城市污水廠在污水處理過程中會(huì)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(jì)）。污泥處理費(fèi)用約占污水廠全部建設(shè)費(fèi)用的20%~50%，甚至達(dá)到70%。污泥處置前需進(jìn)行污泥預(yù)處理，即污泥調(diào)質(zhì)。污泥預(yù)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(fèi)用。

目前已有許多學(xué)者研究了絮凝劑等化學(xué)調(diào)質(zhì)對(duì)污泥脫水性能的影響。柳海波等將無機(jī)絮凝劑（FeCl3和CaO）與表面活性劑聯(lián)用，研究其對(duì)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(duì)污泥脫水性能的影響。但國(guó)內(nèi)關(guān)于活性污泥預(yù)處理的研究大部分限于化學(xué)調(diào)質(zhì)，考察磁場(chǎng)對(duì)活性污泥脫水性能影響的研究相對(duì)較少。李帥等研究了磁化時(shí)間和磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)污泥比阻和污泥顆粒表面電極電位的影響，同時(shí)還研究了不同pH下污泥沉降性能的變化曲線。目前國(guó)外已有一些學(xué)者研究磁場(chǎng)對(duì)污泥性能的影響，如M. Lebkowska等研究靜態(tài)磁場(chǎng)對(duì)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(chǎng)作用＜5 min時(shí)，污泥含水量減少了近95%。

筆者擬采用磁化調(diào)質(zhì)對(duì)污水廠的活性污泥進(jìn)行預(yù)處理，并考察不同磁化時(shí)間、磁場(chǎng)強(qiáng)度作用對(duì)污泥脫水性能的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法
 
1.1 污泥來源
試驗(yàn)所用污泥取自長(zhǎng)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(yàn)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(chǎng)強(qiáng)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(shè)污泥顆粒不可壓縮，污泥過濾原理滿足Carman公式〔7〕。測(cè)量方法見文獻(xiàn)〔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(guó)馬爾文儀器有限公司）測(cè)定。

2 結(jié)果與討論
 
2.1 磁化處理對(duì)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(cè)得燒杯中央的磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為23、45、55 mT，在上述磁場(chǎng)強(qiáng)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(jìn)行沉降試驗(yàn)，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(shí)間的關(guān)系

圖 2 磁化40 min后污泥沉降體積與時(shí)間的關(guān)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(dāng)磁化時(shí)間為20 min、磁場(chǎng)強(qiáng)度為55 mT時(shí)污泥沉降性能最好。磁化時(shí)間為40 min時(shí)其沉降性能隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而改善。

與磁化20 min后的污泥相比，同一磁場(chǎng)強(qiáng)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(shí)間越長(zhǎng)磁化效果就越好。污泥的沉降性能與磁場(chǎng)強(qiáng)度也沒有呈現(xiàn)一定的線性關(guān)系。這是因?yàn)榇呕�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(shí)間過長(zhǎng)將破壞污泥的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，使微生物體發(fā)生溶胞現(xiàn)象，導(dǎo)致污泥溶液黏度增加，污泥沉降性能變差。

2.2 磁化處理對(duì)污泥比阻的影響

取200 mL污泥在23、45、55 mT的磁場(chǎng)強(qiáng)度下分別磁化10、20、30、40、50 min，測(cè)定磁化處理后污泥的比阻。一般認(rèn)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(duì)污泥比阻的影響。

圖 3 磁化處理對(duì)污泥比阻的影響

由圖 3可見，經(jīng)磁化處理后，除磁場(chǎng)強(qiáng)度45 mT處理20、30 min時(shí)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(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)中被磁場(chǎng)能量射線攻擊，出于應(yīng)激性污泥內(nèi)部生物體迅速收縮，釋放出細(xì)胞間隙水，污泥比阻快速下降。但當(dāng)磁場(chǎng)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(dāng)自身間隙水，因而導(dǎo)致污泥比阻的反彈。

2.3 磁化處理對(duì)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(xì)胞物質(zhì)的釋放及污泥脫水性能有直接關(guān)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(duì)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(chǎng)強(qiáng)度為23、55 mT時(shí)，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(dòng)的趨勢(shì)，污泥結(jié)構(gòu)密實(shí)。而磁場(chǎng)強(qiáng)度為45 mT時(shí)，污泥的分形維數(shù)除磁化時(shí)間50 min外均低于原污泥的數(shù)值，且曲線呈上下波動(dòng)趨勢(shì)。由圖 4可知，污泥分形維數(shù)均在20 min左右達(dá)到最大值。

磁化初期，污泥在磁場(chǎng)作用下釋放出污泥間隙水，污泥變得更加密實(shí)。當(dāng)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(shí)，此時(shí)污泥的脫水性能最好。隨著磁化時(shí)間的延長(zhǎng)，污泥間隙水釋放完畢，結(jié)構(gòu)發(fā)生相應(yīng)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(duì)粒徑的影響
圖 5為磁化處理對(duì)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(shí)粒徑均達(dá)到最大值。磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為23、45、55 mT，處理30 min時(shí)，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(chǎng)強(qiáng)度為55 mT時(shí)污泥粒徑變化幅度最大。

 圖 5 磁化處理對(duì)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(shì)。這是因?yàn)榇呕�初期污泥菌膠團(tuán)在磁場(chǎng)力的刺激下迅速收縮，釋放出細(xì)胞間隙水，污泥顆粒變大。且在磁場(chǎng)力作用下，污泥顆粒運(yùn)動(dòng)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(tuán)。經(jīng)過一段時(shí)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(shí)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(shí)間越長(zhǎng)，磁化效果并不一定越好，沉降性能最佳的磁化時(shí)間為20 min、磁場(chǎng)強(qiáng)度為55 mT。具體參見http://szhmdq.com更多相關(guān)技術(shù)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(chǎng)強(qiáng)度為55 mT、磁化時(shí)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(chǎng)強(qiáng)度分別為23、55 mT時(shí)，污泥磁化后的分形維數(shù)均有所增加，污泥結(jié)構(gòu)密實(shí)，能有效改善污泥的脫水性能。而磁場(chǎng)強(qiáng)度為45 mT時(shí)，分形維數(shù)較原污泥值低，污泥結(jié)構(gòu)疏松。不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下，污泥的分形維數(shù)均在20 min左右達(dá)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(shí)粒徑均達(dá)到最大值。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為55 mT時(shí)污泥粒徑變化幅度最大，說明此時(shí)磁場(chǎng)對(duì)污泥影響最大。