超声破解剩余污泥的研究

书书书收稿日期：２０１３－０５－２７基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１１７８０９８，２１１０７０１１）．作者简介：由美雁（１９７６－），女，辽宁沈阳人，东北大学讲师，博士研究生；朱　彤（１９６３－），男，辽宁沈阳人，东北大学教授，博士生导师．第３５卷第３期２０１４年３月东北大学学报（自然科学版）ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅ）Ｖｏｌ．３５，Ｎｏ．３Ｍａｒ．　２０１４　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５－３０２６．２０１４．０３．０３２超声破解剩余污泥的研究由美雁，李现瑾，王利伟，朱　彤（东北大学机械工程与自动化学院，辽宁沈阳　１１０８１９）摘　　　要：通过混合水平有交互作用的正交试验，考察超声时间、超声频率、超声功率和超声脉冲比及超声时间与频率、时间与功率和功率与频率因素间交互作用对剩余污泥超声破解效果的影响．研究结果表明：超声破解污泥的最佳参数组合为超声时间７ｍｉｎ，超声频率２０ｋＨｚ，超声功率６００Ｗ，超声脉冲比３∶１；３个因素间的交互作用不明显．考察超声破解７个不同ＭＬＳＳ（混合液悬浮固体浓度）污泥的情况，当适当提高污泥浓度时破解效果更佳；考察超声破解污泥时间曲线，超声破解污泥４０ｍｉｎ后各指标的破解率增加缓慢，在１５～２０ｍｉｎ时超声破解污泥的能量利用率最高．关　键　词：剩余污泥；污泥破解；超声波；正交试验；混合液悬浮固体浓度中图分类号：Ｘ７０５　　　文献标志码：Ａ　　　文章编号：１００５－３０２６（２０１４）０３－０４４７－０５ＳｔｕｄｙｏｎＥｘｃｅｓｓＳｌｕｄｇｅＤｉｓｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｂｙＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＴｒｅａｔｍｅｎｔＹＯＵＭｅｉｙａｎ，ＬＩＸｉａｎｊｉｎ，ＷＡＮＧＬｉｗｅｉ，ＺＨＵＴｏｎｇ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＮｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ１１０８１９，Ｃｈｉｎａ．Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒ：ＺＨＵＴｏｎｇ，Ｅｍａｉｌ：[e-mail]ｅｄｕｃｎ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓｏｆｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｔｉｍｅ，ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｐｏｗｅｒ，ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｐｕｌｓｅｒａｔｉｏ，ａｌｏｎｇｗｉｔｈｔｈｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｔｉｍｅａｎｄｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ｔｉｍｅａｎｄｐｏｗｅｒ，ｐｏｗｅｒａｎｄｆｒｅｑｕｅｎｃｙｆａｃｔｏｒｓｏｎｔｈｅｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｄｉｓｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔｏｆｅｘｃｅｓｓｓｌｕｄｇｅｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄｂｙｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｔｅｓｔｏｆｍｉｘｅｄｌｅｖｅｌｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｄｉｓｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｓｌｕｄｇｅｌｉｓｔａｓｔｈｅｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｔｉｍｅｏｆ７ｍｉｎｕｔｅｓ，ｔｈｅｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆ２０ｋＨｚ，ｔｈｅｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｐｏｗｅｒｏｆ６００Ｗ，ｔｈｅｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｐｕｌｓｅｒａｔｉｏｏｆ３∶１，ａｎｄｔｈｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔｓａｍｏｎｇｔｈｅｔｈｒｅｅｆａｃｔｏｒｓｏｆｔｈｅｆｏｕｒａｒｅｎｏｔｏｂｖｉｏｕｓ．Ｉｔｉｓｆｏｕｎｄｔｈａｔａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅｌｙｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅｓｌｕｄｇｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｗｏｕｌｄｇａｉｎａｂｅｔｔｅｒｄｉｓｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔａｆｔｅｒｓｔｕｄｙｉｎｇｔｈｅｓｅｖｅｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｏｌｉｄｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｌｉｑｕｏｒｓｕｓｐｅｎｄｅｄｓｌｕｄｇｅｄｉｓｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｂｙｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ．Ｔｈｅｔｉｍｅｃｕｒｖｅｓｏｆｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｄｉｓｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｓｌｕｄｇｅｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｔｈｅｄｉｓｉｎｔｅｇｒａｔｉｎｇｒａｔｅｏｆｅａｃｈｉｎｄｅｘｉｎｃｒｅａｓｅｓｓｌｏｗｌｙｗｈｅｎｔｈｅｓｌｕｄｇｅｉｓｄｉｓｉｎｔｅｇｒａｔｅｄａｆｔｅｒ４０ｍｉｎｕｔｅｓ，ａｎｄｔｈｅｈｉｇｈｅｓｔｅｎｅｒｇｙｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｄｉｓｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｓｌｕｄｇｅａｐｐｅａｒｓｄｕｒｉｎｇ１５ｔｏ２０ｍｉｎｕｔｅｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｘｃｅｓｓｓｌｕｄｇｅ；ｓｌｕｄｇｅｄｉｓｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ；ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ；ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ；ｍｉｘｅｄｌｉｑｕｏｒｓｕｓｐｅｎｄｅｄｓｏｌｉｄｓ（ＭＬＳＳ）　　随着污水和工业废水处理率的不断提高，相应地产生大量污泥，污泥中含有大量的水分、微生物形成的菌胶团及其吸附的有机质、病原体、重金属等，消除污泥中病原菌、恶臭以及有毒有害物质，使污泥妥善地处理是目前污水处理厂必须面对的棘手问题［１］．污泥处置方法有焚烧、海洋排放、土地应用和堆肥等，由于这些常见的污泥处置方法存在经济上限制和对环境有负面影响，许多研究者就提出高效的、可持续的污泥处理技术即污泥厌氧消化，可使污泥大规模减少，消除异味，减少病原体，降低能源消耗，更重要的是厌氧消化后会产生甲烷得到污泥能量的回收．污泥属于难降解的生物固体，若在污泥厌氧消化前将污泥进行破解预处理，可破坏污泥絮体结构，微生物细胞　　壁破裂并促进细胞内物质释放到水相中，使难降解的固体性物质变为易降解的溶解性物质，这一过程基本可取代污泥水解步骤，能提高厌氧消化时间和增大沼气产量．目前污泥破解的方法主要有物理、机械、化学、生物和联合作用等，超声破解剩余污泥具有无污染和分解速度快等优点，且有工程实际应用经验，在污泥预处理领域备受关注．超声作用污泥时会产生机械效应、热效应、空化效应、热解和自由基效应等，超声空化时产生高温（５０００Ｋ）、高压（５０ＭＰａ），还会产生强大的剪切力，致使污泥破碎成小的碎块，细胞壁被打碎释放出胞内物质［２－３］．本文通过正交试验法考察超声反应器的特征参数对污泥破解效果的影响，分析了超声破解污泥的时间曲线和超声破解不同浓度污泥的情况，为设计低能耗超声反应器提供理论依据．１　超声破解剩余污泥正交试验　　污泥取自沈阳沈水湾污水处理厂，污泥的混合液悬浮固体质量浓度为１２３８０ｍｇ／Ｌ，平均中位径为１２０μｍ左右．采用南京舜玛仪器设备有限公司生产的型号为ＧＭ－１２００Ｄ超声波细胞破碎仪对污泥进行破解试验．该仪器的超声形式是脉冲形式，即超声连续工作几秒后间断几秒再继续超声．超声破碎污泥试验时，用１０００ｍＬ的圆形烧杯盛取５００ｍＬ污泥混合液，把变幅杆伸入到污泥混合液液面下１５ｃｍ左右．考察超声破解污泥的４个影响因素：超声时间、超声频率、超声功率和超声脉冲比（超声时间与间断时间的比），并同时考察超声功率与时间、功率与频率和时间与频率之间的交互作用．超声破解污泥的时间为３，５，７ｍｉｎ，超声频率为１５，２０，４０ｋＨｚ；由于频率为４０ｋＨｚ的超声功率最大为６５０Ｗ，故选用超声功率为４００，５００，６００Ｗ；在前期探索试验中发现超声脉冲比对污泥破解效果影响较显著，故选用超声脉冲比为：１∶１，２∶２，３∶３，１∶２，１∶３，２∶１，３∶１，３∶２和２∶３．采用有交互作用的混合水平的正交试验表进行２７次试验，具体方案及试验结果见表１．　　超声破解剩余污泥后可通过测定核酸和胞外聚合物ＥＰＳ（ｅｘｔｒａｃｅｌｌｕｌａｒｐｏｌｙｍｅｒｉｃｓｕｂｓｔａｎｃｅｓ）浓度来反映超声破坏污泥的絮状物和细胞裂解的程度［４］．ＥＰＳ存在于污泥絮体上，ＥＰＳ主要由７０％～８０％的蛋白质和多糖构成，余下的２０％～３０％来自于腐殖酸、核酸和脂类等［５］．细菌的细胞壁较坚硬位于细胞的最外面，肽聚糖是其上特有的成分，几乎所有细菌的细胞壁都含有肽聚糖［６］．细菌细胞主要是由一些大分子组成，其中蛋白质约占５５％，核糖核酸约占２０５％（百分比以细菌细胞干重计）．细菌细胞中的氮元素约占细胞干重的１２％，磷元素主要用于核酸和磷脂的合成［７］．若超声把污泥破解，则破解后的污泥中蛋白质、总磷、氨氮、硝氮、核酸和肽聚糖的含量要显著增大，故选用上述指标来考察污泥破解的状况．对于污泥破解的评价指标还常用污泥的破解率ＤＤＣＯＤ来表示：ＤＤＣＯＤ＝（ＣＯＤＵＳ－ＣＯＤ０）／（ＣＯＤＮａＯＨ－ＣＯＤ０）×１００％．　　式中：ＣＯＤＵＳ是超声波作用后污泥的溶解性ＣＯＤ；ＣＯＤ０是原始污泥中溶解性ＣＯＤ；ＣＯＤＮａＯＨ是碱解溶解性ＣＯＤ［８］．混合液悬浮固体浓度（ＭＬＳＳ）、化学需氧量（ＣＯＤ）、硝氮、总磷（ＴＰ）浓度测量采用美国水与废水检测标准方法［９］；总固浓度（ＴＳ）测量采用文献［１０］中的方法；氨氮浓度测量采用纳氏试剂光度法［１０］；蛋白质浓度测量采用福林酚法［１１］；核酸浓度测量采用紫外吸收法［１２］；肽聚糖浓度测量采用Ｅｌｓｏｎ－Ｍｏｒｇａｎ法［１３－１５］．　　对于多个指标正交试验结果采用综合平衡法分析，即对各指标的分析结果进行综合比较和分析得出较优方案［１６］．正交试验的直观分析各因素极差如图１所示，比较各因素的极差大小，得到各因素及交互作用对污泥破解效果影响的顺序为：超声时间＞超声频率＞超声脉冲比＞超声功率＞超声时间与频率交互作用＞超声时间与功率交互作用＞超声功率与频率交互作用．综合分析得出破解污泥最佳组合为：超声作用时间为７ｍｉｎ，超声频率为２０ｋＨｚ，超声功率为６００Ｗ，超声脉冲比为２∶１或３∶１．　　分别对各个指标进行方差分析，综合分析得出超声各因素对污泥破解情况的影响是：超声时间和频率对污泥破解影响非常显著；超声脉冲比对蛋白质、硝氮和核酸浓度影响非常显著，对氨氮和肽聚糖浓度影响显著；超声功率及各因素之间的交互作用对污泥破解效果影响皆不显著．　　由于超声破解污泥的最佳试验组合为超声时间７ｍｉｎ，超声频率２０ｋＨｚ，超声功率６００Ｗ，超声的脉冲比２∶１或３∶１，该组合并未包含在表１中，故需用该组合做一次补充试验．试验结果表明超８４４东北大学学报（自然科学版）　　　第３５卷　　表１　正交试验安排与试验结果列表Ｔａｂｌｅ１　Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｔｅｓｔａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔａｎｄｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｌｉｓｔ试验编号超声时间ｍｉｎ超声功率ＷＡＢ频率ｋＨｚＣＤＥ脉冲比Ｆ破解率％总磷质量浓度ｍｇ·Ｌ－１蛋白质质量浓度ｍｇ·Ｌ－１肽聚糖质量浓度ｍｇ·Ｌ－１氨氮质量浓度ｍｇ·Ｌ－１核酸质量浓度ｍｇ·Ｌ－１硝氮质量浓度ｍｇ·Ｌ－１１３４００１１１５１１１１∶１１６９０３５０８２３４６７２５７４２３７３５６５９９４０２５４００２２１５１２２１∶２２１２６６３６４０２２４００３１５６０３３２５６２４１０１６３７４００３３１５１３３３∶１３１９７２４６２８５１６００４３９２２５８４１３５１９２５９６４３５００１３１５２２２２∶１３１２４９４０７５３０２６７３９５５９４３６７６８８１３０７５５５００２１１５２３３２∶３１１２１６３９３７２９８００３６８３２４６３８５８３１３１６６７５００３２１５２１１３∶３２１１１８４７５６４１１３３３８６５０５０４１２２２９２１９４７３６００１２１５３３３３∶２２１０５２３９６９２９７３３２９０１４４２３８４２８１４３４８５６００２３１５３１１２∶２３１１３４４１６７３８８６７３８７４０５１０１４８９５２０５９９７６００３１１５３２２１∶３１９８６３９７４３１１３３３２０１４４６３７８４３１２４０１０３４００３３２０３１２２∶３２３９４２９５６６３３３１４２８９１７４２６６６４５８１１５４００１１２０３２３３∶３３１２６６３３８０３１６００２９０１４３９８７７７４１６２８１２７４００２２２０３３