超声波处理对污泥脱水性能的影响及其关联度分析

汪 萱, 林秀锋,王亚军,王 惠,马 江,杨亚红

(1 兰州兴蓉环境发展有限责任公司，兰州 730070；2 兰州理工大学土木工程学院，兰州 730050)

前 言

随着城市发展，城市产生的污泥越来越多。《水污染防治行动计划》，即“水十条”中明确了污泥处理的重要性，还要求地级及以上城市需要在2020年底前将污泥无害化处理处置比例提高到90%以上。污泥的高含水率，使得污泥在后续处理前，必须要进行脱水处理，所以提高污泥的脱水性能是很有必要的。有部分报道文献指出，污泥的脱水性能与污泥胞外聚合物的结构和状态有关[1]。超声波处理可改变胞外聚合物的结构和形态。

超声波技术是一种无二次污染且高效的处理技术，其作用的主要原理是将能量通过高频声波的形式输入污泥试样中，从而破解污泥絮体，以此来达到目的[2-3]。将这种清洁技术应用于污泥的研究有很多。可不同地区，由于人们的生活方式、饮食习惯、自然条件等的不同，导致污泥也不尽相同，故结合地区情况，研究污泥的超声波性能是有必要的。同时发现，超声波三因素的关联度分析鲜有报道。

该研究选用的超声波为20 kHz和40 kHz频率下的10 W到50 W超声波。通过污泥比阻(SRF)和毛细吸水时间(CST)来探究有效的超声波参数并筛选出最适宜的参数，同时通过不同参数下的脱水表现，探究超声波频率、功率、时间与污泥脱水性能的关联程度。

1 实验材料和方法

1.1 实验材料(污泥)

实验污泥来自兰州市某污水处理厂回流污泥，该厂处理规模为20万m3/d，采用A2O处理工艺。污泥取回后，立即放入4 ℃冰冻保存，且只保存使用3 d[4]，故结合实验周期，样品分为3批取样并保存实验，污泥基本参数见表1。

表1 污泥基本参数Tab.1 Basic properties of sludge

1.2 实验方法

1.2.1 污泥调理方法

取500 mL污泥于烧杯中，再以某确定参数的超声波处理，以此作为实验组，具体超声波参数和处理方式见表2，所有实验均重复3次取均值。各参数段超声波处理实验使用污泥批次如表2所示，最佳超声波参数筛选实验，即超声波对比实验采用第3批污泥。

表2 超声波处理方案参数Tab.2 Ultrasonic treatment scheme parameters

1.2.2 测定指标

(1)污泥毛细吸水时间(CST)：CST采用型号DP139530测定仪(北京亚欧德鹏科技有限公司)配合原装滤纸进行测试。

(2)污泥比阻(SRF)：SRF采用型号为PJK02(上海江科实验设备有限公司)的污泥比阻实验装置进行测试。测试结束后，采用以下公式进行计算[5]。

(1)

式中各参数：

SRF为比阻，m/kg；

P为过滤压力，kg/m2；

A为过滤面积，m2；

b为斜率，由实验求得，为污泥过滤时间和滤液体积比值(t/V)与滤液体积(V)之间的关系斜率；

C为滤过单位体积的滤液在过滤介质上的截留干固体含量，kg/m3；

μ为滤液的动力粘度，kg·s/m2。

1.2.3 灰关联度分析的概念和计算方式

关联度是指两个系统之间的因素，随着时间或者其它因素的不同而变化的关联性大小，是关联性大小的量化。关联度越高，表示这两个因素的变化趋势一致性越高，同步程度越高；反之，关联度越低，则二者之间变化趋势和同步性越低。灰色关联分析即是一种可以定量地分析比较系统之内的各个因素之间关联程度的分析方法。满足本分析需求，可以用来分析超声波频率、功率、时间三方面因素和调理效果即脱水性能系统的关联程度，从而确定因素主次。

灰关联系数和灰关联度的计算如下[6]：

(1)灰关联系数的计算公式

(2)

式中：

(2)灰关联度的计算公式

(3)

其中参考序列x0(1)x1(1)x2(1)和xi(1)分别如下：

⋮

⋮

2 结果与讨论

2.1 超声波调理效果分析

将污泥分别在20 kHz和40 kHz频率下，分别进行10～50 W，每10 W一个梯度的超声波污泥调理实验，20 kHz和40 kHz超声波实验结果如图1所示。

图1 超声波调理Fig.1 Ultrasonic conditioning

CST和SRF均表征了污泥脱水性能，是反映脱水难易程度的指标，两项指标的最低点即为脱水性能最优点[7]。

频率20 kHz，功率10 W的情况下，污泥脱水性能即CST和SRF在超声时间5 s和10 s时均有较好表现。超声时间5 s时，污泥CST由原泥的55.9 s下降到47.9 s，而10 s时的CST值为48.3 s，二者较为接近，考虑到测量的一些误差，故认为二者数据表现一致，需要从比阻方面来判定哪组更优。从SRF方面来看，5 s超声波处理将污泥的比阻由5.53×1013m/kg降低到3.34×1013m/kg，而10 s超声处理比阻降低为3.28×1013m/kg，较5 s时更低，效果更好。故，频率20 kHz功率10 W情况下，最佳处理时间为10 s。

频率20 kHz功率20 W情况下，超声时间5 s为最佳处理时间，其将污泥的CST和比阻由49.0 s和4.10×1013m/kg下降为31.2 s和3.25×1013m/kg; 频率20 kHz功率30 W情况下，最佳超声时间依然为5 s，其将污泥的CST和SRF由47.0 s和4.01×1013m/kg下降为43.95 s和3.76×1013m/kg；而40 W和50 W功率下，污泥脱水性能随着超声时间延迟而持续恶化，均未出现最优点。

40 kHz时，10 W功率下，污泥脱水参数在超声5 s时达到最低，CST和SRF分别为47.7 s和4.77×1013m/kg。该频率其它功率条件下，污泥参数均持续恶化，未出现最佳点，同时，还发现，功率越高，污泥恶化越快，最后CST均恶化突破100 s，30 W、40 W、50 W比阻最后均恶化突破1.0×1014m/kg。

所以，超声波调理污泥时，有以下参数可供选择，均可提高污泥脱水性能，分别是20 kHz-10 W-10 s、20 kHz-20 W-5 s、20 kHz-30 W-5 s、40 kHz-10 W-5 s。

从处理频率上来看，发现低频率超声波效果要优于高频率，20 kHz时，能在多组功率情况下，筛选出较优处理时间参数，而在40 kHz时，仅仅只能在一组功率情况下筛选出处理参数。超声波对污泥的作用主要是水力空化作用，空化作用能产生高温高压的剪切力，从而击破污泥絮体和结构，释放出污泥内部水分[8]。高频率情况下水力空化效果比低频率低，说明随着频率的升高，水力空化反而变得难以发生或者更难产生效果[9]。

从超声频率和时间来看，发现当超出一定功率和超声时长时，污泥迅速恶化。由基础物理学可知，功率和时间的累计便是功，这反应了超声波对污泥能量输入总和的高低。说明适当的能量输入能提高污泥的脱水性能，而过高的能力输入反而会使污泥脱水性能恶化。低能量输入条件下，超声波产生的机械和力学效应可以改变污泥结构，从而提高脱水性能，而高能量的输入，会严重破环污泥结构，将污泥胶团变成细小颗粒，从而堵塞过滤层或者脱水路径，反而不利于脱水[10]。

2.2 最优超声波参数分析

将之前筛选出来的有效超声波参数在同一批污泥条件下，进行脱水实验，实验结果如图2所示。

在同一批污泥情况下，实验发现，20 kHz-10 W-10 s实验组将污泥CST和SRF从67.40 s和4.86×1013m/kg降低到61.12 s和4.24×1013m/kg；20 kHz-20 W-5 s实验组将原泥参数降低至43.95 s和4.09×1013m/kg；20 kHz-30 W-5 s实验组将原泥参数降低至66.25 s和4.60×1013m/kg；40 kHz-10 W-5 s实验组将原泥参数降低至62.29 s和4.33×1013m/kg。所以，20 kHz-20 W-5 s为最优超声波参数。

图2 超声波实验对比Fig.2 Comparison of Ultrasonic experiments

2.3 超声波各因素灰关联度分析

2.3.1 SRF灰关联分析

因为本研究中污泥的脱水性能是从两方面来探究的，即污泥比阻SRF和污泥的毛细吸水时间CST，所以要分析超声波的频率、功率以及时间对改善污泥脱水性能的影响主次因素，也需要分别从这两方面来分析。

由之前的20 kHz和40 kHz超声波调理污泥可知，20 kHz-10 W-10 s、20 kHz-20 W-5 s、20 kHz-30 W-5 s、40 kHz-10 W-5 s这几个参数均可提高污泥脱水性能，所以我们选用20 kHz时的10 W～30 W和40 kHz时10 W的调理情况来分析超声波参数对污泥比阻的影响。

具体分析过程如下：

首先将以上选定的超声波参数调理时的污泥比阻SRF记录如表3所示。

表3 污泥超声波调理后部分SRF参数Tab.3 SRF parameters of sludge after ultrasonic conditioning

2.3.1.1 第一步，使各序列无量纲化——初始化：

2.3.1.2 第二步，求各差序列：

2.3.1.3 第三步，计算极差：

2.3.1.4 第四步，计算各点的关联系数：

(4)

(5)

通常取0.5，计算结果如下：

ζ1(k)=(1.00,0.99,1.00,0.89,0.83,0.37,0.84,0.80,0.84,0.98,0.87,0.81,0.70,0.69,0.71,0.73,0.73,0.76,0.89,0.91,0.90,0.89,0.89,0.86);

ζ2(k)=(1.00,0.80,0.80,0.63,0.50,0.70,0.77,0.99,0.84,0.68,0.55,0.37,0.78,0.97,0.85,0.62,0.48,0.33,0.73,0.91,0.89,0.63,0.48,0.33);

ζ3(k)=(1.00,0.99,1.00,0.89,0.83,0.37,0.95,0.99,0.95,0.80,0.72,0.68,0.95,0.97,0.94,0.90,0.90,0.86,0.90,0.88,0.89,0.90,0.90,0.93);

2.3.1.5 第五步，计算各因素的关联度：

(6)

r1=1/24×(1.00+0.99+1.00+0.89+0.83+0.37+0.84+0.80+0.84+0.98+0.87+0.81+0.70+0.69+0.71+0.73+0.73+0.76+0.89+0.91+0.90+0.89+0.89+0.86)=0.83；

r2=1/24×(1.00+0.80+0.80+0.63+0.50+0.70+0.77+0.99+0.84+0.68+0.55+0.37+0.78+0.97+0.85+0.62+0.48+0.33+0.73+0.91+0.89+0.63+0.48+0.33)=0.69；

r3=1/24×(1.00+0.99+1.00+0.89+0.83+0.37+0.95+0.99+0.95+0.80+0.72+0.68+0.95+0.97+0.94+0.90+0.90+0.86+0.90+0.88+0.89+0.90+0.90+0.93)=0.88。

2.3.1.6 第六步，结果分析：

由第五步计算结果可知，在污泥比阻方面，超声波功率关联度r1、时间关联度r2、频率关联度r3三者之间的大小关系是r3>r1>r2，说明，频率对超声波调理后污泥比阻所代表的脱水性能影响最大，功率次之，超声时间对脱水性能影响最小。此结果是只选用了20 kHz时10～30 W和40 kHz时10 W的实验数据计算分析得出，为提高结果可行度，再采用20 kHz和40 kHz的所有实验数据进行验证此结果，计算过程雷同并省略，计算结果得超声波功率关联度r1、时间关联度r2、频率关联度r3分别是0.74、0.70、0.88，依然是r3>r1>r2，验证结果和只采用部分数据时相同，说明此分析结果成立。

2.3.2 CST灰关联分析

同样选用20 kHz时的10～30 W和40 kHz时10 W的调理情况来分析超声波参数对污泥毛细吸水时间CST的影响。计算过程雷同于SRF灰关联分析，故省略。计算结果如下：r1=0.85，r2=0.68，r3=0.93。所以在CST方面，超声波功率关联度r1、时间关联度r2、频率关联度r3三者之间的大小关系是r3>r1>r2，说明，频率对超声波调理后污泥CST所代表的脱水性能影响最大，功率次之，超声时间对脱水性能影响最小。再采用20 kHz和40 kHz的所有实验数据进行验证此结果，计算过程雷同并省略，计算结果得超声波功率关联度r1、时间关联度r2、频率关联度r3分别是0.74、0.69、0.91，依然是r3>r1>r2，验证结果和只采用部分数据时相同，说明此分析结果成立。

综上所述，发现无论是从SRF角度还是从CST角度进行此关联度分析，发现超声波对污泥脱水性能的影响中，三方面因素里均表明频率是最优因素、功率次之，超声时间最劣。说明超声波频率对污泥调理效果影响最大，功率对其影响次之，超声时间对其影响最小，后期进行相关研究时可以在这三方面有所侧重，优先关注超声波频率、其次是功率、最后关注时间。

3 结 论

3.1 实验通过SRF和CST参数来表征污泥脱水性能，结果说明超声波处理能改善污泥脱水性能，有效的超声波参数有20 kHz-10 W-10 s，20 kHz-20 W-5 s，20 kHz-30 W-5 s，40 kHz-10 W-5 s。

3.2 通过同一批污泥进行对比实验，实验结果表明最佳的超声波处理参数为：超声波频率20 kHz，功率20 W，超声时间5 s。

3.3 通过灰关联度计算得出超声波三因素对污泥脱水性能影响程度大小优先级是：频率影响程度最大，其次是功率，再次是时间。