熱堿法破解污泥動態(tài)實驗的條件優(yōu)化
研究背景：剩余污泥作為污水處理廠的產(chǎn)物，含水率高且脫水性能差，主要由活體微生物組成，易腐化、易傳播病菌。剩余污泥所含有的重金屬、有機污染物、病原微生物等物質(zhì)對環(huán)境存在很大風(fēng)險。2015年頒布的《水污染防治行動計劃》中明確規(guī)定了2020年底地級及以上城市污泥無害化處置率應(yīng)大于90%，因此尋找合適的污泥處理方式迫在眉睫。
剩余污泥中含有大量有機物質(zhì)，而這些物質(zhì)大多存在于微生物細胞內(nèi)。為獲得胞內(nèi)物質(zhì)，需對污泥進行破解處理，在降低處理成本、提高處理效率的同時可對破解產(chǎn)物進行污泥資源化研究。熱堿法由于低能耗、低投入的優(yōu)勢受到廣泛關(guān)注，Jeonfsik等用NaOH、KOH、Mg(OH)2和Ca(OH)24種堿性試劑對污泥進行預(yù)處理，并使污泥pH值均達到12，常溫下COD的溶出率分別為39.8%、36.6%、10.8%和15.3%；121 ℃處理30 min后，COD的溶出率分別提高到51.8%、47.8%、18.3%和17.1%。由此可見，熱堿聯(lián)合對于污泥細胞的破解有明顯的促進作用。陳蓓蓓研究單獨熱處理與熱堿聯(lián)合處理對污泥破解的影響，在投加NaOH 0.1 g/g(VS)，90 ℃下處理1 h后，SCOD溶出率達到20.5%，同時研究表明，堿濃度、溫度、時間對污泥破解的影響依次降低。熱堿處理能夠顯著提高污泥細胞破解程度，改善污泥后續(xù)處理效果。鑒于污泥的處理量大且處置復(fù)雜，而熱堿處理作為一種效率高、能耗低且成本低的污泥處理方式具有廣闊的應(yīng)用前景，因此探索熱堿法如何應(yīng)用于實際工業(yè)中十分重要。
目前關(guān)于熱堿法破解污泥多為實驗室的靜態(tài)實驗，處理的規(guī)模較小且為不連續(xù)實驗，對于實際工業(yè)化應(yīng)用所能參考的價值有限。為了進一步探索污泥熱堿處理工業(yè)化運行的可行性，本文研究了靜態(tài)實驗與動態(tài)實驗之間的關(guān)系，以便找到最佳處理條件，為實際應(yīng)用提供參考。
摘 要
以城市污水處理廠二沉池污泥為研究對象，利用熱堿處理工藝對其進行處理，研究污泥的最佳處理條件，分析靜態(tài)實驗對動態(tài)實驗的指導(dǎo)作用。結(jié)果表明：靜態(tài)實驗處理條件下，污泥熱堿處理的最佳初始pH、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間分別為13、30 ℃、10 h；在最適條件下，COD溶出率、水相中的蛋白質(zhì)和多糖濃度依次為61.53%、761.73 mg/L、649.85 mg/L；動態(tài)實驗最佳反應(yīng)時間為10 h，在此最佳條件下COD溶出率為75.77%、多糖濃度為842.34 mg/L，蛋白質(zhì)濃度隨著反應(yīng)時間上下波動，總體破解效果高于靜態(tài)實驗。以上結(jié)果表明，污泥靜態(tài)實驗對動態(tài)實驗具有現(xiàn)實指導(dǎo)作用，熱堿聯(lián)合具有較好的應(yīng)用前景。
01 材料與方法
1.污泥性質(zhì)
實驗污泥來源為大連市凌水污水處理廠二沉池污泥，該處理廠采用A2/O處理工藝，污水處理能力為6萬t/d。用30目篩網(wǎng)過濾剩余污泥以去除其中樹葉等大顆粒物質(zhì)，檢測污泥的基本指標，污泥的常規(guī)成分分析如表1所示。
2.污泥處理方法
2.1 靜態(tài)實驗方法
以溫度、初始pH和反應(yīng)時間依次作為控制參數(shù)進行熱堿污泥處理，在250 mL具塞錐形瓶中放置200 mL污泥，用4 mol/L的NaOH溶液分別調(diào)節(jié)pH為9～13，放入恒溫培養(yǎng)振蕩器中，設(shè)置反應(yīng)溫度依次為30，45，60 ℃。實驗開始后，每隔一段時間取樣，在5000 r/min下離心30 min，取上清液過0.45 μm濾膜，得到樣品在4 ℃下保存待測。
2.2 動態(tài)實驗方法
采用熱堿聯(lián)合技術(shù)對污泥進行破解處理，自主研發(fā)污泥熱堿處理小試裝置，主要包括進泥單元、反應(yīng)單元和回流單元。污泥處理工藝如圖1所示。
反應(yīng)器有效體積共8.12 L，根據(jù)不同停留時間調(diào)整進泥流量，污泥在進泥單元中完成連續(xù)進泥過程，將污泥連續(xù)打入反應(yīng)器中；根據(jù)不同進泥流量計算加堿量，使污泥在反應(yīng)單元與堿充分混合，同時利用磁力泵進行循環(huán)攪拌，水浴熱循環(huán)控制溫度；沉淀池底部的沉降物經(jīng)過污泥回流進入反應(yīng)釜中繼續(xù)參加反應(yīng)，從沉淀池溢流堰處收集上清液，處理方法同上。
3.分析方法
用重鉻酸鉀法測定剩余污泥的COD濃度，采用COD溶出率(disintegration degree of SCOD)作為不同實驗條件下污泥水解程度的衡量標準。
蛋白質(zhì)測定采用考馬斯亮藍法。
多糖測定采用苯酚—硫酸比色法。
02 結(jié)果與討論
1.靜態(tài)實驗結(jié)果
1.1 最佳pH值
以NaOH溶液調(diào)節(jié)污泥pH進行熱堿法處理，考察在初始pH為9～13堿性條件時對污泥水解效果的影響，如圖2所示？芍寒敵跏紁H<12時，污泥破解率(DD)隨著堿量的增加而增加，由1.86%增加至37.94%。而當初始pH>12時，DD大幅增加，曲線坡度較陡，pH=13時溶出率達到最大值67.18%。通過觀察可以看到pH值與污泥DD呈正相關(guān)，大致分為2段，分析原因可能是因為堿破解污泥首先要破壞其絮體結(jié)構(gòu)，繼而才能分解微生物細胞，堿濃度較低時，不足以破壞細胞結(jié)構(gòu)，因而上清液中SCOD增加較少，COD溶出率增幅低；當堿濃度達到一定程度，2種結(jié)構(gòu)同時被破壞，可溶性有機物質(zhì)自胞內(nèi)流出，胞內(nèi)外大分子有機物都將水解成可溶性小分子有機物，上清液中SCOD大大提高，COD溶出率增幅高。
可溶性有機物蛋白質(zhì)和多糖的濃度變化規(guī)律與COD溶出率變化大致相同，多糖和蛋白的含量隨著pH增大而增大，并在pH為13時達到最大值，蛋白質(zhì)濃度最高達到917.39 mg/L，多糖濃度最高達到524.68 mg/L。多糖和蛋白來源于胞外聚合物水解和胞內(nèi)物質(zhì)的釋放，但同時也伴隨著自身的水解及其他反應(yīng)，由于堿濃度大，細胞破解效果好，自胞內(nèi)溶出和胞外聚合物水解產(chǎn)生的多糖蛋白含量遠高于較低pH條件。
控制污泥反應(yīng)時間與反應(yīng)溫度一定，細胞破解效率隨著反應(yīng)初始pH值增加而升高。因此，控制反應(yīng)初始pH為13，此時處理的剩余污泥具有最好的細胞破解效果。
1.2 最佳反應(yīng)溫度
為了防止蛋白質(zhì)變性失活，設(shè)置反應(yīng)水解溫度分別為30，45，60 ℃，考察在pH=13，反應(yīng)時間為12 h時水解溫度對污泥破解效果的影響，此時DD分別為67.18%、64.50%、64.95%，污泥破解率基本保持不變。觀察蛋白質(zhì)和多糖濃度變化，發(fā)現(xiàn)在30～60 ℃時，其濃度基本保持不變，蛋白質(zhì)濃度維持在900 mg/L，多糖的濃度在600 mg/L左右，不隨溫度的變化而大幅度變化。
污泥水解為吸熱反應(yīng)，溫度升高會使平衡正向移動，促進污泥的水解加快反應(yīng)進行。Appels等研究了反應(yīng)溫度在70，80，90 ℃時污泥破解效果，結(jié)果表明，在污泥預(yù)處理時間為30 min條件下，其DD依次為0.72%、2.98%、12.30%，溫度升高，DD顯著提高，有利于有機物的釋放。但從圖3中可看出：DD隨溫度變化不大，分析原因可能是因為當pH為13時堿濃度較高，污泥水解較為完全，即pH相較溫度對污泥破解影響更大，因此在低溫條件下，升高溫度對于細胞破解的促進效果不明顯。在許德超等的研究中亦有類似的說明。因此在后續(xù)的水解實驗中選擇水解溫度為常溫條件下30 ℃。
1.3 最佳反應(yīng)時間
在水解溫度為30 ℃和反應(yīng)初始pH為13的條件下，考察水解時間對污泥破解效果的影響，如圖4所示？芍篊OD溶出率與多糖濃度的變化趨勢大致相同，在前10 h，反應(yīng)劇烈升幅較大，在10 h時達到最大值，污泥破解率為61.53%，水相中的多糖濃度達到649.85 mg/L，在10 h以后趨于平緩保持不變。由數(shù)據(jù)分析可知，在一定時間內(nèi)增加水解時間能夠促進污泥的水解。
在初始階段污泥破解程度隨著反應(yīng)時間的增加而增大，分析原因主要是在前10 h污泥與堿液充分接觸發(fā)生反應(yīng)，加速細胞破解過程，使越來越多的有機質(zhì)得以釋放到水相中，而大分子有機物的水解占主導(dǎo)地位，表明此時已達到最大破解程度，即有機物質(zhì)已達到最大程度的釋放，濃度不再隨著反應(yīng)時間變化。隨著反應(yīng)進行，蛋白質(zhì)發(fā)生水解反應(yīng)生成氨基酸、多肽等，氨基酸進一步水解成小分子有機酸，胞內(nèi)蛋白質(zhì)的釋放與水相蛋白質(zhì)的水解不斷發(fā)生變化，導(dǎo)致蛋白濃度不穩(wěn)定。因此在該研究條件下，考慮反應(yīng)效果和能源消耗方面，確定實驗的最佳反應(yīng)時間為10 h，此時在最佳處理時間下，污泥破解效率提高，使得污泥破解完全的同時減少能量消耗。
2.動態(tài)實驗結(jié)果
參考靜態(tài)實驗設(shè)置連續(xù)運行的反應(yīng)器參數(shù)，確定水解溫度為30 ℃，反應(yīng)初始pH為13，同樣以DD和蛋白質(zhì)多糖的濃度表征污泥破解效果，考察污泥停留時間對動態(tài)實驗破解效果的影響，結(jié)果見圖5。結(jié)果表明：在反應(yīng)時間為10 h時取得最佳處理效果，DD達到75.77%，多糖濃度達到842.34 mg/L，其后基本不隨反應(yīng)時間變化，而蛋白質(zhì)濃度隨著反應(yīng)時間上下浮動。
對比靜態(tài)實驗和動態(tài)實驗可知：動態(tài)實驗下的各項指標的變化趨勢與靜態(tài)實驗大致相同，最佳處理時間均出現(xiàn)在10 h。而該實驗污泥在最佳條件下的破解效果遠好于靜態(tài)實驗處理的效果，在最適條件下，DD增加了14.24%，蛋白質(zhì)濃度增加了262.96 mg/L，多糖濃度增加了174.49 mg/L。在動態(tài)實驗連續(xù)進泥的過程中存在污泥反混作用，即瞬間進入反應(yīng)器的原污泥與處理過污泥的再混合，在循環(huán)攪拌泵的作用下，顆粒充分接觸碰撞。相較于靜態(tài)實驗，磁力循環(huán)泵攪拌力度較大，且污泥回流使未破解物質(zhì)二次破解，因此效果好于靜態(tài)實驗。由此可見，靜態(tài)實驗對動態(tài)實驗具有現(xiàn)實指導(dǎo)作用，為中試裝置奠定了基礎(chǔ)，應(yīng)用于污水處理廠批量污泥處理具有實際可行性。
03 結(jié) 論
1)在靜態(tài)實驗中，細胞破解效率隨著反應(yīng)初始pH值增加而升高，水相中的有機物和可溶性有機物濃度均增大，最佳pH為13；低溫條件下，升高溫度對于細胞破解的促進效果不明顯，設(shè)定常溫條件即30 ℃為最佳反應(yīng)溫度；污泥破解率在前10 h與反應(yīng)
時間呈正相關(guān)，隨后保持不變，即最佳處理時間為10 h。此時，COD溶出率、水相中的蛋白質(zhì)、多糖濃度依次為61.53%、761.73 mg/L、649.85 mg/L。
2)污泥動態(tài)實驗的最佳反應(yīng)時間同樣出現(xiàn)在10 h，但破解效果高于靜態(tài)實驗，在最佳條件下，COD溶出率增加了14.24%，蛋白質(zhì)濃度增加了262.96 mg/L，多糖濃度增加了174.49 mg/L。表明污泥靜態(tài)實驗對動態(tài)實驗具有現(xiàn)實指導(dǎo)作用，因此放大裝置破解污泥效果較好，具有實際可行性。
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