剩余污泥發(fā)酵沼渣成分分析及脫水性能研究*

覃銀紅 易 艷 王蘭亭 陳 嬌 袁 媛 袁基剛 謝燕華 施國(guó)中

(1.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川 成都 610059；2.四川理工學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 自貢 643000；3.農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所，四川 成都 610041)

近年來(lái)，由于我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)的迅速發(fā)展，居民生活用水量逐年增加，從而產(chǎn)生了大量生活污水。我國(guó)生活污水處理廠主要以活性污泥法處理，因此又會(huì)產(chǎn)生大量剩余污泥[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015年我國(guó)剩余污泥產(chǎn)生量高達(dá)2.25億t[2]。剩余污泥具有含水率高、病原微生物多、含有重金屬等特點(diǎn)[3]，將剩余污泥進(jìn)行厭氧發(fā)酵可實(shí)現(xiàn)減容、殺滅病原微生物[4]的目的，還能產(chǎn)生清潔能源沼氣[5]。但是剩余污泥發(fā)酵沼渣該如何處理，又是新的課題。張瑋瑋等[6]、李占文等[7]、宋彩紅等[8]對(duì)厭氧發(fā)酵的剩余污泥發(fā)酵沼渣用途進(jìn)行了大量研究,發(fā)現(xiàn)沼渣可以進(jìn)行二次利用，但必須對(duì)其中的重金屬進(jìn)行嚴(yán)格控制[9]。本研究通過(guò)對(duì)剩余污泥發(fā)酵沼渣進(jìn)行成分分析，判斷其是否適合用作有機(jī)肥料的原料，并對(duì)其脫水性能進(jìn)行研究，以實(shí)現(xiàn)剩余污泥發(fā)酵沼渣的進(jìn)一步減量化和資源化。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及分析方法

在四川省自貢市某污泥發(fā)酵廠的二級(jí)發(fā)酵罐采集混合液樣品和機(jī)械脫水后的剩余污泥發(fā)酵沼渣樣品。機(jī)械脫水后的剩余污泥發(fā)酵沼渣樣品基本性質(zhì)如表1所示，用于進(jìn)行剩余污泥發(fā)酵沼渣二次厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，105 ℃烘干至恒重后進(jìn)行干基成分分析。

pH使用Thermo 310P-01A pH計(jì)測(cè)定；含水率采用重量法測(cè)定；有機(jī)質(zhì)(以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì))采用重鉻酸鉀重量法測(cè)定；TN采用消煮—蒸餾—?jiǎng)P氏定氮法測(cè)定；TP(以P2O5計(jì))采用消煮—鉬銻抗分光光度法測(cè)定；TK(以K2O計(jì))及Cu、Zn、Cr、Cd、As、Pb、Hg等重金屬采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀測(cè)定；總養(yǎng)分為T(mén)N、TP和TK之和，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)。

表1 機(jī)械脫水后的剩余污泥發(fā)酵沼渣樣品基本性質(zhì)

1.2 剩余污泥發(fā)酵沼渣二次厭氧發(fā)酵

將機(jī)械脫水后的剩余污泥發(fā)酵沼渣置于圖1所示的密閉容器中，在室溫條件下進(jìn)行33 d的二次厭氧發(fā)酵，每天定時(shí)取上、中、下取樣口的混合樣測(cè)定含水率及有機(jī)質(zhì)。

圖1 剩余污泥發(fā)酵沼渣二次厭氧發(fā)酵裝置Fig.1 Secondary anaerobic fermentation device for excess sludge fermentation residue

1.3 剩余污泥發(fā)酵沼渣的離心轉(zhuǎn)速優(yōu)化

機(jī)械脫水后的剩余污泥發(fā)酵沼渣進(jìn)行離心脫水的轉(zhuǎn)速優(yōu)化，分別在轉(zhuǎn)速為3 000～3 600 r/min的條件下離心2 min，得到離心后的上層液體質(zhì)量與離心前總質(zhì)量之比即脫水率。

1.4 剩余污泥發(fā)酵沼渣脫水性能研究

將混合液樣品自然沉降2 d后，去除上清液，取出底部不能繼續(xù)沉降的含水率較高的剩余污泥發(fā)酵沼渣，用4.0 mol/L的NaOH調(diào)節(jié)pH至7.0?；炷龑?shí)驗(yàn)時(shí)，在每100 mL樣品中分別加入不同濃度的硫酸鋁、硫酸亞鐵、聚丙烯酰胺(PAM)和聚合氯化鋁(PAC)作為混凝劑，置于攪拌器上以300 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌1 min，再以120 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌10 min進(jìn)行充分反應(yīng)，各取2.0 g經(jīng)不同混凝劑混凝的剩余污泥發(fā)酵沼渣離心，將離心后的固體至鼓風(fēng)干燥箱中烘干得到的固體質(zhì)量，與離心前總質(zhì)量之比即含固率，離心轉(zhuǎn)速由1.3優(yōu)化得到。

2 結(jié)果與討論

2.1 剩余污泥發(fā)酵沼渣干基成分分析

由表2可見(jiàn)，4個(gè)機(jī)械脫水后的剩余污泥發(fā)酵沼渣樣品總養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為4.22%～4.48%、9.17%～9.26%，均低于《有機(jī)肥料》(NY 525—2012)的標(biāo)準(zhǔn)值。

除Cu、Zn未被NY 525—2012限定外，Cr、Cd、As、Pb、Hg 5種重金屬的質(zhì)量濃度分別為116.57～137.06、1.16～1.57、9.76～10.75、41.23～48.29、1.67～1.94 mg/kg,均低于NY 525—2012的標(biāo)準(zhǔn)值，因此從重金屬的安全性考慮，機(jī)械脫水后的剩余污泥發(fā)酵沼渣可以作有機(jī)肥料的原料。

綜上所述，雖然機(jī)械脫水后的剩余污泥發(fā)酵沼渣總養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)沒(méi)有達(dá)到NY 525—2012的標(biāo)準(zhǔn)值，不能直接用作有機(jī)肥料，但從重金屬的安全性考慮，符合NY 525—2012的標(biāo)準(zhǔn)，因此可將其用作有機(jī)肥料的原料，達(dá)到充分利用剩余污泥發(fā)酵沼渣中的養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)的目的。

2.2 剩余污泥發(fā)酵沼渣穩(wěn)定性

不穩(wěn)定的剩余污泥發(fā)酵沼渣在厭氧環(huán)境中，會(huì)進(jìn)一步進(jìn)行厭氧發(fā)酵，其含水率和有機(jī)質(zhì)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化[10]，因此將機(jī)械脫水后的剩余污泥發(fā)酵沼渣進(jìn)行二次厭氧發(fā)酵，對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

由圖2可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)33 d二次厭氧發(fā)酵，剩余污泥發(fā)酵沼渣含水率變化不大，基本穩(wěn)定在81%左右。剩余污泥發(fā)酵沼渣中有機(jī)質(zhì)隨發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)有所下降，但基本穩(wěn)定在8%左右。因此，機(jī)械脫水后的剩余污泥發(fā)酵沼渣性質(zhì)已經(jīng)穩(wěn)定，二次厭氧發(fā)酵對(duì)其含水率及有機(jī)質(zhì)影響不大，進(jìn)一步保證了其可以作為有機(jī)肥料的原料進(jìn)行資源化利用。

2.3 剩余污泥發(fā)酵沼渣的離心轉(zhuǎn)速確定

由圖3可見(jiàn)，隨著離心轉(zhuǎn)速的提高，脫水率增加。當(dāng)離心轉(zhuǎn)速?gòu)? 000 r/min提高到3 500 r/min時(shí)，脫水率從1.31%增加到了5.94%；進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)速到3 600 r/min，脫水率基本趨于穩(wěn)定。因此，確定離心轉(zhuǎn)速為3 500 r/min。

表2 剩余污泥發(fā)酵沼渣干基成分

圖2 剩余污泥發(fā)酵沼渣二次厭氧發(fā)酵含水率和有機(jī)質(zhì)隨時(shí)間的變化Fig.2 Moisture content and organic matter of excess sludge fermentation residue varied with time during secondary anaerobic fermentation

圖3 不同離心轉(zhuǎn)速對(duì)剩余污泥發(fā)酵沼渣脫水率的影響Fig.3 Effect of centrifugal speeds on dewaterability rate of excess sludge fermentation residue

2.4 混凝劑對(duì)剩余污泥發(fā)酵沼渣脫水性能的影響

不同混凝劑的投加量對(duì)剩余污泥發(fā)酵沼渣離心后含固率的影響如圖4所示。由圖4可知，混凝劑種類(lèi)和投加量對(duì)剩余污泥發(fā)酵沼渣脫水性能有較大的影響。未投加混凝劑時(shí)，剩余污泥發(fā)酵沼渣離心后含固率為12.85%～15.76%，含固率較低且基本穩(wěn)定。硫酸亞鐵和硫酸鋁的投加對(duì)剩余污泥發(fā)酵沼渣離心后含固率基本沒(méi)有影響。但一定投加量的PAM和PAC對(duì)離心后含固率有較顯著的提升，但兩者的最適投加量不同。當(dāng)PAM投加量為2 g/L時(shí)，離心后含固率達(dá)到最大，為30.24%；當(dāng)PAC投加量為5 g/L時(shí)，離心后含固率達(dá)到最大，為30.34%。因此，在剩余污泥發(fā)酵沼渣中添加適量的PAM或PAC混凝劑可有效改善脫水性能，降低含水率，減少其體積，方便后續(xù)運(yùn)輸和使用。

圖4 不同混凝劑對(duì)剩余污泥發(fā)酵沼渣脫水性能的影響Fig.4 Effect of different coagulants on dewaterability performance of excess sludge fermentation residue

3 結(jié) 論

(1) 剩余污泥發(fā)酵沼渣中Cr、Cd、As、Pb、Hg 5種NY 525—2012規(guī)定的重金屬均達(dá)標(biāo)，但是總養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)不達(dá)標(biāo)，因此不能直接作為有機(jī)肥料，可以作為有機(jī)肥料的原料。

(2) 二次厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)證明，機(jī)械脫水后的剩余污泥發(fā)酵沼渣含水率和有機(jī)質(zhì)含量穩(wěn)定，進(jìn)一步保證了其可以作為有機(jī)肥料的原料進(jìn)行資源化利用。

(3) 硫酸亞鐵和硫酸鋁的投加對(duì)剩余污泥發(fā)酵沼渣離心后含固率基本沒(méi)有影響。PAM和PAC

的投加量分別為2、5 g/L時(shí)，剩余污泥發(fā)酵沼渣離心后含固率可分別提高到30.24%、30.34%。

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