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 張書廷（天津大學環(huán)境科學與工程學院，天津，300072）摘要：采用超聲波技術破解污泥絮體及污泥微生物細胞，使固體性有機物與胞內物質變?yōu)槿芙庑杂袡C物（SCOD）。SCOD溶出率隨超聲作用時間、聲強及聲能密度的增加而增加，在一定聲強下，SCOD溶出率隨時間延長呈線性增長趨勢，即污泥破解反應遵從一級反應動力學規(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)計學中t分布檢驗方法分析諸因素對破解效果所產(chǎn)生的影響，得出各因素影響程度從大至小順序為：超聲作用時間聲強聲能密度。關鍵詞：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、費用約占污水處理廠總運行費用的2540，有時甚至高達601。通常采用的污泥中溫厭氧消化工藝，存在著反應速度慢，污泥在池內的停留時間過長，池體體積龐大，操作管理復雜等缺點。污泥厭氧消化過程中，污泥水解是限速步驟2。采用一定的預處理方式，使細胞壁破裂，細胞內含物溶出，可以加速污泥的水解過程，從而達到縮短消化時間，減少消化池容積，提高甲烷產(chǎn)量的目的。目前，國外有使用超聲波 3、堿與超聲波結合的方法 4、攪拌球磨機及高壓均質器等機械方式 5、高壓滅菌器6等方法破解剩余污泥的實驗研究報道。目前，國內關于污泥細胞破壁技術的研究較少。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，污泥固體性有機物

7、和細胞物質的溶出效果，并分析了超聲聲強、聲能密度和超聲作用時間對破解效率的影響程度。1. 實驗原理與方法1.1 污泥來源本實驗所采用的污泥取自一容積為40L的SBR反應器，種泥取自天津市紀莊子污水處理廠及天津大學中水回用處理站膜生物反應器內污泥。SBR反應器內污泥停留時間為13.3d。每日運行3個周期，處理人工模擬廢水，主要基質為葡萄糖，進水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。反應器內MLSS為50006000mg/L。取反應器內每一個運行周期末的污泥，經(jīng)重力沉降，使污泥濃縮至原體積的

8、一半時，棄去上清液，用濃縮污泥(含水率為99%左右)進行破壁實驗。1.2 實驗裝置實驗裝置如圖1示，主要由超聲波換能器、超聲探頭及反應容器組成。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），鈦合金探頭直徑為20mm。圖1 超聲波處理剩余污泥的實驗裝置圖Fig.1 Schematic diagram of ultrasonic pretreatment for disintegration of waste activated sludge 1.3 實驗方法在室溫條件下，向1000ml燒杯內加入濃縮后的污泥，超聲探頭浸入液面1cm。

9、改變超聲破解時間，分析各指標變化。1.4 分析項目及方法1.4.1 揮發(fā)性懸浮物（VSS）VSS的測定方法為取定量污泥，離心機（轉速為4500rpm）離心10min后，將離心后固體部分完全轉移至坩堝內，放入烘箱內于105下烘至恒重后，放入馬弗爐內，在600下灼燒至恒重后，取出測定其VSS值。1.4.2 化學需氧量 （COD）測定COD的方法為重鉻酸鉀法。其中SCOD（溶解性化學需氧量）為離心機（轉速為4500rpm）離心40min后上清液的COD值；總化學需氧量（TCOD）為被處理污泥混合液的COD值。2. 實驗結果與討論本實驗進行了輸出功率為720W時破解1000ml及500ml污泥與384

10、W、192W時破解1000ml污泥的實驗，即聲強為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時破解污泥的實驗。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間和聲強的變化如圖2所示。圖2 不同超聲聲強下，SCOD溶出率隨超聲作用時間變化圖Fig.2 Degree of sludge disintegration under different ultrasonic intensity

11、and time由圖2可以看出，隨著聲強與破解時間的增加，SCOD溶出率顯著增加。在聲強為0.192W/ml、0.384W/ml、0.72W/ml、1.44W/ml時，破解10min后， SCOD溶出率分別為：5.79、8.47、17.0、26.1；而破解30min后，各實驗聲強下，SCOD溶出率分別為 24、30、42.6、68.36?？梢娐晱娕c超聲作用時間都是影響超聲破解效果的重要因素。由圖2還可以看出，在實驗超聲作用時間范圍內，隨著破解時間的延長，SCOD溶出率呈線性增長趨勢。以SCOD溶出率（Y1）對時間t作圖為一直線（如圖2示），說明在實驗進行的反應時間內，超聲波破解污泥的反應符合一

12、級反應動力學規(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，得出不同聲強下，污泥破解的破解速率常數(shù)，具體結果見表1所示。表1 超聲波破解污泥反應擬合結果 Table 1 Results of fitting for the sludge disintegration by ultrasonic 超聲作用聲強（W/ml）kR20.1920.66670.94640.3840.8920.97690.721.53790.97401.442.40340.9841 表1中k值越大說明污泥破解反應的速率越快。以聲強對破解速率常數(shù)k作圖如圖3所示。 圖3 聲強與破解速率動力學常數(shù)關系圖Fi

13、g. 3 Relationship between ultrasonic intensity and rate constant 由圖3可以看出，隨著超聲聲強的增加，污泥破解速率加快。這可能是因為隨著超聲聲強的增大，超聲波產(chǎn)生的羥基自由基增多，而且超聲空化氣泡產(chǎn)生的機械剪切力增大的緣故。圖4 不同超聲作用時間下， 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。可以看出，超聲聲能密度也是影響破解效果的一個因素。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減少率隨時間與聲強變化如圖5示。由圖5可知，隨著超聲作用時間與聲強的增加，VSS減少率增加。由圖5還可看出，在實驗超聲作用時間范圍內，隨著破解時間的延長，VSS減少率呈線性增長趨勢，該變化趨勢與SCOD溶出率的變化趨勢吻合的亦較好。該關系與SCOD溶出率與聲強、超聲作用時間的關

15、系類似，這是因為SCOD的溶出是由于超聲波破解作用破壞污泥絮體及污泥細胞壁，從而導致胞內物質由污泥相進入水相引起的。而胞內物質的溶出會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 不同超聲聲強下，VSS減少率隨時間變化圖Fig. 5 Reduction ratio of VSS under different ultrasonic intensity and time 2.3 聲能密度、聲強及作用時間對破解效果影響程度分析為了進一步探求各實驗條件對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（X1）、聲

16、能密度（X2）及超聲作用時間（X3）作為自變量進行多元統(tǒng)計分析，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（W/ml） X2聲能密度（W/cm2）X3超聲作用時間（min）對式（1）與（2）中因變量與自變量作相關性檢驗與t分布檢驗，結果表2示。表2 回歸檢驗參數(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復相關系數(shù) ；v偏相關系數(shù)； tt分布檢驗值分析表2中參數(shù)可見，（1）和（2）回歸式的復相關系數(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系數(shù)也均大于84，說明各實驗條件表征量值與實驗效果表征量值的相關性較好。進一步分析各自變量t分布檢驗值，除聲能密度值僅能通過置信度為80的t檢驗分布外，聲強與超聲作用時間均可通過置信度為99的t檢驗分布。這一現(xiàn)象標志著兩者對污泥破解效果影響高度顯著。根據(jù)t值相對大小，

18、判定三條件對超聲破解污泥效果的影響程度從大到小的順序為：超聲作用時間、聲強、聲能密度。 3 結論（1）采用超聲波技術破解污泥，可以破壞污泥絮體及污泥細胞，使胞內物質由污泥相進入水相，導致水相中SCOD值增加。SCOD溶出率隨聲強、超聲作用時間及聲能密度的增加而增加。聲強為0.192W/ml與1.44W/ml時，破解污泥30min , SCOD溶出率分別為24、68.36。（2）在一定聲強與聲能密度下，SCOD溶出率隨時間延長線性增長。即在本實驗時間范圍內，污泥破解反應相對于時間符合一級反應動力學規(guī)律。而且，破解反應速率常數(shù)隨聲強的增加而增大。（3）用多元統(tǒng)計學中t 分布檢驗方法，分析各變量對破

19、解效果影響程度，得出諸實驗條件對破解效果影響程度順序為：超聲作用時間聲強聲能密度。參考文獻：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