不同預處理方法對污泥脫水性能的影響
技術(shù)支持
隨著城市化進程及污水處理廠建設的加快，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。污泥預處理可以改變污泥特性，有利于后續(xù)處理。污泥預處理的方法有物理方法、化學方法、生物方法或幾種預處理相結(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)，對污泥進行酸堿調(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)對污泥中氮磷、有機質(zhì)釋放的影響，未對比分析單獨酸堿調(diào)節(jié)與酸堿聯(lián)合調(diào)節(jié)對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，破壞微生物的細胞壁，有利于污泥中氮、磷和有機質(zhì)等的回收利用。Jean等研究證實，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等預處理方法對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驗的初始污泥。
1.2 實驗裝置及分析測試方法
1.2.1 不同的預處理方法
（1）酸堿調(diào)節(jié)。實驗采用一次投料、長期水解酸化的間歇式運行方式，運行時間為16d。使用30%HCl或20%NaOH溶液進行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個直徑12cm，高30cm，有效體積2.5L的有機玻璃反應器。1#為單獨酸（pH3.0，運行16d）調(diào)節(jié)，2#為單獨堿（pH10.0，運行16d）調(diào)節(jié)；3#、4#為酸堿聯(lián)合調(diào)節(jié)，3#為先酸（pH3.0，運行8d）后堿（pH10.0，運行8d），4#為先堿（pH10.0，運行8d）后酸（pH3.0，運行8d）；5#為pH不調(diào)的對比實驗。每天分別取樣測定污泥SRF。實驗溫度為室溫，使用30%HCl或20%NaOH溶液進行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定污泥SRF，由此分析加熱時長對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的有機玻璃反應器中，每天取樣測定污泥SRF值，共運行5d。
（4）氧化劑Fenton。實驗采用6個500mL具塞三角瓶，分別將其編號為1#至6#。每個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個三角瓶同時放入振蕩器，反應2h后取出測定污泥SRF。
1.2.2 比阻的測定
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的顆粒床層時所產(chǎn)生的壓強降。實際的測量過程為：在布氏漏斗中加入50mL搖勻的污泥進行抽濾，將真空度調(diào)為0.071MPa時開始記錄抽濾液體積隨時間的變化情況以及抽濾前后污泥的含固率（使用SFY-20A鹵素快速水分測定儀測含水率而得），將所得實驗數(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，污泥SRF越大，說明過濾時污泥的阻力越大，污泥越難脫水，一般認為污泥的SRF值在（1～4）×1012m/kg之間時，進行機械脫水較為適宜。本文通過考察污泥在不同預處理方法下SRF的變化情況分析不同預處理方法對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，且單獨酸調(diào)節(jié)優(yōu)于單獨堿調(diào)節(jié)。究其原因可能是：1#中加入酸后，H+與污泥表面的負離子結(jié)合，減小污泥顆粒之間的排斥力，促進了污泥絮體間的進一步絮凝，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，從而導致SRF變大，脫水性能降低。3#反應器中，污泥在酸調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)為堿調(diào)節(jié)時處于相對較易脫水階段，Lee等也闡明了當初始污泥為酸性時進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)被嚴重破壞，導致在酸環(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間的延長，SRF不斷增大，原因可能是由于有機質(zhì)的釋放速率大于降解速率，使得兩者的濃度逐漸升高，有機質(zhì)的部分基團對水的親和力增加，結(jié)合水含量相應增加，從而SRF值不斷增大，脫水性能變差；當有機質(zhì)的釋放速率小于降解速率時，脫水性能會稍有改善。
2.2 溫度改變
2.2.1 加熱
經(jīng)過加熱調(diào)節(jié)后，隨著污泥加熱時長的延長，SRF值先減小后逐漸變大，這表明污泥在加熱時間過長的情況下脫水效果越來越差。當加熱時長在1.5h內(nèi)時，脫水性能較初始污泥相比有所改善，其中加熱時長為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，使得細胞內(nèi)的結(jié)合水釋放出來，污泥的脫水性能提高。但是當加熱時間過長時，污泥細胞膜開始被破壞，導致細胞內(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)。自然凍融實驗初始污泥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小一個數(shù)量級，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℃時污泥脫水效果較25℃時有所提高的結(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，這種被動的機械脫水，大量減少污泥中毛細結(jié)合水的含量，且冷凍-融解是不可逆的，即使再進行攪拌也不會重新成為膠體。
隨著時間的延長，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間對污泥脫水性能的影響，得出低溫條件下隨著靜置時間的延長，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?？赡軐е录毎屏?，有機質(zhì)釋放，Ormeci等指出，高濃度的溶解性有機物能削弱凍融調(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H2O2濃度大于零小于1g/L時測得的污泥SRF值呈逐漸減小的趨勢，污泥表現(xiàn)為更易脫水，當H2O2濃度大于1g/L時，污泥SRF值變化不大，在（4.25～5.22）×1012m/kg的范圍內(nèi)變動，且當H2O2濃度為5g/L時，污泥SRF值達到極小值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，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，潘勝等認為，抽濾脫水時H2O2的較佳投加量為3g/L。Buyukkamaci以污泥SRF和毛細吸水時間（CST）為指標，通過改變H2O2與Fe2+的投加量考察Fenton試劑對污泥的調(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H2O2與Fe2+投加量分別為6g/L和5g/L時，SRF、CST較小，污泥脫水效果較好。
分析其原因可能是：Fenton試劑的反應通常由Fe2+催化分解H2O2，生成強氧化性的羥基自由基（·OH），·OH能夠氧化有機物并使其分解。利用Fenton體系的強氧化性調(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等認為，EPS為微生物提供保護的同時也增加了結(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物組成，F(xiàn)enton的強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、細胞壁破解并釋放出溶解性有機物，同時也伴隨著溶出有機物的進一步氧化，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等預處理方法處理污泥，對比分析得知：Fenton試劑氧化處理對污泥脫水效果的影響較大，當H2O2濃度為1g/L時已經(jīng)較利于污泥脫水，效果穩(wěn)定且調(diào)節(jié)時間短；單獨酸堿調(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，一直處于難脫水狀態(tài)。
