熱堿處理對污水處理廠(chǎng)污泥的影響

　　在污水生物處理過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生大量剩余污泥，污泥產(chǎn)量通常占污水量體積的0.3%~0.5%，或者約為污水質(zhì)量的1%~2%. 據統計，目前我國污水處理能力約1.53億m3 ·d-1，年產(chǎn)生含水量80%的污泥3 500多萬(wàn)t[1]，隨著(zhù)今后我國的經(jīng)濟發(fā)展，污水處理量和污水處理率會(huì )不斷增加，隨之而產(chǎn)生的剩余污泥量也會(huì )越來(lái)越多[2]. 因此，剩余污泥的處理與處置已成為迫在眉睫的問(wèn)題.

　　厭氧消化是一種傳統的污泥處理方法，其中，水解過(guò)程是限速步驟[3]. 采用適當的預處理可以在較短的時(shí)間內將污泥水解，提高污泥厭氧消化效率[4]. 近年來(lái)，污泥熱堿聯(lián)合處理法在污泥預處理中得到研究者的廣泛關(guān)注[5, 6, 7, 8, 9, 10]. 在熱堿處理中，堿可以減弱微生物細胞壁對高溫的抵抗力，使細胞受熱時(shí)更容易破裂，從而釋放出大量的有機物(如蛋白質(zhì)、 碳水化合物等)[5,6]. 該方法具有操作簡(jiǎn)單、 處理時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，并且能獲得比單獨堿處理或熱處理更好的溶出效果[7,8]. 研究表明，當熱堿處理溫度為170℃、 pH值為12時(shí)，污泥中SCOD釋放量比未經(jīng)處理污泥增加83%，隨后將此污泥進(jìn)行厭氧消化發(fā)現其甲烷產(chǎn)量比未處理污泥提高54%[9,10]. 在熱堿處理過(guò)程中污泥的性質(zhì)會(huì )發(fā)生改變，以有利于后續的污泥處理. 研究表明，在熱堿處理過(guò)程中對污泥特性影響較大的因素有溫度(20~210℃)、 pH值(7~12.5)、 處理時(shí)間(0~60 min)、 污泥濃度(10~40 g ·L-1)、 加熱方式(間接熱交換、 直接加熱等)、 加堿種類(lèi)[NaOH、 Ca(OH)2等][11,12].

　　然而，目前污泥熱堿處理的研究大多僅限于各單因素(如溫度、 pH值等)和雙因素(如溫度-pH、 溫度-時(shí)間、 pH-時(shí)間等)[13, 14, 15]，缺乏多種因素的綜合影響研究. 為了考察熱堿處理過(guò)程中各因素同時(shí)作用對污泥特性的綜合影響，本研究采用正交試驗同時(shí)考察不同污泥濃度、 pH、 溫度和處理時(shí)間的組合條件對污泥特性的影響，并找出熱堿處理的最優(yōu)組合條件.

　　1 材料與方法

　　1.1 污泥

　　試驗用泥為北京市某污水處理廠(chǎng)的剩余污泥，該污水處理廠(chǎng)采用活性污泥法處理城市污水. 自二沉池取得污泥后，采用40目篩網(wǎng)過(guò)篩，去除污泥中的大顆粒物，重力沉降將污泥濃縮到一定濃度，去上清液后使用. 污泥特性如下：pH 6.9±0.1，總化學(xué)需氧量(TCOD)(10 260±120)mg ·L-1，SCOD(75±20)mg ·L-1，總懸浮性固體(SS)(14.3±0.2)g ·L-1，揮發(fā)性懸浮性固體(VSS)(9.6±0.2)g ·L-1. 1.2 正交試驗 1.2.1 正交試驗設計

　　選擇污泥濃度、 pH、 溫度和處理時(shí)間4個(gè)因素，并取4個(gè)水平進(jìn)行熱堿處理正交試驗，選擇L9(45)正交表，正交試驗設計表如表 1所示.

　　表 1 L9(45)正交試驗表

　　正交試驗表中每組試驗做3個(gè)平行，通過(guò)濃縮和稀釋調節控制污泥濃度，采用8 mol ·L-1 NaOH進(jìn)行pH調節，污泥加熱是將裝有污泥的水熱反應釜(上海巖征)置于不同溫度的馬弗爐(Nabertherm P330，德國)中完成，加熱時(shí)間根據設計要求控制. 污泥進(jìn)行完熱堿處理，冷卻后進(jìn)行相關(guān)分析. 1.2.2 驗證試驗

　　為了驗證正交試驗得出的單位污泥SCOD隨溫度和pH的變化趨勢，進(jìn)行如下驗證試驗：采用8 mol ·L-1 NaOH分別將污泥pH調節為6.9±0.1、 9.0±0.1、 10±0.1、 11.5±0.1、 12.5±0.1，并穩定5 min. 再將上述5種不同pH值污泥分別置于20、 100、 175及210℃處理60 min，冷卻后進(jìn)行相關(guān)分析，各做3組平行試驗. 1.3 分析方法

　　COD采用COD分析儀(HACH D2800，美國)測定. SCOD的測定，首先將樣品在4 500 r ·min-1離心分離10 min，之后用0.45 μm的微孔水系濾膜過(guò)濾之后進(jìn)行測定. 污泥的粒徑采用激光粒度分析儀(Malvern Mastersizer 2000，英國)測定，用中值粒徑d0.5表示. 分形維數根據激光粒度儀的測量數據按照光散射法計算確定[16]. pH值采用pH計(Sartorius PB-10，德國)測定，SS、 VSS等采用標準方法測定[17]. 每個(gè)指標做3個(gè)平行，其平均值為檢測結果. 2 結果與討論 2.1 不同熱堿預處理條件對污泥融胞的影響

　　熱堿處理會(huì )破壞污泥的絮體和微生物細胞，從而導致細胞間胞外聚合物和細胞內有機物被釋放[18]. 污泥的融胞作用可以用溶解性有機物(SCOD)的釋放來(lái)表示，按正交設計表(表 1)進(jìn)行熱堿處理后，單位污泥SCOD的變化見(jiàn)表 2，其極差及方差分析見(jiàn)表 3. 從中可知，極差大小為：pH>溫度>時(shí)間>污泥濃度. 結合方差分析結果可知，這4個(gè)因素對污泥釋放SCOD影響的顯著(zhù)性為pH值是高度顯著(zhù)，溫度和處理時(shí)間是顯著(zhù)，污泥濃度是不顯著(zhù). 因此，這4個(gè)因素對污泥釋放SCOD影響的顯著(zhù)性順序為：pH>溫度>時(shí)間>污泥濃度.

　　表 2 正交試驗結果

　　表 3 污泥SCOD正交試驗極差及方差分析 1)

　　根據試驗結果，可以得到單位污泥SCOD隨4個(gè)因素的變化(圖 1). 從圖 1中可知，單位污泥SCOD隨pH的升高或處理時(shí)間的延長(cháng)而升高，此變化趨勢與文獻[19]一致. 單位污泥SCOD隨溫度的升高呈先升高后降低的變化：當溫度低于175℃時(shí)，SCOD隨溫度升高而增加，而當溫度高于175℃時(shí)，SCOD值隨溫度的升高反而降低. Neyens等[20]研究表明：污泥在175℃條件下熱處理60 min后微生物細胞被破壞，從而釋放出大量SCOD，但當熱處理溫度高于175℃會(huì )限制污泥釋放SCOD. 此外，隨著(zhù)污泥濃度升高，單位污泥SCOD有一定增加，但增加幅度不如其它3個(gè)因素. 圖 1表明，在本試驗條件下，4個(gè)因素對熱堿處理釋放單位污泥SCOD的最佳組合條件為：污泥濃度36.55 g ·L-1、 pH 12.5、 溫度175℃和處理時(shí)間60 min.

　　圖 1 污泥SCOD隨各因素的變化

　　在熱堿處理過(guò)程中pH和溫度對污泥釋放SCOD的影響是高度顯著(zhù)，為了進(jìn)一步驗證SCOD隨溫度和pH的變化趨勢，進(jìn)行了驗證試驗，試驗結果見(jiàn)圖 2.

　　圖 2 熱堿處理對污泥SCOD的影響

　　從圖 2可以看出，SCOD隨pH升高而升高，當溫度低于175℃時(shí)，SCOD隨溫度升高而增加，但當溫度高于175℃時(shí)，SCOD值隨溫度的升高而降低，這個(gè)結果與前面結果一致. Dwyer等[21]研究表明，高溫處理下污泥中還原糖的醛基和氨基酸中的氨基會(huì )發(fā)生美拉德反應，生成難降解的褐色多聚氮. 210℃時(shí)污泥的胞內物質(zhì)多糖被大量釋放并在高溫下生成大量褐色難降解物質(zhì)，從而導致單位污泥SCOD在210℃低于175℃. 2.2 不同熱堿預處理條件對污泥濃度的影響

　　熱堿預處理后，污泥中部分不溶性物質(zhì)轉化為溶解性物質(zhì)，使污泥濃度降低[22]. 按正交設計表(表 1)進(jìn)行熱堿處理后污泥的SS和VSS減少率如表 2所示，其極差及方差分析見(jiàn)表 4. 從中可知，污泥SS和VSS減少率的極差大小均為：pH>溫度>時(shí)間>污泥濃度. 結合方差分析結果可知，這4個(gè)因素對污泥SS和VSS影響的顯著(zhù)性均為pH值、 溫度和處理時(shí)間是顯著(zhù)，污泥濃度是不顯著(zhù). 因此，這 4個(gè)因素對污泥SS和VSS影響的顯著(zhù)性順序為：pH>溫度>時(shí)間>污泥濃度.

　　表 4 污泥SS、 VSS正交試驗極差及方差分析 1)

　　根據表 2中的試驗結果，可以得到污泥SS、 VSS減少率隨4個(gè)因素的變化(圖 3). 從圖 3中可知，SS、 VSS減少率隨處理時(shí)間延長(cháng)和污泥濃度升高而升高，但隨污泥濃度的增加幅度小，這一變化規律與文獻一致[23]. 此外，SS、 VSS減少率隨溫度的升高呈先升高后降低的趨勢，此趨勢與文獻[24]一致. 但是，SS、 VSS減少率卻隨pH的升高呈先降低后升高的趨勢. 圖 3表明，在本試驗條件下，4個(gè)因素對熱堿處理降低SS、 VSS的最佳組合條件為：污泥濃度36.55 g ·L-1、 pH 12.5、 溫度175℃和處理時(shí)間60 min. 對比單位污泥SCOD和污泥濃度(SS和VSS)的變化(表 2、 圖 1和圖 3)可知，4個(gè)因素對3個(gè)參數的影響相似，這主要是由于污泥SCOD的釋放來(lái)源于污泥絮體和微生物細胞的破裂、 融胞所釋放的有機物，有機物釋放會(huì )使一部分不溶性物質(zhì)轉化為溶解性物質(zhì)，從而降低污泥濃度.

　　圖 3 污泥SS、 VSS減少率隨各因素的變化

　　2.3 不同熱堿處理條件對污泥形態(tài)特征的影響

　　熱堿處理能破壞污泥絮體結構，改變污泥表觀(guān)形態(tài)，減小污泥粒徑，并提高污泥的ξ電位，從而影響污泥的形態(tài)特征[25]. 污泥形態(tài)特征可以用粒徑和分形維數表示. 分形維數是一個(gè)很重要的參數，它影響了絮體的密度，分形維數的提高說(shuō)明污泥絮體由松散型向致密型過(guò)渡[26]. 采用激光粒度儀測定污泥粒徑，并根據光散射法計算污泥絮體的分形維數，試驗結果如表 2所示，其極差及方差分析見(jiàn)表 5. 從中可知，粒徑及分形維數的極差大小均為：pH>溫度>時(shí)間>污泥濃度. 結合方差分析結果可知，這4個(gè)因素對污泥粒徑的影響是顯著(zhù)的，顯著(zhù)性順序為：pH>溫度>時(shí)間>污泥濃度. 而只有pH值對分形維數的影響是顯著(zhù)性的，其它3個(gè)因素均不顯著(zhù).

　　表 5 污泥粒徑及分形維數正交試驗極差及方差分析 1)

　　根據表 2中的試驗結果，可以得到污泥粒徑及分形維數隨4個(gè)因素的變化(圖 4). 從圖 4中可知，粒徑和分形維數隨溫度的升高或處理時(shí)間的延長(cháng)均呈先降低后升高的趨勢. 而污泥濃度、 pH值對粒徑和分形維數的影響有區別，其中粒徑隨污泥濃度或pH值的升高均呈先增大后減小的趨勢，然而分形維數幾乎不受污泥濃度影響，但隨pH的升高而降低. 劉金鳳等[27]研究表明熱堿處理能促使污泥固體溶解和水解，減小污泥粒徑和分形維數，提高污泥厭氧消化性能. 因此，粒徑和分形維數越小表明污泥熱堿處理效果越好. 圖 4表明，在本試驗條件下，4個(gè)因素對熱堿處理減小污泥粒徑和分形維數的最佳組合條件為：污泥濃度36.55 g ·L-1、 pH 12.5、 溫度175℃和處理時(shí)間45 min.具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　圖 4 污泥粒徑及分形維數隨各因素的變化

　　3 結論

　　通過(guò)正交試驗研究了污泥熱堿處理對污水處理廠(chǎng)污泥特性的影響. 結果表明，研究的4個(gè)因素—污泥濃度、 pH、 溫度和處理時(shí)間均會(huì )影響污泥特性，這些特性包括SCOD、 污泥濃度、 粒徑和分形維數. 4個(gè)因素對單位污泥釋放SCOD和污泥濃度污泥影響顯著(zhù)性順序為pH>溫度>時(shí)間>污泥濃度，最佳組合條件為：污泥濃度36.55 g ·L-1、 pH 12.5、 溫度175℃和處理時(shí)間60 min. 而對于粒徑和分形維數影響的顯著(zhù)性順序則為pH>溫度>時(shí)間>污泥濃度，最佳組合條件為：污泥濃度36.55 g ·L-1、 pH 12.5、 溫度175℃和處理時(shí)間45 min.(來(lái)源及作者：東北電力大學(xué)建筑工程學(xué)院 楊世東、陳霞、劉操、肖本益)