過(guò)氧化鈣預(yù)氧化對(duì)污泥脫水特性的影響

丁紹蘭， 田倩倩， 董凌霄

(陜西科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西 西安　710021)

0　引言

據(jù)住建部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截至2016年年末，全國(guó)城市共有污水處理廠2 039座，污水廠日處理能力1.49×108m3，比上年增加6.2%[1].隨著污水排放量日益增加，污水處理效率的不斷提高，產(chǎn)生的污泥量也隨之增長(zhǎng).污泥中的污染物如果沒(méi)有得到有效處理，將會(huì)轉(zhuǎn)移到大氣、水體和土壤中，造成對(duì)環(huán)境的二次污染，直接影響人類健康[2-4].目前，污泥處理與處置的主要方法包括填埋、土地堆肥和焚燒等[5]，而污泥含水率高達(dá)99%，這導(dǎo)致了污泥體積龐大，難以運(yùn)輸儲(chǔ)存，運(yùn)輸費(fèi)用昂貴等問(wèn)題，成為制約污泥處置的主要因素.

污泥中水的存在形態(tài)分為自由水、間隙水、吸附水及內(nèi)部結(jié)合水[6]，一般的機(jī)械脫水不能將細(xì)胞內(nèi)部結(jié)合水去除，有必要對(duì)污泥進(jìn)行調(diào)理，破壞污泥膠體結(jié)構(gòu)，改善污泥脫水性能[7].目前，污泥調(diào)理技術(shù)主要為物理法、化學(xué)法和生物法.化學(xué)法操作簡(jiǎn)單，投資成本較低，效果較穩(wěn)定[8].

過(guò)氧化鈣(CaO2)是一種強(qiáng)氧化劑，在水中會(huì)緩慢生成過(guò)氧化氫(H2O2)和氧氣(O2).與H2O2相比，CaO2相對(duì)更穩(wěn)定，是一種作用效果更好的H2O2源[9].CaO2溶解于水產(chǎn)生H2O2最大產(chǎn)量為0.47 g H2O2/(g CaO2)，可以通過(guò) CaO2的溶解速率來(lái)調(diào)節(jié)釋放H2O2的速率，因此反應(yīng)持久性長(zhǎng)，減少了由于歧化反應(yīng)引起的H2O2的損耗，且不會(huì)產(chǎn)生有毒的副產(chǎn)物.同時(shí)CaO2緩慢釋氧，能夠氧化降解有機(jī)物.CaO2不僅在農(nóng)業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖、石油及化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[10]，還可用于修復(fù)土壤與地下水污染、氧化去除剩余活性污泥中的6種酚類環(huán)境內(nèi)分泌干擾化合物等[11].但使用CaO2調(diào)理對(duì)污泥脫水性能影響的研究較少.所以本研究采用CaO2來(lái)調(diào)理污泥，探究CaO2對(duì)污泥脫水性能的影響.

1　試驗(yàn)部分

1.1　試驗(yàn)材料

污泥取自西安市第五污水處理廠二沉池剩余污泥，原污泥取回后立即放入4 ℃冰箱中，靜置24 h后棄去上清液，獲得的濃縮污泥為試驗(yàn)所用污泥樣品.污泥的基本特性見(jiàn)表1所示，分析方法參照《城市污水處理廠污泥檢驗(yàn)方法》(CJ/T 221-2005)[12].

表1　污泥的基本特性

其它試劑及材料有：過(guò)氧化鈣(CaO2)，粉末，化學(xué)純；過(guò)氧化氫(H2O2)，液體，分析純.

1.2　試驗(yàn)儀器

電熱鼓風(fēng)干燥箱，101-AB型，天津市泰斯特儀器有限公司；電子恒溫水浴鍋，DZKW-4，北京中興偉業(yè)儀器有限公司；數(shù)顯六聯(lián)攪拌器，JJ-4型，國(guó)華電器有限公司；可見(jiàn)分光光度計(jì)，722N，上海精密科學(xué)有限公司；美國(guó)FEI Q45型環(huán)境掃描電鏡(SEM).

1.3　測(cè)試項(xiàng)目及方法

1.3.1泥餅含水率

調(diào)理后的污泥用布氏漏斗真空抽濾6 min，取濾紙上形成的泥餅，按照《城市污水處理廠污泥檢驗(yàn)方法》( CJ/T 221-2005) 中含水率的測(cè)定-重量法計(jì)算泥餅含水率，如公式(1)所示:

(1)

式(1)中：ω—泥餅含水率；m1—抽濾脫水后泥餅質(zhì)量；m2—烘干后泥餅質(zhì)量.

1.3.2其他指標(biāo)

化學(xué)需氧量(COD)采用重鉻酸鉀法測(cè)定[13]；多糖采用蒽酮硫酸法測(cè)定，以葡萄糖為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)；蛋白質(zhì)采用Folin-Lowry法測(cè)定，以牛血清蛋白為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)；通過(guò)顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀察污泥的絮體特征.

1.4　試驗(yàn)方法

在燒杯中加入一定量的污泥，分別投加不同劑量的CaO2和H2O2，在300 r/min下攪拌一定時(shí)間，反應(yīng)在室溫下進(jìn)行.測(cè)定調(diào)理后污泥的固體含量、泥餅含水率、上清液COD(SCOD)及胞外聚合物(EPS)，并進(jìn)行電鏡掃描及鏡檢.

2　結(jié)果與討論

2.1　CaO2和H2O2調(diào)理對(duì)污泥脫水性能的影響

向污泥中投加不同劑量的CaO2和H2O2，反應(yīng)不同時(shí)間后泥餅含水率的變化情況如圖1所示.

通過(guò)圖1(a)可以看出，向污泥中投加CaO2能夠明顯降低泥餅的含水率.這可能是因?yàn)镃aO2氧化污泥絮體，污泥絮體的細(xì)胞結(jié)構(gòu)裂解，釋放出細(xì)胞結(jié)合水，使得污泥易于脫水，從而泥餅含水率降低，這與處理后污泥的有機(jī)物濃度上升的結(jié)果一致.當(dāng)CaO2投加量為200 mg/gTS，反應(yīng)2 h時(shí)，泥餅含水率最低為68.3%，而投加300 mg/gTS CaO2時(shí)，泥餅的含水率反而有所增加.這可能是因?yàn)楫?dāng)CaO2濃度過(guò)高時(shí)，污泥絮體裂解徹底，被分解為粒徑很小的顆粒，在抽濾時(shí)堵塞濾紙難以脫水，表明CaO2濃度太大時(shí)，并不利于污泥脫水.

圖1(b)顯示，當(dāng)H2O2投加量為200 mg/gTS時(shí)，泥餅含水率最低為75.7%，而投加300 mg/gTS H2O2時(shí)，反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，泥餅的含水率反而有所增加.與投加劑量相同的H2O2相比，CaO2調(diào)理后泥餅的含水率更低，且隨著時(shí)間的變化，泥餅含水率值更穩(wěn)定，這表明CaO2可以作為一種H2O2的替代源，且脫水效果更好.

(a)CaO2調(diào)理污泥

(b)H2O2調(diào)理污泥圖1　投加量對(duì)泥餅含水率的影響

2.2　CaO2和H2O2調(diào)理對(duì)污泥破解程度的影響

2.2.1污泥SCOD的變化

向污泥中投加不同劑量的CaO2和H2O2反應(yīng)不同時(shí)間，SCOD值的變化情況如圖2所示.

由圖2(a)可知，隨著CaO2投加劑量和反應(yīng)時(shí)間的增加，污泥SCOD呈上升趨勢(shì)，這可能是因?yàn)镃aO2氧化污泥使生物質(zhì)中微生物細(xì)胞壁破壞，細(xì)胞質(zhì)溶出到外界溶液中.氧化的結(jié)果是，有機(jī)物質(zhì)被浸出到上清液，SCOD增加[14].可以看出，在CaO2投加劑量為100 mg/gTS、200 mg/gTS，SCOD值增加緩慢，而投加量為300 mg/gTS時(shí)，SCOD顯著增加，反應(yīng)2 h后，從259 mg/L增加到1 210 mg/L，5 h時(shí)到1 660 mg/L，表明污泥中大分子有機(jī)物的裂解并釋放至污泥上清液中，而污泥細(xì)胞破壞嚴(yán)重，降低了污泥的含水率，與2.1節(jié)中該投加量下的脫水效果變差一致.

由圖2(b)可知，當(dāng)H2O2投加量為100 mg/gTS和200 mg/gTS時(shí)，SCOD基本在一開始達(dá)到最大值，表明投加H2O2后，反應(yīng)迅速開始.而投加量為300 mg/gTS時(shí)，SCOD變化不大，這可能是由于反應(yīng)時(shí)H2O2的損失造成.在投加量相同的情況下，CaO2調(diào)理后污泥的SCOD值更大，表明CaO2對(duì)污泥的破解程度比H2O2更好.

(a)CaO2調(diào)理污泥

(b)H2O2調(diào)理污泥圖2　投加量對(duì)污泥SCOD的影響

2.2.2污泥EPS的變化

CaO2和H2O2的投加量和反應(yīng)時(shí)間對(duì)污泥EPS的影響結(jié)果如圖3、圖4所示.

從圖3(a)、(b)可以看出，加入CaO2后，污泥中的多糖和蛋白質(zhì)含量都呈現(xiàn)出增大趨勢(shì)，說(shuō)明污泥中的微生物細(xì)胞受到破壞，釋放出有機(jī)物.隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，多糖含量有一些降低，這可能是因?yàn)镃aO2溶于水后生成的H2O2將有機(jī)物繼續(xù)氧化為水和二氧化碳.根據(jù)Cetin S等[15]，糖類的增加導(dǎo)致污泥脫水性提高，而蛋白質(zhì)的作用正好相反，在反應(yīng)2 h后，投加CaO2劑量為200 mg/gTS的污泥中多糖含量達(dá)到最大值，而蛋白質(zhì)含量最少，與其研究結(jié)果一致，且此時(shí)的泥餅含水率最低.

(a)污泥多糖含量

(b)污泥蛋白質(zhì)含量圖3　CaO2投加量對(duì)污泥EPS含量的影響

從圖4(a)、(b)看出，H2O2處理污泥后，多糖和蛋白質(zhì)含量都有明顯增加，這可能是H2O2氧化污泥使生物質(zhì)中微生物細(xì)胞壁破壞，細(xì)胞質(zhì)溶出到外界溶液中，而使其多糖、蛋白質(zhì)含量增加.隨著反應(yīng)時(shí)間的繼續(xù)，多糖含量有一些降低，可能是因?yàn)镠2O2將多糖繼續(xù)氧化為水和二氧化碳，這與Hammadi L等[16]的研究結(jié)果一致.

(a)污泥多糖含量

(b)污泥蛋白質(zhì)含量圖4　H2O2投加量對(duì)污泥EPS含量的影響

經(jīng)以上分析可知，CaO2和H2O2通過(guò)破解污泥中微生物細(xì)胞釋放有機(jī)物，氧化分解 EPS等有機(jī)物，促進(jìn)污泥中結(jié)合水和微生物細(xì)胞內(nèi)部水的釋放，從而提高污泥的脫水性能.

2.3　CaO2、H2O2調(diào)理對(duì)污泥絮體結(jié)構(gòu)的影響

2.3.1污泥絮體的鏡檢分析

分別經(jīng)CaO2、H2O2調(diào)理后，對(duì)污泥樣品進(jìn)行電子顯微鏡觀察.圖5(a)、(b)、(c)分別為原污泥、CaO2調(diào)理和H2O2調(diào)理后污泥的電子顯微鏡觀察照片.從圖5可以看出，原污泥成絮狀，絮體比較聚集.而經(jīng)調(diào)理后污泥絮體分散效果較好，這更有利于污泥脫水，與污泥脫水率降低的結(jié)果一致.

(a)原污泥

(b)CaO2調(diào)理污泥

(c)H2O2調(diào)理污泥圖5　污泥鏡檢照片

2.3.2污泥絮體的SEM分析

通過(guò)掃描電鏡對(duì)原污泥、CaO2和H2O2調(diào)理后的污泥進(jìn)行觀察，可以比較CaO2和H2O2對(duì)污泥絮體結(jié)構(gòu)的影響.故此，對(duì)調(diào)理后的污泥樣品進(jìn)行了掃描電鏡分析，其結(jié)果如圖6所示.從圖6(a)可以看出，原污泥絮體的表面相對(duì)平滑，經(jīng)過(guò)CaO2和H2O2調(diào)理后污泥絮體表面發(fā)生明顯變化.污泥絮體經(jīng)CaO2和H2O2調(diào)理后，污泥絮體被氧化破解，污泥結(jié)構(gòu)疏松，孔隙分布復(fù)雜，尤其是CaO2調(diào)理污泥2 h(圖6(c))與CaO2調(diào)理污泥0.5 h(圖6(b))相比，污泥絮體結(jié)構(gòu)更加破碎分散，這與白潤(rùn)英等[17]的研究結(jié)果一致.

(a)原污泥

(b)CaO2調(diào)理污泥0.5 h

(c)CaO2調(diào)理污泥2 h

(d)H2O2調(diào)理污泥2 h圖6 污泥的掃描電鏡圖

3　結(jié)論

根據(jù)本論文試驗(yàn)的結(jié)果可以得到如下結(jié)論：

(1)CaO2調(diào)理污泥后絮體破解程度明顯，多糖含量先增加后減少，蛋白質(zhì)含量和SCOD增加，含水率降低.當(dāng)CaO2的投加量為200 mg/gTS時(shí)，泥餅含水率最低為68.3%，隨著CaO2投加量和反應(yīng)時(shí)間的繼續(xù)增加，泥餅含水率不再降低.

(2)H2O2調(diào)理污泥后污泥破壞程度明顯，投加量為200 mg/gTS時(shí)，泥餅含水率最低為75.7%，當(dāng)投加量和反應(yīng)時(shí)間繼續(xù)增加時(shí)，泥餅含水率不再降低.

(3)與H2O2相比，CaO2可以作為一種更好的H2O2源，反應(yīng)更穩(wěn)定，且調(diào)理后污泥的脫水效果更好.