本發(fā)明屬于環(huán)境保護技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種凈水廠污泥調(diào)理的超聲波預(yù)破碎和再絮凝組合脫水方法。
背景技術(shù)：
我國仍有95%以上的凈水廠采用常規(guī)的“混凝-沉淀-過濾-消毒”工藝，產(chǎn)生的污泥大部分就近直接排放至水體中，造成水體的二次污染。凈水廠污泥含水率約為95%-99.5%，含水率高、呈流動狀態(tài)且體積大，為了便于運輸、處理和資源化利用，污泥調(diào)理和脫水是污泥處理的首要和關(guān)鍵步驟。結(jié)合水的存在是造成污泥含水率難以降低的主要因素。目前廣泛使用的機械脫水主要有真空過濾脫水、離心脫水及壓濾脫水，提高污泥脫水效率的關(guān)鍵是對污泥進行預(yù)處理，如熱解、機械破解、超聲波破解、臭氧氧化、酸化、堿解、堿與超聲波聯(lián)合處理、酶處理等，打散污泥中的菌膠團，加快污泥中有機物的溶出，進而促進結(jié)合水的釋放。超聲波預(yù)處理活性污泥技術(shù)的綜合利用包括剩余活性污泥厭氧消化以及回流活性污泥的隱形增長，該技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用?；钚晕勰嘟?jīng)過超聲波處理之后，可減少其含水量并加快其厭氧消化速度，使機械脫水的污泥體積大大減少，污泥的有害病菌也被大量消除，起到減量化和穩(wěn)定化的作用。超聲波作用于污泥時，污泥結(jié)構(gòu)會重組，污泥中水的存在形式會改變，污泥介質(zhì)中易去除的自由水含量提高，污泥中的胞外聚合物（主要為蛋白質(zhì)、多糖和核酸）和胞內(nèi)物質(zhì)會釋放，最終改變污泥脫水性及沉降性。研究表明，污泥脫水性及沉降性的變化與胞外聚合物的溶出組分和含量，以及污泥粒徑和表面電荷密切相關(guān)。超聲作用條件對污泥的脫水性的改善存在一個臨界值，超過或低于該臨界值污泥的脫水性均較差。
凈水廠污泥與污水廠活性污泥在物理、化學(xué)性質(zhì)和微生物種群等方面有著很大不同，且經(jīng)超聲作用后離散、破碎的污泥絮體粒徑、溶出物質(zhì)含量和性質(zhì)發(fā)生了變化，這些變化對凈水廠污泥脫水性和沉降性的影響尚不明確。傳統(tǒng)的化學(xué)混凝調(diào)理脫水方法（通過投加化學(xué)藥劑和機械脫水的方式）很難有效地破壞污泥中胞外聚合物的結(jié)構(gòu)，無法有效將其中結(jié)合水釋放出來。在混凝化學(xué)藥劑再絮凝的條件下，破碎的污泥微絮體或顆粒、以及釋放至液相中的胞外聚合物和胞內(nèi)物質(zhì)會重新聚集，可進一步提高污泥的脫水性和沉降性。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明提供了一種凈水廠污泥調(diào)理的超聲波預(yù)破碎和混凝再絮凝的組合脫水方法，將凈水廠污泥采用超聲波技術(shù)破碎后通過混凝再絮凝的方式提高污泥的脫水性和沉降性。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種用于凈水廠污泥調(diào)理脫水的方法，其特征在于，包括以下步驟：
步驟1：利用超聲波破碎凈水廠污泥；
步驟2：投加化學(xué)藥劑，對破碎污泥進行再絮凝調(diào)理；
步驟3：對調(diào)理后的污泥進行機械脫水。
作為優(yōu)選，步驟1中采用的超聲波反應(yīng)器為槽式超聲波反應(yīng)器、探頭式超聲波反應(yīng)器或平行板近場式超聲波反應(yīng)器，超聲波破碎時間為10~30min。
作為優(yōu)選，所述槽式超聲波反應(yīng)器，反應(yīng)器的換能器設(shè)置在反應(yīng)槽四周，頻率為a1kHz、a2 kHz、a3 kHz和a4 kHz ，其中a1、a2、a3、a4的取值均為25、40、68、80、100、125或 160，共98種頻率組合形式；反應(yīng)器的輸入功率為0~450W，連續(xù)可調(diào)，聲能密度為23.3~30.0W/L。
作為優(yōu)選，所述探頭式超聲波反應(yīng)器，反應(yīng)器頻率為b kHz，b的取值為25或40，聲能密度為300~500W/L；超聲過程中探頭離污泥界面2.0~2.5cm。
作為優(yōu)選，所述探頭式超聲波反應(yīng)器的磁力攪拌速度為250~310rpm。
作為優(yōu)選，所述平行板近場式超聲波反應(yīng)器，反應(yīng)器中平行板上側(cè)頻率為c1 kHz，c1的取值為25、40、68或100；平行板下側(cè)頻率為c2 kHz，c2的取值為68、100、125或160；上下側(cè)構(gòu)成了225種頻率形式的超聲混響場；聲能密度為0~500W/L。
作為優(yōu)選，步驟2中所述化學(xué)藥劑為混凝劑、混凝劑與助凝劑組合物或者混凝劑與氧化劑組合物。
作為優(yōu)選，所述混凝劑為硫酸鋁、氯化鋁、氯化鐵、聚合氯化鋁或聚合硫酸鐵；所述助凝劑為生石灰、稀鹽酸、活化硅酸或聚丙烯酰胺；所述氧化劑為高錳酸鉀、高錳酸鹽復(fù)合藥劑、臭氧或過氧化鈣。
作為優(yōu)選，步驟2中所述再絮凝調(diào)理，首先以200~300rpm快速攪拌混合0.5~1 min，接著投加化學(xué)藥劑，然后以50~80rpm攪拌再絮凝15~20 min，最后靜置沉淀25~30min。
作為優(yōu)選，所述化學(xué)藥劑的投加量根據(jù)污泥TSS質(zhì)量確定，投加的化學(xué)藥劑與污泥TSS質(zhì)量濃度比為0.5%~1%。
采用本發(fā)明中凈水廠污泥調(diào)理的方法可顯著提高污泥的脫水性和沉降性，將難脫除的內(nèi)部水轉(zhuǎn)化為易脫除的自由水，實現(xiàn)污泥的減量化，降低后續(xù)污泥運輸、處理的成本。整個工藝流程簡單，易于實現(xiàn)。
附圖說明
附圖1本發(fā)明實施例的流程圖。
具體實施方式
為了便于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解和實施本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步的詳細描述，應(yīng)當理解，此處所描述的實施示例僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
請見圖1，本發(fā)明提供的一種凈水廠污泥調(diào)理的超聲波預(yù)破碎和混凝再絮凝的組合脫水方法，包括以下步驟：
步驟1：利用超聲波破碎凈水廠污泥；
首選取凈水廠泥樣污泥總懸浮固體（TSS）為1000~2000mg/L，含水率98%以上。超聲波反應(yīng)器為槽式超聲波反應(yīng)器、探頭式超聲波反應(yīng)器或平行板近場式超聲波反應(yīng)器，超聲波破碎時間為10~30min。超聲破碎過程中未調(diào)節(jié)污泥的溫度和pH值。
本實施例的槽式超聲波反應(yīng)器，反應(yīng)器的換能器設(shè)置在反應(yīng)槽四周，頻率為a1，a2，a3和a4 kHz (a1，a2，a3，a4的取值為25，40，68，80，100，125和160kHz)，共98種頻率組合形式。輸入功率為0~450W連續(xù)可調(diào)，聲能密度為23.3~30.0W/L。
本實施例的探頭式超聲波反應(yīng)器，反應(yīng)器頻率為b（b的取值為25，40kHz），聲能密度為300~500W/L；超聲過程中探頭離污泥界面2.0~2.5cm；為避免污泥沉淀至儲液槽底部，磁力攪拌速度為250~310rpm。
本實施例的平行板近場式超聲波反應(yīng)器，反應(yīng)器中平行板上側(cè)頻率為c1（c1的取值為25，40，68和100kHz），平行板下側(cè)頻率為c2（c2的取值為68，100，125和160kHz），上下側(cè)構(gòu)成了225種頻率形式的超聲混響場。聲能密度為0~500W/L。
本實施例的超聲波反應(yīng)器設(shè)置有超聲波頻率調(diào)節(jié)按鈕、功率無級調(diào)節(jié)按鈕和定時器設(shè)置按鈕。頻率可通過超聲波設(shè)備控制面板上的頻率數(shù)顯按鈕來調(diào)節(jié)，聲能密度通過控制面板上功率調(diào)節(jié)按鈕和超聲處理污泥體積來控制，破碎時間可由控制面板上的定時器設(shè)置。
步驟2：投加化學(xué)藥劑，對破碎污泥進行再絮凝調(diào)理；
本實施例的化學(xué)藥劑可以為混凝劑，或者混凝劑與助凝劑，或者混凝劑與氧化劑。
本實施例的混凝劑可以是硫酸鋁、氯化鋁、氯化鐵、聚合氯化鋁、聚合硫酸鐵或其他混凝劑中的一種；助凝劑可以是生石灰或稀鹽酸、活化硅酸、聚丙烯酰胺等中一種；氧化劑可以是高錳酸鉀、高錳酸鹽復(fù)合藥劑、臭氧以及過氧化鈣中的一種。
本實施例的超聲破碎污泥再絮凝的混凝程序為200~300rpm快速攪拌混合0.5~1 min，投加化學(xué)藥劑；然后以50~80rpm攪拌再絮凝15~20 min；最后靜置沉淀25~30min。
本實施例的化學(xué)藥劑的投加量根據(jù)污泥TSS質(zhì)量確定，投加的化學(xué)藥劑與污泥TSS質(zhì)量濃度比為0.5%~1%。
步驟3：對調(diào)理后的污泥進行機械脫水，機械脫水后的污泥含水率可降至42~50%。
本發(fā)明通過實驗室大量靜態(tài)試驗研究，比較了不同超聲波預(yù)破碎條件（超聲波反應(yīng)器器類型、頻率組合、聲能密度、超聲作用時間和污泥特性）下污泥脫水性（用過濾比阻SRF和毛細吸水時間CST來表征）和沉降性（用污泥容積指數(shù)SVI來表征）的變化，以及通過投加化學(xué)藥劑再絮凝來提高污泥的脫水性和沉降性、以及含水率的降低來說明該方法的創(chuàng)新性與優(yōu)越性。舉十三個實例說明具體實施方式，但本發(fā)明的權(quán)利要求范圍并不局限于此。
實施實例一：采用本發(fā)明中的方法，首先將15L原泥放入250 mm (長) × 250 mm (寬) × 300 mm (高)的槽式超聲波反應(yīng)器中進行污泥的預(yù)破碎，槽式反應(yīng)器四周換能器的超聲波頻率為25kHz，40kHz，68kHz和100kHz。僅開啟頻率為25kHz的換能器，聲能密度調(diào)節(jié)為23.3~30.0W/L、超聲時間設(shè)定為10min，超聲過程中攪拌器轉(zhuǎn)速為250rpm，沒有調(diào)節(jié)污泥的溫度和pH值。然后，采用六聯(lián)靜態(tài)攪拌進行破碎污泥再絮凝試驗，將800mL超聲波破碎污泥添加至1L燒杯中，設(shè)定混凝攪拌程序為200rpm快速攪拌混合0.5min，投加硫酸鋁，其投加量為5mg/L；然后以50rpm攪拌再絮凝15 min；最后靜置沉淀25min。最后，將調(diào)理后的污泥進行壓濾脫水。
試驗凈水廠污泥TSS為 1.00g/L，SVI為110.4±0.37mL/g，平均SRF值為18.58×1012m/kg，平均CST值為17.6s，污泥含水率為98.8%。在聲能密度為23.3~30.0W/L、超聲時間為10min時，超聲破碎污泥的SRF值為21.16×1012m/kg，CST值為23.3s，SVI值為121.5mL/g，相對于原污泥脫水性有所惡化，沉降性稍有改善。通過再絮凝后，污泥的SRF值為14.02×1012m/kg，CST值為14.8s，SVI值為138.2mL/g，相對于原污泥脫水性和沉降性均顯著改善。最后將調(diào)理后的污泥進行壓濾脫水，污泥含水率降至50%。
本發(fā)明的工作原理是經(jīng)過超聲作用使污泥中的胞外聚合物（主要為蛋白質(zhì)、多糖和核酸）和胞內(nèi)物質(zhì)釋放出來，使其中的水分子不斷加速運動、旋轉(zhuǎn)、相互碰撞，使污泥的Zeta電位、表面雙電層結(jié)構(gòu)遭到破壞。在混凝再絮凝的作用下，破碎的污泥微絮體或顆粒、以及釋放至液相中的胞外聚合物和胞內(nèi)物質(zhì)會重新聚集，進一步提高污泥的脫水性和沉降性，最后通過壓濾將含水率降低。
實施實例二：本實施實例與實施實例一不同的是：所開啟的超聲波頻率為40kHz，投加的化學(xué)藥劑為混凝劑聚合氯化鋁和氧化劑過氧化鈣，其投加量分別為10mg/L和2.5mg/L。其他步驟和參數(shù)與實施實例一相同。
實施實例三：本實施實例與實施實例一不同的是：所開啟的超聲波頻率組合為25/40kHz，其他步驟和參數(shù)與實施實例一相同。
實施實例四：本實施實例與實施實例一不同的是：所開啟的超聲波頻率組合為25/40/68kHz，其他步驟和參數(shù)與實施實例一相同。
實施實例五：本實施實例與實施實例一不同的是：所開啟的超聲波頻率組合為25/40/68/100kHz，其他步驟和參數(shù)與實施實例一相同。
實施實例六：采用本發(fā)明中的方法，首先將100mL原泥放入玻璃容器中進行探頭式超聲波預(yù)破碎，超聲波頻率為25kHz，聲能密度為300~500W/L、作用20min，超聲過程中探頭離污泥界面2.0cm，磁力攪拌器轉(zhuǎn)速為250rpm，沒有調(diào)節(jié)污泥的溫度和pH值。然后，采用六聯(lián)靜態(tài)攪拌進行破碎污泥再絮凝試驗，將800mL超聲波破碎污泥添加至1L燒杯中，設(shè)定混凝攪拌程序為300rpm快速攪拌混合1 min，投加三氯化鐵，其投加量為14.08mg/L；然后以50rpm攪拌再絮凝15 min；最后靜置沉淀30min。最后，將調(diào)理后的污泥進行壓濾脫水。
試驗凈水廠污泥TSS為 1.57g/L， SVI為110.4±0.37mL/g，平均SRF值為17.92×1012m/kg，平均CST值為20.8s。在聲能密度為300W/L、超聲時間為20min時，超聲破碎污泥的SRF值為20.25×1012m/kg，CST值為25.3s，SVI值為120.3mL/g，相對于原污泥脫水性有所惡化，沉降性稍有改善。通過再絮凝后，污泥的SRF值為13.25×1012m/kg，CST值為16.8s，SVI值為140.3mL/g，相對于原污泥脫水性和沉降性均顯著改善。在聲能密度為500W/mL、超聲時間為20min時，超聲破碎污泥的SRF值為22.13×1012m/kg，CST值為28.3s，SVI值為138.3mL/g，相對于原污泥脫水性明顯惡化，沉降性稍有改善。通過再絮凝后，污泥的SRF值為13.75×1012m/kg，CST值為15.8s，SVI值為151.3mL/g，相對于原污泥脫水性和沉降性均顯著改善。最后將調(diào)理后的污泥進行壓濾脫水，污泥含水率降至45%。
實施實例七：本實施實例與實施實例六不同的是：所開啟的超聲波頻率為40kHz，其他步驟和參數(shù)與實施實例六相同。
實施實例八：采用本發(fā)明中的方法，首先采用平行板近場式超聲波反應(yīng)器將污泥破碎，平行板上側(cè)頻率為25kHz，下側(cè)頻率為68kHz，通過調(diào)節(jié)污泥泵進入反應(yīng)器的速度，使超聲作用時間為15min，控制聲能密度為300W/L，超聲過程中沒有調(diào)節(jié)污泥的溫度和pH值。然后，采用六聯(lián)靜態(tài)攪拌進行破碎污泥再絮凝試驗，將800mL超聲波破碎污泥添加至1L燒杯中，設(shè)定混凝攪拌程序為300rpm快速攪拌混合1 min，投加氯化鋁和聚丙烯酰胺，其投加量分別為8.0mg/L和4mg/L；然后以60rpm攪拌再絮凝20 min；最后靜置沉淀30min。最后，將調(diào)理后的污泥進行壓濾脫水。
試驗凈水廠污泥TSS為2.00g/L， SVI為106.4±0.11mL/g，平均SRF值為16.65×1012m/kg，平均CST值為19.8s。在聲能密度為250W/L、超聲時間為10min時，氯化鋁和聚丙烯酰胺，其投加量分別為8.0mg/L和4mg/L以及壓濾脫水后，污泥的SRF值為12.25×1012m/kg，CST值為13.3s，SVI值為146.3mL/g，污泥含水率降至42%。
實施實例九：本實施實例與實施實例八不同的是：所開啟的超聲波頻率組合為25/40/68kHz，其他步驟和參數(shù)與實施實例八相同。
實施實例十：本實施實例與實施實例八不同的是：所開啟的超聲波頻率組合為25/68/100kHz，其他步驟和參數(shù)與實施實例八相同。
實施實例十一：本實施實例與實施實例八不同的是：所開啟的超聲波頻率組合為25/40/68/68kHz，其他步驟和參數(shù)與實施實例八相同。
實施實例十二：本實施實例與實施實例八不同的是：所開啟的超聲波頻率組合為25/68/100/160kHz，其他步驟和參數(shù)與實施實例八相同。
實施實例十三：本實施實例與實施實例八不同的是：所開啟的超聲波頻率組合為25/40/68/100/68/100/125/160kHz，其他步驟和參數(shù)與實施實例八相同。
應(yīng)當理解的是，本說明書未詳細闡述的部分均屬于現(xiàn)有技術(shù)。
應(yīng)當理解的是，上述針對較佳實施例的描述較為詳細，并不能因此而認為是對本發(fā)明專利保護范圍的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明權(quán)利要求所保護的范圍情況下，還可以做出替換或變形，均落入本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)，本發(fā)明的請求保護范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準。