剩余污泥的超声破解与影响因素程度分析

1、剩余污泥的超声破解与影响因素程度分析王芬 季民 汪泳 张书廷（天津大学环境科学与工程学院，天津，300072）摘要：采用超声波技术破解污泥絮体及污泥微生物细胞，使固体性有机物与胞内物质变为溶解性有机物（SCOD）。SCOD溶出率随超声作用时间、声强及声能密度的增加而增加，在一定声强下，SCOD溶出率随时间延长呈线性增长趋势，即污泥破解反应遵从一级反应动力学规律。VSS的变化规律同SCOD溶出率的变化规律相似。利用多元统计学中t分布检验方法分析诸因素对破解效果所产生的影响，得出各因素影响程度从大至小顺序为：超声作用时间声强声能密度。关键词：超声波；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 城市污水生物处理厂剩余污泥的处理

6、费用约占污水处理厂总运行费用的2540，有时甚至高达601。通常采用的污泥中温厌氧消化工艺，存在着反应速度慢，污泥在池内的停留时间过长，池体体积庞大，操作管理复杂等缺点。污泥厌氧消化过程中，污泥水解是限速步骤2。采用一定的预处理方式，使细胞壁破裂，细胞内含物溶出，可以加速污泥的水解过程，从而达到缩短消化时间，减少消化池容积，提高甲烷产量的目的。目前，国外有使用超声波 3、碱与超声波结合的方法 4、搅拌球磨机及高压均质器等机械方式 5、高压灭菌器6等方法破解剩余污泥的实验研究报道。目前，国内关于污泥细胞破壁技术的研究较少。本文采用超声波方式破解剩余污泥，主要研究了在超声波作用下，污泥固体性有机物

7、和细胞物质的溶出效果，并分析了超声声强、声能密度和超声作用时间对破解效率的影响程度。1. 实验原理与方法1.1 污泥来源本实验所采用的污泥取自一容积为40L的SBR反应器，种泥取自天津市纪庄子污水处理厂及天津大学中水回用处理站膜生物反应器内污泥。SBR反应器内污泥停留时间为13.3d。每日运行3个周期，处理人工模拟废水，主要基质为葡萄糖，进水COD浓度为600mg/L。按照BOD：N：P为100：5：1的比例，投加葡萄糖、氯化铵（或硫酸氨）、磷酸二氢钾（或磷酸氢二钾）作为碳、氮、磷源。反应器内MLSS为50006000mg/L。取反应器内每一个运行周期末的污泥，经重力沉降，使污泥浓缩至原体积的

8、一半时，弃去上清液，用浓缩污泥(含水率为99%左右)进行破壁实验。1.2 实验装置实验装置如图1示，主要由超声波换能器、超声探头及反应容器组成。其中探头式超声发生器由宁波新芝科器研究所研制生产，超声发生频率为20KHz，电功率为3201200W（可调），钛合金探头直径为20mm。图1 超声波处理剩余污泥的实验装置图Fig.1 Schematic diagram of ultrasonic pretreatment for disintegration of waste activated sludge 1.3 实验方法在室温条件下，向1000ml烧杯内加入浓缩后的污泥，超声探头浸入液面1cm。

9、改变超声破解时间，分析各指标变化。1.4 分析项目及方法1.4.1 挥发性悬浮物（VSS）VSS的测定方法为取定量污泥，离心机（转速为4500rpm）离心10min后，将离心后固体部分完全转移至坩埚内，放入烘箱内于105下烘至恒重后，放入马弗炉内，在600下灼烧至恒重后，取出测定其VSS值。1.4.2 化学需氧量 （COD）测定COD的方法为重铬酸钾法。其中SCOD（溶解性化学需氧量）为离心机（转速为4500rpm）离心40min后上清液的COD值；总化学需氧量（TCOD）为被处理污泥混合液的COD值。2. 实验结果与讨论本实验进行了输出功率为720W时破解1000ml及500ml污泥与384

10、W、192W时破解1000ml污泥的实验，即声强为0.72W/ml、1.44W/ml、0.384W/ml及0.192W/ml，声能密度为229.2W/cm2、122.23W/cm2、61.11 W/cm2时破解污泥的实验。2.1 SCOD溶出率的变化本文中SCOD溶出率定义为超声波破解后污泥SCOD扣除破解前SCOD值后占TCOD的百分率。SCOD溶出率随超声作用时间和声强的变化如图2所示。图2 不同超声声强下，SCOD溶出率随超声作用时间变化图Fig.2 Degree of sludge disintegration under different ultrasonic intensity

11、and time由图2可以看出，随着声强与破解时间的增加，SCOD溶出率显著增加。在声强为0.192W/ml、0.384W/ml、0.72W/ml、1.44W/ml时，破解10min后， SCOD溶出率分别为：5.79、8.47、17.0、26.1；而破解30min后，各实验声强下，SCOD溶出率分别为 24、30、42.6、68.36。可见声强与超声作用时间都是影响超声破解效果的重要因素。由图2还可以看出，在实验超声作用时间范围内，随着破解时间的延长，SCOD溶出率呈线性增长趋势。以SCOD溶出率（Y1）对时间t作图为一直线（如图2示），说明在实验进行的反应时间内，超声波破解污泥的反应符合一

12、级反应动力学规律。Y1kt 式中k值为破解速率常数。采用最小二乘法拟合k、R2，得出不同声强下，污泥破解的破解速率常数，具体结果见表1所示。表1 超声波破解污泥反应拟合结果 Table 1 Results of fitting for the sludge disintegration by ultrasonic 超声作用声强（W/ml）kR20.1920.66670.94640.3840.8920.97690.721.53790.97401.442.40340.9841 表1中k值越大说明污泥破解反应的速率越快。以声强对破解速率常数k作图如图3所示。 图3 声强与破解速率动力学常数关系图Fi

13、g. 3 Relationship between ultrasonic intensity and rate constant 由图3可以看出，随着超声声强的增加，污泥破解速率加快。这可能是因为随着超声声强的增大，超声波产生的羟基自由基增多，而且超声空化气泡产生的机械剪切力增大的缘故。图4 不同超声作用时间下， SCOD溶出率随声能密度的变化图Fig. 4 Relationship between ultrasonic density and degree of disintegration under different time 由图4可以看出，随超声作用时间与声能密度的增加，SCOD溶

14、出率增加。声能密度为229.2W/cm2下破解污泥30min，SCOD溶出率可达42.6；而在声能密度为61.11W/cm2下，破解污泥30min，SCOD溶出率仅为24。可以看出，超声声能密度也是影响破解效果的一个因素。2.2 VSS 的变化将破解前后污泥VSS的差值占破解前污泥VSS的百分率定义为VSS减少率。VSS减少率随时间与声强变化如图5示。由图5可知，随着超声作用时间与声强的增加，VSS减少率增加。由图5还可看出，在实验超声作用时间范围内，随着破解时间的延长，VSS减少率呈线性增长趋势，该变化趋势与SCOD溶出率的变化趋势吻合的亦较好。该关系与SCOD溶出率与声强、超声作用时间的关

15、系类似，这是因为SCOD的溶出是由于超声波破解作用破坏污泥絮体及污泥细胞壁，从而导致胞内物质由污泥相进入水相引起的。而胞内物质的溶出会引起总悬浮固体量的减少。所以，SCOD溶出率的变化与VSS减少率的变化规律基本一致。图5 不同超声声强下，VSS减少率随时间变化图Fig. 5 Reduction ratio of VSS under different ultrasonic intensity and time 2.3 声能密度、声强及作用时间对破解效果影响程度分析为了进一步探求各实验条件对污泥破解效果的影响程度，本文以SCOD溶出率（Y1）与VSS减少率（Y2）作为因变量，以声强（X1）、声

16、能密度（X2）及超声作用时间（X3）作为自变量进行多元统计分析，得出以下回归模型。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减少率（）X1声强（W/ml） X2声能密度（W/cm2）X3超声作用时间（min）对式（1）与（2）中因变量与自变量作相关性检验与t分布检验，结果表2示。表2 回归检验参数表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复相关系数 ；v偏相关系数； tt分布检验值分析表2中参数可见，（1）和（2）回归式的复相关系数R均大于95，证明回归模型与数据样本拟合程度优良。各自变量与因变量间偏相关系数也均大于84，说明各实验条件表征量值与实验效果表征量值的相关性较好。进一步分析各自变量t分布检验值，除声能密度值仅能通过置信度为80的t检验分布外，声强与超声作用时间均可通过置信度为99的t检验分布。这一现象标志着两者对污泥破解效果影响高度显著。根据t值相对大小，

18、判定三条件对超声破解污泥效果的影响程度从大到小的顺序为：超声作用时间、声强、声能密度。 3 结论（1）采用超声波技术破解污泥，可以破坏污泥絮体及污泥细胞，使胞内物质由污泥相进入水相，导致水相中SCOD值增加。SCOD溶出率随声强、超声作用时间及声能密度的增加而增加。声强为0.192W/ml与1.44W/ml时，破解污泥30min , SCOD溶出率分别为24、68.36。（2）在一定声强与声能密度下，SCOD溶出率随时间延长线性增长。即在本实验时间范围内，污泥破解反应相对于时间符合一级反应动力学规律。而且，破解反应速率常数随声强的增加而增大。（3）用多元统计学中t 分布检验方法，分析各变量对破

19、解效果影响程度，得出诸实验条件对破解效果影响程度顺序为：超声作用时间声强声能密度。参考文献：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