预处理技术强化污泥沉降与脱水特性的实验研究

密 级 公 开学 号 070365 毕 业 设 计（论 文） 预处理技术强化污泥沉降与脱水特性的实验研究院（系、部）：机械工程学院姓 名：班 级：环071专 业：环境工程指导教师：周翠红教师职称：副教授 2011 年 05 月 26 日北京北京石油化工学院学位论文授权使用协议论文预处理技术强化污泥沉降与脱水特性的实验研究系本人在北京石油化工学院学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩。本人系作品的唯一作者，即著作权人。现本人同意将本作品收录于北京石油化工学院学位论文全文数据库。本人承诺：已提交的学位论文电子版与印刷版论文的内容一致，如因不同而引起学术声誉上的损失由本人自负。本人完全同意本作品在校园网上提供论文目录检索、文摘浏览以及全文部分浏览服务。公开级学位论文全文电子版允许读者在校园网上浏览并下载全文。注：本协议书对于非公开学位论文在保密期限过后同样适用。院系名称：机械工程学院作者签名：学 号：0703652011 年 05 月 26 日北 京 石 油 化 工 学 院毕 业 设 计 （论 文） 任 务 书学院（系、部） 机械工程学院 专业 环境工程系 班级 环071 学生姓名 指导教师/职称 周翠红/副教授 1.毕业设计（论文）题目预处理技术强化污泥的沉降与脱水特性实验研究2.任务起止日期： 2011 年 2 月 21 日 至 2011 年 6 月 19 日3.毕业设计（论文）的主要内容与要求(1) 课题简介城市污水处理通常采用活性污泥处理法，但结果会产生大量含水率高达99%以上的剩余活性污泥，脱水是污泥减量化中最为经济的一种方法。污泥中含有亲水性负电生物粒子形成的菌胶团，菌胶团使得污泥不易脱水，经机械处理含水率仍在80%以上，预处理技术可改变污泥的结构。超声和微波技术作为新型预处理技术，在强化污水污泥处理和难降解有机废水处理方面已显示出巨大潜力，有利于污泥脱水、污泥减量，并且最终减少处理费用。(2) 任务与要求本课题以实验研究超声、微波技术强化污泥的沉降与脱水特性为重点内容。研究各工艺参数对污泥沉降和脱水性能的影响，要求综合运用知识，搜集并运用资料，调查研究，研究方案设计，实验操作及数据采集。(3) 预期培养目标使毕业生增强检索资料、应用文献，外语阅读及翻译能力，以及实验研究方案设计能力、实验操作能力和数据采集能力，培养毕业生独立分析与思考能力。(4) 应提交的成果 检索资料：中文文献不少于10篇，英文文献不少于6篇； 开题报告或文献综述； 实验研究方案设计； 实验数据分析报告； 毕业设计论文。4.主要参考文献1. 沈壮志. 剩余活性污泥的超声脱水处理.陕西师范大学学报, 2010, 38(6): 41-442. 李延吉, 李润东, 冯磊, 等. 基于微波辐射研究城市污水污泥脱水特. 环境科学研究, 2009, 22(5): 544-5483. 朱睿, 吴敏, 杨健, 等. 浓缩污泥中胞外聚合物组分与脱水性的关系. 北京大学学报, 2010, 46(3): 385-3884. 谢敏, 施周, 刘小波, 等. 微波辐射对净水厂污泥脱水性能及分形结构的影响. 环境化学, 2009, 28(3): 418-4215. Bo Jin,Britt-MarieWiln, Paul Lant.Impacts of morphological, physical and chemical properties of sludge flocs on dewaterability of activated sludge. Chemical Engineering Journal, 2004, 98(2): 115-1266. Xin Feng, Jinchuan Deng, Hengyi Lei,etal. Dewaterability of waste activated sludge with ultrasound conditioning. Bioresource Technology, 2009, 100(3): 1074-10815.进度计划及指导安排第1周 校内外文献查阅，撰写文献综述；第2周 撰写开题报告；第3周 翻译与本题目有关英文资料；第4周 开题报告，实验准备；第5周 超声波改性实验；第6周 超声波改性实验；第7周 微波改性实验；第8周 微波改性实验；第9周 脱水特性参数测试；第10周 脱水特性参数测试； 第11周 撰写论文；第12周 补充实验；第13周 修改论文；第14周 整理毕设资料并上交；第15周 教师评阅，制作幻灯片；第16周 答辩及相关准备工作；第17周 根据答辩小组意见修改并上交毕设档案。任务书审定日期 年 月 日 系（教研室）主任（签字） 任务书批准日期 年 月 日 教学院（系、部）院长（签字） 任务书下达日期 年 月 日 指导教师（签字） 计划完成任务日期 年 月 日 学生（签字） 预处理技术强化污泥沉降与脱水特性的实验研究摘 要本论文结合近年来国内外的污泥处理技术的总结，通过对黄村污水处理厂的污泥进行微波、超声，并分别与絮凝剂联合处理的实验研究，采用调整不同微波温度加热污泥、改变不同超声作用时间破碎污泥，再分别添加不同质量分数的絮凝剂的条件下，对污泥CST、粘度、沉降比、含水率、上清液的COD含量、Zeta电位、形态学特征的变化情况进行了研究分析。重点研究了污泥经过改性后的形态学变化对污泥脱水特性的影响，主要包括污泥粒径分布、分形维数、图像特征的变化。微波改性后污泥的粒度由33.551m降低到28.979m，分形维数在2.8左右，显微图象分析直观地反映出微波调质后污泥的粗大化现象。超声改性后污泥的粒度由33.551m降低到9.435m，分形维数在2.9左右，显微图象分析发现超声调质后污泥颗粒较小。利用Origin8.0对污泥脱水特性的表征参数与污泥含水率进行拟合，建立污泥脱水特性的模型，为在线预测污泥含水率提供基础性研究。关键词：污泥，微波，超声，脱水特性，形态学，模型AbstractThe sludge pretreatment technologies were studied in domestic and foreign, including the microwave, ultrasound and combin with flocculation of sludge from HuangCun Sewage treatment plant. Under the different temperature of microwave heating sludge, the different operation time of ultrasound broken sludge, and increased the different quality score flocculation. CST, the viscosity, SVx, Water content, COD content, Zeta electric potential and the morphological character of sludge were tested.Focused on the sludge morphological changes after modification of the sludge dewatering characteristic influence, including the particle size distribution, fractal dimension and image characteristics. Sludge particle size of microwave modified range 33.551m from 28.979m, fractal dimension was about 2.8, the microscopic image analysis after microwave directly reflecedt phenomenon thick sludge by modified microwave. Sludge particle size of ultrasound modified range 33.551m from 9.435m, fractal dimension was about 2.9, the microscopic image analysis showed that smaller particles of sludge after ultrasound.Using Origin8.0 fitted characterization of sludge dewatering characteristics of parameters and with sludge water content, established the model about sludge dewatering characteristics, contribute to a more convenient to calculate the moisture content of sludge online.Key word: sludge, microwave, ultrasound, dewatering characteristic, morphological character, model 目 录第一章 绪论11.1 选题背景11.2 研究意义11.3 国内外研究进展21.3.1污泥的来源及组成21.3.2 污泥的特点31.3.3污泥脱水特性的表征41.3.4污泥脱水的预处理技术41.4 研究的基本内容，拟解决的主要问题71.5 研究步骤、方法8第二章 实验仪器及测试方法92.1 超声样品处理系统92.1.1 仪器介绍92.1.2 实验步骤102.2 微波样品处理系统102.2.1 仪器介绍102.2.2 仪器使用步骤102.3 污泥参数的测定122.3.1 CST测定122.3.2 含水率的测定132.3.3 粘度的测定132.3.4 图像采集142.3.5 COD的测定142.3.6 沉降比(SVx)的测定162.3.7 污泥粒度的测定162.3.8 污泥Zeta电位的测定17第三章 微波预处理实验及结果分析183.1污泥来源及基本性质183.2实验原理183.3污泥沉降特性SVx的变化规律203.4污泥脱水特性的变化规律213.4.1 CST的测定213.4.2 污泥粘度的测定233.4.3 污泥上清液中COD的测定233.4.4 污泥中Zeta电位的测定243.4.5污泥含水率的测定253.5微波调质与絮凝剂联用的实验研究273.5.1 絮凝剂调质污泥的原理273.5.2 絮凝剂（PAC）的配置283.5.3 絮凝剂对污泥脱水性能的实验结果分析283.5.4 微波调质与絮凝剂联用对污泥脱水性能的实验结果分析283.6本章小结30第四章 超声预处理实验及结果分析314.1污泥来源及基本性质314.2实验原理314.3污泥沉降特性SVx的变化规律324.4污泥脱水特性的变化规律334.4.1 CST的测定334.4.2 污泥粘度的测定344.4.3 污泥上清液中COD的测定354.4.4 污泥中Zeta电位的测定364.4.5 污泥含水率的测定374.5超声调质与絮凝剂联用的实验研究394.5.1絮凝剂对污泥含水率的影响394.5.2絮凝剂对污泥Zeta电位的影响404.6本章小结41第五章 预处理技术对污泥形态学的实验研究435.1污泥的粒度分析435.1.1 微波调质后污泥的粒度分析435.1.2 超声调质后污泥的粒度分析445.2污泥的分形维数分析465.2.1 数学方法计算分形维数465.2.2 软件计算分形维数515.2.3 两种方法得出的分形维数的对比555.3污泥的显微分析565.3.1 微波调质后污泥的显微分析565.3.2 超声调质后污泥的显微分析59第六章 污泥脱水特性模型的建立626.1微波调质污泥脱水特性模型的建立626.2超声调质污泥脱水特性模型的建立63第七章 结论与展望667.1主要结论667.2展望67参 考 文 献68致 谢70声 明71V第一章 绪论1.1 选题背景目前，世界上超过90%的城市污水处理采用活性污泥处理法，但结果会产生大量含水率高达99%以上的剩余活性污泥，体积约占处理水量的0.30.5%，若采用深度处理，污泥量会增加0.5到1.0倍。各国已建立起回收和再利用剩余活性污泥的方案，常见的方法是焚烧、填埋或作为营养元素施于土地中，但是这些方法会造成环境的二次污染，所以新的法律规定严禁生物固体的抛弃与土地填埋，污泥减量化、稳定化、无害化和资源化就成为新的热门研究方向。污泥脱水是污泥减量化中最为经济的一种方法，是污泥处理工艺中的一个重要环节，其目的是去除污泥中的空隙水和毛细水、降低污泥的含水率，如含水率为98%的污泥，减少2%的水，污泥体积将减少50%，污泥脱水是减小污泥体积，便于运输和处理，或是减小空间、减少污泥干燥和焚烧所需要的能量的必要手段，为污泥的最终处置创造条件。目前国内对于污泥预处理主要是针对城市污泥和自来水厂污泥的研究。污水污泥处理中常采用絮凝技术，这是一种处理效率高、既经济又简单的物化处理技术。絮凝剂已成为污泥脱水的首要选择，相关文献表明，添加絮凝剂是对污泥有效的处理方式1。由于化学污泥成分复杂，脱水较困难，采用传统的絮凝剂调节效果不明显。污泥中含有亲水性负电生物粒子形成的菌胶团，菌胶团使得污泥不易脱水，经机械处理含水率仍在80%以上，预处理技术可改变污泥的结构。1.2 研究意义污泥中除了含有大量的有机物和丰富的氮、磷等营养物质，还存在重金属、致病菌和寄生虫等有毒有害成分2。为防止污泥造成的二次污染及保证污水处理厂的正常运行和处理效果，污水污泥的处理处置问题在城市污水处理中占有的位置已日益突出。不仅如此，污水处理和污泥处理处置是解决城市水污染问题同等重要又紧密关联的两个系统。污泥处理处置是污水处理得以最终实施的保障，在我国，污泥处理处置费用占污水处理厂总投资的2050%，而对于经济发达国家，污泥处理处置是极其重要的环节，其投资约占到了污水处理厂总投资的5070%。所以，污泥处理的优化也是污水处理过程面对的重大课题。2009年2月住建部、环保部以及科技部联合颁布城镇污水处理厂污泥处理处置及污染防治技术政策(试行)，2010年3月环保部发布城镇污水处理厂污泥处理处置污染防治最佳可行技术指南（试行）确定了污泥处理处置的目标是实现污泥的减量化、稳定化和无害化。从目前的技术水平来看，污泥脱水处理已成为污泥减量化及与衔接后续处理的必需环节，也是实现污泥减量化最经济的方法。因此，一些新型的技术作为预处理技术对于强化污泥的沉降与脱水特性已经显示出巨大潜力，微波和超声化学作为一门前沿学科，特别是在国内，对声化学的研究还不深入，虽然微波和超声已用于污泥脱水工艺，并取得了一些成果，还是有很多开拓性的工作值得我们研究。微波和超声对污泥进行预处理，能够改变污泥的特性，破坏菌胶团结构，促进污泥絮凝脱水，提高污泥脱水性能，结合机械脱水的方式，可减少污泥的体积。污泥处理费用占污水处理场基建运行费用的30%40%以上，所以微波和超声促进污泥脱水，仅减量化一项就可节约大量资金。微波处理技术3具有节能高效、均匀加热、常规加热、降解有机物、低温杀菌的特性，特别是低温杀菌提供了一种能够较多保持污泥营养成分的加热杀菌方法，顺应了污泥农用的发展趋势；同时，在微波加热过程中，无废水、废气、废物产生，也无辐射遗留物存在，是一种十分安全无害的高新技术。微波处理方法的缺点是对污泥进行干燥全处理的经济性不佳，难以大批量处理，并且还要注意辐射泄露。超声波处理污泥主要利用声波的能量，原理是选择一定频率和振幅的超声波，利用其在液体中产生的“空穴”作用4，形成极端的物理和力学条件，局部的高温（5000）高压（50MPa），同时产生强力喷射形成巨大的水力剪切力，将微生物细胞壁击破，释放出胞内物质，提高污泥处理效率。利用微波和超声技术对污泥进行改性实验，可以大大提高污泥的沉降特性和脱水特性。1.3 国内外研究进展1.3.1污泥的来源及组成近年来，随着我国国民经济的迅速发展和人民生活水平的逐步提高，城市生活污水的处理率也迅速提高，污水处理过程中产生的污泥也随之成为人们关注的焦点问题。现在通行的污水处理技术是通过微生物的代谢作用及物理化学方法，将污水中的污染物大量转移到剩余污泥中，其实质是污染物的相转移，即可溶性的污染物变成不可溶的固体。在水质得到净化的同时，污水中的污染物质作为污泥被分离出来。可以说，污泥就是浓缩的污染物质。城市污泥实际上是由污水中的悬浮物、微生物、微生物所吸附的有机物以及微生物代谢活动产物所形成的聚集，一般是介于液体和固体之间的浓稠物，可以用泵输送，但难以用沉降方法进行固液分离。城市污水处理厂处理的污泥属于有机污泥，这类污泥主要是由初沉污泥和二沉污泥组成。随着污水处理程度的不断提高，必将导致污泥数量的迅速增加。污水污泥是污水处理的产物，成分很复杂，包括混入生活污水或工业废水中的泥砂，纤维，动植物残体等固体颗粒及其凝结的絮状物，由多种微生物形成的菌胶团及其吸附的有机物，重金属元素和盐类，少量的病原微生物，寄生虫卵等综合固体物质5。1.3.2 污泥的特点污泥的主要特征是含水率高，其特点是有机物含量高(60%80%)，颗粒细(0.020.2mm)，密度小(1.0021.006/cm3)，呈胶体结构，是一种亲水性的物质，容易管道运输，但脱水性差。容易腐化发臭，污泥中含丰富的N、P、K等营养元素，维持植物正常发育生长的多种微量元素，以及能改良土壤结构的有机物及腐殖质，所含的有机物和腐殖质也是一种有价值的有机肥料，同时也含有多种病原菌、寄生虫卵、重金属及某些难降解的有机物6。未经处理的原始污泥中含有大量的水分，含水率通常达到99%以上，原始污泥经机械脱水处理后可使得含水率降低至80%左右。由于水分的存在，使得污泥容易发生变质反应，带来恶臭、土壤污染，影响环境卫生等一系列的环境问题。因而，如何有效减少污泥中的水分一直是污泥处理处置过程的一个不容忽视环节。污泥中所含水分形态，尽管不同的文献有不同的分类，但一般都认为有4种存在形态（如表1），即间隙水、毛细结合水、表面吸附水和内部结合水。不同性质的污泥脱水的难易程度差别很大，应根据其脱水性能，选择合适的方法，才能取得良好的效果。因此，测定污泥的脱水性能，对选择脱水方法具有重要意义。表1 污泥中水分及其处理方法列表7类别存在位置约占总水分的比例处理方法描述备注游离水或间隙水污泥颗粒之间65%-85%污泥浓缩吸附水和结合水只有通过高温加热或焚烧等方法，才能将这两部分水分离出来毛细水污泥颗粒间的毛细管内15%-20%机械脱水吸附水吸附在污泥颗粒上10%浓缩或机械脱水方法均难以分离结合水污泥颗粒内部10%改变污泥颗粒内部结构1.3.3污泥脱水特性的表征污泥中的絮状物具有形态参数9(絮状物粒径分布、分形维数与丝状指数)，物理性质(絮凝能力，表面电荷，相对疏水性和粘度)和化学元素组成的特性以及萃取到的细胞外聚合物（EPS），包括高分子化合物蛋白质、腐殖质、碳水化合物和Mg2+、Fe3+和Al3+。污泥脱水特性是由结合水量和毛细吸水时间(CST)表征的。对于活性污泥的脱水特性来说结合水量和毛细吸水时间(CST)是类似的两个指标。絮状物的最重要的物理参数的影响因素是水的结合能力。絮状物的形态学特征对污泥脱水性能的影响较小。高分子化合物蛋白质和碳水化合物对于提高污泥中絮状物的结合能力有很大的作用。然而腐植质对于污泥脱水特性的却是微不足道的。毛细吸水时间(CST)对于污泥和萃取到的细胞外聚合物（EPS）的聚合体具有很好的统计相关性，而结合水仅仅对于污泥单个聚合物具有较好的统计相关性。高浓度的Ca2+，Mg2+，Fe3+和Al3+可以改善污泥的脱水特性。1.3.4污泥脱水的预处理技术污泥预处理技术是污泥浓缩和机械脱水前的处理，包括化学法、加热法、淘洗法、冷冻法和加骨粒法等。新型预处理技术主要是超声、微波、热水解、磁场、电渗透、生物絮凝等，有利于污泥脱水、污泥减量，最终减少处理费用。但是新型预处理技术没有广泛投入工业化使用，更为重要的是预处理技术的使用将会对后续的脱水工艺与设备有较大的影响作用，需要掌握好预处理技术对污泥性质的影响程度，使其切实对机械脱水起到促进作用。(1) 国内外研究微波技术对污泥脱水性能的影响在20世纪70年代，在德国首先安装了用于污泥消毒的辐射装置，微波辐射装置逐渐被用于污泥加热，促进污泥的消化和金属离子的去除等方面。20世纪90年代初，国内外学者开始将微波技术引入污泥的处理，其技术优势表现为加热速度快、热效高、热量立体传递、设备体积小等9。1992年，微波加热干燥污泥新技术就开始应用到污泥脱水领域，当时通过实验除了研究出微波干燥系统与常见的污泥脱水和干燥系统相比，呈现出不少优点外，还对污泥的脱水量进行了预测，该项预测分析的基础是能量平衡原理，考虑了蒸发脱水对显热和潜热的需求量。设对污泥脱水及干燥所提供的能量为Et，处理过程中用去的能量为E2，后者由升温所需的显热和蒸发所需的潜热组成，预测公式经多种污泥脱水和干燥的实验数据验证，结果较为接近10。在分析微波加热原理的基础上，在1998年又有人提出了用微波加热使污泥脱水干化的新思路，并就该方法的影响因素和电能消耗作了试验分析。初步研究结果表明，微波辐照是污泥脱水干化的有效方法，具有良好的应用前景11。江南学院在研究微波脱水干化的研究中发现污泥脱水的主要性能指标为污泥的含水率，即单位重量的污泥所含水份的重量百分数。通过计算公式计算出污泥的含水率。并以含水率为评价目标，研究了微波功率，微波辐照时间，试样重量三个主要因素的影响。国内学者证明了若直接采用微波法干燥污泥在经济上会受到限制12，若进行污泥脱水性能的调理则有较大的应用前景。随后，到21世纪，众多学者通过实验研究了辐射技术对污泥脱水特性的影响。水是微波加热的良好载体，波兰学者Ewa Wojciechowska研究了微波改性对污泥脱水性能的促进作用，研究结果表明对于未经消化的污泥效果较好，微波与絮凝剂同时使用的效果优于这两种方法的单独使用，使用微波改性技术后明显增加污泥悬浮液体中的BOD5和COD含量13。污泥微波加热技术在实际生产已经有成功应用，另外微波改性技术在原油脱水、降粘方面有着较好的效果，在污泥改性脱水方面的应用潜力较大。哈尔滨工业大学市政环境工程学院的田禹14将微波辐射用于污水污泥预处理，考察了辐射130s内污泥沉降、过滤脱水性能的变化，并通过粒度分布及污泥胞外聚合物含量变化探讨了相关机理，分析了微波辐射对污泥结构的破坏过程。实验结果表明核酸能较好地指示微波辐射下污泥细胞壁开始破裂的时间，过量的微波辐射因破坏污泥的细胞壁结构、导致胞内物质大量溢出、污泥黏度增加，脱水性恶化。尹小延15等人研究了微波辐射的功率及时间对污泥比阻、污泥滤饼含固率、污泥沉降性能和污泥ECP含量的影响，并确定了对于污泥脱水性能影响的功率和时间的最佳条件。研究120s内污泥沉降、过滤脱水及比阻的变化中发现：适宜的微波辐射可明显改善污泥的脱水性，800W、100W和60W微波改善污泥脱水性能的最适宜时间分别为60s、120s和120s，上清液中多糖的含量介于460470mg/L时污泥脱水性能最佳。适宜的微波辐射能够改善污泥的脱水性能，过量的微波辐射则使污泥脱水性恶化。对于微波技术强化污泥的沉降和脱水特性，还可以对污泥的平均粒径和分形维数进行研究，表明微波辐射如何改变污泥的脱水特性。谢敏16等人针对污泥的平均粒径和分形维数对污泥脱水特性的影响进行了系统的研究。利用激光粒度分析仪(1155型，成都精新粉体测试设备有限公司)对微波调质前后的污泥进行粒径分析，并根据扫描电镜(JSM25600LV型，日本JEOL电子公司)所拍摄的照片，利用图像法计算计盒维数。超胶体颗粒的数量是影响污泥性能的重要因素，超胶体颗粒所占的比例愈少，脱水性能愈好。微波辐射处理后污泥的颗粒粒径及间隙明显增大，微波可以减少污水污泥中超胶体颗粒的数量，进而改善污泥的脱水性。污泥絮体的结构与其脱水性能有密切关系。分形维数描述了絮体的结构信息。由于微波的热效应破坏了污泥原来的絮凝状态，释放了部分间隙水，使颗粒间结合得更密实。由此推断，分形维数增大，有利于污泥的脱水。Qiang Yua17研究了可溶的化学需氧量，细胞外的聚合的物质(ESP)含量和污泥粒径对污泥脱水特性的影响的研究中发现，较短的接触时间可以提高污泥的脱水特性，然而较长的接触时间降低污泥的脱水特性；微波改善污泥脱水性能的最适宜条件是900W，60s，ESP浓度为15002000mg/l。(2) 国内外研究超声技术对污泥脱水性能的影响早在20世纪，人们就开始使用单一絮凝剂对污泥的脱水性能进行研究。但是由于絮凝剂成本比较昂贵，所以又研究出新型的预处理技术超声技术。2003年，南京工业大学化工学院的韩萍芳、殷绚等对石化污水处理厂的剩余活性污泥采用超声波与阳离子型聚丙烯酰胺(CPAM)联合作用促进了脱水性能的提高18。适当功率的超声波可以改变污泥的团聚特性，使其更容易脱水；超声波功率太大，产生的空化效应会过分破坏污泥颗粒，增加过滤比阻，反而不易脱水；超声波功率太小，又不能对污泥产生有效作用，也不宜脱水。只要选用合适功率的超声波，就可以少加或者不加絮凝剂。为了考察超声波破解污泥是空化作用时气泡破灭产生的水力剪切力的作用，还是自由基反应引起的细胞分解，王芬等19研究了超声破解污泥的结果表明，超声破解污泥主要作用途径是水剪切力的机械作用，这与超声处理难降解生物废水中有机物机理有所不同。2006年比利时学者Raf Dewil和英国学者Jan Baeyensa进行了超声波污泥调质实验，重点考察了污泥的微观结构、脱水特性和COD含量的变化，超声波促进了污泥微观结构的改变，打散了微生物的絮体，提高了污泥的脱水特性20。污泥的脱水性能很大程度取决于污泥的结构。改变污泥的结构可以大大提高污泥的脱水性能，污泥量也会大幅度减少。菌胶团具有良好的保水性，内部包含水约占总水量的25%，这些菌胶团使污泥水分难以脱除，利用超声波可以破坏菌胶团。近期，严媛媛4研究了超声能密度对污泥黏度和毛细管吸附时间（CST）的影响，从而改变污泥的脱水特性。当施加适宜能量密度的超声波时，由于空化效应，空化泡的瞬时崩溃对污泥菌胶团产生强烈的剪切作用，导致菌胶团结构被破坏，菌胶团粒子沿流动方向定向排列，流动阻力减小，表现黏度降低；当超声能量密度超过一定限度时，菌胶团离子的流动性能被彻底破坏，流动阻力增大，表现黏度升高，脱水特性恶化。CST主要受到污泥胞外聚合物（EPS）的影响，污泥ESP的组成及含量的大小不仅影响污泥絮体表面性质，还可以控制污泥的过滤性能。在超声处理污泥过程中，适当能量密度的超声波可使部分EPS从污泥表面脱落，在超声剪切力作用下，污泥内部结合水被释放而成为较易去除的自由水，脱水性能得到一定的改善；高能量密度的超声波处理使污泥絮体部分或者完全分散解体，大量ESP溶出，污泥黏度增加，过滤性能变差，不易脱水。对于大量污泥的处理，超声技术可作为一种预处理技术与其他方法如厌氧、好氧处理技术联用，然而对于每一种应用，超声能量输入和细胞分解程度及厌氧消化时间都有优化组合。殷绚21在讨论超声作为预处理技术提高污泥脱水特性中发现，超声技术和其他方法的结合会加强污泥的絮凝，增加活性生物的数量，减少污泥中最后水分含量的10%。YingChi Chu等研究了超声与碱解联合破解污泥的效果，实验得出投碱和超声波同时作用比单独的投碱处理效果更高。据有关报道，德国利用超声波进行污泥减量已进入实际应用阶段，而国内在这方面的研究基本上处于初步实验研究阶段，仍需进一步争取进入实用阶段。January B Bien22等认为超声波能改变作为絮凝剂的高分子电解质的结构，从而提高脱水性能。表面电势是衡量脱水性能的一个重要参数，在污泥中加入高分子电解质可以改变其表面电势。超声波作用高分子电解质一定时间，可以使电解质分支减少，链节变短，更有利于脱水。1.4 研究的基本内容，拟解决的主要问题本课题以实验研究超声、微波技术强化污泥的沉降与脱水特性为重点内容。(1) 微波改性污泥脱水实验，分析其影响因素；(2) 超声改性污泥脱水实验，分析其影响因素；(3) 确定各影响因素和脱水率之间的关系。主要解决的问题：(1) 研究超声、微波技术怎样改变污泥的内部结构，加强污泥的脱水特性；(2) 微波、超声波技术与絮凝剂的联合应用；(3) 研究污泥脱水特性的表征参数与污泥脱水特性的数据分析。1.5 研究步骤、方法研究的步骤和具体方法如下，如图1-1所示。(1)查阅文献；(2)污泥取样（污泥取自校内中水处理系统）；(3)分析超声和微波加强污泥脱水特性的机理；(4)分析超声和微波加强污泥脱水特性影响因素；(5)超声微波对污泥的改性实验；(6)处理数据，效果分析。图1-1 技术路线图第二章 实验仪器及测试方法2.1 超声样品处理系统2.1.1 仪器介绍实验所用超声器：超声波处理器Sonics Materials INC（750W，20KHz）。美国SONICSMATERIALS公司的超声破碎仪是适用于多种研究领域之多用途多功能的超声破碎仪，它可处理由几微升到多达几百升的有机和无机样品，能够破碎各类细胞、细菌、孢子、组织，又可以打碎聚合物，乳化样品，溶解难溶物质，加速反应，雾化液体，分散颗粒。VC750超声波细胞粉碎机：功率为750W，数字式显示，包括处理时间、剩余处理时间、温度、脉冲激发时间和次数、实际功率、振幅等。外观如图2-1所示，主要参数如下：(1) 净输出功率频率：750W/20KHz；(2) 尺寸（高宽深）：235190340mm；(3) 定时装置：微处理器控制，最大99分59秒；(4) 脉冲激发装置：Off：1秒，On：1-10秒可调；(5) 密封变频器型号：CV26(锆钛酸铅晶体压电变频器)；(6) 标准探头：固定探头或配有可换尖端的螺纹探头，尖端13mm，适用体积10ml至250ml，长度136mm，重量340g，材质钛合金TI-6AL-4V。图2-1 Sonics and Materials超声波细胞粉碎机2.1.2 实验步骤将装有污泥的烧杯放入超声波处理器中，调整烧杯的高度，使标准探头置于烧杯中污泥的中部，然后打开超声波处理器开关，设置所需要的参数，设置好后按下“Start”键，超声波处理器开始对样品进行超声处理。2.2 微波样品处理系统采用北京盈安美诚科学仪器有限公司生产的MD-6系列微波样品处理系统，控温范围：0300，控温精度：0.5；直接接触式压力测量：实时监控达900psi；控压精度：0.01Mpa；排风量3m3/min，确保在20分钟之内达到开罐温度，同批次最多同时处理10个高压样品。仪器如图2-2所示。(a) 微波处理系统外观 (b) 微波处理系统内部图2-2 MD-6系列微波样品处理系统2.2.1 仪器介绍微波样品处理系统内部有9个样品罐和1个压力温度监控罐；压力温度监控罐由PEEK外罐、TFM内罐、TFM内罐盖和PEEK外罐盖组成。其中TFM内罐盖上有TFM测温探头和温度探头保护套。压力温度监控罐必须放入样品，而且是样品量最多或反应最剧烈的一个罐。2.2.2 仪器使用步骤(1) 装罐将TFM内罐垂直放入PEEK外罐内，分别将TFM内罐盖和PEEK罐盖垂直盖上，并用手沿顺时针方向将外罐盖拧紧。(2) 拧罐将前一步装好的罐放置在力矩手支架上，垂直放下，并用手左右转动罐，确认罐的位置已固定；将力矩扳手护套竖直盖在罐上方，同时将力矩扳手选择开关打到“关”上，套在护套上方，顺时针拧紧PEEK保护罐。当听见力矩扳手发出“咔咔”的声音即刻停止拧罐。取出罐，准备下一步操作。(3) 装样品罐在前一步拧好的样品罐上端的气孔内放入防爆膜，将瓷堵头垂直拧在对应样品罐上端的气孔上，当用手拧紧后再用小不锈钢扳手轻轻拧0.5的角度。特别注意每个样品罐只能放一片防爆膜。(4) 注水在25ml注射器中吸入去离子水，将注射器接在注水口的导管上，同时将注水阀门打到注水档；在出水罐端用烧杯盛装流出的水，观察水流出通畅并不夹杂气泡为止。注水完毕将注水阀门打回到测压档。注水的同时可以在控制箱或软件显示上看到100300Kpa的压力值。每次实验前必须注水、注水完毕后一定要将注水阀门打到测压档。(5) 装测压罐先拿好测压接头，另一只手拿测压罐，沿逆时针方向拧罐，使测压接头与罐紧密连接。将温度传感器探头放入相应的温度传感器套管内，不可在测压接头前加防爆膜。(6) 装载托盘先将测温测压罐放置在某一固定位置(即按住转盘运行开关使转盘往返运动，当转盘转到顺转刚要反转的时候，选择靠近左侧壁炉的位置)使得当测温测压罐在炉子里转动的时候温度传感器导线与测压水线不缠绕到一起。将其余的样品罐对称地放到其余的位置上。(7) 编写和运行程序输入工部数1；加热温度分别为50、60、70、80；每个加热温度有不同的加热斜率为5/min、10/min、15/min；压强上限为1000kpa。设置完成后点击“运行”。(8) 冷却实验完成后，将排雾风扇开关指向手动档，在温度显示80以下，压力低于500Kpa时方可开测量罐。(9) 开罐达到冷却好的条件即可开罐。2.3 污泥参数的测定2.3.1 CST测定CST是毛细吸水时间，其内涵是污泥与滤纸接触时，滤液在滤纸上渗透特定距离所需要的时间，可用于表征污泥的脱水性，CST越小意味着污泥的脱水性越好。CST在一定范围内与比阻抗值存在一定的比例关系，而与比阻抗值相比具有设备简单，快速简便，测量准确等优点，CST测试原理如图2-3所示。图2-3 CST测定原理图实验采用Triton Electronics Type 319 Multi-CST测定污泥含水率，仪器如图2-4。图2-4 CST测定仪(1) 将探头连接到测定仪，打开电源。测定仪可以同时测定5组数据，探头接入第三个插孔就可在第三个窗口读数；(2) 放好滤纸后将处理后的污泥倒入测定孔内，等待测定仪出数，记录数据；(3) 然后按“reset”键，进入下一次测量。2.3.2 含水率的测定实验采用红外水分测定仪MA100测定，最大量程100g，精度为0.0001g，平均重复性(%)：初始样品重量1g时+0.1，初始样品重量5g时+0.02；温度范围：30200，温度调整（+）：1；加热源：陶瓷IR加热器或卤素灯；定时模式：30.1999分钟；关闭模式：全自动/半自动/SPRM或定时模式+全自动/半自动；装置如图2-5所示。图2-5 红外水分测定仪MA1002.3.3 粘度的测定实验所用HAAKE RV1旋转粘度计，根据污泥的粘度范围选取DG41Ti转子和DC30水浴加热。在25时测定污泥的粘度，实验装置如图2-6所示。图2-6 HAAKE RV1旋转粘度计粘度是表征流体流动性能的一个参数。对于牛顿流体，剪切作用下产生的应力和剪切速率之间存在着线性关系，粘度的大小即等于剪切应力与剪切速率的比值；对于非牛顿流体，剪切应力与剪切速率之间不存在线性关系，这时候我们把剪切应力与剪切速率的比值称为表观粘度。污泥属于触变型非牛顿流体，在刚开始剪切的时候测得的表观粘度比较大，随着剪切的进行表观粘度逐渐减小至稳定。这主要是因为剪切作用对污泥中的菌胶团、高分子有机物有拉伸作用，拉伸后的菌胶团、高分子有机物在同等的剪切速率下产生的剪切应力小，故而表现出来的污泥粘度在逐渐变小。2.3.4 图像采集本实验收集图样采用的是显微镜OLYMPUS cx41 System Microscope和图像采集装置进行的采集。CX41生物显微镜采用UIS无限远校正光学系统，PLC 系列平场消色差物镜作为基本配制，这一系列物镜由精选的高级玻璃通过精密制作而成。因此CX41在10和40下的平场度得到显著提高。投射光照明采用6V，30W高强度汞灯光源，如图2-7所示。图2-7 OLYMPUS cx41显微镜和图像采集装置2.3.5 COD的测定本实验采用重铬酸钾法测定污泥离心后上清液的COD含量。重铬酸钾法原理：在强酸性溶液中，用一定量的重铬酸钾氧化水样中还原性物质，过量的重铬酸钾以试亚铁灵指示剂，用硫酸亚铁铵溶液回滴。根据硫酸亚铁铵的用量计算出水中还原性物质消耗的量。具体步骤：(1) 实验试剂 重铬酸钾标准溶液（C1/6K2Cr2O7）；称取预先在120烘干2h的基准或优质纯重铬酸钾12.258g溶于水中，移入1000ml容量瓶，稀释至标准线，摇匀。 试亚铁灵指示液：称取1.485g邻菲啰啉（C12H8N2H2O）、0.695g硫酸亚铁（FeSO47H2O）溶于水中，稀释至100ml，储于棕色瓶内。 硫酸亚铁铵标准溶液（C(NH4)2 Fe(SO4)26H2O）：称取39.5g硫酸亚铁铵溶于水中，边搅拌边缓慢加入20ml浓硫酸，冷却后移入1000ml容量瓶中，加水稀释至标线，摇匀。临用前，用重铬酸钾标准溶液标定。标定方法：准确吸取10.00ml重铬酸钾标准溶液于500ml锥形瓶中，加水稀释至110ml左右，缓慢加入30ml浓硫酸，混匀。冷却后，加入3滴试亚铁灵指示液（约0.15ml），用硫酸亚铁铵溶液滴定，溶液的颜色由黄色经蓝绿色至红褐色即为终点。C=0.250010.00/V式中：C硫酸亚铁铵标准溶液的浓度，mol/L； V硫酸亚铁铵标准溶液的用量，ml。 硫酸-硫酸银溶液：于500ml浓硫酸中加入5g硫酸银。放置1-2d，不时摇动使其溶解。 硫酸汞：结晶或粉末。(2) 实验步骤 取20.00ml混合均匀的水样（或适量水样稀释至20.00ml）置于250ml磨口的回流锥形瓶中，准确加入10.00ml重铬酸钾标准溶液及数粒小玻璃珠或沸石，连接磨口的回流冷凝管，从冷凝管上口慢慢地加入30ml硫酸-硫酸银溶液，轻轻摇动锥形瓶是溶液混匀，加热回流2h（自开始沸腾时计时），实验装置如图2-8所示。对于化学需氧量高的废水样，可先取上述操作所需体积1/10的废水样和试剂于15150mm硬质玻璃试管中，摇匀，加热后观察是否成绿色。如溶液显绿色，在适当减少废水取样量，直至溶液不变绿色为止，从而确定废水样分析时应取用的体积。稀释时，所取废水样量不得少于5ml，如果化学需氧量很高，则废水样应多次稀释。废水中氯离子含量超过30mg/L时，应先把0.4g硫酸汞加入回流锥形瓶中，再加20.00ml废水（或适量废水稀释至20.00ml），摇匀。 冷却后，用90ml水冲洗冷凝管壁，取下锥形瓶。溶液总体积不得少于140ml，否则因酸度太大，滴定终点不明显。 溶液再度冷却后，加3滴试亚铁灵指示液，用硫酸亚铁铵标准溶液滴定，溶液的颜色由黄色经蓝绿色至红褐色即为终点，记录硫酸亚铁铵标准溶液的用量。 测定水样的同时，取20.00ml重蒸馏水，按同样的操作步骤作空白试验。记录测定空白时硫酸亚铁铵标准溶液的用量。(3) COD计算CODcr=( VO- V1) c81000/ V式中： c硫酸亚铁铵标准溶液的浓度，mol/L； V0滴定空白时硫酸亚铁铵标准溶液的用量，ml； V1滴定水样时硫酸亚铁铵标准溶液的用量，ml； V 水样的体积，ml； 8氧（1/2O）摩尔质量，g/mol。图2-8 重铬酸钾法测COD实验装置2.3.6 沉降比(SVx)的测定污泥沉降比(SVx)：将经过处理的污泥混合液迅速倒入40ml烧杯中，静置24h后，则沉降污泥与所取混合液之体积比为污泥沉降比(%)。2.3.7 污泥粒度的测定实验中采用Mastersize2000激光粒度仪测量污泥颗粒的粒径分布，MS2000采用了高稳定性的气体氦氖红光光源，增加了高能量固体蓝光辅助光源，光源能量是普通红光（波长大于700纳米）的30倍以上，大大提高了0.5微米以下小粒子的光散射信号强度，提高了检测的灵敏度。样本类型乳液，悬浮物和干粉等的精确测量，如图2-9所示。图2-9 Mastersize2000激光粒度仪2.3.8 污泥Zeta电位的测定实验采用JS94H微电泳仪测量污泥中的Zeta电位，微电泳仪（Zeta电位仪）可用于测定分散体系颗粒物的固液界面电性（电位），也可用于测量乳状液液滴的界面电性，也可用于测定等电点、研究界面反应过程的机理，如图2-10所示。图2-10 JS94H微电泳仪第三章 微波预处理实验及结果分析3.1污泥来源及基本性质在实验中污泥来自黄村污水处理厂的浓缩污泥。黄村污水处理厂采用延时曝气的奥贝尔氧化沟工艺进行城市污水的生物除磷脱氮处理，出水水质优于污水综合排放标准中的二级标准。奥贝尔氧化沟工艺，采用转碟曝气机充氧，有效地加大了氧化沟的运行水深，大大节省了工程占地，提高了充氧效率。合理布置溶解氧仪，根据供氧实际需要，自动控制曝气设备运行状况，实现节能降耗。污水、污泥处理工艺流程简单，厂区平面布局紧凑合理，占地面积较省，用地指标为0.5ha/万m3污水。将取来的污泥静置24h后，去除上清液。污泥基本性质如表3-1所示。表3-1 污泥的基本性质参数黄村污泥毛细吸水时间（CST）/s13.8含水率98.87%粘度(在100r/min)/(Pas)12.880COD/(mg/l)290Zeta电位-3.42mV粒度33.551m3.2实验原理微波是一种高频率的电磁波14，其频率范围约在300300000MHz(相应的波长为100m0.1cm)，在300MHz至300GHz之间，具有波动性、高频性、热特性和非热特性四大基本特性。微波作为一种电磁波也具有波粒二象性。与生物组织的相互作用主要表现为热效应和非热效应。微波能够透射到生物组织内部使偶极分子和蛋白质的极性侧链以极高的频率振荡，引起分子的电磁振荡等作用，增加分子的运动，导致热量的产生。微波还能够对氢键、疏水键和范德华产生作用，使其重新分配，从而改变蛋白质的结构与活性。生物体的非热特性生物效应是微波的重要特性之一，它已成为医学、细胞学等方面研究的一个重要方面，同时它也能为微波理疗或微波手术等方面提供理论依据。随着人们对微波加热技术认识的深入，已引起了许多科学工作者的关注，并在一些方面进行了深入而广泛的研究。微波具有电磁波的反射、投射、干涉、偏振、衍射以及伴随着电磁波进行能量传输等的波动特性，这就决定了微波的产生、传输、放大、辐射等问题都不同于普通的无线电、交流电。在微波系统中没有导线式电路，交、直流电的传输特性参数以及电容、电感等概念亦失去了其确切的意义在微波技术领域中，通常应用所谓“场”的概念来分析系统内电磁的结构，并采用功频率、阻抗、驻波等作为微波测量的基本量。具体有以下几点：（1）选择性加热物质吸收微波的能力，主要由其介质损耗因数来决定。介质损耗因数大的物 质对微波的吸收能力就强。相反，介质损耗因数小的物质吸收微波的能力也弱。由于各物质的损耗因数存在差异，微波加热就表现出选择性加热的特点。物质不同，产生的热效果也不同。水分子属极性分子，介电常数较大，其介质损耗因数也很大，对微波具有强吸收能力。 （2）穿透性微波比其它用于辐射加热的电磁波，如红外线、远红外线等波长更长，因此具有更好的穿透性。微波透入介质时，由于介质损耗引起的介质温度的升高，使介质材料内部、外部几乎同时加热升温，形成体热源状态，大大缩短了常规加热中的热传导时间，且在条件为介质损耗因数与介质温度呈负相关关系时，物料内外加热均匀一致。 （3）热惯性小微波对介质材料是瞬时加热升温，能耗也很低。另一方面，微波的输出功率随时可调，介质温升可无惰性的随之改变，不存在“余热”现象，极有利于自动控制和连续化生产的需要。污泥的脱水性能很大程度取决于污泥的结构。改变污泥的结构可以大大提高污泥的脱水性能，污泥量也会大幅度减少。微波辐射在短时间内破坏污泥稳定结构，明显改善污泥脱水性。本实验采用的仪器消解效果好，微波加热的同时采用高压密封罐，样品消解彻底，对于难容样品效果尤其明显。样品在密闭的消解罐中消解，大大减少了易挥发元素的损失。因此，使分析结果更准确。按照微波样品处理系统的步骤完成编程后，点击“运行”后的界面如图3-1所示，微波处理时界面可同步显示罐内温度、压力、设定的最终温度和加热时间。图3-1 微波样品处理系统的工作界面3.3污泥沉降特性SVx的变化规律实验中的污泥经微波预处理，改变实验中微波加热的温度处理后，倒入100ml的量筒中，经过24h沉降后的SVx记录到表3-2，绘制图3-2。表3-2 微波加热温度与SVx的关系微波加热温度/SVx污泥沉降情况2040%水层很清澈，分层很明显5040%水层较清澈，分较层明显，上清夜有少量悬