超声波处理剩余污泥的理化特性外文翻译资料

英语原文共 8 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

超声波处理剩余污泥的理化特性

摘要

本文探讨超声级别控制处理污泥的理化特性。结果表明，超声波的能量对污泥的理化特性有很强的影响。基于浊度和沉降速度的测定，1000kj/kgTS被推荐为用于改善污泥沉淀的最佳特定能量输入。为了达到污泥分解的目的，对污泥施加高强度的能量比施加较低能量的效果会更好。然而，使污泥彻底分解的单一最佳值是无法确定的。超声波处理的可能机制也进行了探讨。

关键词：超声波；比能耗；破解；剩余污泥；理化特性；沉降性

1.引言

大量的剩余污泥（WAS）是在污水生物处理过程中产生的。在处理剩余污泥过程中出现很多技术问题，而且这些问题很容易造成二次环境污染。与剩余污泥管理相关的成本可能占据废水处理过程总成本的35-50％。因此减少在污水处理过程中产生的污泥量是非常必要的。以往的研究已经表明，当污泥再循环到生物池或送入厌氧消化池中，分解污泥可以提高其生物降解性。为了加快在剩余污泥中的有机化合物的降解，污泥经常使用各种物理和化学方法进行预处理，例如热解，机械降解，超声波处理，臭氧处理，酸化，和碱性合成等。碱性和超声波处理的组合也进行了研究。在这些处理方法中，通常认为超声波和臭氧对环境是无害的。

最近的研究表明，超声波可以作为污泥破解、加速厌氧消化、提高甲烷产量和脱水能力的一种有效方法。已经研究了包括能量，频率，持续时间和强度等各种超声参数对污泥特性的影响。之前的工作表明，时间长（120min）、低频率（20kHz）和相对较高的超声波强度（0.44W/ml）对污泥分解最有效。但是，当高能量超声波施加到污泥中，污泥沉降性能变差。这些结果可以归因于超声诱导的声空化现象。在长时间超声中，污泥的温度明显上升。这种热效应是不可避免的，并且必须在处理过程的设计中被考虑到。

以前的研究主要集中于超声能量，持续时间和强度这三者如何影响污泥的化学需氧量（COD），生化需氧量（BOD），粒径和毛细吸水时间。很少有报道强调超声波能量如何影响剩余污泥的各种理化特性。因此，本研究的重点是不同的超声能量水平对剩余污泥的理化特性的影响，以确定最有效的污泥破解所需的能量。在这项研究中检查待检测的物理性质包括沉降性、絮体大小、显微镜观察和物质组分。待测的化学性质为COD、铵盐和硝酸盐氮的含量，以及上清液的蛋白质和多糖含量。通过超声波处理改变污泥理化特性的可能机制也进行了讨论。

2.材料与方法

2.1 材料

剩余污泥的样品是从中国广州大坦沙城镇污水处理厂中收集，是在每天55万吨的流量下，采用厌氧-缺氧-好氧的处理流程中收集的。所收集的淤泥被立即转移到实验室，并保证在使用前存储在4℃环境下塑料盒中。污泥特性列于表1中。

表1：最初污泥样品的特性（平均plusmn;标准差）

2.2 实验装置

在此研究中使用的超声波装置是由位于中国广州的科达超声设备有限公司制造的。它配备有一个直径20mm、长度135毫米的MS73钛圆柱形探针。它在20kHz的频率下操作，并可在300-2000W范围内调整。将剩余污泥的样品（500ml）放入1000ml的三角烧瓶中，并在超声处理之前充分混合。在测试时，将探针浸入污泥10mm处。超声能量在0和26,000kJ/ kg的总固体（TSS）之间变化，以确定分解污泥的最佳条件。特定的能量定义为超声波能量与时间的乘积，除以样品体积和最初总固体的初始浓度乘积。

(1)

以往的研究表明，污泥的温度在长时间的超声环境中可以上升18-37℃。超声波产生的热量总是伴随着声空化和搅拌而来。因此，本研究调查了超声波能量和超声波持续的时间对污泥温度的影响。从理论上来讲，加热水所需要的能量等于水的质量、水的比热容和温度差三者的乘积。通过超声波产生的实际能量定义为超声波的功率与超声波持续时间的乘积。声能转化为热能的效率为所需要的能量与超声波实际产生的能量之比。

（2）

（3）

（4）

用100,0000KJ/kg能量的超声波处理剩余污泥时，在1000s的时间内，温度只增加了4℃（图1）。从声能转换为热能的效率0.84-2.33％。这些结果表明，超声导致的污泥温度的升高对这项工作中的结果没有显著影响。因此，在实验过程中没有去控制污泥的温度。此外，污泥的pH值没有被监测。每组超声波相同条件下进行了三次实验，结果报告是标准误差值的平均值。统计相关性利用的是SPSS软件(11.5.0版本)。

图1：超声波能量和超声波持续时间对污泥温度的影响

没有经过超声处理的污泥样品用沉降速率(SV)，残渣总量(TSs)，挥发性固体(VSS)，总溶解固体(TDSS)以及颗粒的尺寸分布来分析。样品在25℃的环境下，以4000r/m的速率离心30分钟(通用32 R 离心机，海蒂，德国)，并且将上清液除去，用来测定化学需氧量，铵氮含量，硝酸盐氮的成分，以及胞外聚合物是否存在。

2.3 物理特性的测定

沉降速率在常规的过程控制中是污泥最重要的沉降参数之一，而且沉降速率在控制剩余污泥排放和污泥膨胀中起着决定性的作用。沉降速率测定如下：将100ml没有经过超声处理的污泥样品搅拌均匀，并转移到一个直径为27mm的玻璃圆筒中。经过一段时间后，污泥的高度稳定下来，从而测得沉降速率。尽管在管中测试有较强的墙壁效应，但是对于相同条件下测定相对不同沉降速率值来说，这种效应是无关紧要的。

没有经过超声处理的污泥样品先自由沉降24h，在这之后，上清液的浊度使用标准方法进行测定。污泥样品中的颗粒大小分布使用激光测定粒度分析仪（LS-pop III，OMEC，中国），这种仪器可以检测颗粒尺寸范围是0.2-200mu;m。结果根据其颗粒尺寸范围表示：DP25，DP50，DP75和DP90。例如，DP90被定义为临界直径，其中90％的颗粒（体积）的直径等于或小于90。

样品的残渣总量、挥发性固体量和总溶解固体量是按照标准方法测定。溶解量增加的计算方法为超声波处理后的总溶解固体量与最初的总溶解固体量之间的差值（公式5）。类似的定义可以被应用到计算铵态氮、上清液的蛋白质和多糖含量。污泥絮体结构的显微镜检查是在超声波处理后立即进行，以确保任何观察到的变化是超声的产物。用吸管吸取1ml的污泥样品，并均匀涂抹在显微镜载玻片上。在能观察到絮状结构的那一点，用尼康i50数码荧光显微镜放大100倍后进行拍摄。

(5)

2.4 化学特性的测定

离心污泥样品上清液的化学需氧量假定为等于样品的可溶性化学需氧量（SCOD），它反映的是从颗粒级转移到可溶性组分所需要的化学需氧量的程度。因此为了理解在污泥中任何超声诱导的结果，调查上清液中可溶性化学需氧量是有必要的。总的可溶性化学需氧量(TSCOD)通过碱性水解方法测得，其中这原始的污泥样品混合着0.5m 的NaOH溶液，并在室温条件下保存24h。污泥上清液的可溶性化学需氧量根据标准方法测定。

为了检测在污泥中超声波对氮传递的效果，对污泥样品进行离心。上清液中氨态氮和硝酸盐氮根据标准方法测定。

污泥上清液的胞外聚合物含量用T6紫外/可见分光光度计（PGeneral，中国）测定。蛋白质和多糖的浓度分别用考马斯亮蓝G-250在595nm处的吸光度以及蒽酮法在625nm处的吸光度测定。

3. 结果与讨论

3.1 物理特性

3.1.1 超声波对沉降速率的影响

生物悬浮液的沉降速率对于监测例行生物过程是一个有效的参数。处理前后污泥样品的沉降速率对比如图2。沉降速率值在第一个小时后增加，但随后下降。在4-8h内，处理过的污泥的沉降速率几乎等同于未处理的污泥沉降速率。沉降速率的变化可能与沉淀的污泥密度增加有关系。另一方面，在处理的和未处理污泥之间沉降速率的差异可能反映了由于超声处理产生的絮凝物在尺寸和形状的不同(图4和图6)，超声处理后内外材料的释放导致了污泥再絮凝现象。这些实验表明，超声波对污泥的效果可能会持续几个小时。

图2：超声波能量对沉降速率的影响

超声波的不同能量对沉降速率的影响进行了测试。对污泥分别施加以500kJ/kg和1000kJ/kg的能量，沉降速率分别为51.62mm/h和57.44mm/h，45分钟后，未经处理的污泥沉降速率大于48.44mm/h。用比能大于1000kJ/kg处理污泥得到的残渣固体沉降速率比未处理的要慢，进一步提升能量可以使沉降速率的差别缩小。用沉降速率测量，具有高比能(gt;5000kJ/kg)的超声治疗未能改善污泥的沉降。这些结果反映了一个事实，即高比能处理更能降低絮大小以及使有机物质进入液相。因此具有1000kJ/kg高比能的残渣总量作为提高污泥沉降的最佳选择。而Chu et al.等人的结论是，超声波处理不影响污泥沉降，这样的结果与都改变粒径和絮状结构相矛盾。这些改变都是发生在超声波处理后，并且确定超声波对污泥沉降速率有影响。

3.1.2 超声波对上清液浊度的影响

处理过的污泥的上清液的浊度lt;5000kJ / kg。和未处理的相比较，用500和1000kJ/kg能量比的残渣总量处理，能分别是上清液浊度降低27.69%和43.52%(图3)。当用了剂量5000kJ/kg的残渣总量处理后，混浊率也大幅度提高。这是最有可能归因于从污泥絮凝物释放到高能量剂量的上清液微粒量的增加，因为高能量超声波可以产生很多较小的粒子（图4）。这些微颗粒，其密度几乎等于水的密度，沉降很慢。与此相反，下面1000kJ/ kg的TS能量剂量治疗勉强破坏絮状结构，因此不释放大量的微颗粒到上清液有机物。因此，本研究表明，1000kJ/kg的残渣总量为这些实验条件下分解污泥所需的最低能量。这个结果得到了Bougrier et al. 和Gonze et al.两位学者的赞同。

图4：超声波对污泥上清夜浊度的影响

3.1.3 超声波对颗粒分布的影响

经过处理和未处理的污泥颗粒尺寸分布，用dp25，dp50，dp75和dp90来衡量(图4)。所有的被观察颗粒直径均小于100mu;m。未经处理的污泥dp90是77.05mu;m，平均直径为40.49mu;m。当超声波的比能从500增加到26000千焦耳/公斤TS，该DP90从75.77下跌至55.06mu;m。平均直径也从39.79下降到27.54mu;m。因此，超声波显著增加颗粒物所占的体积，扰乱了污泥絮体结构。事实上，颗粒大小和能量剂量在0.01显着性水平呈现-0.996负相关。这些结果得到了Na et al.和El-Hadj et al.两位学者的赞同，他们观察到通过超声波处理，形状发生了相似的变化。但是，超声波能量在低于1000千焦/ kg的TS，相对于未经处理的污泥的DP90中的减少为3.2％。相对比，用26000kJ/kg TS处理的污泥dp90则降低了28.5%。1000KJ/kg的TS的比能可能是阈值，低于该值，絮状结构仅轻微破坏但是如果高于这个值，该细胞就会分解并释放胞内物质。Chu et al.和Bougrier et al.两位学者有相同的结论。

图4：超声波能量对污泥颗粒大小的影响

与dp90类似，其他颗粒形状的分布，如dp25，dp50和dp75，都随着能量的增加而降低。但是降低的程度随粒径分布的不同而不同。在26000kJ/kg TS超声波处理下，与未经处理的相比，dp25，dp50,和dp75分别下降了37.6%，34.2%和31.8%。这表明，超声波对于处理细小颗粒更有效果。

3.1.4 超声波对组成成分的影响

超声波处理期间的TS和VS分别都保持几乎恒定的4370和8784毫克/升（图5）。这表明，在以前的研究中所报告的矿化和蒸发效应在此次研究中不存在。Es与TS和VS的相关系数进一步表明，TS和VS是独立的（表2）。

与此相反，超声强烈影响上清液中存在的的可溶性物质的量。TDS随着能量的增加而增加，相对于未处理的淤泥，用500-26000KJ/kg的TS处理后，分别增加2.89-45.76%。而且，能量和TDS之间有强相关性(r=0.987，Plt;0.01)。

超声波极大地促进了从固体到液态的变化，但是即使在26000kJ/kg剂量的条件下溶解的还是不彻底。这个结果和之前的研究不太一样，之前的研究把10000kJ/kg TS作为增溶的最佳比能，因为比能超过10000kJ/kg TS后，可溶性物质的量持续增加（图5）。

图5：超声波能量对污泥成分组成的影响

3.1.5 显微镜观察

在100times;放大倍数观察絮状结构，可以很好的看到由于超声波处理导致的一系列变化（图6）。渐渐地，絮状结构被打破，絮状团也变得分散，这个可能是由于颗粒粒径变小的原因。以前的研究已经表明，在絮状结构所观察

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[148022]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word