1 引言

　　污泥脫水是污泥處理處置流程中一個非常重要的過程，通過減少污泥體積來節省污泥后續運輸、處理處置成本具有重大意義.與城鎮污泥相比，印染污泥含水率較高，成分復雜，脫水處理成為印染污泥減量的關鍵所在.

　　常用的污泥調理技術主要有物理調理和化學調理，例如熱水解、超聲波處理、微波輻射、臭氧氧化和堿解法等.在眾多處理方法中，微波輻射被認為是一種能夠有效提高污泥脫水性能的方法.微波處理具有加熱速度快，反應過程易于控制以及有特殊的滅菌功能等優點.微波處理污泥的作用機理可分為熱效應和非熱效應.微波的熱效應是指微波能量被介質材料吸收而轉化為熱能的現象.而不能用熱效應來解釋的現象則稱為微波的非熱效應.近年來，高鐵酸鹽作為一種新型高效、綠色多功能的氧化劑被引入水處理領域.高鐵酸鉀具有強氧化性，可氧化破解污泥，有效降解污泥中的胞外聚合物(EPS)，溶解釋放細胞內有機物.高鐵酸鉀在水中氧化分解后，會生成氫氧化鐵膠體，這種膠體沉淀具有良好的絮凝和助凝能力，可極大地提高污泥的脫水性.

　　由于單獨的物理或化學調理存在一定缺陷，因此聯合調理技術日益發展起來.聯合調理技術比單一的物理或化學調理能取得更好的效果.

　　本實驗結合微波的熱效應和非熱效應以及高鐵酸鉀的氧化性，研究了不同微波功率輻射對污泥脫水性能的影響，并從上清液總有機碳(TOC)含量變化探討微波對污泥的破解效果.同時，在最適宜的微波處理條件下，研究了不同的高鐵酸鉀劑量對污泥脫水性能的影響，并得到了微波耦合高鐵酸鉀改善污泥脫水性能的最佳條件.

　　2 材料與方法

　　2.1 污泥的來源與特性

　　原污泥取自東莞市某紡織廠廢水處理系統的剩余污泥.污泥收集取回后自然沉淀24 h，傾去上清液后，將污泥存放于4 ℃的冰箱中備用.污泥樣品初始理化性質如下：pH 6.58，含水率98.6%，濾餅含水率91.2%，污泥比阻(SRF)3.23×1011s2 · g-1，懸浮物(SS)11316.67 mg · L-1，可揮發性懸浮物(VSS)7072 mg · L-1，總化學需氧量(TCOD)9206 mg · L-1，上清液中總有機碳(TOC)18.39 mg · L-1，溶解性化學需氧量(SCOD)96 mg · L-1，粘度18.83 mPa · s，毛細吸水時間(CST)63.3 s;上清液蛋白質含量3.49 mg · L-1;上清液多糖含量7.07 mg · L-1.

　　主要儀器與試劑：格蘭仕微波裝置(G80F23N1P-M8(SO));pH計(PHSJ-4A);數顯粘度計(NDJ-5S);CST測定儀(Triton 304M);TOC-VCPH分析儀(日本 島津);紫外可見分光光度計TU-1901(北京 普析).高鐵酸鉀(K2FeO4，98.58%)購自湖北興銀河化工有限公司.其他化學藥品均為分析純試劑.

　　2.2 實驗方法

　　2.2.1 微波輻射實驗

　　取200 mL污泥置于500 mL燒杯，用保鮮膜密封，分別測定在不同微波輻射能量(2320、3240、4000 W · L-1)和不同處理時間(0、20、40、60、80、100、120、140、160、180 s)下污泥各項脫水指標的變化情況.

　　2.2.2 微波耦合高鐵酸鉀實驗

　　取200 mL污泥樣品，分別加入0、0.01、0.05、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 g高鐵酸鉀，以400 r · min-1的轉速快速攪拌3 min，60 r · min-1的轉速慢速攪拌7min后，靜置20min，以保證高鐵酸鉀氧化充分.再對其進行3240 W · L-1、100 s微波處理，測定不同高鐵酸鉀投加量下污泥的脫水指標.

　　2.3 分析方法

　　比阻采用布氏漏斗法進行測定.多糖含量的測定采用蒽酮-硫酸法，以無水葡萄糖作標準物質.蛋白質含量的測定采用考馬斯亮藍染色法，以牛血清蛋白作標準物質.粘度、TOC和CST均采用上述儀器進行測定.

　　3 結果

　　3.1 微波預處理對污泥脫水性能的影響

　　3.1.1 微波對SV30、SRF和粘度的影響

　　SV30、SRF和粘度是描述污泥脫水性能的3個重要指標，分別表征污泥機械脫水中的重力沉降、滲透性和可濾性.經過不同微波條件處理后污泥的脫水指標變化結果如圖 1a、b、c所示.

　　圖 1 微波輻射對污泥SV30(a)、比阻(b)、粘度(c)及污泥上清液TOC(d)的影響

　　從圖 1a、b、c可見，隨著時間的增加，SV30、SRF和粘度均呈現出先降低后升高的趨勢.SV30、SRF和粘度越小，表明其脫水性能越好.由圖 1a、b、c可見，經過不同微波功率輻射后的污泥脫水性能相對于原污泥有不同程度的改善，且不同功率輻射條件下適宜的輻射時間也不同.輻射能量越強，污泥脫水性能改善所需時間越短.2320 、3240、4000 W · L-1微波輻射適宜的時間分別是140 s、100 s、80 s.此時，SV30較原泥分別減少4%、4%、5%.SRF較原泥時分別減少13.62%、18.89%、20.43%.粘度較原泥分別減少16.57%、35.05%、36.17%.這與的研究結果類似.

　　污泥經過適當的微波輻射，高頻電場使污泥及其中的水分子不斷移動、旋轉，改變污泥的Zeta電位和破壞表面雙電層結構，從而使污泥顆粒脫穩.短時間的微波輻射使污泥內部產生溫度梯度，破壞結合水與EPS間的結合力，污泥絮體被打碎成較小的碎片，釋放出更多的絮體間隙水及細胞內部水，從而自由水比例增加，改善脫水.然而當微波輻射時間過長時，不僅增加能量消耗，還會過度破壞污泥絮體，污泥細胞壁破裂，導致污泥粒徑變小，同時有大量的胞內和胞外物質溢出，粘度增大，不利于脫水.

　　3.1.2 微波對TOC含量的影響

　　活性污泥中生物絮體構成了懸浮固體的主要成分，可通過測定污泥上清液的TOC值的變化來衡量污泥的破解程度.由圖 1d所示，TOC值隨著微波輻射功率和處理時間的增加而增加，表明污泥絮體被微波破壞，釋放細胞內物質到溶液中.污泥破解的程度取決于微波輻射功率的大小和處理時間的長短. 2320 W · L-1、140 s時，TOC含量從原來的18.39 mg · L-1上升到26.94 mg · L-1. 3240 W · L-1、100 s時，TOC含量上升到29.2 mg · L-1. 4000 W · L-1、80 s時，TOC含量上升到33.87 mg · L-1.隨著輻射時間延長，TOC含量持續上升，但是上升緩慢.對比微波輻射對污泥沉降、過濾性能及粘度的影響研究結果，污泥適宜的破解程度才能改善污泥的脫水性能.

　　3.2 微波聯合高鐵酸鉀對污泥脫水性能的影響

　　根據微波對印染污泥脫水性能影響結果，從降低能源消耗和提高污泥脫水性能角度考慮，將添加了不同劑量高鐵酸鉀的污泥固定在3240 W · L-1、100 s的微波條件下進行處理，測定處理后的污泥脫水指標.

　　隨著高鐵酸鉀的加入，污泥固體含量會變化，SRF不適宜作為固體含量不恒定的污泥的過濾性能指標.所以微波聯合高鐵酸鉀處理后的污泥過濾性能由毛細吸水時間CST值來表征.CST值是指活性污泥通過特定吸水濾紙產生的毛細吸水壓力從污泥中吸收水分，濾液滲透2 cm所需的時間.一般情況下，CST越小表示污泥的過濾脫水性能越好.

　　從圖 2可以看出，隨著高鐵酸鉀加入量的增加，CST和粘度先小幅上升再持續下降后又上升.原污泥CST為63.3 s，粘度為18.83 mPa · s.高鐵酸鉀的強氧化性能夠破解污泥，污泥絮體被打破成較小碎片，堵塞濾紙，降低了過濾性.隨著高鐵酸鉀加入劑量增大，高鐵酸鉀在發揮其氧化作用的同時，逐漸產生的Fe(OH)3起到了絮凝作用，絮體粒徑有所增大，降低了污泥的粘度，改善了污泥的過濾性能.當加入0.1767 g · g-1(以SS計，下同)高鐵酸鉀時，污泥的CST和粘度分別下降到30.9 s和11.15 mPa · s.但加入較高劑量時(0.2209 g · g-1)，污泥的CST和粘度反而有所增大.分析其原因，高鐵酸鉀具有強氧化性，加入劑量過大，過度破壞污泥，污泥EPS含量增加，過多的EPS會增加污泥的粘性，從而不利于污泥脫水.

　　圖 2 高鐵酸鉀投加量對污泥脫水性能的影響(a. 表觀粘度和CST，b. 表觀SV30和濾餅含固率)

　　從圖 2中可見，污泥的沉降性能由于高鐵酸鉀的加入而得到改善.高鐵酸鉀氧化分解后生成了具有混凝作用的Fe(OH)3膠體，它能夠沉降并吸附到污泥細胞表面，降低了污泥細胞的穩定性，提高了污泥的沉降性能.當加入量為0.1767 g · g-1時，SV30從最初的100 mL降低到86.5 mL.繼續加大高鐵酸鉀的劑量，SV30降低緩慢.

　　泥餅含固率用來評價污泥的脫水程度.從圖 2可見，泥餅含固率隨高鐵酸鉀加入量的增加而增加.加入劑量較少時(0.0044 g · g-1)，泥餅含固率從初始的8.78%增加到8.87%，加入較高劑量時(0.1767 g · g-1)，泥餅含固率達到10.06%.當污泥絮體被高鐵酸鉀破壞時，絮體內的水分被釋放出來，從而提高污泥脫水程度.

　　當高鐵酸鉀投加量為0.1767 g · g-1時，CST和粘度降到最低，分別較原污泥減少了51.18%、40.79%.雖然繼續添加高鐵酸鉀，SV30和泥餅含水率仍然繼續降低，但是降低緩慢.從降低成本以及促進污泥脫水效果兩方面考慮，確定高鐵酸鉀最佳投加量為0.1767 g · g-1.

　　3.3 微波耦合高鐵酸鉀對污泥EPS的影響

　　EPS是微生物在一定環境條件下分泌產生的高分子物質，主要成分有多糖、蛋白質、核酸等聚合物.活性污泥中的EPS占污泥有機物的50%~90%.絮體中總的EPS質量占活性污泥質量的80%左右.高濃度膠體狀態的EPS對活性污泥的濃縮脫水有惡劣影響.

　　圖 3顯示了在相同微波輻射條件下，加入不同劑量高鐵酸鉀后，EPS中蛋白質和多糖含量的變化情況.從圖中可以看出，隨著高鐵酸鉀加入量的增加，從EPS中破解出的蛋白質含量隨之增加，多糖含量則先增后降.投加量為0.0442 g · g-1時，蛋白質和多糖含量分別比對照樣增加約4.8倍和5.6倍.繼續加入高鐵酸鉀時(0.0884 g · g-1)，EPS中多糖含量開始下降，蛋白質則繼續上升.分析其原因，微波處理污泥產生的高溫加熱作用和高鐵酸鉀的強氧化性可以有效破壞污泥細胞結構，分解EPS，釋放出溶解性有機物，表現為多糖和蛋白質濃度快速升高.隨著高鐵酸鉀用量增加，釋放出的部分溶解性有機物進一步被氧化成小分子物質，多糖濃度曲線呈下降趨勢.相對于多糖而言，蛋白質不易被進一步氧化分解，故其濃度曲線未出現下降趨勢.具體參見 污水處理技術資料或污水技術資料更多相關技術文檔。

　　圖 3 高鐵酸鉀投加量對污泥EPS的影響

　　4 結論

　　1)微波輻射在短時間內可改善污泥脫水性能，2320、3240、4000 W · L-1微波輻射改善污泥脫水性能最適宜的時間分別是140 s、100 s和80 s.污泥的SV30較原污泥分別減少4%、4%、5%.SRF較原污泥分別降低13.62%、18.89%、20.43%.粘度較原泥分別減少16.57%、35.05%、36.17%.當微波時間超過一定時間時，污泥脫水性能惡化.

　　2)隨著微波輻射功率增大和處理時間增長，上清液TOC含量持續上升.適當的污泥破解能促進污泥脫水.

　　3)微波耦合高鐵酸鉀處理印染污泥，能夠顯著提高其脫水性能.當3240 W · L-1、100 s微波處理時，高鐵酸鉀最佳投加量為0.1767 g · g-1 .此時，高鐵酸鉀氧化分解為具有混凝作用的Fe(OH)3，提高了污泥的沉降性能.此時污泥的SV30、CST、粘度相比原污泥分別降低13.5%、51.18%、40.79%.泥餅含固率比原污泥增加14.58%.

　　4)微波耦合高鐵酸鉀處理印染污泥時，高鐵酸鉀起主要的脫水作用.在0.1767 g · g-1高鐵酸鉀投量，3240 W · L-1、100 s微波處理條件下，SV30和粘度相對于單獨微波處理(3240 W · L-1、100 s)時，分別降低9.90%、8.83%.

　　5)高鐵酸鉀具有強氧化性，能有效破壞細胞的剛性結構，分解EPS，并釋放出溶解性有機物.多糖結構相對于蛋白質結構簡單，較易被高鐵酸鉀氧化分解.隨著高鐵酸鉀投量增加，上清液的蛋白質含量持續增加，多糖含量則先升后降低.