一种剩余污泥电渗透深度脱水性能评价方法

摘要

本发明公开了一种剩余污泥电渗透深度脱水性能评价方法，属于污水处理和固体废弃物处理技术领域。本发明首先采集生物污泥样品并测定电渗透脱水前污泥样品的初始含水率IMC、挥发性固体VSS、电导率EC、pH值、zeta电位和胞外聚合物含量EPS，通过Group Lasso模型筛选出影响电渗透深度脱水性能的关键指标EC、Z和EPS，建立基于关键指标的回归方程，通过回归方程计算电渗透脱水后污泥含水率和脱水率。本发明将剩余污泥性质与电渗透深度脱水性能之间的复杂关系量化，获得较好的预测结果，与模拟装置电渗透脱水后污泥的FMC和DR测定值符合度高，从而大大减少了试验工作量，为进一步的污泥改性提供基础数据。

说明书

技术领域

本发明涉及污泥脱水工艺，更具体地说，涉及一种剩余污泥电渗透深度脱水性能评价方法，属于污水处理和固体废弃物处理技术领域。

背景技术

随着城镇化水平的不断提高，污水处理能力进一步加强。污水厂在运行的同时产生大量剩余污泥，给环境带来巨大的压力。污泥性质极其复杂，尤其是生活污水厂二沉池排出的剩余活性污泥，属于亲水性、微细粒度有机物污泥，可压缩性能差，脱水性能差。同时污泥中含有大量致病微生物、寄生虫卵、恶臭物质和重金属离子，暴露到环境中，会对环境造成巨大污染，使得已经建成投运的大型污水厂处理设施的环境减排效益大打折扣。

根据污泥中水分分布的不同，可分为结合水、间隙水、表面附着水和自由水。机械脱水只能去除自由水和部分间隙水。电渗透脱水技术作为一种新兴技术不仅能去除自由水，间隙水，还能使细胞破壁，使胞内水和内容物释放，进一步改善脱水性能。污泥性质相当复杂，经过电渗透脱水后泥饼含水率也各不相同。对电渗透脱水效果差的污泥进行改性是非常有必要的，目前污泥改性的方式很多，通过改变污泥的不同性质能改善其脱水性能。

但现有研究人员的研究重点也主要集中在不同改性处理手段对污泥脱水性能影响的定性分析上，而由于不同污泥性质相异，其脱水性能的影响因素也各不相同，技术人员对不同污泥进行改性处理时通常缺乏依据，无法保证改性处理后污泥的电渗透脱水性能满足要求，因此就具有盲目性，需要不断尝试并进行测试，试验工作量大。因此，研究出一种能够对不同污泥电渗透深度脱水性能进行准确评价和预测的方法对于污泥的改性处理具有重要的意义。

经检索，中国专利申请号为201010289742.2，申请日为2010年09月21日的申请案公开了一种快速表征污泥脱水性能的方法，该申请案先收集原污泥或浓缩污泥，用滤膜过滤得到污泥上清液，测定上清液的可溶性有机碳(DOC)，再用蒸馏水稀释上清液到DOC＜10mg/L，采集稀释后的上清液的三维荧光光谱(EEM)谱图，采用Matlab 7.0数据处理软件的DOMFluor工具包对采集到的EEM谱图代入数据库进行平行因子(PARAFAC)分析，确定激发/发射波长为(220，280)/350nm组分的得分数，再将所得得分数乘以样品稀释倍数后代入污泥脱水性能判别关系式，即可表征污泥脱水性能。该申请案虽然采用三维荧光光谱分析的污泥上清液的不同组分，但其判别公式计算的是污泥比阻，最终根据污泥比阻这一唯一指标来表征污泥的脱水性能，难以体现其他污泥特性对脱水性能的影响。此外，这一方法对污泥机械脱水较为有效，但污泥比阻对电渗透脱水影响不大，需要考虑污泥初始含水率IMC、挥发性固体VSS、电导率EC、pH值、zeta电位和胞外聚合物含量EPS等不同特性的综合影响。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服目前现有技术中对污泥进行改性处理具有盲目性，工作量大，且无法保证改性后剩余污泥的电渗透脱水性能的不足，提供了一种剩余污泥电渗透深度脱水性能评价方法。采用本发明的方法能够直接准确地预估出电渗透脱水后不同污泥的最终含水率及脱水效率，从而能够实现对污泥的准确改性，大大减少了实际工作量。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种剩余污泥电渗透深度脱水性能评价方法，包括以下步骤：

S1：采集生物污泥样品，测定其初始含水率IMC：称取一定质量的污泥样品，其质量记为M1，然后置于烘箱中烘干后冷却称重测定，其质量记为M2，则生物污泥样品的初始含水率

S2：污泥电导率EC测定：在污泥样品中加入去离子水，搅动1～2min，经静置后用电导率仪测定污泥上清液的EC；

S3：污泥zeta电位Z测定：在污泥样品中加入去离子水制成悬浮溶液，并调整悬浮液的pH及电导率，使之与原始污泥相同，然后用zeta电位仪测定Z值；

S4：污泥胞外聚合物含量EPS测定：提取EPS，采用BCA法测定提取的EPS溶液中蛋白含量，采用硫酚法测定提取的EPS溶液中多糖含量，EPS含量＝蛋白含量+多糖含量；

S5：电渗透脱水后污泥含水率FMC和脱水率DR的计算：通过基于EC、Z和EPS三种污泥性质参数的估算模型计算出电渗透深度脱水后污泥的FMC和DR。

更进一步的，所述S5中电渗透深度脱水后污泥的FMC和DR的估算模型为：

FMC＝0.74-5.33×10^-5EC+4.79×10^-4Z+0.01EPS

DR＝0.01+2.34×10^-5EC-8.32×10^-3Z-7.10×10^-3EPS。

更进一步的，得到FMC和DR后，根据DR的计算结果将污泥的脱水性能分为4个等级：DR＞20％，代表脱水性能好；15％＜DR≤20％，代表脱水性能较好；10％≤DR≤15％，代表脱水性能一般；DR＜10％，代表脱水性能差。

更进一步的，所述S1中称取的污泥质量M1为10g～20g，且其烘干处理的温度为105℃，烘干时间为24h。

更进一步的，所述S2中污泥样品与去离子水的质量比污泥样品：去离子水＝1:2.5～1:5，S3中污泥样品：去离子水＝1:50～1:100。

更进一步的，所述S4中EPS的提取方法为：取污泥样品于离心管中加入去离子水进行稀释，使污泥处于均匀悬浮状态，并于4000rpm下离心15min；弃上清液，继续加去离子水稀释，并使污泥处于均匀悬浮状态，80℃水浴15min，冷却至室温后，12000g离心15min；取上清液过0.45μm滤膜，即得到提取的EPS。

更进一步的，所述S1中剩余污泥经过初步机械脱水，初始含水率在75％～85％之间。

更进一步的，所述S5中电渗透深度脱水后污泥的FMC和DR的估算模型的构建方法为：

(1)采集不同污水处理厂的剩余污泥，每个厂取10个平行样品，分别测定其初始含水率IMC、污泥电导率EC、污泥zeta电位Z、pH、污泥挥发性固体含量VSS和污泥胞外聚合物含量EPS；

(2)通过线性回归方程构建基于以上6项污泥性能参数的电渗透脱水污泥FMC和DR的估算模型：

FMC＝β₀+β₁pH+β₂EC+β₃Z+β₄IMC+β₅VSS+β₆EPS+error>

DR＝β₀+β₁pH+β₂EC+β₃Z+β₄IMC+β₅VSS+β₆EPS+error>

其中，X为自变量，指污泥性能参数；Y为因变量，指FMC或DR；β为回归系数，ε指误差。

(3)通过如下Group Lasso模型筛选出对污泥电渗透脱水性能贡献大的因素：

其中，I_g是g组的特征下标，λ是正则参数，求出的稀疏解，通过以上模型计算出具有非0系数的稀疏变量为EC、Z和EPS，即这3项指标对电渗透脱水性能贡献最大，另外3项指标IMC、EC和pH可以忽略不计；

(4)基于筛选出的关键性能指标EC、Z和EPS，建立电渗透深度脱水后污泥的FMC和DR的最终估算模型：

FMC＝0.74-5.33×10^-5EC+4.79×10^-4Z+0.01EPS>

DR＝0.01+2.34×10^-5EC-8.32×10^-3Z-7.10×10^-3EPS>

更进一步的，所述污泥挥发性固体含量VSS测定方法为：将采集的污泥烘干后置于600℃马弗炉中灼烧2h，冷却至室温后称重测定，其质量记为M3，则

更进一步的，所述污泥pH值测定方法为：称取过2mm筛孔的风干泥样于烧杯中加入去离子水用玻璃棒搅动1～2min，经静置后用pH计测定污泥上清液的pH值，且污泥样品：去离子水＝1:2.5。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明的一种剩余污泥电渗透深度脱水性能评价方法，无需进行实验即能根据剩余污泥性质有效评估电渗透脱水后污泥的最终含水率(FMC)和脱水效率(DR)，且获得的预测结果与模拟装置电渗透脱水后污泥的FMC和DR符合度较高，从而大大减少了试验工作量，能够为进一步的污泥改性提供基础数据，解决了现有技术中对污泥进行改性处理具有盲目性，工作繁琐的问题。

(2)本发明的一种剩余污泥电渗透深度脱水性能评价方法，通过Group Lasso模型对不同污泥性能指标进行了筛选，剔除了其中影响较小的污泥性质，构建了基于EC、Z和EPS三种关键污泥性质指标的FMC和DR估算模型，使用该模型对污泥电渗透深度脱水性能的估算简单，降低了模型的复杂度，且估算结果准确，同时能够适用于各种不同污泥。

附图说明

图1为本发明的一种剩余污泥电渗透深度脱水性能评价方法的流程图；

图2为本发明的一种剩余污泥电渗透深度脱水性能评价装置的结构示意图。

其中：1-秤砣砝码，2-阳极，3-滤布，4-阴极，5-电子天平，6-电源。

具体实施方式

针对不同污泥性质相异，其脱水性能的影响因素也各不相同，技术人员对不同污泥进行改性处理时缺乏依据，无法保证改性处理后污泥的电渗透脱水性能满足要求，且其改性处理具有盲目性，试验工作量大的问题，对污泥电渗透脱水性能进行准确评价就具有重要的意义。但由于不同污泥性质极其复杂，基于污泥性质对电渗透脱水性能进行评价一直是污泥处置研究的重点和难点。现有技术中关于污泥性质对其电渗透脱水性能影响的定量分析研究较少，且以往的研究和方法通常仅针对污泥单一特性指标进行分析，或针对污泥特性进行简单的线性回归，而对污泥不同特性间的相互关系(多重共线性会影响模型的解释性和预测准确性)则没有考虑，对污泥脱水性能的关键影响因素(次要因素的选入会干扰变量之间关系的理解，增加模型的复杂度)也没有进行综合筛分，从而影响污泥电渗透脱水性能判断的准确性，且其分析判定方法复杂。

发明人通过大量实验研究，并结合不同污泥电渗透脱水过程的分析，发现污泥电渗透脱水性能主要受污泥IMC、EC、Z、pH、VSS和EPS等6项指标影响较大，首先构建了基于这6种指标的污泥FMC和DR的估算模型，为了在保证估算结果准确性的基础上进一步降低模型估算的复杂度，发明人通过Group Lasso模型对上述6项污泥性能指标进行了筛选，剔除了其中影响较小的污泥性质，构建了基于EC、Z和EPS三种污泥性质的FMC和DR估算模型。

采用本发明的FMC和DR估算模型对剩余污泥电渗透深度脱水性能进行评价，无需进行实验，直接通过剩余污泥性质即可预估电渗透脱水后污泥的最终含水率及脱水效率，从而大大减少了试验工作量，解决了现有技术中对污泥进行改性处理具有盲目性，工作繁琐的问题，且获得的预测结果与模拟装置电渗透脱水后污泥的FMC和DR符合度较高，能够为进一步的污泥改性提供基础数据，为污泥脱水性能的改进提供了理论指导和技术支撑。

具体的，本发明的一种剩余污泥电渗透深度脱水性能评价方法，包括以下步骤：

步骤一、电渗透深度脱水后污泥含水率FMC和脱水率DR的估算模型的构建：

(1)采集7个不同污水处理厂的剩余污泥，每个厂取10个平行样品，分别测定其初始含水率IMC、污泥电导率EC、污泥zeta电位Z、pH、污泥挥发性固体含量VSS和污泥胞外聚合物含量EPS，各参数的测定结果如下表1所示：

表1.各污泥性能检测结果

其中，污泥样品初始含水率IMC的测定方法为：称取一定质量(10g～20g)的污泥样品，其质量记为M1，然后置于100-110℃烘箱中烘干24h后冷却称重测定，其质量记为M2，则生物污泥样品的初始含水率上述采集的剩余污泥经过初步机械脱水处理，其初始含水率在75％～85％之间。

污泥挥发性固体含量VSS的测定方法为：将上述采集后烘干的剩余污泥置于600℃马弗炉中灼烧2h，冷却至室温后称重测定，记为M3，则

污泥电导率EC的测定方法为：在污泥样品中加入去离子水，搅动1～2min，静置30min后用电导率仪测定污泥上清液的EC，污泥样品与去离子水的质量比污泥样品：去离子水＝1:2.5～1:5。

污泥pH值的测定方法为：称取过2mm筛孔的风干泥样于烧杯中加入去离子水用玻璃棒搅动1～2min，静置30min后用pH计测定污泥上清液的pH值，且污泥样品：去离子水＝1:2.5。

污泥zeta电位Z的测定方法为：在污泥样品中加入去离子水制成悬浮溶液，并调整悬浮液的pH及电导率，使之与原始污泥相同，然后用zeta电位仪测定Z值，质量比污泥样品：去离子水＝1:50～1:100。

污泥胞外聚合物含量EPS的测定方法为：提取EPS，采用BCA法测定提取的EPS溶液中蛋白含量，采用硫酚法测定提取的EPS溶液中多糖含量，EPS含量＝蛋白含量+多糖含量；EPS的提取：取0.4g污泥样品于离心管中加入去离子水稀释至15mL，并使污泥处于均匀悬浮状态，4000rpm下离心15min；弃上清液，继续加去离子水稀释至15mL，并使污泥处于均匀悬浮状态，80℃水浴15min，冷却至室温后，12000g离心15min；取上清液过0.45μm滤膜，即得到提取的EPS。

(2)通过线性回归方程构建基于以上6项污泥性能参数的电渗透脱水污泥FMC和DR的估算模型：

FMC＝β₀+β₁pH+β₂EC+β₃Z+β₄IMC+β₅VSS+β₆EPS+error>

DR＝β₀+β₁pH+β₂EC+β₃Z+β₄IMC+β₅VSS+β₆EPS+error>

其中，X为自变量，指污泥性能参数；Y为因变量，指FMC或DR；β为回归系数，ε指误差。

(3)通过如下Group Lasso模型筛选出对污泥电渗透脱水性能贡献大的因素：

其中，I_g是g组的特征下标，λ是正则参数，求出的稀疏解。通过以上模型计算出具有非0系数的稀疏变量为EC、Z和EPS，即这3项指标对电渗透脱水性能贡献最大，另外3项指标IMC、EC和pH可以忽略不计，结果如表2所示。

表2.Group Lasso模型分析结果

(4)基于筛选出的关键性能指标EC、Z和EPS，建立电渗透深度脱水后污泥的FMC和DR的最终估算模型：

FMC＝0.74-5.33×10^-5EC+4.79×10^-4Z+0.01EPS>

DR＝0.01+2.34×10^-5EC-8.32×10^-3Z-7.10×10^-3EPS>

步骤二、采集待评价剩余污泥样品，测定其初始含水率IMC、电导率EC、污泥zeta电位Z和污泥胞外聚合物含量EPS，其测定方法同步骤一。

步骤三、通过公式(4)和公式(5)中基于EC、Z和EPS三种污泥性质参数的估算模型计算出电渗透深度脱水后污泥的FMC和DR，得到FMC和DR后，根据DR的计算结果将污泥的脱水性能分为4个等级：DR＞20％，代表脱水性能好；15％＜DR≤20％，代表脱水性能较好；10％≤DR≤15％，代表脱水性能一般；DR＜10％，代表脱水性能差。

本发明的剩余污泥电渗透深度脱水性能评价方法能够适于对不同种类污泥的电渗透深度脱水性能进行准确预测，从而能够有效指导污泥的改性处理。针对电渗透脱水性能差的污泥进行污泥改性时，其具体方法是通过测量的污泥性质以及脱水性能对比进行污泥改性：EPS含量过高导致的脱水性能低，可以通过添加药剂(如鼠李糖脂)或是进行高级氧化降低ESP含量，从而提高脱水效率；电导率过高导致的脱水性能低，可以对污泥进行清洗降低电导率；电导率过低导致的脱水性能低，可以适当添加盐类增加电导率。

为进一步了解本发明的内容，现结合具体实施例对本发明作详细描述。值得说明的是，下面是采用相同测定参数针对不同特性的污泥样品进行试验测定的，而具体测定参数的数值并不局限于实施例中所用数值，由于此处篇幅有限，且各种性能参数测定时所涉及的参数数值(如采集污泥样品的重量、干燥温度等)并不是本发明请求保护的重点，因此在实施例中不再过多列举。

实施例1

本实施例的一种剩余污泥电渗透深度脱水性能的评价方法，如图1所示，具体步骤如下：

S1：采集剩余污泥样品，测定其IMC：于坩埚中称取10g的污泥，在105℃的烘箱中烘干24h后冷却称重测定，测得IMC＝81.80％。

S2：EC测定：在10g污泥样品中加入25mL去离子水，用玻璃棒剧烈搅动1～2min，静置30min后用电导率仪测定污泥上清液的电导率为1271μs/cm。

S3：Z测定：在0.5g污泥样品中加入50mL去离子水制成悬浮溶液，并使用HCl、NaOH溶液调整悬浮液的pH，KCl溶液调整悬浮液的电导率，使之与原始污泥相同，然后用zeta电位仪测定，测定的Z＝-14.4mV。

S4：EPS测定：提取EPS，取0.4g污泥样品于离心管中加入去离子水稀释至15mL，并使污泥处于均匀悬浮状态，4000rpm下离心15min；弃上清液，加去离子水稀释至15mL，并使污泥处于均匀悬浮状态，80℃水浴15min，冷却至室温后，12000rpm下离心15min；取上清液过0.45μm滤膜，即得到提取的EPS。利用BCA法测定提取的EPS溶液中蛋白含量，采用硫酚法测定提取的EPS溶液中多糖含量，EPS含量＝蛋白含量+多糖含量。本实施例测得蛋白含量＝2.03mg/g，多糖含量＝0.85mg/g，EPS含量＝2.88mg/g。

S5：通过方程(4)和(5)计算出FMC为70.09％，DR为14.15％。

根据DR的计算结果，该污泥的电渗透脱水性能属于一般水平(10％≤DR≤15％)，通过如图2所示的模拟装置验证电渗透脱水后污泥的FMC和DR，该模拟装置包括一个稳压稳流电源6、一个垂直放置的圆柱形有机玻璃反应器及活塞、两块金属电极和数据采集系统。阳极2固定在活塞下部，接正电，活塞上部放置有秤砣砝码1；阴极4放置在漏斗上部，接负电，且阴极4上方设有滤布。实验时，将一定质量的污泥置于两电极之间，进行电渗透脱水。有机玻璃反应器内径为80mm，两块电极分别为钛基钌铱涂层阳极和不锈钢网阴极，阴极4上打有1.5mm的排水孔，污泥经电渗透脱水处理排出的水分经阴极4上的排水孔和阴极4下方的漏斗进入电子天平5上的容器进行收集，并通过电子天平5进行称重。实验时，污泥厚度10mm，机械压力80kpa，电压30V/cm，实验结果为FMC＝67.97％，DR＝13.83％，与上述方法的预测值符合度高，证明本实施例的方法能获得较好的预测结果。

实施例2

本实施例的一种剩余污泥电渗透深度脱水性能的评价方法，如图1所示，具体步骤如下：

S1：采集剩余污泥样品，测定IMC：于坩埚中称取10g的污泥，在105℃的烘箱中烘干24h后冷却称重测定，测得IMC＝80.90％。

S2：EC测定：在10g污泥样品中加入25mL去离子水，用玻璃棒剧烈搅动1～2min，静置30min后用电导率仪测定污泥上清液的电导率为1469μs/cm。

S3：Z测定：在0.5g污泥样品中加入50mL去离子水制成悬浮溶液，并使用HCl、NaOH溶液调整悬浮液的pH，KCl溶液调整悬浮液的电导率，使之与原始污泥相同，然后用zeta电位仪测定，测定的Z＝-16.7mV。

S4：EPS测定：提取EPS，取0.4g污泥样品于离心管中加入去离子水稀释至15mL，并使污泥处于均匀悬浮状态，4000rpm离心15min；弃上清液，加去离子水稀释至15mL，并使污泥处于均匀悬浮状态，80℃水浴15min，冷却至室温后，12000g离心15min；取上清液过0.45μm滤膜，即提取的EPS。利用BCA法测定提取的EPS溶液中蛋白含量，硫酚法测定提取的EPS溶液中多糖含量，EPS含量＝蛋白含量+多糖含量。测得蛋白含量＝2.38mg/g，多糖含量＝0.94mg/g，EPS含量＝3.32mg/g。

S5：通过方程(4)和(5)计算出FMC为69.42％，DR为16.21％。

根据DR的计算结果，该污泥的电渗透脱水性能较好(15％＜DR≤20％)，通过模拟装置验证电渗透脱水后污泥的FMC和DR，如图2所示。实验时，污泥厚度10mm，机械压力80kpa，电压30V/cm，实验结果为FMC＝65.15％，DR＝16.75％，与上述方法的预测值符合度高，证明该方法能获得较好的预测结果。

实施例3

本实施例的一种剩余污泥电渗透深度脱水性能评价方法，如图1所示，具体步骤如下：

S1：采集剩余污泥样品，测定IMC：于坩埚中称取10g的污泥，在105℃的烘箱中烘干24h后冷却称重测定，测得IMC＝84.60％。

S2：EC测定：在10g污泥样品中加入25mL去离子水，用玻璃棒剧烈搅动1～2min，静置30min后用电导率仪测定污泥上清液的电导率为1138μs/cm。

S3：Z测定：在0.5g污泥样品中加入50mL去离子水制成悬浮溶液，并使用HCl、NaOH溶液调整悬浮液的pH，KCl溶液调整悬浮液的电导率，使之与原始污泥相同，然后用zeta电位仪测定，测定的Z＝-18mV。

S4：EPS测定：提取EPS，取0.4g污泥样品于离心管中加入去离子水稀释至15mL，并使污泥处于均匀悬浮状态，4000rpm离心15min；弃上清液，加去离子水稀释至15mL，并使污泥处于均匀悬浮状态，80℃水浴15min，冷却至室温后，12000g离心15min；取上清液过0.45μm滤膜，即提取的EPS。利用BCA法测定提取的EPS溶液中蛋白含量，硫酚法测定提取的EPS溶液中多糖含量，EPS含量＝蛋白含量+多糖含量。测得蛋白含量＝6.16mg/g，多糖含量＝2.71mg/g，EPS含量＝8.87mg/g。

S5：通过方程(4)和(5)计算出FMC为77.28％，DR为12.57％。

根据DR的计算结果，该污泥的电渗透脱水性能一般(10％≤DR≤15％)，通过模拟装置验证电渗透脱水后污泥的FMC和DR，如图2所示。实验时，污泥厚度10mm，机械压力80kpa，电压30V/cm。实验结果为FMC＝74.44％，DR＝10.16％，与上述方法的预测值符合度高，证明该方法能获得较好的预测结果。

综上所述，本发明的剩余污泥电渗透深度脱水性能评价方法，将剩余污泥性质与电渗透深度脱水性能之间的复杂关系量化，能够直接根据污泥性质估算出不同污泥电渗透脱水后的最终含水率(FMC)和脱水效率(DR)，估算结果较为准确，与模拟装置电渗透脱水后污泥的FMC和DR测定值符合度高，且其估算模型简单，大大减少了试验工作量，能够为进一步的污泥改性提供可靠的理论依据与指导。

以上示意性地对本发明技术方案及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，涉及的实施例也只是本发明的实施方式之一，实际的剩余污泥电渗透深度脱水并不局限于此。所以，如果本领域的技术人员受其启示，在不脱离本发明技术方案宗旨的情况下，不经创造性地设计出与该技术方案相似的实施例，均应属于本发明技术方案的保护范围。