超聲波是一種清潔、無二次污染的高級氧化技術(shù)能有效改善污泥脫水性能并促進(jìn)污泥減量，在污泥預(yù)處理中逐漸受到重視。超聲波作為壓力波通過介質(zhì)傳播并且通過聲波引起分子的振動(dòng)。超聲波作用于液體時(shí)會(huì)產(chǎn)生局部負(fù)壓，在該狀態(tài)下微小氣泡急劇生長并崩潰，瞬間產(chǎn)生局部高溫高壓并釋放出巨大的能量，可增加兩相接觸面積，促進(jìn)反應(yīng)物之間的均勻混合并提高反應(yīng)速率，這就是超聲空化效應(yīng)。為進(jìn)一步探究超聲波由空化效應(yīng)所產(chǎn)生的化學(xué)效應(yīng)，由美雁等研究了超聲波作用于污泥過程中所產(chǎn)生的過氧化氫(H2O2)含量，驗(yàn)證了超聲波化學(xué)效應(yīng)的存在。超聲聲能密度(或功率、比能)、頻率和作用時(shí)間均可對污泥脫水特性產(chǎn)生不同程度的影響，破碎污泥絮體和微生物細(xì)胞的結(jié)構(gòu)，使污泥絮體的間隙水和表面水釋放為自由水，以便于水分脫除。表征污泥中顆粒特征的參數(shù)主要包括形貌、物理結(jié)構(gòu)、絮狀物粒徑分布、分形維數(shù)與絲狀指數(shù)等，可以有效的衡量出污泥的脫水特性。粒徑分布可準(zhǔn)確描述不同調(diào)質(zhì)方法處理后污泥顆粒大小及分布范圍，而分形維數(shù)作為圖像表面不規(guī)則程度的度量是污泥絮體結(jié)構(gòu)的重要特征之一，可有效表明調(diào)質(zhì)處理后污泥的聚集形態(tài)，是反映污泥脫水特性的重要參數(shù)。分形結(jié)構(gòu)是活性污泥絮體的重要特征之一，分形維數(shù)的準(zhǔn)確描述對于絮凝動(dòng)力學(xué)過程模擬至關(guān)重要。
基于超聲波應(yīng)用于污泥預(yù)處理的高效性，能有效改善污泥脫水性能并促進(jìn)污泥減量，對超聲波聲強(qiáng)及其對污泥脫水特性的影響進(jìn)行深入研究。利用2種不同結(jié)構(gòu)的超聲波設(shè)備，通過聲強(qiáng)變化反應(yīng)空化效應(yīng)的強(qiáng)弱，利用碘量法定量分析了超聲氧化性的變化。以市政污泥為研究對象，根據(jù)聲強(qiáng)及氧化性的測定分析了超聲波對污泥含水率、顆粒粒徑及分形維數(shù)變化的影響。
一、材料與方法
1.1 實(shí)驗(yàn)材料與裝置
實(shí)驗(yàn)所用的污泥為某污水處理廠經(jīng)過二級處理后的活性污泥，其含水率為98.49%。研究中使用2種形式超聲波設(shè)備，第1種設(shè)備的有效尺寸為400mm×100mm×100mm，超聲波換能器由6個(gè)雙頻(25，45kHz)壓電換能器并聯(lián)組成放置于槽體底部，第2種設(shè)備的有效尺寸為200mm×100mm×100mm，在槽體側(cè)面寬度方向有2個(gè)相對的換能器(25，45kHz)，在槽體側(cè)面長度方向有3個(gè)為1組的換能器相對放置。實(shí)驗(yàn)裝置還包括XO-1000D型探頭式超聲波細(xì)胞破碎儀、YCSQ2060型數(shù)字超聲波聲強(qiáng)測量儀、UV-2600型紫外分光光度計(jì)、HC103水分測定儀、馬爾文激光粒度儀Mastersize2000。實(shí)驗(yàn)所用藥品H2O2、碘化鉀、鉬酸銨均為分析純。
1.2 實(shí)驗(yàn)方法
(1)聲強(qiáng)測試：對2種超聲波設(shè)備在45kHz下進(jìn)行聲場分布測量比較，通過公式(1)對實(shí)測聲強(qiáng)和聲壓之間進(jìn)行計(jì)算轉(zhuǎn)換：
式中：P為聲壓，Pa，I為聲強(qiáng)，W/m2，籽為密度，kg/m3，c為聲速，m/s。
以去離子水、含水率99.69%的污泥、含水率96.10%的污泥為介質(zhì)測量聲強(qiáng)變化，以去離子水為介質(zhì)的條件下進(jìn)行軟件模擬與實(shí)測聲壓值的比較。
(2)超聲氧化性測定：燒杯中定量加入碘化鉀和鉬酸銨，分別改變超聲時(shí)間、功率和污泥處理量，取處理前后的污泥上清液過濾后于351nm處測吸光度，根據(jù)吸光度計(jì)算H2O2濃度。
(3)污泥脫水特性研究：使用探頭式超聲波細(xì)胞破碎儀在不同超聲時(shí)間、功率、處理量下處理污泥并測定抽濾后的含水率。每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)2次后取平均值。使用馬爾文激光粒度儀測定超聲處理后的污泥粒徑并計(jì)算分形維數(shù)。
二、結(jié)果與討論
2.1 聲強(qiáng)分布規(guī)律
2.1.1 不同形式超聲波設(shè)備對聲強(qiáng)的影響
2種超聲波設(shè)備的聲壓等值線圖見圖1、圖2。由圖1、圖2可以明顯看出第2種超聲波設(shè)備的能量更集中且聲壓分布更為均勻。在一定范圍內(nèi)能量越集中空化氣泡及氣泡破裂時(shí)產(chǎn)生自由基的數(shù)量就越多，剪切力也越大，對打破污泥的聚集狀態(tài)越有效。
2.1.2 模擬與實(shí)驗(yàn)對比
使用軟件建立了上述2種超聲波設(shè)備模型并以水為介質(zhì)進(jìn)行了聲壓模擬，其聲壓等值面圖見圖3。
第2種超聲波設(shè)備聲能更加集中且其最大值可達(dá)到4.2×105Pa，產(chǎn)生的空化效應(yīng)比第一種更強(qiáng)，這與能量輸入方式及在液體中的衰減有關(guān)。對不同超聲波設(shè)備分別取點(diǎn)對比模擬值與實(shí)測值發(fā)現(xiàn)，兩者誤差相對較小且變化規(guī)律極為相似。見表1。
2.1.3 介質(zhì)作用對聲強(qiáng)的影響
為探究不同介質(zhì)對超聲聲強(qiáng)的影響，對設(shè)備進(jìn)行布點(diǎn)并比較3種介質(zhì)下聲強(qiáng)測試結(jié)果，聲強(qiáng)受介質(zhì)作用影響顯著，超聲波在液體中的傳質(zhì)效率高于固體，相同超聲條件下固體對超聲波聲強(qiáng)有衰減作用。見表2。
2.2 超聲氧化性測定
超聲波作用于液體時(shí)由于空化效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生局部高溫高壓，從而產(chǎn)生羥基自由基。自由基之間相互結(jié)合后生成H2O2，反應(yīng)方程式見(2)，(3)。因此可以通過測定溶液中H2O2含量從而間接測定超聲作用產(chǎn)生的自由基的量，進(jìn)而評定超聲氧化性的強(qiáng)弱。
采用碘量法測定H2O2的方程式見(4)，(5)：
根據(jù)H2O2的變化量定量分析了不同條件下超聲氧化性的變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4。
由圖4可以看出，隨超聲時(shí)間的增加，H2O2產(chǎn)量呈先上升后下降趨勢且在150s處達(dá)到最大值。這是由于羥基自由基的生成和湮沒是一個(gè)動(dòng)態(tài)反應(yīng)過程，超聲150s時(shí)該反應(yīng)基本達(dá)到平衡狀態(tài)，因此超聲時(shí)間為150s時(shí)空化效應(yīng)最強(qiáng)。
在相同的超聲時(shí)間下，功率小于450W時(shí)，羥基自由基的產(chǎn)量隨著功率的增加而增加。這主要是由于進(jìn)入反應(yīng)器的能量增加，空化氣泡的數(shù)量增加，使得空化效應(yīng)裂解水分子產(chǎn)生的羥基自由基也增多，說明超聲功率的增強(qiáng)對自由基的產(chǎn)生具有促進(jìn)作用。當(dāng)功率大于450W時(shí)，功率繼續(xù)增加反應(yīng)平衡狀態(tài)被打破致使空化效應(yīng)降低。
不同污泥處理量下H2O2濃度呈先上升后下降趨勢。當(dāng)超聲作用時(shí)間和功率一定時(shí)，在污泥溶液中超聲產(chǎn)生的空化強(qiáng)弱導(dǎo)致單位體積羥基自由基的變化。當(dāng)超聲波能量過大時(shí)，產(chǎn)生的過量空化氣泡會(huì)成為整個(gè)液體傳遞聲能的屏障，降低聲化學(xué)效應(yīng)。
綜上所述，不同條件下H2O2濃度的變化直接反映了實(shí)驗(yàn)過程中羥基自由基的產(chǎn)量，從而反映了不同超聲時(shí)間、功率、處理量下空化效應(yīng)的強(qiáng)弱。在超聲時(shí)間為150s、功率為450W、處理量為100mL時(shí)空化效應(yīng)是最強(qiáng)的。
2.3 污泥脫水特性研究
2.3.1 污泥含水率分析
污泥含水率是其脫水特性的直接表征手段，因此在對超聲氧化性研究的基礎(chǔ)之上分析了超聲時(shí)間、功率、污泥處理量對污泥含水率變化的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖5。
由圖5可以看出，作用時(shí)間小于150s時(shí)污泥含水率呈先下降后上升趨勢且在120s處含水率最低為73.28%，脫水時(shí)加入50mg/L的PAC溶液，攪拌靜置分層，去除上清液后抽濾。隨時(shí)間的增加超聲空化效應(yīng)對污泥的破解作用增強(qiáng)，污泥絮體顆粒減小同時(shí)微生物細(xì)胞壁被打破，使得更多的間隙水以及部分內(nèi)部結(jié)合水轉(zhuǎn)化為自由水易于脫除。但超聲時(shí)間過長會(huì)使得溶液粘度升高過濾性能惡化，導(dǎo)致抽濾時(shí)間增加。
超聲功率為90~450W時(shí)，經(jīng)過抽濾后污泥含水率明顯降低，可降至74.75%。但是超聲功率繼續(xù)增加至810W時(shí)，污泥含水率呈上升趨勢。其原因是，在一定范圍內(nèi)超聲功率越大空化效應(yīng)越強(qiáng)，使得污泥中絮體結(jié)構(gòu)被破壞后釋放出結(jié)合水。但功率過大同樣會(huì)降低污泥的脫水性能。功率在超聲處理污泥過程中起到了非常重要的作用，450W時(shí)不僅氧化性最強(qiáng)，對污泥脫水特性的影響也最大。
處理量為60~80mL時(shí)污泥含水率明顯降低，可降至75.12%。但是處理量為80~120mL時(shí)污泥含水率呈上升趨勢，從75.12%增大至81.75%。處理量過低導(dǎo)致超聲聲能密度過大，產(chǎn)生聲屏蔽效應(yīng)從而降低脫水率，處理量過高時(shí)使得聲能量密度較小，難以達(dá)到最佳處理效果。
2.3.2 污泥粒度測試及分形維數(shù)分析
使用馬爾文激光粒度儀對污泥顆粒進(jìn)行測試，得到粒度分布曲線見圖6。
從圖6中可以看出，超聲時(shí)間為30~120s時(shí)污泥顆粒粒徑逐漸減小，但隨著超聲時(shí)間的繼續(xù)增加，粒徑在6~8μm之間波動(dòng)但變化不明顯。表明此時(shí)繼續(xù)增加超聲時(shí)間對其改變不再有明顯作用。綜上所述，超聲空化作用對分散污泥效果顯著，通過分析超聲時(shí)間、功率對污泥含水率的影響及污泥粒徑分布結(jié)果可知污泥粒徑在6~7μm范圍內(nèi)脫水效果最好。不同超聲條件下的篩下累積產(chǎn)率見表3。
在雙對數(shù)坐標(biāo)系下做粒度-篩下累計(jì)產(chǎn)率圖，擬合后得到其斜率值b，可根據(jù)公式D=3-b[20]計(jì)算出污泥的分形維數(shù)D值，見表4。分形維數(shù)D表征了污泥的圖像特征，D越大污泥的聚集程度越高。由表4可知，超聲時(shí)間120和180s時(shí)污泥粒徑最小且聚集程度最高。分析以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得到在超聲時(shí)間為120s、功率為450W時(shí)，污泥脫水效果較好。
三、結(jié)論
(1)對比不同空間點(diǎn)處超聲波設(shè)備聲強(qiáng)變化得出反應(yīng)腔尺寸及換能器分布形式不同，聲壓分布不同，使得液體中產(chǎn)生空化作用的強(qiáng)度不同。
(2)對超聲波產(chǎn)生H2O2含量測定得出在超聲時(shí)間為150s、功率為450W、處理量為100mL時(shí)，超聲波產(chǎn)生H2O2含量最高即超聲的氧化性最強(qiáng)。
(3)通過進(jìn)行超聲波處理污泥實(shí)驗(yàn)得出空化效應(yīng)對促進(jìn)污泥脫水具有積極作用，經(jīng)超聲波處理后污泥的聚集狀態(tài)明顯改變，顆粒粒徑變小且在6~7μm時(shí)有益脫水。（ >
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