不同流态下微波辐射对污水污泥性质的影响研究

第33卷第7期2013年7月环　境　科　学　学　报　ActaScientiaeCircumstantiaeVol.33,No.7Jul.,2013基金项目:国家自然科学基金(No.51174090);湖南省自然科学基金资助项目(No.12JJ8007)SupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.51174090)andtheHunanProvincialNaturalScienceFoundation(No.12JJ8007)作者简介:任伯帜(1967—),男,教授(博士);∗通讯作者(责任作者),E-mail:[e-mail]:RENBozhi(1967—),male,professor(Ph.D.);∗Correspondingauthor,E-mail:[e-mail]任伯帜,侯保林,陈文文,等.2013.不同流态下微波辐射对污水污泥性质的影响研究[J].环境科学学报,33(7):1907-1911RenBZ,HouBL,ChenWW,etal.2013.Effectofmicrowaveradiationtreatmentonsewagesludgeunderdifferentflowpatterns[J].ActaScientiaeCircumstantiae,33(7):1907-1911不同流态下微波辐射对污水污泥性质的影响研究任伯帜∗,侯保林,陈文文,张伶俐湖南科技大学土木工程学院,湘潭411201收稿日期:2012-09-25　　　修回日期:2012-11-13　　　录用日期:2012-11-16摘要:通过对不同流态下微波辐射对污水污泥性质的影响进行研究,考察了不同流态下微波辐射作用处理后污泥沉降性能、脱水性能的变化,以及微波辐射作用下流态对污泥挥发性悬浮固体(VSS)溶解率、上清液中COD和污泥微观形态的影响.结果表明,流态对污泥的沉降性能和脱水性能有一定影响,微波辐射功率越高,流态对污泥沉降性能和脱水性能的影响越显著.微波辐射功率较低时,雷诺数Re越大,污泥的沉降比(SV)、比阻和泥饼含水率越小;微波辐射功率较高时,Re为2300的临界流态下污泥的沉降性能和脱水性能最好.随着Re的增大,VSS溶解率和上清液中COD升高,微波辐射功率分别为300、500、700和900W时,Re为3000的紊流流态下上清液中COD分别达到1.1、2.1、3.6和6．7g·L-1.SEM观察结果表明,微波辐射及流态产生的协同剪切应时适宜时,有利于污泥颗粒的絮凝反应,高强度的微波辐射和紊流产生的较大剪切应力导致污泥絮体被打碎.关键词:流态;雷诺数Re;污水污泥;微波辐射文章编号:0253-2468(2013)07-1907-05　　　中图分类号:X703　　　文献标识码:AEffectofmicrowaveradiationtreatmentonsewagesludgeunderdifferentflowpatterns　RENBozhi∗,HOUBaolin,CHENWenwen,ZHANGLingliFacultyofCivilEngineeringofHunanUniversityofScience&Technology,Xiangtan411201Received25September2012;　　　receivedinrevisedform13November2012;　　　accepted16November2012Abstract:Inthepresentstudy,thecharacteristicsofthesewagesludgeirradiatedbymicrowaveunderdifferentflowswasinvestigated.Thesettlingproperty,dehydrationproperty,dissolutionrateofthevolatilesuspendedsolids(VSS),CODofsludgesupernatantandsludgemicromorphologyundermicrowaveradiationwerealsoanalyzed.Theresultsshowedthattheflowpatternhadaneffectonsludgesettlingpropertiesanddehydrationproperty.Themicrowaveirradiationpowerhadasignificanteffectonthesludgesettlingpropertyanddehydrationperformance,andtheeffectwasmuchobviousastheincreasingofmicrowaveirradiationpower.Whenthepowerofmicrowaveradiationwaslower,theSV,specificresistanceofsewagesludgeandwatercontentofsludgecakedecreasedwiththeincreasingofRe.Whenthepowerofmicrowaveradiationwashigher,thebestperformanceofsettlingpropertyanddehydrationpropertyofsewagesludgeoccurredatthecriticalflowstatewiththeReof2300.TheVSSdissolvingratioandCODofsupernatantincreasedwiththeincreasingofRe.Whenthepowerofmicrowaveradiationwere300,500,700and900W,theCODinsupernatantroseto1.1,2.1,3.6and6.7g·L-1respectively.TheSEMpictureofflocsshowedthattheappropriatesynergicshearstresscausedbymicrowaveradiationcoalitionwithflowpatternwasbeneficialtoflocculation,butthehighershearstresscausedbyhighintensemicrowaveradiationcoalitionwithturbulenceledtosmashedsludgeflocs.Keywords:flowpattern;Re;sewagesludge;microwaveradiation1　引言(Introduction)活性污泥法是目前普遍采用的污水二级生物处理方法,但产生的剩余污泥却带来了严重的环境问题,且污泥产量较大,约占处理水量的0.3%~0．5%(以含水率97%计)(李圭白等,2006).随着城市化进程的加快和管网覆盖率的增加,需要处理的污水量急剧增加,相应的剩余污泥产量也越来越大,其所带来的环境问题也日趋严重,因此,污泥的处理与处置成为当今环保界关注的焦点问题之一.环　　境　　科　　学　　学　　报33卷20世纪90年代初,微波辐射在污泥处理中的应用成为研究热点,由于微波的偶极子转动和离子传导的介电加热方式,使其具有升温速度快、热效率高、均匀立体式加热、所需设备体积小等优点(Luetal.,1996).同时,国内外学者在微波辐射预处理污泥脱水、干燥等方面进行了大量研究,并取得了一定的成果(傅大放等,1999;乔玮等,2008).例如,田禹等(2006)进行了微波辐射预处理对污泥结构和脱水性能的影响研究,从微波辐射前后污泥颗粒粒径的变化揭示了污泥沉降性能和脱水性能的变化规律,并发现EPS中核酸在微波处理污泥过程中的指示作用;Eskicioglua等(2007)通过实验研究了微波辐射对污泥消化性能的影响.但这些都是基于污泥处于静态下微波辐射对污泥性质的影响研究,而实际处理中污泥大多是连续的动态条件.基于此,本文进行污泥动态条件下微波辐射对污泥性质的影响研究,着重考察不同流态(Re)下微波辐射对污泥沉降性能、脱水性能、有机质水解和微观形态的影响.2　材料与方法(Materialsandmethods)2.1　实验材料和装置实验所用活性污泥样取自湘潭市河西污水处理厂,活性污泥样品的主要性质为:含水率99.5%,挥发分44.9%,pH=7.07,容重1.006g·mL-1.图1为污泥处于流动状态下微波辐射处理污泥的实验装置,主体工艺为氧化沟.图1　实验装置示意图Fig.1　Schematicdiagramofbench-scaleapparatus2.3　实验方法污泥样品由污泥泵供给,通过调节流量和辐射管的管径达到改变Re的目的.实验中Re分别为500、1000、2300和3000四个系列,其中,500和1000为两个层流系列,2300为临界流态,3000为紊流流态(伍悦滨,2006).以Re为0表示静态条件,进行动态条件和静态条件下的对比分析.微波反应器采用WMX-IIIA微波消解仪,辐射时间控制为45s,对处理后的污泥进行相关性质的测定.2.4　分析方法污泥的挥发分、SS、VSS采用重量法测定,含水率采用SCT-3A型快速水分测定仪测定,pH采用PHS-3B精密酸度计测定,比阻根据Carman过滤基本方程进行测定和计算(俞庭康等,2009),COD测定采用重铬酸钾法测定(国家环保局,2002),污泥的微观形态采用Quanta200环境扫描电镜观测.3　结果与讨论(Resultsanddiscussion)3.1　不同Re下微波辐射对污泥沉降性能的影响图2　不同流态下污泥SV值的变化规律Fig.2　VariationsofSVunderdifferentflowpatterns通过调控Re来控制动态流污泥的流态,经过微波辐射处理后污泥沉降比(SV)的变化如图2所示.从图2可以看出,不同微波辐射功率下,静态条件和Re=500的层流流态时,污泥的沉降性能几乎没有差别,微波对污泥沉降性能的影响也非常小;污泥处于层流流态时,Re对污泥的沉降性能几乎没影响;污泥处于临界流态和紊流流态时,Re对污泥的沉降性能产生影响.微波辐射功率越高,流态对污泥沉降性能的影响越大.微波辐射功率较低时(300和500W),随着Re的增加,污泥从层流变为紊流,SV值不断减小,污泥的沉降性能变好;辐射功率分别为300和500W时,紊流流态(Re=3000)的SV值比层流流态(Re=500)时分别减小5.8%和6.4%;当微波辐射功率较高,污泥由层流转变为临界流态时,污泥的沉降性能变好,SV值减小;随着Re的增大,由临界流态转变为紊流时,污泥的SV值增大,污泥沉降性能恶化.临界流态下污泥的沉降性能最好,微波辐射功率为700和900W时,临界流态的SV值较层流流态(Re=500)时减小9.1%和17．1%,而转变为Re=3000的紊流时,SV值升高到80917期任伯帜等:不同流态下微波辐射对污水污泥性质的影响研究80.4%和58.5%.Re较小时,污泥处于层流流态,呈现一种层状流动,在流体黏滞力的作用下,各流层质点互不掺混,各流层质点沿平行管轴线方向运动,流线相互平行,此时,流态对污泥颗粒的碰撞几乎不起作用,微波辐射起主导作用.Re达到临界值时,污泥流线产生波动,各流层质点部分掺混,再加上适宜的微波辐射作用,更有利于污泥颗粒克服ζ电位的作用而产生絮凝,有助于改善污泥的沉降性能.当Re较大时,污泥流动处于紊流流态,质点相互掺混,污泥颗粒碰撞剧烈,流线相互交叉,产生较大的切应力,再加上高强度微波辐射偶极子作用产生的剪切力,污泥颗粒被破坏,沉降性能变差.图3　不同流态下污泥比阻(a)和泥饼含水率(b)的变化Fig.3　Variationsofspecifi