微波-堿熱水解剩余污泥的破解研究

馬 妮 娜， 孫 德 棟， 郭 思 曉， 杜 艷， 馬 春， 郝 軍， 張 新 欣， 薛 芒

( 大連工業(yè)大學(xué) 化工與材料學(xué)院， 遼寧 大連 116034 )

0 引 言

隨著活性污泥工藝在廢水處理中的廣泛應(yīng)用,其產(chǎn)生的剩余污泥的處置問題日益突出。剩余污泥的微生物細(xì)胞壁是一個(gè)穩(wěn)定的半剛性結(jié)構(gòu)，所以細(xì)胞壁的破解成為污泥處理技術(shù)的限制因素，造成污泥的處理處置困難。近年來，研究者利用細(xì)胞破碎技術(shù)，如通過熱、堿、酸或幾種技術(shù)的聯(lián)合來處理污泥，從而改變污泥自身的特性[1-2]。熱堿水解是一種有效的污泥預(yù)處理技術(shù)，可以有效破解污泥，改善污泥的脫水性能，提高污泥的厭氧消化性能以及厭氧生物產(chǎn)氣量，提高生物除磷效果[3]。

微波加熱是一種容積加熱，能從內(nèi)部迅速加熱，因此沒有熱傳遞過程的熱損失。由于污泥是典型的混合物，除了主要成分水以外，還有氧化物、無機(jī)鹽和有機(jī)物。在微波場(chǎng)中，無機(jī)顆粒物提供了共沸中心，會(huì)出現(xiàn)局部過熱現(xiàn)象，更有利于污泥的溶解[4]。以微波輻照與化學(xué)藥劑相結(jié)合為理論基礎(chǔ)的污泥破解研究，國(guó)內(nèi)報(bào)道不多。國(guó)內(nèi)應(yīng)用微波處理剩余污泥僅處在單純利用微波使剩余污泥脫水、干燥及對(duì)污泥結(jié)構(gòu)破壞的研究階段。而化學(xué)藥劑如酸、堿、鹽等的應(yīng)用，僅限于國(guó)外采用熱處理與酸、堿等藥劑相結(jié)合以及在活性污泥系統(tǒng)中投加解偶聯(lián)劑的污泥減量研究。

本研究以城市污泥為對(duì)象，開展密閉條件下堿輔助污泥微波熱水解實(shí)驗(yàn)，探討污泥性質(zhì)發(fā)生的變化。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗(yàn)所用活性污泥取自大連凌水河污水處理廠CAST工藝曝氣池混合液，污泥質(zhì)量濃度為3～5 g/L，污泥含水率為98%左右， pH為6.7左右，取回后在4 ℃冰箱中保存。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

取15 mL活性污泥，向污泥中投加一定量的0.5 mol/L的NaOH溶液，每克SS NaOH投加范圍為0.03～0.20 g。置入70 mL聚四氟乙烯消解罐中，將消解罐蓋擰緊密閉，把裝有樣品的消解罐放入微波爐中，排列均勻，在一定的微波功率下反應(yīng)一定時(shí)間，冷卻后取樣分析。

1.3 分析項(xiàng)目與方法

COD測(cè)定采用重鉻酸鉀法[5]；污泥SS采用重量法；TP測(cè)定采用鉬銻抗分光光度法；TN測(cè)定采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法；蛋白質(zhì)測(cè)定采用考馬斯亮藍(lán)染色法；多糖測(cè)定采用苯酚-硫酸法； pH測(cè)量采用FE20型pH計(jì)。

2 結(jié)果與討論

2.1 微波輻照時(shí)間對(duì)污泥分解率的影響

采用微波輻照加堿處理污泥，考察微波輻照時(shí)間變化對(duì)SS分解率的影響。在微波功率800 W、輻照時(shí)間為70～110 s的條件下，比較每克SS NaOH投加量0.15 g和單獨(dú)微波輻照時(shí)，SS隨時(shí)間的變化情況，結(jié)果如圖1所示。

微波輻照首先破壞的是污泥的胞外聚合結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步微波輻射使污泥微生物細(xì)胞壁開始受到胞內(nèi)水分的機(jī)械性撞擊而破裂，污泥細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)溢出，再加上堿的化學(xué)作用，使細(xì)胞壁完全破壞，大量胞內(nèi)物質(zhì)溶解在液相中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)微波輻照時(shí)間為110 s時(shí)，污泥分解率大幅度增加，達(dá)到48%，而未添加NaOH的污泥分解率為31%。延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，反應(yīng)劇烈，聚四氟乙烯消解罐漏氣，因此本實(shí)驗(yàn)微波輻照時(shí)間采用110 s。

圖1 不同微波輻照時(shí)間對(duì)SS分解率的影響

2.2 微波功率變化對(duì)污泥分解率的影響

當(dāng)NaOH投加量一定時(shí)，考察不同微波輻照功率對(duì)污泥分解率的影響。微波輻照時(shí)間為110 s，每克SS NaOH投加量為0.15 g，對(duì)照組不添加NaOH，考察微波功率為300～800 W時(shí)的污泥分解效果，結(jié)果見圖2。由圖2可知，隨著微波功率的增大，污泥分解率也隨之增大。當(dāng)微波功率800 W時(shí)，污泥分解率達(dá)到46.7%，比未加堿的大15%。

圖2 不同微波輻照功率對(duì)SS分解率的影響

2.3 NaOH投加量對(duì)污泥分解率的影響

在微波功率800 W、輻照時(shí)間為110 s的條件下，考察NaOH投加量從0增大到0.27 g過程中每克SS的變化情況，結(jié)果如圖3所示。由圖3可見，在相同微波輻照時(shí)間下，NaOH投加量越多，SS分解率越大。少量的堿首先破壞污泥的絮體結(jié)構(gòu)，隨著加堿量的上升，細(xì)胞結(jié)構(gòu)開始被破壞，使污泥微生物細(xì)胞中原來不溶性的有機(jī)物從胞內(nèi)釋放出來，成為溶解性物質(zhì)。因?yàn)樵囼?yàn)是密閉體系，微波輻照時(shí)，水仍維持在液相狀態(tài)，形成濕式氧化產(chǎn)生· OH的條件，產(chǎn)生的· OH能更有效地破壞污泥微生物細(xì)胞壁，使污泥分解。如圖3所示，當(dāng)投加量增大到0.14 g時(shí)，污泥分解率由14%上升到46%；繼續(xù)增加NaOH投加量，污泥分解率變化緩慢。過多的堿會(huì)造成污泥的pH過高，且會(huì)發(fā)生褐變反應(yīng)，反而降低其可生物降解性[6]。

圖3 NaOH投加量對(duì)SS分解率的影響

2.4 污泥預(yù)處理過程中pH的變化

在微波功率800 W，每克SS中NaOH投加量為0.145 g的條件下，考察輻照時(shí)間從0～110 s，pH的變化情況，并以不加堿的污泥做對(duì)照組。結(jié)果見圖4。

圖4 微波過程中pH的變化

由圖4可知，單獨(dú)微波處理的污泥pH由最初的6.7下降到5.9。原因是在微波加熱過程中污泥逐步破解，污泥中的揮發(fā)性有機(jī)酸等釋放到液相中，使污泥pH下降。微波-堿處理污泥時(shí)，污泥溶液pH由最初的10.5下降到微波輻照110 s時(shí)的9.1，而后污泥pH變化不大。結(jié)果表明污泥中的NaOH能夠有效中和污泥破解后釋放出的揮發(fā)性有機(jī)酸，從而使污泥保持在偏堿性，有利于后續(xù)的污泥厭氧處理[7]。

2.5 處理后污泥溶液中SCOD濃度的變化

污泥破解后，胞內(nèi)物質(zhì)會(huì)釋放到溶液中，使污泥上清液中的有機(jī)物濃度增加?？疾煸谖⒉ㄝ椪展β蕿?00 W、微波輻照時(shí)間為110 s，每克 SS中NaOH 投加量為0～0.22 g，污泥上清液SCOD值的變化。由圖5可知，隨著NaOH 投加量的逐漸增加，污泥的胞外聚合物和膜結(jié)構(gòu)被破壞，污泥微生物細(xì)胞中原來不溶性的有機(jī)物從胞內(nèi)釋放出來，并水解成蛋白質(zhì)和碳水化合物等有機(jī)物，成為溶解性物質(zhì)，從而提高了污泥的SCOD質(zhì)量濃度[8]。當(dāng)每克SS中NaOH的投加量增加到到0.14 g時(shí)，SCOD質(zhì)量濃度由190 mg/L上升到2 487 mg/L，上升了12倍。

圖5 不同NaOH投加量時(shí)污泥混合液中SCOD質(zhì)量濃度的變化

2.6 處理后污泥溶液中TP、TN質(zhì)量濃度的變化

微波功率800 W、輻照時(shí)間為110 s的條件下，考察每克SS NaOH投加量0～0.21 g過程中，污泥溶液中TP、TN的變化情況，結(jié)果見圖6。

圖6 不同NaOH投加量時(shí)污泥溶液中TN、TP質(zhì)量濃度的變化

N、P分別約占污泥微生物質(zhì)量的12%和2%，因此考察污泥破解時(shí)N、P釋放量對(duì)工藝設(shè)計(jì)和運(yùn)行有很重要的意義[9]。結(jié)果表明，微波與堿作用能有效促進(jìn)污泥中N、P的釋放。由圖6可知，當(dāng)每克SS NaOH投加量為0.14 g時(shí)，污泥溶液中TP質(zhì)量濃度由4.7 mg/L上升到11.55 mg/L，增大了1.45倍。TN質(zhì)量濃度從27.4 mg/L增加到76.1 mg/L，增加了1.7 倍。

2.7 處理后污泥溶液中蛋白質(zhì)、多糖質(zhì)量濃度的變化

有研究指出，剩余污泥中的有機(jī)物主要由蛋白質(zhì)、碳水化合物和脂類3種物質(zhì)組成。其中蛋白質(zhì)占50%左右，其次是碳水化合物占11%左右，脂類占5%以及34%其他物質(zhì)[10]。因此實(shí)驗(yàn)考察了微波功率800 W，微波時(shí)間110 s，不同NaOH投加量對(duì)蛋白質(zhì)和多糖的作用。如圖7所示。

圖7 不同NaOH投加量時(shí)污泥混合液中蛋白質(zhì)、多糖質(zhì)量濃度的變化

如圖7所示，污泥上清液中的蛋白質(zhì)含量隨投堿量的增加而增加，當(dāng)NaOH投加量增大到0.14 g時(shí)，蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度從23 mg/L增加到204 mg/L，增大了7.9倍。這說明在密閉的微波體系下添加堿，能夠促進(jìn)污泥胞外聚合物及細(xì)胞壁的破解，從而增加了液相中蛋白質(zhì)的含量。

多聚糖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，較易被釋放和進(jìn)一步氧化分解，是污泥胞外聚合物(EPS)的組成部分[11-12]，微波堿解破壞了污泥胞外聚合物(EPS)，使其溶解到液相中。如圖7所示，每克SS中NaOH的投加量增加到0.14 g時(shí)，多糖質(zhì)量濃度由65.6 mg/L增加到124.3 mg/L，增加了0.89倍。

3 結(jié) 論

密閉體系下微波輻照與堿聯(lián)合處理污泥可以促進(jìn)污泥細(xì)胞的破解。在微波輻照功率800 W、輻照時(shí)間110 s、每克SS中NaOH 投加量為0.145 g 時(shí)，污泥溶解率達(dá)到46%，處理后污泥中溶解性有機(jī)物濃度明顯增加，SCOD質(zhì)量濃度由190 mg/L上升到2 487 mg/L，上升了12倍；微波-堿熱解污泥后，微生物細(xì)胞胞內(nèi)物質(zhì)溶出，導(dǎo)致污泥溶液中TP、TN質(zhì)量濃度增加，與不加堿相比，處理后污泥上清液中TP、TN的質(zhì)量濃度分別增大了1.45倍和1.7 倍；細(xì)胞中的蛋白質(zhì)和糖釋放到液相中，與單獨(dú)微波處理相比，蛋白質(zhì)和多糖的質(zhì)量濃度分別增加了7.9倍和0.89倍。污泥破解后，釋放出的脂肪酸與污泥中的堿反應(yīng)，使污泥溶液的pH由10.5降至9.1。

[1] 王慶仁,崔巖山,董藝婷. 植物修復(fù)—重金屬污染土壤整治有效途徑[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2001, 21(2):326-331.

[2] PUEYO M, LOPEX-SANCHEZ J F, RAURET G. Assessment of CaCl2, NaNO3and NH4NO3extraction procedures for the study of Cd, Cu, Pb and Zn extractability in contaminated soiled soils[J]. Analytica Chimica Acta, 2004, 504(2):217-226.

[3] 苑宏英,陳銀廣,周琪. 污泥生物轉(zhuǎn)化為VFAs及用于生物除磷的研究進(jìn)展[J]. 工業(yè)水處理, 2006, 22(6):14-17.

[4] 傅大放,蔡明元,華建啟. 污水廠污泥微波處理試驗(yàn)研究[J]. 中國(guó)給水排水, 1999, 15(6):56-57.

[5] 國(guó)家環(huán)?？偩? 水和廢水檢測(cè)分析方法[M]. 3版. 北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社, 1989.

[6] 金春姬,趙振煥,彭剛,等. 添加堿渣對(duì)污泥厭氧消化的影響研究[J]. 中國(guó)給水排水, 2008, 24(11):30-33.

[7] 胡亞冰,張超杰,張辰,等. 堿解處理對(duì)剩余污泥融胞效果及厭氧消化產(chǎn)氣效果[J]. 四川環(huán)境, 2009, 28(1):1-4.

[8] 楊潔,季民,韓育宏. 堿解預(yù)處理對(duì)污泥固體的破解及減量化效果[J]. 中國(guó)給水排水, 2007, 23(23):93-97.

[9] 孫德棟,王一娜,宋晶,等. 微波誘導(dǎo)催化氧化剩余污泥的研究[J]. 水處理技術(shù), 2010(3):59-62.

[10] 程振敏,魏源送. 酸堿預(yù)處理對(duì)常壓微波輻射剩余活性污泥磷釋放的影響[J]. 環(huán)境科學(xué), 2009, 30(4):1110-1114.

[11] 羅曦,雷中方,張振亞,等. 好氧/厭氧污泥胞外聚合物(EPS)的提取方法研究[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2005, 25(12):1624-1629.

[12] 田禹,方琳. 微波輻射預(yù)處理對(duì)污泥結(jié)構(gòu)及脫水性能的影響[J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2006, 26(4):459-463.