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(jié)省污泥后續(xù)運輸、處理處置成本具有重大意義.與城鎮(zhèn)污泥相比，印染污泥含水率較高，成分復(fù)雜，脫水處理成為印染污泥減量的關(guān)鍵所在.
常用的污泥調(diào)理技術(shù)主要有物理調(diào)理和化學(xué)調(diào)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(rèn)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(yīng)過程易于控制以及有特殊的滅菌（fungus)功能等優(yōu)點.微波處理污泥的作用機理可分為熱效應(yīng)和非熱效應(yīng).微波的熱效應(yīng)是指微波能量被介質(zhì)(起決定作用的物質(zhì))材料吸收而轉(zhuǎn)化為熱能的現(xiàn)象.而不能用熱效應(yīng)來解釋的現(xiàn)象則稱為微波的非熱效應(yīng).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(lǐng)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，溶解釋放細(xì)胞內(nèi)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(xué)調(diào)理存在一定缺陷，因此聯(lián)合調(diào)理技術(shù)日益發(fā)展起來.聯(lián)合調(diào)理技術(shù)比單一的物理或化學(xué)調(diào)理能取得更好的效果.
本實驗結(jié)合微波的熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)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(tǒng)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(zhì)如下：pH 6.58，含水率98.6%，濾餅含水率91.2%，污泥比阻3.23×1011s2 ? g-1，懸浮物11316.67 mg ? L-1，可揮發(fā)性懸浮物7072 mg ? L-1，總化學(xué)需氧量9206 mg ? L-1，上清液中總有機碳18.39 mg ? L-1，溶解性化學(xué)需氧量96 mg ? L-1，粘度18.83 mPa ? s，毛細(xì)吸水時間63.3 s;上清液蛋白質(zhì)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);pH計;數(shù)顯粘度計;CST測定儀;TOC-VCPH分析(Analyse)儀;紫外可見分光光度計TU-1901.高鐵酸鉀購自湖北興銀河化工有限公司.其他化學(xué)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和不同處理時間下污泥各項脫水指標(biāo)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(zhuǎn)速快速攪拌3 min，60 r ? min-1的轉(zhuǎn)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(jìn)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(biāo).
2.3 分析方法
比阻采用布氏漏斗法進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)物質(zhì).蛋白質(zhì)含量的測定采用考馬斯亮藍(lán)染色法，以牛血清蛋白作標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì).粘度、TOC和CST均采用上述儀器進(jìn)行測定.
3 結(jié)果
3.1 微波預(yù)處理對污泥脫水性能的影響
3.1.1 微波對SV
30、SRF和粘度的影響
SV
30、SRF和粘度是描述（description）污泥脫水性能的3個重要指標(biāo)，分別表征污泥機械脫水中的重力沉降、滲透性和可濾性.經(jīng)過不同微波條件處理后污泥的脫水指標(biāo)變化結(jié)果如圖 1
A、
B、c所示.
圖 1 微波輻射對污泥SV
30、比阻、粘度及污泥上清液TOC的影響
從圖 1
A、
B、c可見，隨著時間的增加，SV
30、SRF和粘度均呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢（trend).SV
30、SRF和粘度越小，表明其脫水性能越好.由圖 1
A、
B、c可見，經(jīng)過不同微波功率（指物體在單位時間內(nèi)所做的功的多少）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(jié)果類似.
污泥經(jīng)過適當(dāng)?shù)奈⒉ㄝ椛?，高頻電場使污泥及其中的水分子不斷移動、旋轉(zhuǎn)，改變污泥的Zeta電位和破壞表面雙電層結(jié)構(gòu)，從而使污泥顆粒脫穩(wěn).短時間的微波輻射使污泥內(nèi)部產(chǎn)生溫度梯度，破壞結(jié)合水與EPS間的結(jié)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(xì)胞內(nèi)部水，從而自由水比例增加，改善脫水.然而當(dāng)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(xì)胞壁破裂，導(dǎo)致污泥粒徑變小，同時有大量的胞內(nèi)和胞外物質(zhì)溢出，粘度增大，不利于脫水.
3.1.2 微波對TOC含量的影響(influence)
活性污泥中生物絮體構(gòu)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（指物體在單位時間內(nèi)所做的功的多少）和處理時間的增加而增加，表明污泥絮體被微波破壞，釋放(release)細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)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(xù)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(jié)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(lián)合高鐵酸鉀對污泥脫水性能的影響
根據(jù)微波對印染污泥脫水性能影響結(jié)果，從降低能源（解釋:向自然界提供能量轉(zhuǎn)化的物質(zhì))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(jìn)行處理，測定處理后的污泥脫水指標(biāo).
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(biāo).所以微波聯(lián)合高鐵酸鉀處理后的污泥過濾性能由毛細(xì)吸水時間CST值來表征.CST值是指活性污泥通過(tōng guò)特定吸水濾紙產(chǎn)生的毛細(xì)吸水壓（特指：壓強）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(xù)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(fā)揮其氧化作用的同時，逐漸產(chǎn)生的Fe3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(dāng)加入0.1767 g ? g-1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，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
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Fe3膠體，它能夠沉降并吸附到污泥細(xì)胞表面，降低了污泥細(xì)胞的穩(wěn)定性，提高了污泥的沉降性能.當(dāng)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(xù)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，泥餅含固率從初始的8.78%增加到8.87%，加入比較高劑量時，泥餅含固率達(dá)到10.06%.當(dāng)污泥絮體被高鐵酸鉀破壞時，絮體內(nèi)的水分被釋放出來，從而提高污泥脫水程度.
當(dāng)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(xù)添加高鐵酸鉀，SV30和泥餅含水率仍然繼續(xù)降低，但是降低緩慢.從降低成本以及促進(jìn)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(huán)境條件下分泌產(chǎn)生的高分子物質(zhì)，主要成分有多糖、蛋白質(zhì)、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(zhì)量占活性污泥質(zhì)量的80%左右.高濃度膠體狀態(tài)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(Potassium)后，EPS中蛋白質(zhì)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(zhì)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(zhì)和多糖含量分別比對照樣增加約4.8倍和5.6倍.繼續(xù)加入高鐵酸鉀時，EPS中多糖含量開始下降，蛋白質(zhì)則繼續(xù)上升.分析其原因，微波處理污泥產(chǎn)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(xì)胞結(jié)構(gòu)，分解EPS，釋放出溶解性有機物，表現(xiàn)為多糖和蛋白質(zhì)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(jìn)一步被氧化成小分子物質(zhì)，多糖濃度曲線呈下降趨勢.相對于多糖而言，蛋白質(zhì)不易被進(jìn)一步氧化分解，故其濃度曲線未出現(xiàn)下降趨勢.具體參見污水寶商城資料或
圖 3 高鐵酸鉀投加量對污泥EPHOTOSHOP的影響(influence)
4 結(jié)論
1)微波輻射在短時間內(nèi)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（reduce)13.62%、18.89%、20.43%.粘度較原泥分別減少16.57%、35.05%、36.17%.當(dāng)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(xù)上升.適當(dāng)?shù)奈勰嗥平饽艽龠M(jìn)污泥脫水.
3)微波耦合高鐵酸鉀處理印染污泥，能夠顯著（striking）提高其脫水性能.當(dāng)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Fe3，提高了污泥的沉降性能.此時污泥的SV
30、CS
T、粘度相比原污泥分別降低（reduce)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(xì)胞的剛性結(jié)構(gòu)，分解EPS，并釋放出溶解性有機物.多糖結(jié)構(gòu)相對于蛋白質(zhì)(protein)結(jié)構(gòu)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(zhì)含量持續(xù)增加，多糖含量則先升后降低.
