不同預(yù)處理方法對(duì)污泥脫水性能的影響
技術(shù)支持
隨著城市化進(jìn)程及污水處理廠建設(shè)的加快，污水處理率逐年增加，污泥的產(chǎn)量也越來越大，污泥處理處置成為污水處理廠的難題。污泥預(yù)處理可以改變污泥特性，有利于后續(xù)處理。污泥預(yù)處理的方法有物理方法、化學(xué)方法、生物方法或幾種預(yù)處理相結(jié)合的方法，具體的有超聲波、微波、熱解、凍融、酸堿調(diào)節(jié)、臭氧等氧化劑和生物酶等。
有研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)污泥進(jìn)行酸堿調(diào)節(jié)，pH值越低脫水效率越高，濾餅含水率下降3%～5%，隨著pH值的升高，污泥比阻增大，脫水性能變差。課題組前期研究了酸堿調(diào)節(jié)對(duì)污泥中氮磷、有機(jī)質(zhì)釋放的影響，未對(duì)比分析單獨(dú)酸堿調(diào)節(jié)與酸堿聯(lián)合調(diào)節(jié)對(duì)污泥脫水性能的影響。溫度也是影響污泥脫水的重要因素，加熱能夠破壞膠體顆粒的穩(wěn)定性，破壞微生物的細(xì)胞壁，有利于污泥中氮、磷和有機(jī)質(zhì)等的回收利用。Jean等研究證實(shí)，凍融處理可以減少污泥結(jié)合水的含量，使污泥顆粒結(jié)構(gòu)更緊密，改善污泥的脫水性能。Mustranta等用Fenton試劑處理造紙廠污泥，得出污泥SRF有效降低，污泥脫水性能改善的結(jié)論。本研究對(duì)比分析了酸堿調(diào)節(jié)、溫度改變（水浴加熱、自然凍融）以及氧化劑Fenton等預(yù)處理方法對(duì)污泥脫水效果的影響情況。
1 材料與方法
1.1 污泥初始特性
所用污泥取自天津市某污水處理廠回流污泥泵房，污泥取回后靜置24h，并排出上清液，將剩下的污泥作為實(shí)驗(yàn)的初始污泥。
1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及分析測(cè)試方法
1.2.1 不同的預(yù)處理方法
（1）酸堿調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)采用一次投料、長期水解酸化的間歇式運(yùn)行方式，運(yùn)行時(shí)間為16d。使用30%HCl或20%NaOH溶液進(jìn)行pH值調(diào)節(jié)，初期每2h調(diào)節(jié)一次，穩(wěn)定后每12h調(diào)節(jié)一次。采用5個(gè)直徑12cm，高30cm，有效體積2.5L的有機(jī)玻璃反應(yīng)器。1#為單獨(dú)酸（pH3.0，運(yùn)行16d）調(diào)節(jié)，2#為單獨(dú)堿（pH10.0，運(yùn)行16d）調(diào)節(jié)；3#、4#為酸堿聯(lián)合調(diào)節(jié)，3#為先酸（pH3.0，運(yùn)行8d）后堿（pH10.0，運(yùn)行8d），4#為先堿（pH10.0，運(yùn)行8d）后酸（pH3.0，運(yùn)行8d）；5#為pH不調(diào)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。每天分別取樣測(cè)定污泥SRF。實(shí)驗(yàn)溫度為室溫，使用30%HCl或20%NaOH溶液進(jìn)行pH值調(diào)節(jié)。
（2）水浴加熱。將所取污泥混合均勻后分為5份，分別將其放入相同規(guī)格燒杯內(nèi)并編號(hào)為1#、2#、3#、4#和5#。采用如下的控制方式：1#為不加熱（室溫）的空白對(duì)照，2#為在50℃的水浴鍋中加熱0.5h，3#為加熱1h，4#為加熱1.5h，5#為加熱2h。加熱后將裝有污泥的燒杯從水浴鍋中拿出冷卻，待污泥溫度降至室溫后測(cè)定污泥SRF，由此分析加熱時(shí)長對(duì)污泥脫水特性的影響。
（3）自然凍融。本研究采用室外自然冷凍與室內(nèi)室溫對(duì)照的方法，室外溫度-9～3℃，室內(nèi)溫度12～17℃，室外的污泥放置在10L扁桶中自然冷凍，室內(nèi)污泥放置在直徑12cm，高30cm，有效體積2.5L的有機(jī)玻璃反應(yīng)器中，每天取樣測(cè)定污泥SRF值，共運(yùn)行5d。
（4）氧化劑Fenton。實(shí)驗(yàn)采用6個(gè)500mL具塞三角瓶，分別將其編號(hào)為1#至6#。每個(gè)三角瓶中加入等量剩余污泥，加入FeSO4溶液使Fe2+濃度為0.8g/L，并用6mol/L的HCl調(diào)節(jié)pH=4，然后分別加入雙氧水（H2O2），使H2O2濃度依次為0、0.125、0.25、0.5、1、3、5和7g/L。將6個(gè)三角瓶同時(shí)放入振蕩器，反應(yīng)2h后取出測(cè)定污泥SRF。
1.2.2 比阻的測(cè)定
本研究采用布氏漏斗法則SRF值考察污泥的脫水性能。污泥SRF的物理意義是單位過濾面積上過濾單位質(zhì)量的干固體所受到的阻力，SRF值越大，污泥的脫水性能越差。SRF在數(shù)值上等于黏度為1Pa·s的流體以1m/s的平均流速通過厚度為1m的顆粒床層時(shí)所產(chǎn)生的壓強(qiáng)降。實(shí)際的測(cè)量過程為：在布氏漏斗中加入50mL搖勻的污泥進(jìn)行抽濾，將真空度調(diào)為0.071MPa時(shí)開始記錄抽濾液體積隨時(shí)間的變化情況以及抽濾前后污泥的含固率（使用SFY-20A鹵素快速水分測(cè)定儀測(cè)含水率而得），將所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)帶入公式即可得到SRF值。
SRF是衡量污泥脫水難易的指標(biāo)，污泥SRF越大，說明過濾時(shí)污泥的阻力越大，污泥越難脫水，一般認(rèn)為污泥的SRF值在（1～4）×1012m/kg之間時(shí)，進(jìn)行機(jī)械脫水較為適宜。本文通過考察污泥在不同預(yù)處理方法下SRF的變化情況分析不同預(yù)處理方法對(duì)污泥脫水性能的影響。
2 結(jié)果與討論
2.1 酸堿調(diào)節(jié)
經(jīng)不同的酸堿調(diào)節(jié)后，SRF的變化基本上表現(xiàn)為3#＜1#＜4#×5#＜2#，說明先酸后堿調(diào)節(jié)有利于污泥脫水，且單獨(dú)酸調(diào)節(jié)優(yōu)于單獨(dú)堿調(diào)節(jié)。究其原因可能是：1#中加入酸后，H+與污泥表面的負(fù)離子結(jié)合，減小污泥顆粒之間的排斥力，促進(jìn)了污泥絮體間的進(jìn)一步絮凝，從而改善了污泥的脫水效果。根據(jù)Tian等的研究，酸處理能使胞外聚合物（EPS）物質(zhì)脫離活性污泥顆粒的表面，使污泥更易于聚集，從而降低污泥脫水后的含水率。在2#污泥中加入OH-后，使本來帶負(fù)電荷的污泥顆粒電量增加，相互之間的排斥力增大，不利于污泥絮凝，從而導(dǎo)致SRF變大，脫水性能降低。3#反應(yīng)器中，污泥在酸調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)為堿調(diào)節(jié)時(shí)處于相對(duì)較易脫水階段，Lee等也闡明了當(dāng)初始污泥為酸性時(shí)進(jìn)一步的堿處理有利于污泥混凝。4#中污泥經(jīng)堿處理，再調(diào)為酸性后，污泥性質(zhì)和結(jié)構(gòu)被嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致在酸環(huán)境中有利于脫水的部分特性失效，這可能是此條件下脫水效果較差的原因。5#中的原污泥隨著水解時(shí)間的延長，SRF不斷增大，原因可能是由于有機(jī)質(zhì)的釋放速率大于降解速率，使得兩者的濃度逐漸升高，有機(jī)質(zhì)的部分基團(tuán)對(duì)水的親和力增加，結(jié)合水含量相應(yīng)增加，從而SRF值不斷增大，脫水性能變差；當(dāng)有機(jī)質(zhì)的釋放速率小于降解速率時(shí)，脫水性能會(huì)稍有改善。
2.2 溫度改變
2.2.1 加熱
經(jīng)過加熱調(diào)節(jié)后，隨著污泥加熱時(shí)長的延長，SRF值先減小后逐漸變大，這表明污泥在加熱時(shí)間過長的情況下脫水效果越來越差。當(dāng)加熱時(shí)長在1.5h內(nèi)時(shí)，脫水性能較初始污泥相比有所改善，其中加熱時(shí)長為0.5h的2#污泥脫水效果較佳，SRF值為13×1012m/kg，相較初始污泥，SRF值降低了31.9%，但脫水效果仍處于難脫水范圍內(nèi)。
污泥加熱后SRF值減小的原因可能是，短時(shí)間的加熱過程使污泥絮體部分溶解，破壞了污泥膠體結(jié)構(gòu)，降低了胞外聚合物的保水特性，使得細(xì)胞內(nèi)的結(jié)合水釋放出來，污泥的脫水性能提高。但是當(dāng)加熱時(shí)間過長時(shí)，污泥細(xì)胞膜開始被破壞，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)大量溢出，污泥的粘度增加，從而使脫水性能降低。
2.2.2 自然凍融
經(jīng)過自然凍融調(diào)節(jié)后，總體上自然凍融組的SRF較小，且凍融組的污泥SRF值在（2.12～4.06）×1012m/kg之間變化，說明一直處于較易脫水的范圍內(nèi)。自然凍融實(shí)驗(yàn)初始污泥SRF值較小，為2.12×1012m/kg，比酸堿調(diào)節(jié)和加熱調(diào)節(jié)污泥的初始SRF小一個(gè)數(shù)量級(jí)，原因可能是酸堿調(diào)節(jié)和加熱調(diào)節(jié)的初始污泥SRF是在25℃左右條件下測(cè)得，而凍融調(diào)節(jié)的初始污泥SRF是在-9～3℃的環(huán)境中靜置24h之后測(cè)得，說明低溫有利于污泥脫水。宋永偉等研究發(fā)現(xiàn)，5℃下污泥的SRF一直小于15℃下污泥的SRF，李愷等得出0℃時(shí)污泥脫水效果較25℃時(shí)有所提高的結(jié)論。分析原因，可能是本研究中自然凍融組的污泥凍結(jié)，使?jié)饧蟮奈勰囝w粒夾在冷凍層之間，濃集污泥顆粒中的水分被擠出。凍融使污泥顆粒的結(jié)構(gòu)被徹底破壞，這種被動(dòng)的機(jī)械脫水，大量減少污泥中毛細(xì)結(jié)合水的含量，且冷凍-融解是不可逆的，即使再進(jìn)行攪拌也不會(huì)重新成為膠體。
隨著時(shí)間的延長，污泥SRF略有增加，有研究者得出類似結(jié)果，宋永偉等研究了低溫條件下污泥靜置沉降時(shí)間對(duì)污泥脫水性能的影響，得出低溫條件下隨著靜置時(shí)間的延長，污泥的SRF增加的結(jié)論?？赡茉蚴俏勰嘣?9～3℃的溫度下，經(jīng)歷了凍融，凍結(jié)擠壓污泥顆粒可能導(dǎo)致細(xì)胞破裂，有機(jī)質(zhì)釋放，Ormeci等指出，高濃度的溶解性有機(jī)物能削弱凍融調(diào)節(jié)的效果。
2.3 氧化劑Fenton
經(jīng)氧化劑Fenton調(diào)節(jié)后，隨著H2O2濃度的增加，污泥SRF逐漸減小，且當(dāng)H2O2濃度大于零小于1g/L時(shí)測(cè)得的污泥SRF值呈逐漸減小的趨勢(shì)，污泥表現(xiàn)為更易脫水，當(dāng)H2O2濃度大于1g/L時(shí)，污泥SRF值變化不大，在（4.25～5.22）×1012m/kg的范圍內(nèi)變動(dòng)，且當(dāng)H2O2濃度為5g/L時(shí)，污泥SRF值達(dá)到極小值4.25×1012m/kg，污泥較利于脫水。這說明Fenton試劑氧化污泥效果顯著，H2O2投加量較小時(shí)，污泥脫水性能就有明顯改善。許多研究者得到相似的結(jié)論，潘勝等認(rèn)為，抽濾脫水時(shí)H2O2的較佳投加量為3g/L。Buyukkamaci以污泥SRF和毛細(xì)吸水時(shí)間（CST）為指標(biāo)，通過改變H2O2與Fe2+的投加量考察Fenton試劑對(duì)污泥的調(diào)理作用。結(jié)果顯示，隨著H2O2與Fe2+投加量的增加，SRF和CST的值逐漸減小，當(dāng)H2O2與Fe2+投加量分別為6g/L和5g/L時(shí)，SRF、CST較小，污泥脫水效果較好。
分析其原因可能是：Fenton試劑的反應(yīng)通常由Fe2+催化分解H2O2，生成強(qiáng)氧化性的羥基自由基（·OH），·OH能夠氧化有機(jī)物并使其分解。利用Fenton體系的強(qiáng)氧化性調(diào)理污泥，破壞污泥的膠態(tài)結(jié)構(gòu)，引起污泥絮體表面胞外聚合物（EPS）的部分氧化和重組，從而提高污泥的絮凝性，改善污泥的脫水性能。EPS是污泥絮體的重要組成部分，EPS具有較高的表面電荷和親水性，Higgins等認(rèn)為，EPS為微生物提供保護(hù)的同時(shí)也增加了結(jié)合水的含量，使污泥脫水性能變差。EPS主要由多糖、蛋白質(zhì)、核酸和腐殖酸等有機(jī)物組成，F(xiàn)enton的強(qiáng)氧化性可以破解污泥中的EPS，釋放出污泥中鍵合態(tài)的水，從而提高污泥的脫水性能。另外，F(xiàn)enton試劑作用于污泥，首先是EPS的分解、細(xì)胞壁破解并釋放出溶解性有機(jī)物，同時(shí)也伴隨著溶出有機(jī)物的進(jìn)一步氧化，因此隨著H2O2濃度的增加，污泥量有效減小，污泥脫水性能得到改善。
3 結(jié)論
采用酸堿調(diào)節(jié)、溫度改變（加熱或自然凍融）以及氧化劑Fenton等預(yù)處理方法處理污泥，對(duì)比分析得知：Fenton試劑氧化處理對(duì)污泥脫水效果的影響較大，當(dāng)H2O2濃度為1g/L時(shí)已經(jīng)較利于污泥脫水，效果穩(wěn)定且調(diào)節(jié)時(shí)間短；單獨(dú)酸堿調(diào)節(jié)合聯(lián)合酸堿調(diào)節(jié)的效果次之，雖然都能改善污泥脫水性能，但是處理效果不穩(wěn)定，污泥調(diào)節(jié)時(shí)間較長；低溫條件下，污泥一直處于較易脫水的狀態(tài)，污泥加熱調(diào)節(jié)時(shí)，一直處于難脫水狀態(tài)。
