CN113620553A - 一种污泥脱水性能的在线评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种污泥脱水性能的在线评价方法，属于环境保护技术领域，旨在解决现有方法难以满足污泥脱水性能在线评价需求等问题。本发明利用连接有电导电极的电化学阻抗仪对污泥进行实时频率扫描，将污泥絮体中的水分释放过程与阻抗测试时的电荷在絮体中的运动过程相类比，利用水分和电荷在絮体中的运动过程均受絮体结构阻力和粘滞阻力的相似性，提出描述单位絮体尺度下电荷运动轨迹的谱维数ds/fc作为表征污泥脱水性能的参数。与现有方法相比，本发明在测试时无需对样品进行特殊处理，仅将电极探头插入污泥悬浮液进行频率扫描，即可实现污泥脱水性能的实时在线评估，且有利于污泥脱水性能评估流程的标准化。

Description

一种污泥脱水性能的在线评价方法
所属技术领域
本发明涉及的是一种污泥脱水性能的在线评价方法，属于环境保护技术领域。
背景技术
随着我国经济的快速发展及城镇化进程的不断深化，市政污泥的排放量与日俱增，据住建部的年鉴统计，自2008年来，我国污泥产量以每年10.7％的速率增长。截至2019年底，污水处理厂产生的湿污泥量达5513.65万吨。与此同时，较高的含水率使得污泥的体积较大，造成了运输、处理、处置等一系列困难，污泥的处置费用也因此一直居高不下。因此，市政剩余污泥的脱水减量尤为必要。为了释放污泥中包裹的水分，在脱水减量前，污泥一般需要经过调理，以改善其脱水性能。然而由于污泥泥质是经常变化的，其脱水效果并不稳定，这使得调理药剂的投加量也需要进行相应的调整。目前污泥毛细吸水时间(CST)和污泥过滤比阻(SRF)等传统的污泥脱水性能评价指标已沿用多年，但其不能实现在线实时测量，只适合在实验室进行离线分析。如何快速地、实时地评估污泥的脱水性能，成为精准控制药剂投加、节约药剂成本的关键。专利CN 109738616 A公开了一种利用胞外聚合物评价污泥脱水性能的方法。专利CN 111024925 A公开了一种通过总固体浓度TS和挥发性总固体浓度VS预测污泥脱水性能的方法。然而这些方法在实际过程中均存在测试繁琐的问题，在线测试同样存在一定困难。这限制了这些方法在实际工程中的应用。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种污泥脱水性能的在线评价方法，其目的是绕过现有方法的不足，利用连接有探头的电学设备对污泥进行实时频率扫描获取阻抗反馈信号，并计算扫描过程中描述单位污泥絮体尺度下电荷运动轨迹的谱维数ds/fc，以此反馈污泥的脱水性能。
本发明可通过如下技术途径实现：
包括，用连接有电导电极的电化学阻抗仪对污泥进行频率扫描测试，将限制污泥脱水的束缚水释放过程与阻抗测试过程中的电荷在絮体中的运动相类比，利用水分和电荷在絮体中运动过程中均受絮体结构阻力和粘滞阻力的相似性，提出描述单位絮体尺度下电荷运动轨迹的谱维数ds/fc作为表征污泥脱水性能的参数。
所述电化学阻抗仪电学频率扫描过程中，假设电子在污泥絮体的孔隙中是随机行走的，则同一个电子在同一个位置上出现的概率与电学频率扫描所得污泥的谱维数ds直接关联，ds越大意味着电子在污泥絮体中的运动路径越无序，出现在运动方向上z处的概率越小，为减轻絮体尺度不同所可能带来的ds的差异，用获取的谱维数ds除以絮体电学频率扫描所得的临界频率fc，得到尺度单位化后的谱维数ds/fc，ds/fc越大意味着电荷渗透出污泥絮体越困难，对应着絮体中的束缚水越不易释放渗透出污泥絮体，污泥脱水性能越差。
进一步地，单位絮体尺度下电荷运动轨迹的谱维数ds/fc的确定包括如下步骤：
(1)在测试时无需对样品进行特殊处理，仅将电极探头插入待测污泥中进行频率扫描以获取污泥的阻抗实部、虚部及复阻抗模量，对复阻抗模量进行校正，并计算出校正后复阻抗模量突变的临界频率fc；
(2)以临界频率及其所对应的校正后的复阻抗模量为起始端点，对频率-校正后的复阻抗模量曲线做逆傅里叶变换，得到变换后的时间域及阻抗信号的振幅；
(3)对所得时间域-阻抗信号振幅曲线做傅里叶变换，得到频率域及阻抗信号振幅的平方；
(4)根据频率与阻抗信号振幅平方的无标度模型计算出电荷运动轨迹的谱维数ds。
(5)用得到的谱维数ds除以临界频率fc，得到反馈单位絮体尺度下电荷运动轨迹的谱维数ds/fc。
其中，所述测试污泥的浓度范围为1mg/L-100g/L，电化学阻抗仪施加的正弦电压范围为1-1000mV，扫描频率范围为0.1Hz-10 MHz。所述复阻抗模量的校正方法为，校正后的复阻抗模量等于每个扫描频率下对应的复阻抗模量减去最高频率下的复阻抗模量。所述临界频率为校正后的复阻抗模量的对数值由近似恒定转变为随频率的对数值增加而下降的相关频率点，其计算式为：
Figure BDA0003206938450000021
式中，fc为复阻抗模量突变的临界频率，Rt和Cp分别为污泥絮体双电层界面的电荷转移电阻及双电层电容，其数值可通过用Rt和Cp的并联电路串联上污泥悬浊液的电荷移动电阻Rc的等效电路拟合阻抗实部和虚部数据获取。
进一步地，所述频率与阻抗信号振幅平方的无标度模型为：
Figure BDA0003206938450000022
式中，P为阻抗信号振幅的平方，f为经逆傅里叶转换和傅里叶转换后的扫描频率。所述电荷运动轨迹的谱维数ds的计算方法为，以P的对数值为Y轴，以f的对数值为X轴作图，并用线性回归分析对图进行拟合，将所得斜率代入P与f间的无标度模型，即可求得谱维数ds。
本发明的有益效果是：
本发明提出了一种污泥脱水性能的在线评价方法，与目前现有方法相比，本发明在测试时无需对样品进行特殊处理，仅将电极探头插入污泥悬浮液进行频率扫描，可实现污泥脱水性能的实时在线评估，且有利于污泥脱水性能评估流程的标准化。
附图说明
附图1是本发明所述的污泥频率扫描示意图。
图中：1—恒温器、2—电导电极、3—污泥悬浊液、4—商业电化学阻抗仪、5—电化学阻抗仪与电极间的连接导线。
附图2是本发明所述的等效电路示意图。
图中：Rc为污泥的电荷移动电阻，Rt为污泥双电层的电荷转移电阻，Cp为双电层电容。
附图3是本发明所述的临界频率的示意图。
图中：lgZ为校正后的复阻抗模量的对数值，lgf为扫描频率的对数值，lgfc为临界频率的对数值。
附图4是本发明实施例一中所述的FeCl3调理下污泥ds/fc与脱水性能的线性关系图。
附图5是本发明实施例二中所述的氧化破解-再絮凝调理下污泥ds/fc与脱水性能的线性关系图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明，但所涉及附图及实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
频率扫描测试：首先将具有频率扫描功能的商业电化学阻抗分析仪连接上电导率电极作为在线测试的工具。所述阻抗仪优选为日置IM3570，其性能参数介绍如表1所示。所述电导电极优选为Tetracon 325电极，其主要性能参数介绍如表2所示。
表1阻抗分析仪的主要性能参数表
Figure BDA0003206938450000031
表2电导电极主要性能参数
电极型号 Tetracon 325
生产厂家 德国WTW公司
极数 4
感测极材质 石墨
电极常数 0.475cm<sup>-1</sup>±1.5％
温度范围 -5-100℃
如图1所示，将电导电极作为探头插入污泥中进行频率扫描，探头插入深度应保证污泥没过电极的接触圆片。污泥浓度范围为1mg/L-100g/L。扫描时阻抗仪施加1-1000mV正弦电压，扫描频率为0.1Hz-10 MHz，并记录不同频率下的污泥阻抗实部、虚部及复阻抗模量，采集点数为201。
等效电路拟合及临界频率确定：用如图2所示的等效电路对所得阻抗的实部和虚部进行拟合，得到污泥悬浊液双电层电荷转移电阻Rt及双电层电容Cp的拟合值，拟合的频率范围应包含复阻抗模量突变的临界频率，优选为1Hz-1 MHz。所述复阻抗模量突变的临界频率为校正后的复阻抗模量的对数值由近似恒定转变为随频率的对数值增加而下降的相关频率点，如图3所示。其计算式为：
Figure BDA0003206938450000041
式中，fc为复阻抗模量突变的临界频率。为减小污泥电导率带来的影响，所述校正后的复阻抗模量等于每个扫描频率下对应的复阻抗模量减去最高频率下的复阻抗模量。
逆傅里叶变换与傅里叶变换处理：以临界频率及其所对应的校正后的复阻抗模量为起始端点，对频率-校正后的复阻抗模量曲线做逆傅里叶变换，得到变换后的时间域及阻抗信号的振幅，随后对所得时间域-阻抗信号振幅曲线做傅里叶变换，得到频率域及阻抗信号振幅的平方。
谱维数的计算：假设扫描过程中电子在污泥絮体的孔隙中是随机行走的，则经逆傅里叶变换及傅里叶变换后的频率与阻抗信号振幅的平方之间符合如下无标度模型：
Figure BDA0003206938450000042
式中，P为阻抗信号振幅的平方，f为经逆傅里叶转换和傅里叶转换后的扫描频率。以P的对数值为Y轴，以f的对数值为X轴作图，并用线性回归分析对图进行拟合，将所得斜率代入P与f间的无标度模型，即可求得污泥的谱维数ds。ds越大意味着电子在污泥絮体中的运动路径越无序，出现在运动方向上z处的概率越小。将所得谱维数ds除以复阻抗模量突变的临界频率fc，即可得反馈单位絮体尺度下电荷运动轨迹的谱维数ds/fc。ds/fc越大意味着电荷渗透出污泥絮体越困难，对应着絮体中的束缚水越不易释放渗透出污泥絮体，污泥脱水性能越差。
由于等效电路的拟合、临界频率的确定、逆傅里叶变换与傅里叶变换及谱维数的计算等步骤均可通过编程实现，故在具体实施时仅需将测试探头插入污泥获取频率扫描时的阻抗实部、虚部及复阻抗模量，即可通过设计好的程序步骤在线反馈出污泥的脱水性能。
下面采用以下实施例对本发明进行进一步的说明：
实施例一：
从北京某再生水厂日处理水量为100万吨的厌氧/好氧生物反应工艺中取剩余活性污泥，污泥浓度为18g/L。向污泥中分别投加不同剂量的FeCl3混凝剂，得到不同脱水性能的污泥。用连接有电导电极的电化学阻抗仪对污泥进行频率扫描测试，测试过程与具体实施方式中所述一致。所得ds/fc与传统评估污泥脱水性能的指标CST、SRF的关系如附图4所示。由附图4可知，ds/fc与反馈污泥脱水性能的传统离线指标CST和SRF均具有显著的线性关系，线性拟合的R2均大于0.94，p值均小于0.01，这说明ds/fc可作为潜在的评价污泥脱水性能的替代指标，且整个测试过程仅需对污泥进行频率扫描，数秒之内即可完成。
实施例二：
取与实施例一中相同的剩余活性污泥作为原始污泥进行调理，与实施例一不同的是，实施例二采用氧化破解-再絮凝的调理方法，即用不同剂量的高锰酸钾对污泥进行氧化破解，随后用3倍高锰酸钾摩尔比的氯化亚铁终止氧化，并原位生成三价铁进行絮凝。将不同调理剂投加量的污泥进行频率扫描测试，测试过程与具体实施方式中所述一致。所得ds/fc与传统评估污泥脱水性能的指标CST、SRF的关系如附图5所示。由附图5可知，ds/fc与反馈污泥脱水性能的传统离线指标CST和SRF也具有显著的线性关系，线性拟合的R2均大于0.96，p值均小于0.01。

Claims (8)

1.一种污泥脱水性能的在线评价方法，包括用连接有电导电极的电化学阻抗仪对污泥进行频率扫描测试，其特征在于，将污泥絮体中的水分释放过程与阻抗测试时的电荷在絮体中的运动过程相类比，利用水分和电荷在絮体中的运动过程均受絮体结构阻力和粘滞阻力的相似性，提出描述单位絮体尺度下电荷运动轨迹的谱维数ds/fc作为表征污泥脱水性能的参数。
2.根据权利要求1中所述的一种污泥脱水性能的在线评价方法，其特征在于，假设电化学阻抗仪电学频率扫描过程中电子在污泥絮体的孔隙中是随机行走的，则同一个电子在同一个位置上出现的概率与电学频率扫描所得污泥的谱维数ds直接关联，ds越大意味着电子在污泥絮体中的运动路径越无序，出现在运动方向上z处的概率越小，为减轻絮体尺度不同所可能带来的ds的差异，用获取的谱维数ds除以絮体电学频率扫描所得的临界频率fc，得到尺度单位化后的谱维数ds/fc，ds/fc越大意味着电荷渗透出污泥絮体越困难，对应着絮体中的束缚水越不易释放渗透出污泥絮体，污泥脱水性能越差。
3.根据权利要求1中所述的一种污泥脱水性能的在线评价方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在测试时无需对样品进行特殊处理，仅将电极探头插入待测污泥中进行频率扫描以获取污泥的阻抗实部、虚部及复阻抗模量，对复阻抗模量进行校正，并计算出校正后复阻抗模量突变的临界频率fc；
(2)以临界频率及其所对应的校正后的复阻抗模量为起始端点，对频率-校正后的复阻抗模量曲线做逆傅里叶变换，得到变换后的时间域及阻抗信号的振幅；
(3)对所得时间域-阻抗信号振幅曲线做傅里叶变换，得到频率域及阻抗信号振幅的平方；
(4)根据频率与阻抗信号振幅平方的无标度模型计算出电荷运动轨迹的谱维数ds；
(5)用得到的谱维数ds除以临界频率fc，得到单位絮体尺度下电荷运动轨迹的谱维数ds/fc。
4.根据权利要求1或3中所述的一种污泥脱水性能的在线评价方法，其特征在于，所述测试污泥的浓度范围为1mg/L-100g/L，电化学阻抗仪施加的正弦电压范围为1-1000mV，扫描频率范围为0.1Hz-10 MHz。
5.根据权利要求3中所述的一种污泥脱水性能的在线评价方法，其特征在于，所述复阻抗模量的校正方法为，校正后的复阻抗模量等于每个扫描频率下对应的复阻抗模量减去最高频率下的复阻抗模量。
6.根据权利要求3中所述的一种污泥脱水性能的在线评价方法，其特征在于，所述临界频率为校正后的复阻抗模量的对数值由近似恒定转变为随频率的对数值增加而下降的相关频率点，其计算式为：
Figure FDA0003206938440000011
式中，fc为复阻抗模量突变的临界频率，Rt和Cp分别为污泥絮体双电层界面的电荷转移电阻及双电层电容，其数值可通过用Rt和Cp的并联电路串联上污泥悬浊液的电荷移动电阻Rc的等效电路拟合阻抗实部和虚部数据获取。
7.根据权利要求3中所述的一种污泥脱水性能的在线评价方法，其特征在于，所述频率与阻抗信号振幅平方的无标度模型为：
Figure FDA0003206938440000021
式中，P为阻抗信号振幅的平方，f为经逆傅里叶转换和傅里叶转换后的扫描频率。
8.根据权利要求1或3中所述的一种污泥脱水性能的在线评价方法，其特征在于，所述描述电荷运动轨迹的污泥谱维数ds的计算方法为，以P的对数值为Y轴，以f的对数值为X轴作图，并用线性回归分析对图进行拟合，将所得斜率代入P与f间的无标度模型，即可求得谱维数ds。
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