汪 萱, 林秀鋒,王亞軍,王 惠,馬 江,楊亞紅

(1 蘭州興蓉環(huán)境發(fā)展有限責(zé)任公司，蘭州 730070；2 蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院，蘭州 730050)

前 言

隨著城市發(fā)展，城市產(chǎn)生的污泥越來越多?！端廴痉乐涡袆佑?jì)劃》，即“水十條”中明確了污泥處理的重要性，還要求地級及以上城市需要在2020年底前將污泥無害化處理處置比例提高到90%以上。污泥的高含水率，使得污泥在后續(xù)處理前，必須要進(jìn)行脫水處理，所以提高污泥的脫水性能是很有必要的。有部分報(bào)道文獻(xiàn)指出，污泥的脫水性能與污泥胞外聚合物的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)有關(guān)[1]。超聲波處理可改變胞外聚合物的結(jié)構(gòu)和形態(tài)。

超聲波技術(shù)是一種無二次污染且高效的處理技術(shù)，其作用的主要原理是將能量通過高頻聲波的形式輸入污泥試樣中，從而破解污泥絮體，以此來達(dá)到目的[2-3]。將這種清潔技術(shù)應(yīng)用于污泥的研究有很多?？刹煌貐^(qū)，由于人們的生活方式、飲食習(xí)慣、自然條件等的不同，導(dǎo)致污泥也不盡相同，故結(jié)合地區(qū)情況，研究污泥的超聲波性能是有必要的。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，超聲波三因素的關(guān)聯(lián)度分析鮮有報(bào)道。

該研究選用的超聲波為20 kHz和40 kHz頻率下的10 W到50 W超聲波。通過污泥比阻(SRF)和毛細(xì)吸水時(shí)間(CST)來探究有效的超聲波參數(shù)并篩選出最適宜的參數(shù)，同時(shí)通過不同參數(shù)下的脫水表現(xiàn)，探究超聲波頻率、功率、時(shí)間與污泥脫水性能的關(guān)聯(lián)程度。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料(污泥)

實(shí)驗(yàn)污泥來自蘭州市某污水處理廠回流污泥，該廠處理規(guī)模為20萬m3/d，采用A2O處理工藝。污泥取回后，立即放入4 ℃冰凍保存，且只保存使用3 d[4]，故結(jié)合實(shí)驗(yàn)周期，樣品分為3批取樣并保存實(shí)驗(yàn)，污泥基本參數(shù)見表1。

表1 污泥基本參數(shù)Tab.1 Basic properties of sludge

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 污泥調(diào)理方法

取500 mL污泥于燒杯中，再以某確定參數(shù)的超聲波處理，以此作為實(shí)驗(yàn)組，具體超聲波參數(shù)和處理方式見表2，所有實(shí)驗(yàn)均重復(fù)3次取均值。各參數(shù)段超聲波處理實(shí)驗(yàn)使用污泥批次如表2所示，最佳超聲波參數(shù)篩選實(shí)驗(yàn)，即超聲波對比實(shí)驗(yàn)采用第3批污泥。

表2 超聲波處理方案參數(shù)Tab.2 Ultrasonic treatment scheme parameters

1.2.2 測定指標(biāo)

(1)污泥毛細(xì)吸水時(shí)間(CST)：CST采用型號DP139530測定儀(北京亞歐德鵬科技有限公司)配合原裝濾紙進(jìn)行測試。

(2)污泥比阻(SRF)：SRF采用型號為PJK02(上海江科實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司)的污泥比阻實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行測試。測試結(jié)束后，采用以下公式進(jìn)行計(jì)算[5]。

(1)

式中各參數(shù)：

SRF為比阻，m/kg；

P為過濾壓力，kg/m2；

A為過濾面積，m2；

b為斜率，由實(shí)驗(yàn)求得，為污泥過濾時(shí)間和濾液體積比值(t/V)與濾液體積(V)之間的關(guān)系斜率；

C為濾過單位體積的濾液在過濾介質(zhì)上的截留干固體含量，kg/m3；

μ為濾液的動力粘度，kg·s/m2。

1.2.3 灰關(guān)聯(lián)度分析的概念和計(jì)算方式

關(guān)聯(lián)度是指兩個系統(tǒng)之間的因素，隨著時(shí)間或者其它因素的不同而變化的關(guān)聯(lián)性大小，是關(guān)聯(lián)性大小的量化。關(guān)聯(lián)度越高，表示這兩個因素的變化趨勢一致性越高，同步程度越高；反之，關(guān)聯(lián)度越低，則二者之間變化趨勢和同步性越低。灰色關(guān)聯(lián)分析即是一種可以定量地分析比較系統(tǒng)之內(nèi)的各個因素之間關(guān)聯(lián)程度的分析方法。滿足本分析需求，可以用來分析超聲波頻率、功率、時(shí)間三方面因素和調(diào)理效果即脫水性能系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)程度，從而確定因素主次。

灰關(guān)聯(lián)系數(shù)和灰關(guān)聯(lián)度的計(jì)算如下[6]：

(1)灰關(guān)聯(lián)系數(shù)的計(jì)算公式

(2)

式中：

(2)灰關(guān)聯(lián)度的計(jì)算公式

(3)

其中參考序列x0(1)x1(1)x2(1)和xi(1)分別如下：

?

?

2 結(jié)果與討論

2.1 超聲波調(diào)理效果分析

將污泥分別在20 kHz和40 kHz頻率下，分別進(jìn)行10～50 W，每10 W一個梯度的超聲波污泥調(diào)理實(shí)驗(yàn)，20 kHz和40 kHz超聲波實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 超聲波調(diào)理Fig.1 Ultrasonic conditioning

CST和SRF均表征了污泥脫水性能，是反映脫水難易程度的指標(biāo)，兩項(xiàng)指標(biāo)的最低點(diǎn)即為脫水性能最優(yōu)點(diǎn)[7]。

頻率20 kHz，功率10 W的情況下，污泥脫水性能即CST和SRF在超聲時(shí)間5 s和10 s時(shí)均有較好表現(xiàn)。超聲時(shí)間5 s時(shí)，污泥CST由原泥的55.9 s下降到47.9 s，而10 s時(shí)的CST值為48.3 s，二者較為接近，考慮到測量的一些誤差，故認(rèn)為二者數(shù)據(jù)表現(xiàn)一致，需要從比阻方面來判定哪組更優(yōu)。從SRF方面來看，5 s超聲波處理將污泥的比阻由5.53×1013m/kg降低到3.34×1013m/kg，而10 s超聲處理比阻降低為3.28×1013m/kg，較5 s時(shí)更低，效果更好。故，頻率20 kHz功率10 W情況下，最佳處理時(shí)間為10 s。

頻率20 kHz功率20 W情況下，超聲時(shí)間5 s為最佳處理時(shí)間，其將污泥的CST和比阻由49.0 s和4.10×1013m/kg下降為31.2 s和3.25×1013m/kg; 頻率20 kHz功率30 W情況下，最佳超聲時(shí)間依然為5 s，其將污泥的CST和SRF由47.0 s和4.01×1013m/kg下降為43.95 s和3.76×1013m/kg；而40 W和50 W功率下，污泥脫水性能隨著超聲時(shí)間延遲而持續(xù)惡化，均未出現(xiàn)最優(yōu)點(diǎn)。

40 kHz時(shí)，10 W功率下，污泥脫水參數(shù)在超聲5 s時(shí)達(dá)到最低，CST和SRF分別為47.7 s和4.77×1013m/kg。該頻率其它功率條件下，污泥參數(shù)均持續(xù)惡化，未出現(xiàn)最佳點(diǎn)，同時(shí)，還發(fā)現(xiàn)，功率越高，污泥惡化越快，最后CST均惡化突破100 s，30 W、40 W、50 W比阻最后均惡化突破1.0×1014m/kg。

所以，超聲波調(diào)理污泥時(shí)，有以下參數(shù)可供選擇，均可提高污泥脫水性能，分別是20 kHz-10 W-10 s、20 kHz-20 W-5 s、20 kHz-30 W-5 s、40 kHz-10 W-5 s。

從處理頻率上來看，發(fā)現(xiàn)低頻率超聲波效果要優(yōu)于高頻率，20 kHz時(shí)，能在多組功率情況下，篩選出較優(yōu)處理時(shí)間參數(shù)，而在40 kHz時(shí)，僅僅只能在一組功率情況下篩選出處理參數(shù)。超聲波對污泥的作用主要是水力空化作用，空化作用能產(chǎn)生高溫高壓的剪切力，從而擊破污泥絮體和結(jié)構(gòu)，釋放出污泥內(nèi)部水分[8]。高頻率情況下水力空化效果比低頻率低，說明隨著頻率的升高，水力空化反而變得難以發(fā)生或者更難產(chǎn)生效果[9]。

從超聲頻率和時(shí)間來看，發(fā)現(xiàn)當(dāng)超出一定功率和超聲時(shí)長時(shí)，污泥迅速惡化。由基礎(chǔ)物理學(xué)可知，功率和時(shí)間的累計(jì)便是功，這反應(yīng)了超聲波對污泥能量輸入總和的高低。說明適當(dāng)?shù)哪芰枯斎肽芴岣呶勰嗟拿撍阅?，而過高的能力輸入反而會使污泥脫水性能惡化。低能量輸入條件下，超聲波產(chǎn)生的機(jī)械和力學(xué)效應(yīng)可以改變污泥結(jié)構(gòu)，從而提高脫水性能，而高能量的輸入，會嚴(yán)重破環(huán)污泥結(jié)構(gòu)，將污泥膠團(tuán)變成細(xì)小顆粒，從而堵塞過濾層或者脫水路徑，反而不利于脫水[10]。

2.2 最優(yōu)超聲波參數(shù)分析

將之前篩選出來的有效超聲波參數(shù)在同一批污泥條件下，進(jìn)行脫水實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

在同一批污泥情況下，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，20 kHz-10 W-10 s實(shí)驗(yàn)組將污泥CST和SRF從67.40 s和4.86×1013m/kg降低到61.12 s和4.24×1013m/kg；20 kHz-20 W-5 s實(shí)驗(yàn)組將原泥參數(shù)降低至43.95 s和4.09×1013m/kg；20 kHz-30 W-5 s實(shí)驗(yàn)組將原泥參數(shù)降低至66.25 s和4.60×1013m/kg；40 kHz-10 W-5 s實(shí)驗(yàn)組將原泥參數(shù)降低至62.29 s和4.33×1013m/kg。所以，20 kHz-20 W-5 s為最優(yōu)超聲波參數(shù)。

圖2 超聲波實(shí)驗(yàn)對比Fig.2 Comparison of Ultrasonic experiments

2.3 超聲波各因素灰關(guān)聯(lián)度分析

2.3.1 SRF灰關(guān)聯(lián)分析

因?yàn)楸狙芯恐形勰嗟拿撍阅苁菑膬煞矫鎭硖骄康?，即污泥比阻SRF和污泥的毛細(xì)吸水時(shí)間CST，所以要分析超聲波的頻率、功率以及時(shí)間對改善污泥脫水性能的影響主次因素，也需要分別從這兩方面來分析。

由之前的20 kHz和40 kHz超聲波調(diào)理污泥可知，20 kHz-10 W-10 s、20 kHz-20 W-5 s、20 kHz-30 W-5 s、40 kHz-10 W-5 s這幾個參數(shù)均可提高污泥脫水性能，所以我們選用20 kHz時(shí)的10 W～30 W和40 kHz時(shí)10 W的調(diào)理情況來分析超聲波參數(shù)對污泥比阻的影響。

具體分析過程如下：

首先將以上選定的超聲波參數(shù)調(diào)理時(shí)的污泥比阻SRF記錄如表3所示。

表3 污泥超聲波調(diào)理后部分SRF參數(shù)Tab.3 SRF parameters of sludge after ultrasonic conditioning

2.3.1.1 第一步，使各序列無量綱化——初始化：

2.3.1.2 第二步，求各差序列：

2.3.1.3 第三步，計(jì)算極差：

2.3.1.4 第四步，計(jì)算各點(diǎn)的關(guān)聯(lián)系數(shù)：

(4)

(5)

通常取0.5，計(jì)算結(jié)果如下：

ζ1(k)=(1.00,0.99,1.00,0.89,0.83,0.37,0.84,0.80,0.84,0.98,0.87,0.81,0.70,0.69,0.71,0.73,0.73,0.76,0.89,0.91,0.90,0.89,0.89,0.86);

ζ2(k)=(1.00,0.80,0.80,0.63,0.50,0.70,0.77,0.99,0.84,0.68,0.55,0.37,0.78,0.97,0.85,0.62,0.48,0.33,0.73,0.91,0.89,0.63,0.48,0.33);

ζ3(k)=(1.00,0.99,1.00,0.89,0.83,0.37,0.95,0.99,0.95,0.80,0.72,0.68,0.95,0.97,0.94,0.90,0.90,0.86,0.90,0.88,0.89,0.90,0.90,0.93);

2.3.1.5 第五步，計(jì)算各因素的關(guān)聯(lián)度：

(6)

r1=1/24×(1.00+0.99+1.00+0.89+0.83+0.37+0.84+0.80+0.84+0.98+0.87+0.81+0.70+0.69+0.71+0.73+0.73+0.76+0.89+0.91+0.90+0.89+0.89+0.86)=0.83；

r2=1/24×(1.00+0.80+0.80+0.63+0.50+0.70+0.77+0.99+0.84+0.68+0.55+0.37+0.78+0.97+0.85+0.62+0.48+0.33+0.73+0.91+0.89+0.63+0.48+0.33)=0.69；

r3=1/24×(1.00+0.99+1.00+0.89+0.83+0.37+0.95+0.99+0.95+0.80+0.72+0.68+0.95+0.97+0.94+0.90+0.90+0.86+0.90+0.88+0.89+0.90+0.90+0.93)=0.88。

2.3.1.6 第六步，結(jié)果分析：

由第五步計(jì)算結(jié)果可知，在污泥比阻方面，超聲波功率關(guān)聯(lián)度r1、時(shí)間關(guān)聯(lián)度r2、頻率關(guān)聯(lián)度r3三者之間的大小關(guān)系是r3>r1>r2，說明，頻率對超聲波調(diào)理后污泥比阻所代表的脫水性能影響最大，功率次之，超聲時(shí)間對脫水性能影響最小。此結(jié)果是只選用了20 kHz時(shí)10～30 W和40 kHz時(shí)10 W的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算分析得出，為提高結(jié)果可行度，再采用20 kHz和40 kHz的所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證此結(jié)果，計(jì)算過程雷同并省略，計(jì)算結(jié)果得超聲波功率關(guān)聯(lián)度r1、時(shí)間關(guān)聯(lián)度r2、頻率關(guān)聯(lián)度r3分別是0.74、0.70、0.88，依然是r3>r1>r2，驗(yàn)證結(jié)果和只采用部分?jǐn)?shù)據(jù)時(shí)相同，說明此分析結(jié)果成立。

2.3.2 CST灰關(guān)聯(lián)分析

同樣選用20 kHz時(shí)的10～30 W和40 kHz時(shí)10 W的調(diào)理情況來分析超聲波參數(shù)對污泥毛細(xì)吸水時(shí)間CST的影響。計(jì)算過程雷同于SRF灰關(guān)聯(lián)分析，故省略。計(jì)算結(jié)果如下：r1=0.85，r2=0.68，r3=0.93。所以在CST方面，超聲波功率關(guān)聯(lián)度r1、時(shí)間關(guān)聯(lián)度r2、頻率關(guān)聯(lián)度r3三者之間的大小關(guān)系是r3>r1>r2，說明，頻率對超聲波調(diào)理后污泥CST所代表的脫水性能影響最大，功率次之，超聲時(shí)間對脫水性能影響最小。再采用20 kHz和40 kHz的所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證此結(jié)果，計(jì)算過程雷同并省略，計(jì)算結(jié)果得超聲波功率關(guān)聯(lián)度r1、時(shí)間關(guān)聯(lián)度r2、頻率關(guān)聯(lián)度r3分別是0.74、0.69、0.91，依然是r3>r1>r2，驗(yàn)證結(jié)果和只采用部分?jǐn)?shù)據(jù)時(shí)相同，說明此分析結(jié)果成立。

綜上所述，發(fā)現(xiàn)無論是從SRF角度還是從CST角度進(jìn)行此關(guān)聯(lián)度分析，發(fā)現(xiàn)超聲波對污泥脫水性能的影響中，三方面因素里均表明頻率是最優(yōu)因素、功率次之，超聲時(shí)間最劣。說明超聲波頻率對污泥調(diào)理效果影響最大，功率對其影響次之，超聲時(shí)間對其影響最小，后期進(jìn)行相關(guān)研究時(shí)可以在這三方面有所側(cè)重，優(yōu)先關(guān)注超聲波頻率、其次是功率、最后關(guān)注時(shí)間。

3 結(jié) 論

3.1 實(shí)驗(yàn)通過SRF和CST參數(shù)來表征污泥脫水性能，結(jié)果說明超聲波處理能改善污泥脫水性能，有效的超聲波參數(shù)有20 kHz-10 W-10 s，20 kHz-20 W-5 s，20 kHz-30 W-5 s，40 kHz-10 W-5 s。

3.2 通過同一批污泥進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明最佳的超聲波處理參數(shù)為：超聲波頻率20 kHz，功率20 W，超聲時(shí)間5 s。

3.3 通過灰關(guān)聯(lián)度計(jì)算得出超聲波三因素對污泥脫水性能影響程度大小優(yōu)先級是：頻率影響程度最大，其次是功率，再次是時(shí)間。