剩余污泥低溫加堿與超聲波堿耦合溶胞方法的研究

席波，李廣魏，支蘇麗，呂學(xué)斌，張書廷

天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072

近年來，我國城市污水的排放量和處理率都在逐年上升，同時造成污泥產(chǎn)量也急劇增加。污泥含水率高，成分復(fù)雜，其處理和運(yùn)行費(fèi)用非常高，有時甚至占污水處理廠總運(yùn)行費(fèi)用的60%［1］，因此，如何經(jīng)濟(jì)有效地處理處置污泥是目前面臨的重要問題。

解決剩余污泥最有效的方法是污泥減量化。利用各種溶胞技術(shù)，使微生物細(xì)胞迅速溶解并成為其他微生物可以利用的底物，然后返回生物處理系統(tǒng)進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化和利用，是污泥源頭減量過程中最常用的手段。其包括溶胞和生物轉(zhuǎn)化2個階段，而溶胞過程是污泥源頭減量化技術(shù)的速率限制步驟［2］。因此，探索高效低成本的污泥溶胞技術(shù)是實(shí)現(xiàn)剩余污泥減量化的關(guān)鍵所在。目前常用的方法主要為熱堿法［3-5］、臭氧法［6-7］和超聲波法［8-10］。

臭氧氧化性強(qiáng)，溶胞率較高，但其在水中溶解性差，利用率低，因而臭氧溶胞的費(fèi)用較高。高能密度超聲波溶胞中，污泥降解速度快，但能耗高，設(shè)備壽命較短，從而造成運(yùn)行成本較高。熱堿耦合溶胞效率隨著溫度的升高而升高，但高溫會造成過程能耗高，運(yùn)行成本增加。為了更好地發(fā)揮各種溶胞技術(shù)的優(yōu)勢，避免其劣勢，近年來，人們研究了低溫加堿污泥溶胞技術(shù)［11］，克服了高溫加堿溶胞過程的高能耗問題;筆者所在課題組曾報道過低聲能密度超聲波與堿耦合污泥溶胞技術(shù)［12］，低能密度超聲波的引入大大促進(jìn)了堿的滲透作用，污泥溶胞效果顯著提高［13］，反應(yīng)溫度降低，節(jié)省能耗，且設(shè)備壽命呈數(shù)量級延長。筆者對低溫加堿和超聲波堿耦合條件下污泥的溶胞情況進(jìn)行了研究，試圖探索一條高效率、低成本的污泥溶胞方法，以期為實(shí)現(xiàn)污泥的源頭減量化、緩解環(huán)境污染壓力提供技術(shù)支持。

1 材料及方法

1.1 污泥來源

所用剩余污泥取自天津大學(xué)游泳館MBR污水生物處理器。污泥經(jīng)沉降濃縮后備用，所用污泥均來自同一批次。濃縮后污泥的特性指標(biāo)如表1所示。

表1 污泥的初始指標(biāo)Table 1 The initial parameters of sludge

1.2 試驗(yàn)裝置

低溫加堿污泥溶胞試驗(yàn)裝置如圖1所示。超聲波堿耦合污泥溶胞裝置為槽式超聲波反應(yīng)器(昆山，KQ-100VDE)，超聲頻率為20 kHz，功率為0～100 W(可調(diào))。

圖1 低溫加堿污泥溶胞試驗(yàn)裝置Fig.1 The set-up of lysis by low temperature and alkali

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 熱堿處理

將4個水浴鍋溫度分別保持在30，40，50和60℃，每個水浴鍋放入3個1000 mL廣口瓶，并分別加入800 mL污泥攪拌。待廣口瓶內(nèi)污泥溫度達(dá)到水浴溫度后，迅速用2.0 mol/L的NaOH溶液將3個廣口瓶內(nèi)的污泥pH分別調(diào)至10，11，12。反應(yīng)時間為24 h，每隔一定時間取樣測定其SCODCr。

1.3.2 堿和超聲波協(xié)同作用溶胞

將2個水浴鍋溫度分別保持在室溫(22℃)和80℃，按1.3.1節(jié)所述將污泥pH分別調(diào)節(jié)為10，11，12，將污泥轉(zhuǎn)移至超聲波反應(yīng)器進(jìn)行超聲處理，超聲波聲能密度控制在0.1 W/mL，超聲時間90 min(超聲初始溫度22℃)和120 min(超聲初始溫度80℃)，超聲過程污泥的溫度自由變化。每隔一定時間取樣測定其SCODCr。

1.4 分析項目及方法

污泥溶胞主要以污泥上清液SCODCr的變化來確定污泥溶胞效果。處理后的污泥混合液在4000 r/min條件下離心20 min，用0.45 μm濾膜過濾所得上清液的 CODCr即為 SCODCr。SCODCr測定采用重鉻酸鉀回流冷卻法［14］。pH采用pH計(型號TS-110)測定。

2 結(jié)果及討論

2.1 污泥低溫加堿溶胞

圖2顯示溫度為30，40，50和60℃，pH 為10，11，12的條件下，污泥溶胞過程中 SCODCr的變化。由圖2可以看出，pH一定時，隨著溫度的升高，污泥SCODCr隨之增加;而當(dāng)溫度一定時，pH的增加也能使污泥的SCODCr提高，60℃，pH為12條件下，污泥SCODCr達(dá)到最大值。這主要是因?yàn)榈蜏乜梢允辜?xì)胞壁上的脂類物質(zhì)融解，高pH能夠使微生物細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)、多糖、脂類以及核酸伴隨著污泥溶胞而溶出，造成混合液的SCODCr增加，日本學(xué)者平岡正勝［15］也證實(shí)了通過60℃低溫?zé)崽幚砜梢约铀偌?xì)胞壁破裂。圖2顯示，溫度一定時，所有pH條件下污泥SCODCr的變化趨勢是一致的，即先快速增加后增加趨勢緩慢，這是因?yàn)殡S著胞內(nèi)物質(zhì)的溶出，一部分酸性物質(zhì)如核酸等使得堿的作用減弱，因此SCODCr的增加變得緩慢。

為了考察溫度和pH對污泥溶胞過程的貢獻(xiàn)程度，對不同溫度下污泥加堿溶胞24 h時的SCODCr以及單位堿量溶出的SCODCr隨溫度的變化進(jìn)行了分析，分別如圖3和圖4所示。

圖2 不同溫度和pH下污泥溶胞過程中SCODCr變化Fig.2 The changes of SCODCrduring lysis under different temperatures and pH

由圖3可以看出，污泥溶胞效果隨著溫度和pH的增加而增加。原泥的溫度從30℃升高到60℃，SCODCr增加了400 mg/L，當(dāng)污泥的 pH 調(diào)至10，11和12時，溫度從30℃升高到60℃，SCODCr分別增加了 1088，1555和 2010 mg/L，分別為原泥SCODCr增加量的2.7，3.9和5.0倍。由此可見，提高污泥pH對其SCODCr溶出有很大影響。從圖3可以看出，堿的投加使得污泥在較低的溫度下就可以得到較大程度的溶胞。pH為12時，SCODCr的變化與溫度幾乎保持線性的增長，且增長速率較大。pH為10和11時，溫度超過50℃后，其SCODCr的上升有所減緩。這主要是因?yàn)榈蚿H只是破壞了污泥的絮體，而高pH條件下不僅能破壞污泥的絮體，而且能夠破壞污泥的細(xì)胞壁，造成SCODCr的增加幅度比較大，而一直保持較高的溶出率［16］。

高pH對污泥細(xì)胞的溶胞具有較大的促進(jìn)作用，然而高的pH對應(yīng)加堿量的增加，相同的pH下高溫也會造成堿用量增加，最終使得經(jīng)濟(jì)成本上升。圖4顯示了單位堿量溶出的SCODCr隨溫度的變化規(guī)律。由圖4可以看出，50℃，pH為10是單位堿量溶出SCODCr最高的條件，因此從污泥溶胞效率和經(jīng)濟(jì)性兩方面考慮，選定該條件作為污泥低溫加堿溶胞的最佳條件。

2.2 超聲波堿耦合污泥溶胞

超聲波堿耦合污泥溶胞方法是目前研究較多的污泥溶胞方法之一，超聲波的引入可以大大提高堿的滲透作用，降低溶胞過程的溫度。研究在室溫(22℃)和80℃下不同pH對超聲波堿耦合污泥溶胞效果的影響，結(jié)果如圖5所示。

圖5 22和80℃時超聲波堿耦合污泥溶胞過程SCODCr變化Fig.5 The change of SCODCrduring co-lysis by alkali and ultrasonic at 22 and 80℃

由圖5(a)可知，22℃下污泥溶胞處理時，污泥SCODCr溶出率在0～30 min呈線性上升，30 min后變化比較緩慢，到90 min時基本不再上升。超聲波之所以有較好的溶胞作用，是因?yàn)槌暡梢援a(chǎn)生空化作用，空化作用是一個非常復(fù)雜的過程，主要分為:1)非熱效應(yīng)，如微射流的機(jī)械剪切作用和自由基反應(yīng)及化學(xué)轉(zhuǎn)化;2)由溫度升高導(dǎo)致的熱效應(yīng)［16］。已有研究表明:污泥破解和溶胞作用主要是由非熱效應(yīng)引起，在空化氣泡破裂的同時能夠在液體中產(chǎn)生較強(qiáng)的水力剪切力，能夠破壞污泥絮體及其包裹的微生物的細(xì)胞壁，釋放其胞內(nèi)物質(zhì);空化氣泡破碎時還能在其周圍釋放出·OH等促進(jìn)有機(jī)物的分解，這些自由基的產(chǎn)率隨聲源頻率的增加而增加［17-18］。一般來說超聲波的剪切力在污泥降解過程中所占比例為70%～80%，而自由基氧化作用在污泥降解過程中所起作用不足30%［19］。

由圖5(b)可以看出，80℃條件下污泥溶胞過程中，SCODCr在90 min內(nèi)呈較為平緩的上升趨勢，90～120 min內(nèi)SCODCr基本不再上升。通過與圖5(a)對比發(fā)現(xiàn)，高溫超聲處理最后溶出的SCODCr比低溫超聲處理下的SCODCr低1000 mg/L左右。由此可知，對于超聲波堿耦合污泥溶胞過程，高溫并不利于污泥的溶胞。這與低溫加堿處理污泥時，溫度對污泥溶胞的影響規(guī)律(升高溫度有利于SCODCr的溶出)是相反的。原因可能是高溫致使一部分微生物蛋白質(zhì)發(fā)生凝聚變性，產(chǎn)生凝固反應(yīng)，降低了混合液中SCODCr。試驗(yàn)中也可以觀察到80℃的污泥混合液表層有油層浮膜產(chǎn)生。有資料顯示，45～65℃時，細(xì)胞膜破裂，破壞rRNA;50～70℃時DNA被破壞;70～95 ℃時蛋白質(zhì)變性［20］。

為了進(jìn)一步比較溫度對超聲波堿耦合污泥溶胞過程的影響，對不同溫度下污泥超聲溶胞90 min時單位堿量溶出的SCODCr隨溫度的變化進(jìn)行分析(表2)。由表2可見，在80℃下單位堿量溶出SCODCr要遠(yuǎn)小于室溫，證明高溫對超聲波堿耦合污泥溶胞效果具有負(fù)面影響。

表2 不同溫度下單位堿量溶出的SCODCr(ΔSCODCr/Δm)Table 2 The change of the SCODCrproduced by alkali unit with temperature

3 結(jié)論

(1)加堿低溫溶胞24 h后，可以獲得較大的污泥SCODCr溶出。在溫度一定的情況下，隨著堿投加量的增多(pH為 10，11，12)，生物污泥溶出的SCODCr增加，對于相同的pH來說，溫度的上升會提高SCODCr的溶出。

(2)從單位堿量溶出的CODCr角度分析，50℃，pH為10是污泥加堿低溫溶胞相對經(jīng)濟(jì)的條件。

(3)運(yùn)用低功率超聲波與堿耦合溶胞，能夠獲得80%以上總化學(xué)需氧量(TCODCr)溶出。污泥初始溫度在22℃時，混合液的SCODCr溶出在前30 min基本達(dá)到作用24 h后的90%，最終的SCODCr較80℃時高出1000 mg/L左右。

(4)從單位堿量溶出CODCr角度分析，22℃，pH為10是污泥超聲波堿耦合溶胞相對經(jīng)濟(jì)的條件。

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