1、微波在污泥调理中的应用Ewa Wojciechowska市政与环境工程学院。格但斯克科技大学，80-952格但斯克，ul. Narutowicza 11/12, 波兰Narutowicza 实验所11/12,波兰2004年7月22日被认可，2005年4月26日开始认可修订，2005年9月27日被公认。摘要文章主要讲述微波作用处理作用下污泥脱水的能力。确切的过滤阻力，毛细管粘近时间，和在污泥离心机作用后污泥干固物质含量的测定。也对微波处理后污泥得水的性质进行分析。研究发现微波能改变污泥脱水性能定量效果上的改变取决于污泥的种类据观察原生污泥经微波处理后取得的效果比混合和消化污泥要好。如果微波处理后
2、然后在高分子电解质条件下，它的处理效果要比它们分离个别处理好得多。微波条件下增加有机质在污泥水中的负荷。2005个别有限公司。保留全部权利。关键字：污泥；脱水能力；条件作用；确切的过滤阻力1.介绍.脱水是污水活性污泥工艺的最基本的步骤之一。在脱水过程中，污泥的体积会随着减少，使进一步的处理，运输以及最终处理的费用降低。不幸的是，市政污水处理厂的污泥脱水能力往往比较低。这是由于水分子和污泥有机成分粘结在一起，因此，改变条件从而改变污泥脱水性能是必要的。自从用一种最普通的方法高分子电解质处理，它是昂贵的(Vander Roest et al., 1999)，其他调理污泥的方法正在试验中。其他一些调
3、理方法已经测试和使用（乔治和伯顿，1991；查尔斯，1993；查尔斯等人，1998；Swollen and Kafaar，1997；Zwara and Obarska-Pempkowiak, 2000；Pempkowiak and Obarska-Pempkowiak, 2002)任何一种新方法都不得不影响水中有机分子的连接。虽然微波辐射在污泥调理中有潜在价值，但是其中一小部分方法还没检验。虽然微波辐射的量子能（1.010 eV）太小而不能打断化学健，但微波携带的能量能改变它们的一些结构。这些包括以氢健结构为例，很小的能量强度就可以将质子置换(Ponne and Bartels, 1995)。
4、由于含水率很高，污水污泥吸收微波辐射。污泥是个多相介质，包括水，矿物质和有机物质，蛋白质和微生物细胞。微波辐射使偶极分之的动能增加和达到沸腾温度(Thostenson and Chou, 1999; Kaatze, 1995a,b)。那么微生物细胞就破解了，水的束缚释放了。在微波辐射下，污泥中的蛋白质结构也改变了例如由于溶解在水中而减少了。微波辐射影响微生物细胞的能力已经被证实。微波已经在食品工业上用来钝化病原体。等人在1985年的研究证实在2450MHz微波辐射下能充分地减少在水中和液体化肥中的大肠埃舍利希氏杆菌，沙门氏菌属，丹毒丝菌属，耶尔森氏鼠疫杆菌的数目。Woo等人在2000年报告聚集
5、的大肠埃舍利希氏杆菌及牙孢在微波辐射暴露下失去活性。最近Hong等人在2004发表微波能诱导生物固体粪便中的大肠菌破解。在污泥调理中微波辐射的应用需要进一步额外的污泥卫生设施提高。研究主要集中在微波辐射在城市污水污泥的脱水能力中的影响。污泥样本的脱水性能在微波和通常的加热条件下作比较。微波辐射和高分子电解质共同作用下的影响也被检验了。2.方法对以下种类的污泥进行检验：原污泥，二级剩余污泥，混合污泥（原始污泥和二级浓缩污泥）和厌氧消化污泥。污泥取于波兰格但斯克的WWTP Wschod，它的进水量一般为90500 m3 /d。平均每天污泥总量一般为23.5t d.m。污泥样本从1999年11月到2
6、002年2月每月取23次一共分析了54个样本。用实验室搅拌器Elpan 357将污泥样本搅拌20分钟搅拌均匀。其他将污泥匀质的方法，例如：回旋式搅拌器和炉膛式匀质器，使污泥结构出现改变和影响它的脱水能力。测量以下的参数：湿重，干物质的含量，经过加热的残余和损失。.匀质化的污泥样本被分成100g每份的子样本和使用以下方法之一处理：(i)微波处理(MCW)，(ii)高分子电解质处理(P)， 和 (iii)结合处理微波处理后再经高分子电解质处理(MCW+P)。微波处理依据一下步骤实施。样本在一个封闭的玻璃容器中放在微波发生器(2450MHz,550W)里。污泥样本厚度是2.5cm。接触时间从30到2
7、40秒。微波处理前后的温度要立刻测量出。样本冷却到200.5和这参数指示它的脱水率被测量。用高分子电解质调理是按以下份量加入Praestol 853 BC：原污泥加入3g/kgd.m.，混合污泥加入6 g/kg dm.，厌氧消化污泥加入5.5 g/kg dm.两种不同样本在研究中被使用：没有调理的和经过水浴加热到65 (CH)。以下参数在控制和调理中被测量：确切的过滤电阻 (SRF)，毛细作用吸入时间(CST)和在离心机作用下脱水干固体物质在污泥中的含量(DMc)。确切的过滤阻力(SRF) 和毛细作用吸入时间(CST)参数的测定根据巴斯克维尔和Gale (1968)和Fukas-Plonka
8、(1982)。用离心法处理后的3个样本测量出DMc（将90cm的污泥倒入4个玻璃容器中，用MPW 340离心机在3500r.p.m. (370g)下处理10分钟）。倒出污泥上清液用来化学测定（测定五天生物需氧量BOD5，化学需氧量COD，总氮Ntot，总磷Ptot）3.结果和讨论3.1. 没经过处理的原污泥的性质表1列出了没经过处理的原污泥的自然性质。表1原污泥的性质参数原污泥混合污泥消化污泥干物质（）4.50.654.50.643.30.29含水率（）95.50.6595.50.6496.70.29加热损失（% d.m.）71.63.1172.43.0262.23.66加热残渣(% d.m.
9、)28.43.1127.63.0237.83.66SRF (m/kg)4.46510131.363101310.52110132.999101325.56310136.0241013CST (s)6475721058671233.2.微波辐射污泥调理图表一显示了原污泥，混合污泥和消化污泥的确切的过滤电阻 (SRF)对应不同微波辐射接触时间（在微波辐射发生器的停留时间）。30到240秒的接触时间是在微波发生器的固定的功率下进行的。微波处理效果取决于污泥的种类。原污泥的确切的过滤阻力(SRF)随着接触时间的增加明显地减少。平均的最低电阻率是0.7971013 m/kg（18的没经过调理的原始污泥的
10、基础数值），取于180秒的接触处理时间。然而，当接触时间进一步加长，过滤电阻就加速增加。在混合污泥和消化污泥的情况下，微波处理的效果会降低。分别地，接触时间为180秒时，混合污泥和厌氧污泥的平均过滤电阻率会降到7.7210 13m/kg（73的没经处理污泥的基础数值）和在接触时间为120秒时平均过滤电阻率是21.5871013 m/kg（84没经过处理的原始污泥的基础数值）图表一.原始污泥，混合污泥和厌氧消化污泥过滤电阻率依微波辐射处理暴露时间的变化。污泥中干固体含量随微波处理暴露时间的增加（图表二）。图表二 在原始污泥，混合污泥和消化污泥中干固体物质含量随着微波辐射处理暴露时间的变化。对比于
11、其他两个参数毛细作用吸收时间随暴露时间的变化是不同的。在全部污泥种类中，毛细作用吸收时间在较短的接触时间时（3090秒）会降低一定的百分率，但是然后随着时间增加而增加甚至超过原未经过处理的污泥毛细作用吸收时间。（图表三）图表三 在原始污泥，混合污泥和消化污泥中决定毛细作用吸入时间的微波处理暴露时间。这可能是由于试验中滤纸气孔闭塞。根据Meeten 和 Smeulders (1995)，在毛细作用吸收时间中吸压比在过滤阻力试验中小得多因此这样的影响不会在过滤阻力测量中出现。Bien and Wolny (1997)，研究不管其他参数（过滤阻力，在浓缩污泥中污泥含水率）减少，观察超声波调理污泥毛细
12、作用吸收时间随着接触时间的增加而增加。他们得出的结论是污泥毛细作用吸收时间还不足以在超声波领域中估计最优的暴露时间。Vaxelaire和 Cezac (2004)也提到关于使用毛细作用吸收时间来表征污泥脱水能力的很多研究者的批判。基于观察涉及微波辐射暴露时间的刻划污泥脱水能力性质的参数变化，得出的结论是在处理的是原始污泥和混合污泥时，最优的暴露时间是180秒，而在处理的是消化污泥时，最优的暴露时间是120秒。增加暴露时间不但会消耗更多的能量而且会使影响变得更坏。3.3. 微波处理污泥与传统的污泥加热对污泥脱水能力影响的对比为了找出微波处理污泥脱水能力的变化是否只是由于污泥样本的温度变化或者其他
13、微波原因，非热能影响，结果是从微波处理与在水浴中传统加热的对比获得的。（图表四）图表四 原始污泥过滤阻力数值：原始未经处理污泥(R)，不同暴露时间污泥微波处理后(MCW)和污泥传统加热(CH)。传统加热处理污泥样本的平均过滤阻力的值比微波处理加热样本要高出相当多。在一些情况下，传统加热处理污泥的过滤阻力甚至高于原始未经处理的污泥。得出的结论是污泥脱水能力的改善在微波辐射处理中的取得不能只归因于微波辐射加热的影响。3.4. 微波处理与其他处理试验方法的对比图表五 显示出不同处理方法（微波处理污泥，高分子电解质处理和结合处理）对不同种类污泥的过滤阻力的影响。最好的过滤阻力在使用结合微波和高分子电解
14、质处理的方法中获得。经结合微波和高分子电解质处理的后的污泥的平均过滤阻力在原始污泥中只降低8，在混合污泥中降低10和在消化污泥中降低13。图表五 在不同处理方法（R原始污泥，MCW微波处理，P高分子电解质，MCWP污泥微波处理后接着高分子电解质处理）后过滤阻力百分比的降低。图表六 显示了在不同调理方法条件下，在污泥离心机d.m.的平均含量。再一次，最好的处理效果在结合微波和高分子电解质处理方法中观察得。图表六不同处理方法（R原始污泥，MCW微波处理，P高分子电解质，MCWP污泥微波处理后接着高分子电解质处理）处理后在污泥离心机污泥干固体含量的变化。3.5.微波处理在污泥上清液性质的影响由于微波
15、处理，有机物质（五日生物需氧量，化学需氧量）和营养物质（氮，磷）在污泥上清液的增加被测量出来。表2 显示在原始污泥和消化污泥上清液（原始污泥，污泥微波处理和结合污泥微波处理后高分子电解质处理）中的五日生物需氧量，化学需氧量，氮和磷的平均含量（在24个样本中）。微波处理使五日生物需氧量和化学需氧量含量有明显的增加。这是与当微波处理时细胞破坏相一致的。在原始污泥上清液方面，总氮含量也增加了，再次与预期的影响一致。五日生物需氧量含量的双倍的增加是由于微波处理，暗示着微波能够将复杂的化学络合物分解和将他们转变成简单的能够很容易被微生物所分解的化合物。超声波处理相似的影响已经被观察得和已应用在促进污泥消化阶段中（Tiehm等人，2000）。结合处理（微波处理后接着高分子电解质处理）后得到更好的液体性质（污染物含量相似于原始污泥上清液）污泥上清液质量的变坏可以在污水处理厂运作中导致严重的后果（特别在生物处理操作中）。污水中污泥液体的脱水作用一般有太低的五日生物需氧量与总氮比率和化学需氧量与总磷比率，它能相当大地改变生物处理过程（吉恩等人，2004）。微波处理后的原始污泥或多或少成比例地增加有机物（五日生物需氧量和化学需氧量）和营养物质的的含量。在处理消化污泥情况中，用微波处理条件下五日生物需氧量与总氮比率和化学需氧量与总磷比率
