本发明属于环境保护技术领域，特别涉及一种净水厂污泥调理的超声波预破碎和再絮凝组合脱水方法。
背景技术：
我国仍有95%以上的净水厂采用常规的“混凝-沉淀-过滤-消毒”工艺，产生的污泥大部分就近直接排放至水体中，造成水体的二次污染。净水厂污泥含水率约为95%-99.5%，含水率高、呈流动状态且体积大，为了便于运输、处理和资源化利用，污泥调理和脱水是污泥处理的首要和关键步骤。结合水的存在是造成污泥含水率难以降低的主要因素。目前广泛使用的机械脱水主要有真空过滤脱水、离心脱水及压滤脱水，提高污泥脱水效率的关键是对污泥进行预处理，如热解、机械破解、超声波破解、臭氧氧化、酸化、碱解、碱与超声波联合处理、酶处理等，打散污泥中的菌胶团，加快污泥中有机物的溶出，进而促进结合水的释放。超声波预处理活性污泥技术的综合利用包括剩余活性污泥厌氧消化以及回流活性污泥的隐形增长，该技术已得到广泛应用。活性污泥经过超声波处理之后，可减少其含水量并加快其厌氧消化速度，使机械脱水的污泥体积大大减少，污泥的有害病菌也被大量消除，起到减量化和稳定化的作用。超声波作用于污泥时，污泥结构会重组，污泥中水的存在形式会改变，污泥介质中易去除的自由水含量提高，污泥中的胞外聚合物（主要为蛋白质、多糖和核酸）和胞内物质会释放，最终改变污泥脱水性及沉降性。研究表明，污泥脱水性及沉降性的变化与胞外聚合物的溶出组分和含量，以及污泥粒径和表面电荷密切相关。超声作用条件对污泥的脱水性的改善存在一个临界值，超过或低于该临界值污泥的脱水性均较差。
净水厂污泥与污水厂活性污泥在物理、化学性质和微生物种群等方面有着很大不同，且经超声作用后离散、破碎的污泥絮体粒径、溶出物质含量和性质发生了变化，这些变化对净水厂污泥脱水性和沉降性的影响尚不明确。传统的化学混凝调理脱水方法（通过投加化学药剂和机械脱水的方式）很难有效地破坏污泥中胞外聚合物的结构，无法有效将其中结合水释放出来。在混凝化学药剂再絮凝的条件下，破碎的污泥微絮体或颗粒、以及释放至液相中的胞外聚合物和胞内物质会重新聚集，可进一步提高污泥的脱水性和沉降性。
技术实现要素：
本发明提供了一种净水厂污泥调理的超声波预破碎和混凝再絮凝的组合脱水方法，将净水厂污泥采用超声波技术破碎后通过混凝再絮凝的方式提高污泥的脱水性和沉降性。
本发明所采用的技术方案是：一种用于净水厂污泥调理脱水的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：利用超声波破碎净水厂污泥；
步骤2：投加化学药剂，对破碎污泥进行再絮凝调理；
步骤3：对调理后的污泥进行机械脱水。
作为优选，步骤1中采用的超声波反应器为槽式超声波反应器、探头式超声波反应器或平行板近场式超声波反应器，超声波破碎时间为10~30min。
作为优选，所述槽式超声波反应器，反应器的换能器设置在反应槽四周，频率为a1kHz、a2 kHz、a3 kHz和a4 kHz ，其中a1、a2、a3、a4的取值均为25、40、68、80、100、125或 160，共98种频率组合形式；反应器的输入功率为0~450W，连续可调，声能密度为23.3~30.0W/L。
作为优选，所述探头式超声波反应器，反应器频率为b kHz，b的取值为25或40，声能密度为300~500W/L；超声过程中探头离污泥界面2.0~2.5cm。
作为优选，所述探头式超声波反应器的磁力搅拌速度为250~310rpm。
作为优选，所述平行板近场式超声波反应器，反应器中平行板上侧频率为c1 kHz，c1的取值为25、40、68或100；平行板下侧频率为c2 kHz，c2的取值为68、100、125或160；上下侧构成了225种频率形式的超声混响场；声能密度为0~500W/L。
作为优选，步骤2中所述化学药剂为混凝剂、混凝剂与助凝剂组合物或者混凝剂与氧化剂组合物。
作为优选，所述混凝剂为硫酸铝、氯化铝、氯化铁、聚合氯化铝或聚合硫酸铁；所述助凝剂为生石灰、稀盐酸、活化硅酸或聚丙烯酰胺；所述氧化剂为高锰酸钾、高锰酸盐复合药剂、臭氧或过氧化钙。
作为优选，步骤2中所述再絮凝调理，首先以200~300rpm快速搅拌混合0.5~1 min，接着投加化学药剂，然后以50~80rpm搅拌再絮凝15~20 min，最后静置沉淀25~30min。
作为优选，所述化学药剂的投加量根据污泥TSS质量确定，投加的化学药剂与污泥TSS质量浓度比为0.5%~1%。
采用本发明中净水厂污泥调理的方法可显著提高污泥的脱水性和沉降性，将难脱除的内部水转化为易脱除的自由水，实现污泥的减量化，降低后续污泥运输、处理的成本。整个工艺流程简单，易于实现。
附图说明
附图1本发明实施例的流程图。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
请见图1，本发明提供的一种净水厂污泥调理的超声波预破碎和混凝再絮凝的组合脱水方法，包括以下步骤：
步骤1：利用超声波破碎净水厂污泥；
首选取净水厂泥样污泥总悬浮固体（TSS）为1000~2000mg/L，含水率98%以上。超声波反应器为槽式超声波反应器、探头式超声波反应器或平行板近场式超声波反应器，超声波破碎时间为10~30min。超声破碎过程中未调节污泥的温度和pH值。
本实施例的槽式超声波反应器，反应器的换能器设置在反应槽四周，频率为a1，a2，a3和a4 kHz (a1，a2，a3，a4的取值为25，40，68，80，100，125和160kHz)，共98种频率组合形式。输入功率为0~450W连续可调，声能密度为23.3~30.0W/L。
本实施例的探头式超声波反应器，反应器频率为b（b的取值为25，40kHz），声能密度为300~500W/L；超声过程中探头离污泥界面2.0~2.5cm；为避免污泥沉淀至储液槽底部，磁力搅拌速度为250~310rpm。
本实施例的平行板近场式超声波反应器，反应器中平行板上侧频率为c1（c1的取值为25，40，68和100kHz），平行板下侧频率为c2（c2的取值为68，100，125和160kHz），上下侧构成了225种频率形式的超声混响场。声能密度为0~500W/L。
本实施例的超声波反应器设置有超声波频率调节按钮、功率无级调节按钮和定时器设置按钮。频率可通过超声波设备控制面板上的频率数显按钮来调节，声能密度通过控制面板上功率调节按钮和超声处理污泥体积来控制，破碎时间可由控制面板上的定时器设置。
步骤2：投加化学药剂，对破碎污泥进行再絮凝调理；
本实施例的化学药剂可以为混凝剂，或者混凝剂与助凝剂，或者混凝剂与氧化剂。
本实施例的混凝剂可以是硫酸铝、氯化铝、氯化铁、聚合氯化铝、聚合硫酸铁或其他混凝剂中的一种；助凝剂可以是生石灰或稀盐酸、活化硅酸、聚丙烯酰胺等中一种；氧化剂可以是高锰酸钾、高锰酸盐复合药剂、臭氧以及过氧化钙中的一种。
本实施例的超声破碎污泥再絮凝的混凝程序为200~300rpm快速搅拌混合0.5~1 min，投加化学药剂；然后以50~80rpm搅拌再絮凝15~20 min；最后静置沉淀25~30min。
本实施例的化学药剂的投加量根据污泥TSS质量确定，投加的化学药剂与污泥TSS质量浓度比为0.5%~1%。
步骤3：对调理后的污泥进行机械脱水，机械脱水后的污泥含水率可降至42~50%。
本发明通过实验室大量静态试验研究，比较了不同超声波预破碎条件（超声波反应器器类型、频率组合、声能密度、超声作用时间和污泥特性）下污泥脱水性（用过滤比阻SRF和毛细吸水时间CST来表征）和沉降性（用污泥容积指数SVI来表征）的变化，以及通过投加化学药剂再絮凝来提高污泥的脱水性和沉降性、以及含水率的降低来说明该方法的创新性与优越性。举十三个实例说明具体实施方式，但本发明的权利要求范围并不局限于此。
实施实例一：采用本发明中的方法，首先将15L原泥放入250 mm (长) × 250 mm (宽) × 300 mm (高)的槽式超声波反应器中进行污泥的预破碎，槽式反应器四周换能器的超声波频率为25kHz，40kHz，68kHz和100kHz。仅开启频率为25kHz的换能器，声能密度调节为23.3~30.0W/L、超声时间设定为10min，超声过程中搅拌器转速为250rpm，没有调节污泥的温度和pH值。然后，采用六联静态搅拌进行破碎污泥再絮凝试验，将800mL超声波破碎污泥添加至1L烧杯中，设定混凝搅拌程序为200rpm快速搅拌混合0.5min，投加硫酸铝，其投加量为5mg/L；然后以50rpm搅拌再絮凝15 min；最后静置沉淀25min。最后，将调理后的污泥进行压滤脱水。
试验净水厂污泥TSS为 1.00g/L，SVI为110.4±0.37mL/g，平均SRF值为18.58×1012m/kg，平均CST值为17.6s，污泥含水率为98.8%。在声能密度为23.3~30.0W/L、超声时间为10min时，超声破碎污泥的SRF值为21.16×1012m/kg，CST值为23.3s，SVI值为121.5mL/g，相对于原污泥脱水性有所恶化，沉降性稍有改善。通过再絮凝后，污泥的SRF值为14.02×1012m/kg，CST值为14.8s，SVI值为138.2mL/g，相对于原污泥脱水性和沉降性均显著改善。最后将调理后的污泥进行压滤脱水，污泥含水率降至50%。
本发明的工作原理是经过超声作用使污泥中的胞外聚合物（主要为蛋白质、多糖和核酸）和胞内物质释放出来，使其中的水分子不断加速运动、旋转、相互碰撞，使污泥的Zeta电位、表面双电层结构遭到破坏。在混凝再絮凝的作用下，破碎的污泥微絮体或颗粒、以及释放至液相中的胞外聚合物和胞内物质会重新聚集，进一步提高污泥的脱水性和沉降性，最后通过压滤将含水率降低。
实施实例二：本实施实例与实施实例一不同的是：所开启的超声波频率为40kHz，投加的化学药剂为混凝剂聚合氯化铝和氧化剂过氧化钙，其投加量分别为10mg/L和2.5mg/L。其他步骤和参数与实施实例一相同。
实施实例三：本实施实例与实施实例一不同的是：所开启的超声波频率组合为25/40kHz，其他步骤和参数与实施实例一相同。
实施实例四：本实施实例与实施实例一不同的是：所开启的超声波频率组合为25/40/68kHz，其他步骤和参数与实施实例一相同。
实施实例五：本实施实例与实施实例一不同的是：所开启的超声波频率组合为25/40/68/100kHz，其他步骤和参数与实施实例一相同。
实施实例六：采用本发明中的方法，首先将100mL原泥放入玻璃容器中进行探头式超声波预破碎，超声波频率为25kHz，声能密度为300~500W/L、作用20min，超声过程中探头离污泥界面2.0cm，磁力搅拌器转速为250rpm，没有调节污泥的温度和pH值。然后，采用六联静态搅拌进行破碎污泥再絮凝试验，将800mL超声波破碎污泥添加至1L烧杯中，设定混凝搅拌程序为300rpm快速搅拌混合1 min，投加三氯化铁，其投加量为14.08mg/L；然后以50rpm搅拌再絮凝15 min；最后静置沉淀30min。最后，将调理后的污泥进行压滤脱水。
试验净水厂污泥TSS为 1.57g/L， SVI为110.4±0.37mL/g，平均SRF值为17.92×1012m/kg，平均CST值为20.8s。在声能密度为300W/L、超声时间为20min时，超声破碎污泥的SRF值为20.25×1012m/kg，CST值为25.3s，SVI值为120.3mL/g，相对于原污泥脱水性有所恶化，沉降性稍有改善。通过再絮凝后，污泥的SRF值为13.25×1012m/kg，CST值为16.8s，SVI值为140.3mL/g，相对于原污泥脱水性和沉降性均显著改善。在声能密度为500W/mL、超声时间为20min时，超声破碎污泥的SRF值为22.13×1012m/kg，CST值为28.3s，SVI值为138.3mL/g，相对于原污泥脱水性明显恶化，沉降性稍有改善。通过再絮凝后，污泥的SRF值为13.75×1012m/kg，CST值为15.8s，SVI值为151.3mL/g，相对于原污泥脱水性和沉降性均显著改善。最后将调理后的污泥进行压滤脱水，污泥含水率降至45%。
实施实例七：本实施实例与实施实例六不同的是：所开启的超声波频率为40kHz，其他步骤和参数与实施实例六相同。
实施实例八：采用本发明中的方法，首先采用平行板近场式超声波反应器将污泥破碎，平行板上侧频率为25kHz，下侧频率为68kHz，通过调节污泥泵进入反应器的速度，使超声作用时间为15min，控制声能密度为300W/L，超声过程中没有调节污泥的温度和pH值。然后，采用六联静态搅拌进行破碎污泥再絮凝试验，将800mL超声波破碎污泥添加至1L烧杯中，设定混凝搅拌程序为300rpm快速搅拌混合1 min，投加氯化铝和聚丙烯酰胺，其投加量分别为8.0mg/L和4mg/L；然后以60rpm搅拌再絮凝20 min；最后静置沉淀30min。最后，将调理后的污泥进行压滤脱水。
试验净水厂污泥TSS为2.00g/L， SVI为106.4±0.11mL/g，平均SRF值为16.65×1012m/kg，平均CST值为19.8s。在声能密度为250W/L、超声时间为10min时，氯化铝和聚丙烯酰胺，其投加量分别为8.0mg/L和4mg/L以及压滤脱水后，污泥的SRF值为12.25×1012m/kg，CST值为13.3s，SVI值为146.3mL/g，污泥含水率降至42%。
实施实例九：本实施实例与实施实例八不同的是：所开启的超声波频率组合为25/40/68kHz，其他步骤和参数与实施实例八相同。
实施实例十：本实施实例与实施实例八不同的是：所开启的超声波频率组合为25/68/100kHz，其他步骤和参数与实施实例八相同。
实施实例十一：本实施实例与实施实例八不同的是：所开启的超声波频率组合为25/40/68/68kHz，其他步骤和参数与实施实例八相同。
实施实例十二：本实施实例与实施实例八不同的是：所开启的超声波频率组合为25/68/100/160kHz，其他步骤和参数与实施实例八相同。
实施实例十三：本实施实例与实施实例八不同的是：所开启的超声波频率组合为25/40/68/100/68/100/125/160kHz，其他步骤和参数与实施实例八相同。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。