。以聲強(qiáng)對(duì)破解速率常數(shù)k作圖如圖3所示。 圖3 聲強(qiáng)與破解速率動(dòng)力學(xué)常數(shù)關(guān)系圖Fi

13、g. 3 Relationship between ultrasonic intensity and rate constant 由圖3可以看出，隨著超聲聲強(qiáng)的增加，污泥破解速率加快。這可能是因?yàn)殡S著超聲聲強(qiáng)的增大，超聲波產(chǎn)生的羥基自由基增多，而且超聲空化氣泡產(chǎn)生的機(jī)械剪切力增大的緣故。圖4 不同超聲作用時(shí)間下， SCOD溶出率隨聲能密度的變化圖Fig. 4 Relationship between ultrasonic density and degree of disintegration under different time 由圖4可以看出，隨超聲作用時(shí)間與聲能密度的增加，SCOD溶

14、出率增加。聲能密度為229.2W/cm2下破解污泥30min，SCOD溶出率可達(dá)42.6；而在聲能密度為61.11W/cm2下，破解污泥30min，SCOD溶出率僅為24?？梢钥闯?，超聲聲能密度也是影響破解效果的一個(gè)因素。2.2 VSS 的變化將破解前后污泥VSS的差值占破解前污泥VSS的百分率定義為VSS減少率。VSS減少率隨時(shí)間與聲強(qiáng)變化如圖5示。由圖5可知，隨著超聲作用時(shí)間與聲強(qiáng)的增加，VSS減少率增加。由圖5還可看出，在實(shí)驗(yàn)超聲作用時(shí)間范圍內(nèi)，隨著破解時(shí)間的延長(zhǎng)，VSS減少率呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，該變化趨勢(shì)與SCOD溶出率的變化趨勢(shì)吻合的亦較好。該關(guān)系與SCOD溶出率與聲強(qiáng)、超聲作用時(shí)間的關(guān)

15、系類(lèi)似，這是因?yàn)镾COD的溶出是由于超聲波破解作用破壞污泥絮體及污泥細(xì)胞壁，從而導(dǎo)致胞內(nèi)物質(zhì)由污泥相進(jìn)入水相引起的。而胞內(nèi)物質(zhì)的溶出會(huì)引起總懸浮固體量的減少。所以，SCOD溶出率的變化與VSS減少率的變化規(guī)律基本一致。圖5 不同超聲聲強(qiáng)下，VSS減少率隨時(shí)間變化圖Fig. 5 Reduction ratio of VSS under different ultrasonic intensity and time 2.3 聲能密度、聲強(qiáng)及作用時(shí)間對(duì)破解效果影響程度分析為了進(jìn)一步探求各實(shí)驗(yàn)條件對(duì)污泥破解效果的影響程度，本文以SCOD溶出率（Y1）與VSS減少率（Y2）作為因變量，以聲強(qiáng)（X1）、聲

16、能密度（X2）及超聲作用時(shí)間（X3）作為自變量進(jìn)行多元統(tǒng)計(jì)分析，得出以下回歸模型。Y1=16.3216+18.1860X1+0.0414X2+1.1961X3 (1)Y2=14.8414+13.7953X1+0.0638X2+0.09636X3 (2)式中：Y1SCOD溶出率（） Y2VSS減少率（）X1聲強(qiáng)（W/ml） X2聲能密度（W/cm2）X3超聲作用時(shí)間（min）對(duì)式（1）與（2）中因變量與自變量作相關(guān)性檢驗(yàn)與t分布檢驗(yàn)，結(jié)果表2示。表2 回歸檢驗(yàn)參數(shù)表Table 2 Results of regression check X1X2X3RY1v0.95520.84050.98030.

17、9555 t4.516651.555649.73512Y2 v0.94210.93960.97700.9571 t3.924572.752048.99540注：R復(fù)相關(guān)系數(shù) ；v偏相關(guān)系數(shù)； tt分布檢驗(yàn)值分析表2中參數(shù)可見(jiàn)，（1）和（2）回歸式的復(fù)相關(guān)系數(shù)R均大于95，證明回歸模型與數(shù)據(jù)樣本擬合程度優(yōu)良。各自變量與因變量間偏相關(guān)系數(shù)也均大于84，說(shuō)明各實(shí)驗(yàn)條件表征量值與實(shí)驗(yàn)效果表征量值的相關(guān)性較好。進(jìn)一步分析各自變量t分布檢驗(yàn)值，除聲能密度值僅能通過(guò)置信度為80的t檢驗(yàn)分布外，聲強(qiáng)與超聲作用時(shí)間均可通過(guò)置信度為99的t檢驗(yàn)分布。這一現(xiàn)象標(biāo)志著兩者對(duì)污泥破解效果影響高度顯著。根據(jù)t值相對(duì)大小，

18、判定三條件對(duì)超聲破解污泥效果的影響程度從大到小的順序?yàn)椋撼曌饔脮r(shí)間、聲強(qiáng)、聲能密度。 3 結(jié)論（1）采用超聲波技術(shù)破解污泥，可以破壞污泥絮體及污泥細(xì)胞，使胞內(nèi)物質(zhì)由污泥相進(jìn)入水相，導(dǎo)致水相中SCOD值增加。SCOD溶出率隨聲強(qiáng)、超聲作用時(shí)間及聲能密度的增加而增加。聲強(qiáng)為0.192W/ml與1.44W/ml時(shí)，破解污泥30min , SCOD溶出率分別為24、68.36。（2）在一定聲強(qiáng)與聲能密度下，SCOD溶出率隨時(shí)間延長(zhǎng)線性增長(zhǎng)。即在本實(shí)驗(yàn)時(shí)間范圍內(nèi)，污泥破解反應(yīng)相對(duì)于時(shí)間符合一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)規(guī)律。而且，破解反應(yīng)速率常數(shù)隨聲強(qiáng)的增加而增大。（3）用多元統(tǒng)計(jì)學(xué)中t 分布檢驗(yàn)方法，分析各變量對(duì)破

19、解效果影響程度，得出諸實(shí)驗(yàn)條件對(duì)破解效果影響程度順序?yàn)椋撼曌饔脮r(shí)間聲強(qiáng)聲能密度。參考文獻(xiàn)：1 Low E W ,Chase H A. Reducing production of excess biomass during wastewater treatment J.Water Research,1999,33(5):1119-11322Eastman,J.A. and Ferguson, J.F.(1981).Solubilization of particulate organic carbon during the acid phase of anaerobic digestion .JWPCF ,53(3),3523663Tiehm,A,Nickel,K.and Neis,U.The use of ultrasound to accelerate the anaerobic digestion of sewage sludgeJ.Wat.Sci.Tech.,1997,36(11),1211284Chiu,Y.C.Chang ,C.N.,Lin,J.G.and Huang,S.J.,Alkaline and ultra