DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2016.03.047

超声作用对净水厂沉淀污泥絮体特性的影响

郭璇，杨艳玲，李星，周志伟，邬艳

(北京工业大学 建筑工程学院，北京，100124)

摘要：采用槽式与探头式超声波反应器处理某净水厂沉淀污泥，考察超声过程中超声波频率(25 kHz和40 kHz)、声能密度(0.025~7.000 W/mL)以及作用时间(0~30 min)对污泥絮体特性的影响。研究结果表明：超声后污泥絮体结构被破坏，粒径减小且主要发生在超声作用的前5 min。超声频率越高絮体破碎程度越大，絮体粒径明显减小，比表面积逐渐增大且增幅变大。高声能密度超声波处理时絮体粒径减小，减幅可达50%以上；声能密度过高且经长时间超声作用后，比表面积反而降低。频率为40 kHz、声能密度为25 mW/mL的超声工况更有利于形成粒径小、比表面积大的絮体。超声波在较低的固体浓度污泥介质传播时衰减程度低，破解程度高。超声作用对污泥pH及Zeta电位的影响均不明显。

关键词：超声；声能密度；超声波频率；絮体特性

中图分类号：TU991.2         文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2016)03-1071-07

Effects of ultrasound condition on flocs characteristics of drinking water treatment sludge

GUO Xuan, YANG Yanling, LI Xing, ZHOU Zhiwei, WU Yan

(College of Architecture and Civil Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

Abstract: The effects of ultrasound frequencies (25 kHz and 40 kHz), energy density (0.025-7.000 W/mL) and sonication time (0-30 min) on the flocs characteristics of a drinking water treatment sludge (DWTS) were investigated using both bath and probe sonoreactors. The results indicate that the flocs size decreases as result of disintegration of DWTS flocs structure which occurs mainly during the first 5 min ultra-sonication. The extent of the disintegration, accompanying with the reduction in flocs size is greater at higher frequency than the lower one. The specific surface area of pre-sonciated flcos gradually increases as sonication is prolonged, and it increases greater at higher frequency. The flocs size is greatly reduced at higher energy density, the highest reduction rate reaches above 50%. The specific surface area of pre-sonciated flcos reduces in case of the higher energy density and longer sonication time together. The smallest flocs size and highest specific surface area of pre-sonciated flcos can be obtained at 40 kHz with 25 mW/mL of energy density. The lower solid content is benefit to the lower extent of attenuation when transmitted in such medium and the higher DWTS disruption. Ultrasound has little influence on pH and Zeta potential of the pre-sonicated flocs.

Key words: ultrasound; energy density; ultrasonic frequency; flocs characteristics

污泥回流强化低浊水混凝过程中普遍存在有毒有害物质积累问题^[1]，需对回流污泥进行无害化处理，这是实现污泥回流工艺及污泥资源化的前提。超声技术是近年发展起来的一种新型水处理技术，可以有效去除水中污染物尤其是难降解的污染物。超声波在介质中传播时产生空化效应，空化气泡破裂产生的高温高压会引发一系列物理化学变化^[2-3]，可以降解水中难降解的有机物，并且灭活寄生虫卵、隐孢子虫以及其他耐消毒的病原体^[4]。超声技术可能成为无害化污泥回流的有效措施之一，但超声作用会破坏絮体的结构，改变絮体特性^[5-6]。研究发现，超声可以降低污泥平均粒径^[7-8]，改变污泥的Zeta电位^[9]，也可以增加污泥颗粒亲水位点及絮体比表面积^[10]。另外，超声波反应器结构、超声工况、污泥性质等条件都会影响超声效果。薛玉伟等^[11]对比了槽式和探头式超声波反应器处理效果，发现槽式反应器中超声波大范围均匀传递，更利于污泥破解；CHANG等^[12]研究发现声能密度越高污泥破解率越大，化学需氧量溶出率越高；SHOW等^[13]发现在一定范围内(1.0%~2.9%)污泥破解率随含固率增加而增大。目前关于超声作用破解污泥的研究主要是针对活性污泥展开的，而超声作用对净水厂沉淀污泥特性影响的报道较少，本文作者采用槽式与探头式超声波发生器对净水沉淀污泥絮体进行处理，研究超声频率及声能密度对絮体粒径、Zeta电位、比表面积等特性的影响，并考察不同固体浓度的污泥经超声处理后的絮体特性变化，为超声无害化污泥回流工艺提供理论基础。

1  试验材料及方法

1.1  污泥来源

试验所用污泥为北京市某净水厂沉淀污泥，其主要特性指标如下：温度为28.4 ℃，pH为7.60；固体质量浓度为3.61 g/L，悬浮固体质量浓度为2.73 g/L，污泥絮体平均粒径为29.241 μm，比表面积为80.282 m²/g，Zeta电位为-15.70 mV。

1.2  试验方法及装置

1.2.1  超声处理

试验中的超声装置为槽式超声波反应器与变幅杆探头式超声波反应器。取沉淀污泥15 L至槽式超声装置的反应槽中(长×宽×高为 250 mm×250 mm×300 mm)，输入功率为450 W，对应的有效声能密度为25 mW/mL，考察超声频率为25和40 kHz，超声时间分别为5，10，15，20，30 min。

变幅杆探头式超声波反应器超声频率为25和40 kHz，钛合金探头直径为18 mm，电功率0~1.5 kW可调，本实验选用25，100，300，500和700 W。取100 mL泥样置于250 mL容量瓶中，超声前轻轻摇匀，然后将超声探头垂直伸入污泥液面10 mm下，保持每次位置一致，作用过程中不控制温度。取样时间与槽式反应器相同。

通过以上试验分析超声条件对絮体特性的影响，得到最佳超声工况，考察此工况下不同固体质量浓度(3.61 g/L和4.56 g/L)的净水厂沉淀污泥絮体特性。

1.2.2  检测方法

通过光学显微镜(Olympus，BX51TF，日本)观察所截取絮体的图像，并通过CCD摄像系统对絮体进行拍照。摄像系统具有1 944像素×2 952像素，采用长度为1 μm的标尺进行标定，计算得每个像素代表实际长度0.699 μm。通过imageJ图像处理软件对所截取的絮体的图像、平均尺寸、特征长度和投影面积进行分析。采用最小二乘法的方法计算二维边缘分形维数:

                 (1)

式中：A为单个絮体的投影面积；P为单个絮体的特征长度；D_pf为所截取所有絮体的二维边缘分形维数。

测定比表面积采用低温急速冷冻-真空干燥机(7740031，美国)将污泥样品干燥预处理，然后将预处理后的样品用高速自动比表面及孔径分析仪(nova2000，美国)测定。

Zeta电位采用Zeta电位仪(马尔文2000，英国)检测；pH采用pH测定仪(Orion3-Star，美国)测定。

2  结果与分析

2.1  超声频率对污泥絮体特性的影响

超声作用对污泥pH的影响如图1所示。由图1可知：经探头式反应器处理后，污泥pH有所上升，而槽式反应器处理后的污泥pH下降，但变化幅度都不大。25 kHz的超声波处理后，污泥的pH几乎不变，40 kHz的超声波对污泥pH的影响更大。同时，低声能密度(25 mW/mL)超声后絮体的Zeta电位在-3.6~ 2.7 mV的范围内波动，而频率与超声时间对絮体表面电荷的影响不明显(如图2所示)，这与文献[14]在低声能密度下处理污泥所得出的结果相近。

有研究表明^[15]，超声波作用于活性污泥时，絮体被击散，EPS稳定性被破坏，絮体粒径减小；超声时间较短时，污泥的沉降比增大，但是超声超过2 min后产生大量微小絮体，污泥沉降性能恶化。因此有必要考察超声作用对净水污泥絮体粒径的影响，避免小絮体数量过多而导致污泥沉降性能下降，不利于后续处理。超声作用对污泥絮体粒径的影响如图3所示。由图3可知：超声后污泥絮体平均粒径减小。槽式反应器在25 kHz的频率下处理30 min后，絮体粒径由29.241 μm减至22.422 μm，减幅23.32%；而同条件下探头式反应器破解的絮体粒径减幅37.69%，探头式反应器对污泥絮体的破解作用更加明显。槽式反应器中，超声波大范围均匀传递，但是超声波在槽底发生反射、衰减，造成能量损耗；探头式反应器的探头直接浸入反应容器中，超声波传递范围较小，能量损耗低^{[11, 16]}，超声波能量相对较大，污泥粒径减小明显。不同频率下超声时间对污泥絮体粒径的影响规律相似，超声作用前5 min内絮体粒径明显减小，且40 kHz的超声频率对絮体粒径的影响更明显。超声5 min后的絮体粒径分布如图4所示，图中：η为不同粒径絮体数量占总絮体数量的比例。由图4可知：不同频率下超声5 min时，絮体粒径分布均最接近正态分布，分布较为均匀。超声超过5 min，絮体粒径继续减小，但曲线趋于平缓，粒径分布不均匀，粒径较小的絮体数量明显增加，不利于后续处理。超声时间对絮体粒径的影响比超声频率的影响更明显。

图1  超声作用对污泥pH的影响

Fig. 1  Effects of ultrasound on pH

图2  超声作用对污泥Zeta电位的影响

Fig. 2  Effects of ultrasound on Zeta potential

GUAN等^[17]研究发现：超声波作用于污泥絮体时可以提高污泥中小颗粒的数量，絮体的比表面积增加，回流时更有利于原水颗粒间有效碰撞和破碎絮体再絮凝，从而强化污染物的去除。图5所示为低声能密度(25 mW/mL)下污泥絮体比表面积随超声频率和超声时间的变化规律。由图5可知：2种超声波反应器处理后絮体比表面积均随超声时间的增加而逐渐增大，且超声频率越高比表面积增幅越大。初始污泥絮体比表面积为80.282 m²/g，频率为40 kHz的槽式超声波处理30 min后最大比表面积可达117.852 m²/g。比表面积与颗粒的粒径、形状、表面粗糙程度及孔结构密切相关，通常认为颗粒粒径越小，表面越粗糙，孔径越小，比表面积越大。超声空化作用更容易发生在20~40 kHz的频率范围内^[18]，固体表面附近形成稳定空洞和瞬时空洞。瞬时空化气泡易破裂变形，朝着固体表面产生高速液体喷射，并产生冲击波冲击固体表面^[19]，产生侵蚀、剥落作用，絮体颗粒变小，且粗糙、多孔，因此，比表面积不断增大。对比发现，同条件下槽式超声波反应器处理后的污泥絮体比表面积更大，说明大范围均匀超声场可能更有利于解耦合作用，絮体表面侵蚀效应较强，易形成比表面积更大的絮体，可能利于回流。

图3  超声作用对污泥絮体粒径的影响

Fig. 3  Effects of ultrasound on floc size

图4  超声5 min后的絮体粒径分布

Fig. 4  Floc size distribution after 5 min ultrasonication

图5  超声作用对污泥比表面积的影响

Fig. 5  Effects of ultrasound on specific surface area

2.2  声能密度对污泥絮体特性的影响

图6所示为超声频率40 kHz时不同声能密度对污泥pH的影响。超声时间及声能密度对污泥pH的影响均不明显，超声后污泥的pH在-0.36~0.06的范围内波动，污泥体系的pH缓冲能力比较强。不同声能密度下污泥絮体的Zeta电位无明显规律，Zeta电位变化不大且出现波动(图7)。这可能是因为污泥吸收超声能量升温，促进氢氧化铁水解，正电荷离子浓度增大；且一定声能密度的超声波作用于污泥时，已经震碎的小絮体颗粒会发生振动，再次碰撞、结合^[20]，絮体表面电荷重新分布，因此，絮体Zeta电位出现小幅度波动。

图6  声能密度对污泥pH的影响

Fig. 6  Effects of energy density on pH

图7  声能密度对污泥Zeta电位的影响

Fig. 7  Effects of energy density on Zeta potential

声能密度对污泥絮体平均粒径的影响如图8所示。由图8可知：絮体平均粒径随超声时间的增加而减小，且声能密度越高，粒径减小越明显。声能密度为1 W/mL时絮体平均粒径改变不大，超声30 min后平均粒径下降约21.43%，声能密度7 W/mL的超声波作用30 min后平均粒径下降50%。与低声能密度超声处理絮体时的规律相似，粒径的减小主要发生在前5 min，之后渐趋平缓，此时声能密度成为主要限制因素。超声过程中，空化气泡的产生与空化阈和声压有关^[13]，可以表示为：

      (2)

                 (3)

其中：为空化阈；为饱和蒸气压；R₀为初始空化气泡半径；为表面张力；P_A为声压；I为声能密度；ρ为介质密度；c为声速。由式(2)和(3)可知：空化阈主要取决于介质性质，而声压依赖于介质性质与超声波性质。当污泥介质确定时，即，ρ和c都保持不变，此时P_A只与声能密度正相关。声压大于空化阈时，介质中出现局部暂时负压，产生空化气泡。故声能密度越大，声压越大，空化作用更易于发生，絮体破坏程度更高。

图8  声能密度对污泥絮体粒径的影响

Fig. 8  Effects of energy density on floc size

图9所示为声能密度对絮体比表面积的影响。原泥絮体比表面积为80.282 m²/g。超声前5 min，絮体比表面积增大，涨幅明显，之后不同声能密度对絮体比表面积有不同影响。声能密度为1 W/mL时，絮体比表面积随超声时间的增加不断增大，但曲线随超声时间的增加而趋于平缓；声能密度为3 W/mL和5 W/mL时，比表面积分别在10 min和15 min达到峰值后下降；在高声能密度(7 W/mL)下，比表面积在5 min时达到最大，为113.735 m²/g。高声能密度超声波能量较大，可以在短时间内将污泥絮体打碎，小颗粒絮体数量增加，且形成的大量瞬时空化气泡破裂，污泥颗粒表面粗糙程度增加，比表面积增大；高声能密度下超声时间较短时，空化作用产生的剪切力迅速破坏絮体，絮体粒径急速减小，比表面积增大。随着超声时间的增加，絮体被进一步破坏，但此时粒径减小速率变得缓慢，且在长时间的超声振动下，被震碎的小颗粒物填充絮体表面空洞，絮体变得均匀，通过分析絮体二维边缘分形维数发现，在声能密度7 W/mL下超声30 min后絮体D_pf为1.334，低于原泥絮体D_pf 1.515，絮体内部结构的填充度增加，絮体变得密实，比表面积减小。高声能密度下的超声时间应尽量控制在10 min以内，以获得较大的絮体比表面积，利于后续处理。

图9  声能密度对污泥比表面积的影响

Fig. 9  Effects of energy density on specific surface area

2.3  不同固体质量浓度(TS)污泥经超声处理后的絮体特性

在40 kHz、25 mW/mL的超声工况下，不同固体质量浓度的污泥经槽反应器处理后的絮体特性如表1所示。超声后污泥pH均略小于原泥的pH，随着超声时间的增加，pH出现小幅度波动但无明显规律。固体质量浓度为4.56 g/L的污泥pH变化较小，说明固体质量浓度高的污泥pH缓冲能力更强。固体质量浓度为4.56 g/L的污泥Zeta电位上升约1 mV，超声5 min后Zeta电位几乎不随超声时间变化；固体质量浓度为3.61 g/L的污泥Zeta电位随超声时间波动，无明显规律。

不同固体质量浓度的污泥絮体平均粒径随超声时间的增加持续减小，超声30 min后，固体质量浓度为4.56 g/L的絮体粒径减幅约30%，低于固体质量浓度3.61 g/L的污泥絮体(约40%)，说明固体质量浓度高的污泥絮体破解程度相对低。超声波在介质中传播时伴随着不可避免的能量衰减、吸附和扩散，其衰减程度取决于超声波性质和介质均匀程度^[2]。声能密度的衰减规律如下：

               (4)

式中：I_x为距声源x处的声能密度；I₀为声源处的声能密度；为衰减系数。研究结果表明^[20]：对于给定频率的超声波，介质黏性增加时，衰减系数增大。通常情况下，固体质量浓度大的污泥黏性较大，超声波衰减程度较高，而且可能阻碍空化气泡的传播，影响污泥破解效果。

固体质量浓度为3.61 g/L的污泥絮体比表面积随超声时间增加而持续增大；而固体质量浓度为4.56 g/L的絮体比表面积增加主要发生在超声前5 min，而后增幅降低。可能因为一方面超声波在固体质量浓度大的污泥中传播时衰减程度较高，形成的瞬时空化气泡对絮体表面的剥蚀作用减弱，粒径减小速度慢;另一方面，超声后固体质量浓度大的污泥系统中小颗粒浓度大，在长时间超声振动下重新结合、填充的概率大，絮体表面粗糙程度减小，比表面积缓慢增加甚至出现降低。因此，水厂在处理固体质量浓度较高的污泥时，可以进行稀释预处理，以达到更好的超声效果。

表1  固体质量浓度对污泥絮体特性的影响

Table 1  Effects of total solid content on floc characteristics

3  结论

1) 不同频率的超声波处理后，污泥絮体的pH与Zeta电位均出现小幅波动。超声后絮体结构被破坏，平均粒径减小且主要发生在超声作用的前5 min，之后粒径减小逐渐缓慢，超声频率越高絮体破碎越明显。超声作用后污泥絮体表面粗糙多孔，比表面积逐渐增大，且频率越高增幅越大。

2) 声能密度对絮体pH与Zeta电位的影响不明显，而对絮体粒径及比表面积的影响较大。高声能密度超声波处理时絮体粒径减小，减少幅度可达50%以上，同时比表面积增大，可能利于污泥回流；声能密度过高且经长时间超声作用后，絮体表面变得光滑、均匀，比表面积降低。

3) 在40 kHz，25 mW/mL的超声条件下，超声作用对不同固体质量浓度的污泥絮体的影响规律相似，但固体质量浓度低的污泥超声波衰减程度低，破解程度较高。

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(编辑  赵俊)

收稿日期：2015-03-26；修回日期：2015-06-09

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51278005)；北京市自然科学基金资助项目(8132007)；国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07404-003) (Project(51278005) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(8132007) supported by the Beijing Municipal Natural Science Foundation; Project(2012ZX07404-003) supported by the National Water Pollution Control and Treatment Science and Technology Major Project)

通信作者：杨艳玲，研究员，博士生导师，从事水处理理论与技术等研究；E-mail: yangyanling@bjut.edu.cn