城市污水厂在污水处理过程中会产生大量污泥，其数量占污水处理量的0.3%~0.5%(以含水率97%计)。污泥处理费用约占污水厂全部建设费用的20%~50%，甚至达到70%。污泥处置前需进行污泥预处理，即污泥调质。污泥预处理能够有效降低污泥含水率，改善污泥的脱水性能，从而降低后续污泥处理的费用。
目前已有许多学者研究了絮凝剂等化学调质对污泥脱水性能的影响。柳海波等将无机絮凝剂(FeCl3和CaO)与表面活性剂联用，研究其对污泥絮体特征、沉降性能和脱水性能的影响。张尊举等以硅藻土为主要原料、聚合氯化铝为添加剂制备了一种改性硅藻土污泥脱水絮凝剂，研究该絮凝剂对污泥脱水性能的影响。但国内关于活性污泥预处理的研究大部分限于化学调质，考察磁场对活性污泥脱水性能影响的研究相对较少。李帅等研究了磁化时间和磁场强度对污泥比阻和污泥颗粒表面电极电位的影响，同时还研究了不同pH下污泥沉降性能的变化曲线。目前国外已有一些学者研究磁场对污泥性能的影响，如M. Lebkowska等研究静态磁场对活性污泥中甲醛降解的影响。R. Lakeshmanan等利用氧化铁磁性纳米颗粒处理废水中的污泥，结果表明磁场作用<5 min时，污泥含水量减少了近95%。
笔者拟采用磁化调质对污水厂的活性污泥进行预处理，并考察不同磁化时间、磁场强度作用对污泥脱水性能的影响。
1 试验材料与方法
1.1 污泥来源
试验所用污泥取自长沙某污水处理厂二沉池。污泥取回后用0.28 mm筛网(50目)过滤，去除其中较大的悬浮物，置于容器内，保存在4 ℃生化培养箱中。为保证污泥活性，污泥保存期为一周。
1.2 试验装置
取200 mL污泥置于250 mL烧杯中，将烧杯置于一组磁铁中间，通过改变2块磁铁的距离来改变磁场强度。
1.3 分析方法
(1)污泥沉降性能。将调质完的污泥搅拌均匀，取100 mL倒入100 mL量筒中，室温下静置30 min，观察污泥沉降界面，每隔5 min记录一次数据。(2)污泥比阻。假设污泥颗粒不可压缩，污泥过滤原理满足Carman公式〔7〕。测量方法见文献〔8〕~〔9〕。(3)分形维数。分形维数分析采用小角度光散射法〔10, 11〕。(4)粒度分布。污泥絮体的粒径分布采用Mastersizer 2000激光粒度仪(英国马尔文仪器有限公司)测定。
2 结果与讨论
2.1 磁化处理对污泥沉降性能的影响
用250 mL烧杯盛200 mL污泥置于磁化装置中，测得烧杯中央的磁场强度分别为23、45、55 mT，在上述磁场强度下分别磁化10、20、30、40、50 min，然后取100 mL搅拌均匀的调质后污泥进行沉降试验，磁化20、40 min后的污泥沉降性能如图 1、图 2所示。
图 1 磁化20 min后污泥沉降体积与时间的关系
图 2 磁化40 min后污泥沉降体积与时间的关系
由图 1、图 2可以看出，原污泥自身的沉降性能不好，30 min内污泥体积仅由100 mL降至94 mL。经过磁化调质后，污泥沉降性能得到明显改善，沉降速率较原污泥的沉降速率有所提高。当磁化时间为20 min、磁场强度为55 mT时污泥沉降性能最好。磁化时间为40 min时其沉降性能随磁场强度的增加而改善。
与磁化20 min后的污泥相比，同一磁场强度下磁化40 min的污泥沉降性能并没有明显改善，反而有所下降，说明并非磁化时间越长磁化效果就越好。污泥的沉降性能与磁场强度也没有呈现一定的线性关系。这是因为磁化处理的基本原理是破坏污泥的絮体结构，使污泥胶体脱稳，从而改善污泥的沉降性能;但磁化时间过长将破坏污泥的细胞结构，使微生物体发生溶胞现象，导致污泥溶液黏度增加，污泥沉降性能变差。
2.2 磁化处理对污泥比阻的影响
取200 mL污泥在23、45、55 mT的磁场强度下分别磁化10、20、30、40、50 min，测定磁化处理后污泥的比阻。一般认为比阻<5×1011 m/kg的污泥易于脱水，>1×1013 m/kg的污泥难以脱水。图 3为磁化处理对污泥比阻的影响。
图 3 磁化处理对污泥比阻的影响
由图 3可见，经磁化处理后，除磁场强度45 mT处理20、30 min时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，脱水性能得到改善。在55 mT的磁场强度下磁化20 min，污泥比阻由原来的2.03×1013 m/kg下降到9.5×1012 m/kg，降幅近53%。污泥在磁铁产生的磁场中被磁场能量射线攻击，出于应激性污泥内部生物体迅速收缩，释放出细胞间隙水，污泥比阻快速下降。但当磁场能量释放一部分后，污泥絮体中的间隙水已经全部释放，其结构发生了变化，污泥絮体颗粒重新组合，吸收污泥溶液中的游离水充当自身间隙水，因而导致污泥比阻的反弹。
2.3 磁化处理对分形维数的影响
分形维数能够反映污泥的形态结构，而污泥结构变化与细胞物质的释放及污泥脱水性能有直接关系。在23、45、55 mT下分别磁化处理污泥，其分形维数变化见图 4。
图 4 磁化处理对分形维数的影响
由图 4可知，经过磁化处理后污泥分形维数变化不是很明显，磁场强度为23、55 mT时，污泥磁化后分形维数均有所增加，曲线呈先上升后下降、不停波动的趋势，污泥结构密实。而磁场强度为45 mT时，污泥的分形维数除磁化时间50 min外均低于原污泥的数值，且曲线呈上下波动趋势。由图 4可知，污泥分形维数均在20 min左右达到最大值。
磁化初期，污泥在磁场作用下释放出污泥间隙水，污泥变得更加密实。当污泥完全释放出间隙水，分形维数最大，污泥结构最为密实，此时污泥的脱水性能最好。随着磁化时间的延长，污泥间隙水释放完毕，结构发生相应变化，故容易发生重组使污泥颗粒间重新将一部分自由水包围起来，形成污泥间隙水，污泥结构变得疏松。
2.4 磁化处理对粒径的影响
图 5为磁化处理对污泥中值粒径的影响。由图 5可知，经过磁化处理后污泥的粒径均有所增加，在30 min左右时粒径均达到最大值。磁场强度分别为23、45、55 mT，处理30 min时，污泥中值粒径分别增大到39.785、39.536、39.816 μm。经比较可知，磁场强度为55 mT时污泥粒径变化幅度最大。
图 5 磁化处理对污泥中值粒径的影响
磁化处理后污泥粒径变化整体呈上升趋势。这是因为磁化初期污泥菌胶团在磁场力的刺激下迅速收缩，释放出细胞间隙水，污泥颗粒变大。且在磁场力作用下，污泥颗粒运动加剧，增加了彼此间的碰撞几率，从而使颗粒相互凝结成团。经过一段时间的磁化处理后，污泥的结构性质发生了改变，污泥重新组合，一部分自由水重新变为间隙水，此时污泥粒径有所下降。
3 结论
(1)经磁化处理后，污泥的沉降性能与原污泥相比均有所提高，磁化40 min与磁化20 min相比，污泥沉降性能并没有更明显的改善，反而有所下降。说明磁化时间越长，磁化效果并不一定越好，沉降性能最佳的磁化时间为20 min、磁场强度为55 mT。
(2)磁化处理后污泥的比阻均有一定程度的降低，在磁场强度为55 mT、磁化时间为30 min的条件下，污泥比阻由原污泥的2.03×1013 m/kg下降至9.5×1012 m/kg，污泥脱水性能得到改善。
(3)污泥分形维数变化并不明显，磁场强度分别为23、55 mT时，污泥磁化后的分形维数均有所增加，污泥结构密实，能有效改善污泥的脱水性能。而磁场强度为45 mT时，分形维数较原污泥值低，污泥结构疏松。不同磁场强度下，污泥的分形维数均在20 min左右达到最大值。
(4)磁化处理后污泥粒径均有所增加，磁化30 min左右时粒径均达到最大值。当磁场强度为55 mT时污泥粒径变化幅度最大，说明此时磁场对污泥影响最大。
原标题：活性污泥预处理技术
