熱堿處理對(duì)污水處理廠污泥特性的影響研究
在污水生物處理過程中會(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(jù)統(tǒng)計(jì)，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t，隨著今后我國的經(jīng)濟(jì)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)越來越多. 因此，剩余污泥的處理與處置已成為迫在眉睫的問題.
厭氧消化是一種傳統(tǒng)的污泥處理方法，其中，水解過程是限速步驟. 采用適當(dāng)?shù)念A(yù)處理可以在較短的時(shí)間內(nèi)將污泥水解，提高污泥厭氧消化效率. 近年來，污泥熱堿聯(lián)合處理法在污泥預(yù)處理中得到研究者的廣泛關(guān)注. 在熱堿處理中，堿可以減弱微生物細(xì)胞壁對(duì)高溫的抵抗力，使細(xì)胞受熱時(shí)更容易破裂，從而釋放出大量的有機(jī)物(如蛋白質(zhì)、 碳水化合物等). 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(dú)堿處理或熱處理更好的溶出效果. 研究表明，當(dāng)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(xiàn)其甲烷產(chǎn)量比未處理污泥提高54%. 在熱堿處理過程中污泥的性質(zhì)會(huì)發(fā)生改變，以有利于后續(xù)的污泥處理. 研究表明，在熱堿處理過程中對(duì)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[NaOH、 Ca(OH)2等].
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)，缺乏多種因素的綜合影響研究. 為了考察熱堿處理過程中各因素同時(shí)作用對(duì)污泥特性的綜合影響，本研究采用正交試驗(yàn)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(duì)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(yàn)用泥為北京市某污水處理廠的剩余污泥，該污水處理廠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(yàn) 1.2.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)
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(yàn)，選擇L9(45)正交表，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表如表 1所示.
表 1 L9(45)正交試驗(yàn)表
正交試驗(yàn)表中每組試驗(yàn)做3個(gè)平行，通過濃縮和稀釋調(diào)節(jié)控制污泥濃度，采用8 mol ˙L-1 NaOH進(jìn)行pH調(diào)節(jié)，污泥加熱是將裝有污泥的水熱反應(yīng)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(jù)設(shè)計(jì)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(yàn)證試驗(yàn)
為了驗(yàn)證正交試驗(yàn)得出的單位污泥SCOD隨溫度和pH的變化趨勢(shì)，進(jìn)行如下驗(yàn)證試驗(yàn)：采用8 mol ˙L-1 NaOH分別將污泥pH調(diào)節(jié)為6.9±0.1、 9.0±0.1、 10±0.1、 11.5±0.1、 12.5±0.1，并穩(wěn)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(yàn). 1.3 分析方法
COD采用COD分析儀(HACH D2800，美國)測(cè)定. SCOD的測(cè)定，首先將樣品在4 500 r ˙min-1離心分離10 min，之后用0.45 μm的微孔水系濾膜過濾之后進(jìn)行測(cè)定. 污泥的粒徑采用激光粒度分析儀(Malvern Mastersizer 2000，英國)測(cè)定，用中值粒徑d0.5表示. 分形維數(shù)根據(jù)激光粒度儀的測(cè)量數(shù)據(jù)按照光散射法計(jì)算確定. pH值采用pH計(jì)(Sartorius PB-10，德國)測(cè)定，SS、 VSS等采用標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定. 每個(gè)指標(biāo)做3個(gè)平行，其平均值為檢測(cè)結(jié)果. 2 結(jié)果與討論 2.1 不同熱堿預(yù)處理?xiàng)l件對(duì)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(xì)胞，從而導(dǎo)致細(xì)胞間胞外聚合物和細(xì)胞內(nèi)有機(jī)物被釋放[18]. 污泥的融胞作用可以用溶解性有機(jī)物(SCOD)的釋放來表示，按正交設(shè)計(jì)表(表 1)進(jìn)行熱堿處理后，單位污泥SCOD的變化見表 2，其極差及方差分析見表 3. 從中可知，極差大小為：pH>溫度>時(shí)間>污泥濃度. 結(jié)合方差分析結(jié)果可知，這4個(gè)因素對(duì)污泥釋放SCOD影響的顯著性為pH值是高度顯著，溫度和處理時(shí)間是顯著，污泥濃度是不顯著. 因此，這4個(gè)因素對(duì)污泥釋放SCOD影響的顯著性順序?yàn)椋簆H>溫度>時(shí)間>污泥濃度.
表 2 正交試驗(yàn)結(jié)果
表 3 污泥SCOD正交試驗(yàn)極差及方差分析 1)
根據(jù)試驗(yàn)結(jié)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(zhǎng)而升高，此變化趨勢(shì)與文獻(xiàn)一致. 單位污泥SCOD隨溫度的升高呈先升高后降低的變化：當(dāng)溫度低于175℃時(shí)，SCOD隨溫度升高而增加，而當(dāng)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(xì)胞被破壞，從而釋放出大量SCOD，但當(dāng)熱處理溫度高于175℃會(huì)限制污泥釋放SCOD. 此外，隨著污泥濃度升高，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(yàn)條件下，4個(gè)因素對(duì)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
在熱堿處理過程中pH和溫度對(duì)污泥釋放SCOD的影響是高度顯著，為了進(jìn)一步驗(yàn)證SCOD隨溫度和pH的變化趨勢(shì)，進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖 2.
圖 2 熱堿處理對(duì)污泥SCOD的影響
從圖 2可以看出，SCOD隨pH升高而升高，當(dāng)溫度低于175℃時(shí)，SCOD隨溫度升高而增加，但當(dāng)溫度高于175℃時(shí)，SCOD值隨溫度的升高而降低，這個(gè)結(jié)果與前面結(jié)果一致. Dwyer等研究表明，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(yīng)，生成難降解的褐色多聚氮. 210℃時(shí)污泥的胞內(nèi)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(dǎo)致單位污泥SCOD在210℃低于175℃. 2.2 不同熱堿預(yù)處理?xiàng)l件對(duì)污泥濃度的影響
熱堿預(yù)處理后，污泥中部分不溶性物質(zhì)轉(zhuǎn)化為溶解性物質(zhì)，使污泥濃度降低. 按正交設(shè)計(jì)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(jié)合方差分析結(jié)果可知，這4個(gè)因素對(duì)污泥SS和VSS影響的顯著性均為pH值、 溫度和處理時(shí)間是顯著，污泥濃度是不顯著. 因此，這 4個(gè)因素對(duì)污泥SS和VSS影響的顯著性順序?yàn)椋簆H>溫度>時(shí)間>污泥濃度.
表 4 污泥SS、 VSS正交試驗(yàn)極差及方差分析 1)
根據(jù)表 2中的試驗(yàn)結(jié)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(zhǎng)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(guī)律與文獻(xiàn)一致. 此外，SS、 VSS減少率隨溫度的升高呈先升高后降低的趨勢(shì)，此趨勢(shì)與文獻(xiàn)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(shì). 圖 3表明，在本試驗(yàn)條件下，4個(gè)因素對(duì)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(duì)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(duì)3個(gè)參數(shù)的影響相似，這主要是由于污泥SCOD的釋放來源于污泥絮體和微生物細(xì)胞的破裂、 融胞所釋放的有機(jī)物，有機(jī)物釋放會(huì)使一部分不溶性物質(zhì)轉(zhuǎn)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?xiàng)l件對(duì)污泥形態(tài)特征的影響
熱堿處理能破壞污泥絮體結(jié)構(gòu)，改變污泥表觀形態(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. 污泥形態(tài)特征可以用粒徑和分形維數(shù)表示. 分形維數(shù)是一個(gè)很重要的參數(shù)，它影響了絮體的密度，分形維數(shù)的提高說明污泥絮體由松散型向致密型過渡. 采用激光粒度儀測(cè)定污泥粒徑，并根據(jù)光散射法計(jì)算污泥絮體的分形維數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果如表 2所示，其極差及方差分析見表 5. 從中可知，粒徑及分形維數(shù)的極差大小均為：pH>溫度>時(shí)間>污泥濃度. 結(jié)合方差分析結(jié)果可知，這4個(gè)因素對(duì)污泥粒徑的影響是顯著的，顯著性順序?yàn)椋簆H>溫度>時(shí)間>污泥濃度. 而只有pH值對(duì)分形維數(shù)的影響是顯著性的，其它3個(gè)因素均不顯著.
表 5 污泥粒徑及分形維數(shù)正交試驗(yàn)極差及方差分析 1)
根據(jù)表 2中的試驗(yàn)結(jié)果，可以得到污泥粒徑及分形維數(shù)隨4個(gè)因素的變化(圖 4). 從圖 4中可知，粒徑和分形維數(shù)隨溫度的升高或處理時(shí)間的延長(zhǎng)均呈先降低后升高的趨勢(shì). 而污泥濃度、 pH值對(duì)粒徑和分形維數(shù)的影響有區(qū)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(shì)，然而分形維數(shù)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(shù)，提高污泥厭氧消化性能. 因此，粒徑和分形維數(shù)越小表明污泥熱堿處理效果越好. 圖 4表明，在本試驗(yàn)條件下，4個(gè)因素對(duì)熱堿處理減小污泥粒徑和分形維數(shù)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.
圖 4 污泥粒徑及分形維數(shù)隨各因素的變化
3 結(jié)論
通過正交試驗(yàn)研究了污泥熱堿處理對(duì)污水處理廠污泥特性的影響. 結(jié)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(shù). 4個(gè)因素對(duì)單位污泥釋放SCOD和污泥濃度污泥影響顯著性順序?yàn)閜H>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(duì)于粒徑和分形維數(shù)影響的顯著性順序則為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.
原標(biāo)題:熱堿處理對(duì)污水處理廠污泥特性的影響研究
