城市污水廠在污水處理過程中會產(chǎn)生大量污泥，其數(shù)量占污水處理量的0.3%~0.5%（以含水率97%計）。污泥處理費用約占污水廠全部建設費用的20%~50%，甚至達到70%。污泥處置前需進行污泥預處理，即污泥調(diào)質(zhì)。污泥預處理能夠有效降低污泥含水率，改善污泥的脫水性能，從而降低后續(xù)污泥處理的費用。
目前已有許多學者研究了絮凝劑等化學調(diào)質(zhì)對污泥脫水性能的影響。柳海波等將無機絮凝劑（FeCl3和CaO）與表面活性劑聯(lián)用，研究其對污泥絮體特征、沉降性能和脫水性能的影響。張尊舉等以硅藻土為主要原料、聚合氯化鋁為添加劑制備了一種改性硅藻土污泥脫水絮凝劑，研究該絮凝劑對污泥脫水性能的影響。但國內(nèi)關于活性污泥預處理的研究大部分限于化學調(diào)質(zhì)，考察磁場對活性污泥脫水性能影響的研究相對較少。李帥等研究了磁化時間和磁場強度對污泥比阻和污泥顆粒表面電極電位的影響，同時還研究了不同pH下污泥沉降性能的變化曲線。目前國外已有一些學者研究磁場對污泥性能的影響，如M. Lebkowska等研究靜態(tài)磁場對活性污泥中甲醛降解的影響。R. Lakeshmanan等利用氧化鐵磁性納米顆粒處理廢水中的污泥，結(jié)果表明磁場作用＜5 min時，污泥含水量減少了近95%。
筆者擬采用磁化調(diào)質(zhì)對污水廠的活性污泥進行預處理，并考察不同磁化時間、磁場強度作用對污泥脫水性能的影響。
1 試驗材料與方法
1.1 污泥來源
試驗所用污泥取自長沙某污水處理廠二沉池。污泥取回后用0.28 mm篩網(wǎng)（50目）過濾，去除其中較大的懸浮物，置于容器內(nèi)，保存在4 ℃生化培養(yǎng)箱中。為保證污泥活性，污泥保存期為一周。
1.2 試驗裝置
取200 mL污泥置于250 mL燒杯中，將燒杯置于一組磁鐵中間，通過改變2塊磁鐵的距離來改變磁場強度。
1.3 分析方法
（1）污泥沉降性能。將調(diào)質(zhì)完的污泥攪拌均勻，取100 mL倒入100 mL量筒中，室溫下靜置30 min，觀察污泥沉降界面，每隔5 min記錄一次數(shù)據(jù)。（2）污泥比阻。假設污泥顆粒不可壓縮，污泥過濾原理滿足Carman公式〔7〕。測量方法見文獻〔8〕~〔9〕。（3）分形維數(shù)。分形維數(shù)分析采用小角度光散射法〔10, 11〕。（4）粒度分布。污泥絮體的粒徑分布采用Mastersizer 2000激光粒度儀（英國馬爾文儀器有限公司）測定。
2 結(jié)果與討論
2.1 磁化處理對污泥沉降性能的影響
用250 mL燒杯盛200 mL污泥置于磁化裝置中，測得燒杯中央的磁場強度分別為23、45、55 mT，在上述磁場強度下分別磁化10、20、30、40、50 min，然后取100 mL攪拌均勻的調(diào)質(zhì)后污泥進行沉降試驗，磁化20、40 min后的污泥沉降性能如圖 1、圖 2所示。
圖 1 磁化20 min后污泥沉降體積與時間的關系
圖 2 磁化40 min后污泥沉降體積與時間的關系
由圖 1、圖 2可以看出，原污泥自身的沉降性能不好，30 min內(nèi)污泥體積僅由100 mL降至94 mL。經(jīng)過磁化調(diào)質(zhì)后，污泥沉降性能得到明顯改善，沉降速率較原污泥的沉降速率有所提高。當磁化時間為20 min、磁場強度為55 mT時污泥沉降性能最好。磁化時間為40 min時其沉降性能隨磁場強度的增加而改善。
與磁化20 min后的污泥相比，同一磁場強度下磁化40 min的污泥沉降性能并沒有明顯改善，反而有所下降，說明并非磁化時間越長磁化效果就越好。污泥的沉降性能與磁場強度也沒有呈現(xiàn)一定的線性關系。這是因為磁化處理的基本原理是破壞污泥的絮體結(jié)構(gòu)，使污泥膠體脫穩(wěn)，從而改善污泥的沉降性能；但磁化時間過長將破壞污泥的細胞結(jié)構(gòu)，使微生物體發(fā)生溶胞現(xiàn)象，導致污泥溶液黏度增加，污泥沉降性能變差。
2.2 磁化處理對污泥比阻的影響
取200 mL污泥在23、45、55 mT的磁場強度下分別磁化10、20、30、40、50 min，測定磁化處理后污泥的比阻。一般認為比阻＜5×1011 m/kg的污泥易于脫水，＞1×1013 m/kg的污泥難以脫水。圖 3為磁化處理對污泥比阻的影響。
圖 3 磁化處理對污泥比阻的影響
由圖 3可見，經(jīng)磁化處理后，除磁場強度45 mT處理20、30 min時的污泥比阻有所增大，其余的污泥比阻均有一定程度的降低，脫水性能得到改善。在55 mT的磁場強度下磁化20 min，污泥比阻由原來的2.03×1013 m/kg下降到9.5×1012 m/kg，降幅近53%。污泥在磁鐵產(chǎn)生的磁場中被磁場能量射線攻擊，出于應激性污泥內(nèi)部生物體迅速收縮，釋放出細胞間隙水，污泥比阻快速下降。但當磁場能量釋放一部分后，污泥絮體中的間隙水已經(jīng)全部釋放，其結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，污泥絮體顆粒重新組合，吸收污泥溶液中的游離水充當自身間隙水，因而導致污泥比阻的反彈。
2.3 磁化處理對分形維數(shù)的影響
分形維數(shù)能夠反映污泥的形態(tài)結(jié)構(gòu)，而污泥結(jié)構(gòu)變化與細胞物質(zhì)的釋放及污泥脫水性能有直接關系。在23、45、55 mT下分別磁化處理污泥，其分形維數(shù)變化見圖 4。
圖 4 磁化處理對分形維數(shù)的影響
由圖 4可知，經(jīng)過磁化處理后污泥分形維數(shù)變化不是很明顯，磁場強度為23、55 mT時，污泥磁化后分形維數(shù)均有所增加，曲線呈先上升后下降、不停波動的趨勢，污泥結(jié)構(gòu)密實。而磁場強度為45 mT時，污泥的分形維數(shù)除磁化時間50 min外均低于原污泥的數(shù)值，且曲線呈上下波動趨勢。由圖 4可知，污泥分形維數(shù)均在20 min左右達到最大值。
磁化初期，污泥在磁場作用下釋放出污泥間隙水，污泥變得更加密實。當污泥完全釋放出間隙水，分形維數(shù)最大，污泥結(jié)構(gòu)最為密實，此時污泥的脫水性能最好。隨著磁化時間的延長，污泥間隙水釋放完畢，結(jié)構(gòu)發(fā)生相應變化，故容易發(fā)生重組使污泥顆粒間重新將一部分自由水包圍起來，形成污泥間隙水，污泥結(jié)構(gòu)變得疏松。
2.4 磁化處理對粒徑的影響
圖 5為磁化處理對污泥中值粒徑的影響。由圖 5可知，經(jīng)過磁化處理后污泥的粒徑均有所增加，在30 min左右時粒徑均達到最大值。磁場強度分別為23、45、55 mT，處理30 min時，污泥中值粒徑分別增大到39.785、39.536、39.816 μm。經(jīng)比較可知，磁場強度為55 mT時污泥粒徑變化幅度最大。
圖 5 磁化處理對污泥中值粒徑的影響
磁化處理后污泥粒徑變化整體呈上升趨勢。這是因為磁化初期污泥菌膠團在磁場力的刺激下迅速收縮，釋放出細胞間隙水，污泥顆粒變大。且在磁場力作用下，污泥顆粒運動加劇，增加了彼此間的碰撞幾率，從而使顆粒相互凝結(jié)成團。經(jīng)過一段時間的磁化處理后，污泥的結(jié)構(gòu)性質(zhì)發(fā)生了改變，污泥重新組合，一部分自由水重新變?yōu)殚g隙水，此時污泥粒徑有所下降。
3 結(jié)論
（1）經(jīng)磁化處理后，污泥的沉降性能與原污泥相比均有所提高，磁化40 min與磁化20 min相比，污泥沉降性能并沒有更明顯的改善，反而有所下降。說明磁化時間越長，磁化效果并不一定越好，沉降性能最佳的磁化時間為20 min、磁場強度為55 mT。具體參見http://m.dongaorq.cn更多相關技術文檔。
（2）磁化處理后污泥的比阻均有一定程度的降低，在磁場強度為55 mT、磁化時間為30 min的條件下，污泥比阻由原污泥的2.03×1013 m/kg下降至9.5×1012 m/kg，污泥脫水性能得到改善。
（3）污泥分形維數(shù)變化并不明顯，磁場強度分別為23、55 mT時，污泥磁化后的分形維數(shù)均有所增加，污泥結(jié)構(gòu)密實，能有效改善污泥的脫水性能。而磁場強度為45 mT時，分形維數(shù)較原污泥值低，污泥結(jié)構(gòu)疏松。不同磁場強度下，污泥的分形維數(shù)均在20 min左右達到最大值。
（4）磁化處理后污泥粒徑均有所增加，磁化30 min左右時粒徑均達到最大值。當磁場強度為55 mT時污泥粒徑變化幅度最大，說明此時磁場對污泥影響最大。
