微波-超聲波對鋁加工污泥的脫水性能研究

吳 建 ，唐維學 ，潘湛昌 ，張永進 ，郭 鯉

（1.廣東工業(yè)大學輕工化工學院，廣東廣州510006；2.廣東省工業(yè)分析檢測中心，廣東廣州510650）

鋁合金建筑型材因具有質量輕、性能好、外觀美、易回收和可再利用等優(yōu)點，成為了門窗和幕墻主要的結構及裝飾材料，在世界各國得到廣泛應用。我國2018年鋁型材產量超過2 000萬t，占全世界總產量的50%以上，全國鋁材加工過程中產生的污泥總量約為150萬t（含水率為80%～90%），高含水率的鋁加工污泥不易于儲存、運輸、以及資源化利用，因此對鋁加工污泥進行減量化處理是鋁加工污泥穩(wěn)定化、無害化、資源化處理的基礎〔1〕。

現(xiàn)階段鋁加工企業(yè)采用的污泥脫水方式主要以板框壓濾為主，但傳統(tǒng)的板框壓濾處理時間慢，處理后污泥的含水率較高。近些年出現(xiàn)了以應力場為中心多場聯(lián)合調理的污泥脫水方法，調理方式主要有溫度場、電場、化學場和磁場等〔2〕。聯(lián)合調理技術廣泛應用于城市污水處理廠以及各種產生污泥的工業(yè)企業(yè)，污泥的前期調理十分重要，由于污泥自身的膠黏性和可壓縮性導致污泥后期機械脫水的效率難以進一步提高，選擇合適的污泥調理脫水機制將大大提高污泥的脫水性能〔3〕。微波調理技術和超聲波調理技術具有處理速率快和不會造成二次污染等優(yōu)點，一直以來備受廣大研究者的關注〔4〕。本研究考察微波預調理、超聲波預調理、微波超聲波聯(lián)合調理技術對鋁加工污泥脫水性能的影響，針對污泥含水率變化以及預調理后污泥的損耗比情況，分析微波、超聲波和微波-超聲波聯(lián)用下，污泥脫水性能的變化情況。

1 實驗部分

1.1 實驗污泥來源與設備

污泥來源：以廣東某鋁型材廠的氧化污泥為研究對象，含水率約為90%，pH為7.6。

實驗設備：SHZ-Ⅲ型真空抽濾泵，上海亞榮生化儀器廠；T1000型電子天平，美國G&G；MARS-6型微波消解儀，美國培安科技公司；KQ5200E型超聲清洗儀，昆山市超聲儀器有限公司；101-1BS型烘箱，邦西儀器科技（上海）有限公司。

1.2 實驗方法

（1）微波調理。將污泥樣品分別以不同的微波輻射功率（300、400、500、600、700、800、900、1 000 W），處理不同的持續(xù)時間（0、20、40、60、80 s），抽濾處理后測定污泥含水率。

（2）超聲調理。將多組污泥同時放入超聲清洗儀中，分別于 0、2、4、6、8、10、12 min 后取出，抽濾處理后測定污泥含水率。

（3）微波-超聲波聯(lián)合調理。將兩者結合，并考慮調理順序，最終測定污泥含水率。

（4）污泥含水率的測定方法為差量法。

（5）污泥損耗比分為兩種，一種為微波或超聲波對污泥水分的影響，其表示物理作用對污泥水分直接的影響，通常只會減少少量的水分，主要考察的是不同物理作用條件下，污泥中水分的穩(wěn)定性，污泥失去水分越多表明物理作用對污泥中水分影響越大，污泥結構變化的程度越高，本實驗記為物理損耗比；另外一種為抽濾對污泥水分的影響，其表示經(jīng)過物理作用之后污泥結構發(fā)生變化，通常會失去大量水分，抽濾過程失去水分越多，污泥的脫水性能越好，污泥含水率越低，本實驗記為抽濾損耗比。

1.3 實驗步驟

微波實驗取玻璃坩堝并稱量其質量，將污泥加入坩堝中稱重得出污泥的質量，放入微波消解儀中處理后取出稱量其總質量可得出微波過程中損耗的水分，然后將坩堝進行抽濾處理，處理至污泥出現(xiàn)裂縫并無水滴滴落，稱量其總質量可得出抽濾過程中損耗的水分，最后放入烘箱中，烘干后可得到最終污泥的含水率。超聲波實驗與微波實驗相比不同的地方為：超聲實驗將6組玻璃坩堝放入超聲清洗儀中，依次在 2、4、6、8、10、12 min 中取出， 其他稱量步驟都一致；微波-超聲聯(lián)用實驗也是在物理處理階段有不同的地方，先微波后超聲實驗為先用最佳的微波實驗條件處理6組污泥，然后將污泥放入超聲清洗儀中分別處理 2、4、6、8、10、12 min， 再依次計算損耗和含水率；先超聲后微波實驗則將物理處理階段順序調轉，不計算污泥的損耗情況直接計算含水率，其余一致。

2 結果與討論

2.1 微波調理

在微波功率分別為 300、400、500、600、700、800、900、1 000 W的條件下輻射污泥樣品，輻射時間為20 s，實驗結果表明，微波功率分別為 600、700、800、900、1 000 W時，最終污泥含水率分別為84.22%、85.10%、85.82%、86.05%、88.03%，可見在微波功率大于600 W時，隨功率增大污泥含水率逐漸增加，同時由于高功率的微波調理在實際應用中會消耗大量的能量，因此實驗選擇微波輻射功率為600 W以下。

在微波功率分別為300、400、500 W的條件下，考察微波功率和微波輻射時間對污泥含水率的影響，結果見圖1。

圖1 微波功率和微波輻射時間對污泥含水率的影響

由圖1可知，微波功率為400 W，微波輻射時間為40 s時，污泥含水率最低，為74.87%。這是因為，微波在污泥調理脫水中發(fā)揮作用的機制通常被認為是微波極高的震蕩頻率使污泥內部分子震蕩，破壞污泥結構，打通疏水通道〔5〕，但功率過高的微波輻射往往不能取得更好的脫水效果，這是由于污泥內部結構不斷震蕩而使得脫水性能惡化導致的〔6〕。

在微波功率分別為300、400、500 W的條件下，考察不同微波輻射時間下污泥物理損耗比和抽濾損耗比的變化，結果見圖2。

由圖2可知，微波功率越高，物理損耗比越大，會使得污泥中越多的水分蒸發(fā)。微波功率為400 W，微波輻射時間為40 s時，抽濾損耗比達到最大。

圖2 不同微波輻射時間下物理損耗比和抽濾損耗比的變化

2.2 超聲波調理

超聲波一方面利用聲波能量對污泥產生的空化現(xiàn)象使污泥瞬間升溫；另一方面超聲波對污泥能夠產生體重海綿效應，使水分更易從波面產生傳播的通道通過，從而使污泥顆粒團聚、增大粒徑，粒徑越大污泥顆粒更易沉淀，從而提高污泥脫水性能〔7〕。超聲波調理脫水作用具有無污染、高能量密度、快降解速率等優(yōu)點，在污泥脫水領域有廣泛的應用〔8〕。

將污泥樣品進行0～12 min的超聲調理，考察超聲時間對污泥含水率和損耗比的影響，結果見圖3。

圖3 超聲時間對污泥含水率和損耗比的影響

由圖3可知，超聲調理8 min，抽濾過后的污泥含水率達到最低，為77.57%。超聲波作用污泥前后，污泥質量只有少量丟失，這可能是因為超聲波產生的熱能較低，污泥水分丟失較少。

2.3 微波-超聲波聯(lián)用調理

在微波功率為400 W，輻射時間為40 s條件下，考察不同超聲時間下，微波-超聲波聯(lián)用順序對污泥含水率的影響，結果見圖4。

由圖4可知，先微波后超聲比先超聲后微波的脫水效果好，采用先微波后超聲的方法在超聲時間為4 min時，污泥含水率降至最低，為74.09%。微波-超聲聯(lián)合調理污泥脫水技術，結合了微波和超聲波的優(yōu)點，使污泥內部結構發(fā)生較大改變，提高了污泥脫水效率〔9〕。

圖4 微波-超聲波聯(lián)用順序對污泥含水率的影響

3 結論

（1）微波和超聲波調理脫水技術在鋁加工污泥脫水處理中有明顯的作用，將污泥含水率降至75%左右。

（2）使用單一調理脫水技術時，微波調理對鋁加工污泥脫水調理作用更加明顯，在微波功率為400 W，輻射時間為40 s時，污泥含水率最低，為74.87%；單獨超聲調理在超聲時間為8 min時污泥含水率最低，為77.57%。

（3）微波和超聲波聯(lián)用時，先微波后超聲調理比先超聲后微波調理的污泥脫水效果更好，微波調理后進行4 min時，污泥含水率降至最低，為74.09%。