超聲波處理VC發(fā)酵污水/污泥的研究

董貞君, 馬千然, 劉 洋, 汪 蘋

(北京工商大學(xué)食品學(xué)院,北京 100048)

維生素C(簡稱VC)是一種用途廣泛的食品添加劑、保健品及化妝品營養(yǎng)劑.目前國內(nèi)VC制造工藝主要為兩步發(fā)酵法,其工藝主要涉及的發(fā)酵工程會(huì)產(chǎn)生大量高濃度有機(jī)廢水,主要表現(xiàn)為以下特點(diǎn)[1-4]:1)污染物種類多、成分復(fù)雜且廢水濃度高;2)色度高;3)含有難降解的有機(jī)物質(zhì).這些特點(diǎn)都給處理帶來了難度,而且在污水處理過程會(huì)產(chǎn)生大量污泥,用于污泥處置的費(fèi)用占污水處理廠運(yùn)行費(fèi)用的20% ～50%,給污水處理廠帶來了沉重的負(fù)擔(dān),所以污泥減量化就至關(guān)重要.

超聲波技術(shù)作為一種物理手段,能夠在水中產(chǎn)生一系列接近于極端的條件,如局部和瞬間的幾千度高溫、幾千個(gè)大氣壓的高壓等.水分子可在高溫高壓下生成一種廣譜氧化劑HO·,HO·能氧化親水性的有機(jī)物;而疏水性的有機(jī)物可在高溫和高壓條件下進(jìn)行熱解反應(yīng)[5].現(xiàn)有研究表明:一定強(qiáng)度的超聲波可以降解工業(yè)廢水的有機(jī)污染物[6];低強(qiáng)度超聲波處理可以提高污泥活性[7];超聲處理可促進(jìn)污泥絮體分解[8-9],釋放出COD被微生物作為自產(chǎn)底物而重復(fù)利用,進(jìn)而使系統(tǒng)污泥的產(chǎn)量減少[10-11].但由于目前市售的超聲波發(fā)生儀功率較低,通常不超過1 000 W,對(duì)VC發(fā)酵廢水的處理效果及污泥減量化不能達(dá)到理想要求.

本實(shí)驗(yàn)采用某超聲儀制造廠自制大功率超聲波發(fā)生設(shè)備,其超聲換能器采用特制合金材料制成,超聲功率最高可達(dá)3 000 W,針對(duì)某大型VC制造企業(yè)發(fā)酵污水及污泥特性進(jìn)行研究,分別對(duì)污水處理工藝一級(jí)、二級(jí)好氧段難降解有機(jī)廢水的進(jìn)水進(jìn)行超聲預(yù)處理,對(duì)超聲前后污水可生化性、COD的去除率進(jìn)行分析,以提高難降解有機(jī)廢水在后續(xù)好氧段的生化處理效率.同時(shí)對(duì)接觸氧化池后的二沉池剩余污泥及污泥井的混合剩余污泥分別進(jìn)行超聲處理,對(duì)超聲前后污泥絮體體積及污泥絮體內(nèi)物質(zhì)的溶出進(jìn)行比較,進(jìn)一步探討超聲波對(duì)污泥減量效果的影響,以期為后續(xù)開發(fā)實(shí)用的超聲波預(yù)處理技術(shù)及相關(guān)設(shè)備提供參考.

1 材料與方法

1.1 水樣

該污水處理工藝主要采用生化法,工藝流程如圖1,發(fā)酵廢水在經(jīng)過兩級(jí)厭氧(UASB)處理后,依次經(jīng)過一級(jí)好氧池(即好氧接觸氧化池)、水解酸化池、二級(jí)好氧池(即推流式曝氣池)和曝氣生物濾池.一級(jí)、二級(jí)好氧池含有大量難降解環(huán)狀有機(jī)物,COD去除率均為60%左右,生化處理效率不高,為探討超聲波改善生化處理效果的可能性,本實(shí)驗(yàn)污水設(shè)兩個(gè)采樣點(diǎn):

1)一級(jí)好氧池進(jìn)水(即好氧接觸氧化池進(jìn)水):COD=590 mg/L,B/C=0.13;

2)二級(jí)好氧池進(jìn)水(即推流式曝氣池進(jìn)水):COD=257 mg/L,B/C=0.11.

1.2 泥樣

發(fā)酵廢水處理系統(tǒng)中剩余污泥含水率為96%～98%,剩余污泥經(jīng)重力濃縮后加PAM(聚丙烯酰胺)絮凝劑16 kg/d,經(jīng)帶式壓濾機(jī)壓濾含水率達(dá)80%～83%,排泥量為25 t/d.試驗(yàn)污泥分別取自污水處理系統(tǒng)兩個(gè)采樣點(diǎn):

1)好氧接觸氧化池之后的二沉池剩余污泥,后面稱“二沉池剩余污泥”;

2)污泥井混合剩余污泥(厭氧池后的一沉池、一級(jí)好氧池后的二沉池、二級(jí)好氧池后的沉淀池出口污泥混合),后面稱為“混合剩余污泥”.

圖1 污水處理系統(tǒng)工藝流程Fig.1 Process flow diagram of sewage treatment system

1.3 儀器與設(shè)備

本研究中所采用的試制超聲波發(fā)生設(shè)備主要是由超聲波發(fā)生器、超聲換能器、超聲探頭及反應(yīng)容器等組成,其超聲頻率為18 kHz,電功率為0～2 860 W(可調(diào)),鈦探頭直徑20 mm.DRB2800型HACH快速測(cè)定儀,美國哈希公司;Multi 340i型便攜式pH計(jì),德國WTW公司.

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

超聲處理方法:在室溫條件下,取預(yù)先采集好的水樣(900 mL)和泥樣(400 mL)于塑料燒杯中,下降超聲波發(fā)生器探頭,使聲源發(fā)射末端插入液面以下5 cm處,調(diào)節(jié)好超聲功率,打開超聲波電源開始計(jì)時(shí).達(dá)到規(guī)定作用時(shí)間后檢測(cè)各指標(biāo)值.

1.5 分析方法

VFA(揮發(fā)性脂肪酸)采用蒸餾吸收滴定法測(cè)量[12];COD(化學(xué)需氧量)采用美國HACH快速測(cè)定儀測(cè)定;其中SCOD(溶解性化學(xué)需氧量)為4 500 r/min離心后上清液的COD值;BOD5的檢測(cè)采用HJ 505—2009稀釋接種法[13];B/C為BOD5與COD的比值,代表了廢水的可生化性.

2 結(jié)果與分析

2.1 超聲波處理對(duì)好氧段生化降解效率的影響

探討超聲波處理提高廢水好氧生化降解效率的可能性.分別采集污水處理工藝一級(jí)、二級(jí)好氧池進(jìn)水,經(jīng)不同超聲條件預(yù)處理后測(cè)COD、BOD5及B/C,數(shù)據(jù)結(jié)果見表1和表2.

表1 一級(jí)好氧池進(jìn)水超聲波處理?xiàng)l件選擇及處理結(jié)果Tab.1 Ultrasonic treatment conditions and results of first aerobic pool water

表2 二級(jí)好氧池進(jìn)水超聲波處理?xiàng)l件選擇及處理結(jié)果Tab.2 Ultrasonic treatment conditions and results of second aerobic pool water

從表1和表2超聲前后COD去除率可以看出,超聲波處理可以從廢水中直接去除有機(jī)物,其中對(duì)一級(jí)好氧池進(jìn)水進(jìn)行大功率(2 860 W)超聲僅5 min,COD去除率可以達(dá)到近56%(表1的2號(hào)樣品).對(duì)于COD濃度不是很高(250 mg/L左右)的二級(jí)好氧池進(jìn)水進(jìn)行超聲處理,并非超聲波處理功率越高時(shí)間越長COD去除效果越好,而超聲條件為858 W,5 min,COD去除率最高,可以達(dá)到37%以上(表2中的4號(hào)樣品).

B/C代表了廢水的可生化性,值越大可生化性越好.表1和表2的0號(hào)實(shí)驗(yàn)樣品(未超聲波處理)顯示B/C均只有0.15以下,幾乎屬于不可降解廢水類型.但超聲波處理后B/C提高明顯,和0號(hào)樣品相比,經(jīng)2 860 W超聲處理,兩種情況廢水的B/C最高均可達(dá)到0.20以上(其中二級(jí)好氧池進(jìn)水2 860 W超聲2 min后,B/C甚至提高一倍),達(dá)到了可生化處理的界限之上,可以明顯改善后一階段生化降解效率.

2.2 超聲波處理對(duì)剩余污泥減量化的影響

污泥減量化可以用污泥沉降速度、污泥絮體體積的減少和污泥絮體內(nèi)物質(zhì)的溶出量來表述.本文中污泥絮體體積以30 min沉降的污泥體積與總體積之比(SV%)表示,該值越低,表示污泥的沉降性能越好.污泥絮體內(nèi)物質(zhì)的溶出以污泥上清液揮發(fā)性脂肪酸(VFA)和溶解性化學(xué)需氧量(SCOD)值表示,因VFA和SCOD分別代表了易于被生化降解的有機(jī)物和溶解性有機(jī)物,如果經(jīng)超聲波處理后,其數(shù)值提高則可判斷為污泥被分解.因此可以此探討超聲波對(duì)該VC企業(yè)廢水處理產(chǎn)生的污泥減量效果的影響.

2.2.1 超聲波處理對(duì)二沉池剩余污泥絮體體積的影響

探究不同功率和時(shí)間的超聲處理是否可降低二沉池剩余污泥絮體體積,采集二沉池剩余污泥,進(jìn)行超聲波兩個(gè)功率等級(jí)(2 860 W和858 W)的處理,處理的時(shí)間如表3.處理后分別攪勻后取樣100 mL,置量筒中靜置,沉降過程中每隔3分鐘測(cè)污泥沉降體積,沉降體積隨時(shí)間變化作圖2;30 min后測(cè)SV,數(shù)據(jù)如表3.

表3 二沉池剩余污泥超聲波處理結(jié)果Tab.3 Results of residual sludge of second settling ponds treated by ultrasound

圖2 污泥沉降變化曲線Fig.2 Curve of sludge settling

從表3可以看出,二沉池剩余污泥經(jīng)超聲處理可改善污泥的沉降性能,而且經(jīng)大功率、長時(shí)間(2 860 W,5 s)超聲處理,污泥沉降性能改善最明顯,30 min SV為11%,此時(shí)未經(jīng)超聲處理SV為17%.其他超聲條件處理后,SV也有明顯下降,實(shí)驗(yàn)2號(hào)和3號(hào)在沉降30 min后SV分別比超聲前下降了5%和4%,大大減少污泥絮體量.

圖2沉降曲線顯示,超聲處理明顯改善了污泥沉降速度,提高了污泥沉降效率,其中經(jīng)2 860 W、5 s超聲波處理,在沉降3 min時(shí)污泥沉降速度最快,為原水的2.16倍,這解釋了超聲處理可減少污泥絮體量的原因.而且超聲波處理使用的功率越大時(shí)間越長,沉降速度越快,這一方面因?yàn)榇蠊β书L時(shí)間超聲作用后胞內(nèi)物質(zhì)的釋放會(huì)使污泥產(chǎn)生再絮凝現(xiàn)象[14];另一方面可能與沉降污泥密度的增加有關(guān)[15].

2.2.2 大功率超聲對(duì)混合剩余污泥絮體內(nèi)物質(zhì)溶出的影響

進(jìn)一步探究大功率條件下不同時(shí)間的超聲處理是否可使污泥絮體內(nèi)物質(zhì)溶出.本文對(duì)污泥井混合剩余污泥進(jìn)行大功率(2 860 W)不同時(shí)間(0,1/3,1,3,5 min)超聲波處理,處理后分別攪勻,以統(tǒng)一澄清時(shí)間,并靜置12 h,然后分別用三角漏斗快速定性濾紙過濾,測(cè)上清液VFA、SCOD值,混合剩余污泥超聲處理數(shù)據(jù)結(jié)果見表4.

表4 混合剩余污泥超聲波處理結(jié)果Tab.4 Results of mixed residual sludge treated by ultrasound

從表4可以看出大功率超聲導(dǎo)致過濾清液濁度增加,并且實(shí)驗(yàn)過程中目測(cè)到有打碎污泥絮體穿透了濾紙,污泥濾液SCOD和VFA都顯著提高.其中VFA提高值與超聲時(shí)間成正相關(guān),尤其超聲處理5 min(2 860 W)時(shí)VFA值是超聲前的2.70倍(表4的5號(hào)樣品),超聲處理3 min(2 860 W)時(shí)SCOD含量提高48%(表4的4號(hào)樣品),說明大功率超聲處理使污泥絮體破解,VFA和SCOD由固相轉(zhuǎn)移到液相中,由于VFA和SCOD在廢水生化處理時(shí)均易于降解,所以可從根本上減少污泥產(chǎn)量.

3 結(jié) 論

1)一定條件的超聲波處理將屬于幾乎不可降解類型的廢水提高到可生化處理的界限之上,能夠明顯提高后一階段生化降解效率.對(duì)于濃度較高的一級(jí)好氧池進(jìn)水(COD接近600 mg/L),經(jīng)高功率長時(shí)間(2 860 W,5 min)超聲波處理,既有利于B/C比提高,也有利于COD的直接降低.對(duì)于濃度較低的二級(jí)好氧池進(jìn)水(COD為250 mg/L左右),并非超聲波處理功率越高時(shí)間越長效果越好,而存在一個(gè)較佳值,其中超聲條件為2 860 W、2 min,可生化性提高最明顯,B/C比甚至提高一倍以上.

2)超聲波處理提高了二沉池剩余污泥的沉降速度,提高污泥沉降效率,同時(shí)大大減少污泥絮體量.其中經(jīng)2 860 W、5 s超聲波處理,污泥沉降性能改善最明顯.

3)混合剩余污泥超聲處理實(shí)驗(yàn)證實(shí),超聲波處理可促進(jìn)污泥絮體內(nèi)易于被生化降解的揮發(fā)性有機(jī)物和溶解性有機(jī)物由固相轉(zhuǎn)移到液相,從根本上減少污泥量.

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