2023年《安全环境环保技术》之化学法调理生化污泥脱水效果研究.docx

化学法调理生化污泥脱水效果研究 ：针对城市污水处理厂的生化污泥含水量较高不利于后续处理的问题,采用次氯酸钠氧化法、芬顿(Fenton)氧化法及Fenton+氧化钙(CaO)联合法,通过单因素分析法优化工艺条件,对污泥进行脱水处理试验研究。结果说明:在优化工艺条件下,使用次氯酸钠对生化污泥进行氧化后,污泥含水率可由89.90%降至78.44%,产生滤液的质量约为污泥质量的50%;在Fenton氧化体系中,污泥的含水率可由89.90%降至65.32%,产生滤液的质量约为污泥质量的60%;而在使用Fenton+CaO联合法调理后,污泥的含水率可降至51.06%,产生滤液的质量约为污泥质量的56%。在Fenton氧化体系中参加CaO促进了铁离子的水解,氢氧化铁-硫酸钙与过量的硫酸钙结晶析出晶体,构成的刚性骨架在污泥中形成大量透水通道,提高生化污水的脱水性能。综合考虑污泥脱水效果和药剂本钱,确定污泥脱水的最正确调理方法为Fenton+CaO联合法。 关键词： 化学调理法 ; 污泥脱水 ; 生化污泥 ; 效果 城镇化和工业化的高速开展使生活污水和工业废水排放量快速增加,污水经污水处理厂处理后产生大量的副产物——污泥[1,2,3,4,5]。污泥含水率较高(90%~99%),将其机械脱水后,含水率仍高达80%以上,无法满足后续处置如堆肥、填埋及燃烧等的要求(通常含水率需低于60%)[6,7,8]。这是由于污泥中存在大量由蛋白质、多糖、核酸及腐殖质构成的胞外聚合物(EPS),EPS普遍存在于污泥絮体内部及外表,具有很强的水分结合能力[9,10],使通过机械脱水不能将细胞内部的结合水去除[11]。因此,寻求一种有效提高污泥脱水性能的方法具有一定的工程应用意义。 目前,污泥脱水方法主要包含化学法[12,13]、物理法[14,15]以及生物法[16,17]等。国内外多采用投加调理药剂对污泥进行脱水,常用的调理药剂有次氯酸钠(NaClO)[18,19]、芬顿(Fenton)试剂[20,21]以及Fenton试剂+氧化钙(CaO)[22,23]等。NaClO具有很强的氧化性和漂白作用[24],其在水溶液中易分解产生HClO与ClO-,ClO-在被复原的过程中得到电子而具有极强的氧化性,HClO较易分解生成具有强氧化性的新生态氧[25],故NaClO在日常生活及工业中的应用甚广。Fenton试剂在污泥调理方面的应用亦颇为广泛,通常Fenton氧化体系由Fe2+-H2O2组成,在酸性介质中,H2O2在Fe2+的催化下,产生自由基(·OH),利用·OH的氧化能力(标准氧化复原电位为2.80 V)[26]破解细胞以改善污泥的脱水性能。通常使用Fenton试剂处理后,污泥的pH呈酸性,且黏度较大,脱水速率较慢。研究发现[27],在Fenton反响后参加CaO可调节污泥pH和温度,以实现污泥杀菌的目的。另外,CaO的参加可有效改变污泥的性质,使其由致密、黏稠变得疏松、流动性能好,从而便于储存和运输。 笔者采用NaClO氧化法、Fenton氧化法以及Fenton+CaO联合法对生化污泥进行处理,考察3种方法对污泥脱水效果的影响,以期为生化污泥的平安处置提供参考。 1 材料与方法 1.1 试验仪器与材料 1.1.1 试验仪器 电子分析天平(AL204,梅特勒-托利多仪器);高速离心机(TGL-15B,上海安亭科学仪器厂);机械搅拌器(ZD267,北京京伟欣业电器);酸度计(pHS-25,上海乐傲试验仪器);真空枯燥箱(DZF-6020,南京大卫仪器设备)。 1.1.2 试验材料 NaClO(化学纯,国药集团化学试剂);H2SO4(分析纯,国药集团化学试剂);FeSO4·7H2O(分析纯,国药集团化学试剂);30%H2O2(分析纯,国药集团化学试剂);CaO(分析纯,上海凌风化学试剂)。试验所用生化污泥取自南京某污水处理厂的剩余污泥,试验开展前未进行任何处理,其根本特征如表1所示。 1.2 试验方法 称取一定量的生化污泥样品,由于其含水率较高,先将盛放样品的蒸发皿置于水浴锅上蒸干,在搅拌条件下参加不同调理药剂,调理结束后过滤,烘干所得滤饼并测定其剩余含水率。 1.2.1 NaClO氧化法 1.2.1.1 pH的影响 取5份100 g污泥,分别参加0、1.00、1.25、1.50和1.75 mL H2SO4调节污泥的初始pH,搅拌均匀后参加有效氯浓度高于5.2%的NaClO溶液4.0 mL,搅拌均匀后静置120 min。 1.2.1.2 NaClO投加量的影响 取5份100 g污泥,分别参加1.25 mL H2SO4调节污泥的初始pH,搅拌均匀后分别参加有效氯浓度高于5.2%的NaClO溶液1.0、2.0、3.0、4.0和5.0 mL,搅拌均匀后静置120 min。 1.2.2 Fenton氧化法 1.2.2.1 pH的影响 取5份100 g污泥,分别参加0、1.00、1.25、1.50和1.75 mL H2SO4调节污泥的初始pH,搅拌均匀后参加FeSO4·7H2O与30%H2O2(密度为1.11 g∕mL)质量比为1:5.0的Fenton试剂,其中30%H2O2的投加量为2.5 mL,搅拌均匀后静置120 min。 1.2.2.2 Fe2+与H2O2质量比的影响 取5份100 g污泥,分别参加1.25 mL H2SO4调节污泥的初始pH,搅拌均匀后参加FeSO4·7H2O与30%H2O2质量比分别为1:10.0、1:7.5、1:5.0、1:2.5和1:1的Fenton试剂,其中30%H2O2的投加量为2.5 mL,搅拌均匀后静置120 min。 1.2.2.3 Fenton试剂投加量的影响 取5份100 g污泥,分别参加1.25 mL H2SO4调节污泥的初始pH,搅拌均匀后参加FeSO4·7H2O与30%H2O2质量比为1:5.0的Fenton试剂,其中30%H2O2的投加量分别为1.0、1.5、2.0、2.5和3.0 mL,搅拌均匀后静置120 min。 1.2.3 Fenton+CaO联合法 取6份100 g污泥,参加1.25 mL H2SO4调节污泥的初始pH,搅拌均匀后参加FeSO4·7H2O与30% H2O2质量比为1:5.0的Fenton试剂,其中30% H2O2的投加量为2.5 mL,搅拌均匀并静置120 min后,分别参加质量为1.5、2.0、2.5、3.0、3.5和4.0 g CaO,反响60 min后过滤。 1.3 分析方法 1.3.1 污泥含水率的测定 采用CJ∕T 221—2023城市污水处理厂污泥检验方法中重量法进行含水率的测定。用恒重为m1的蒸发皿称取污泥样品约20.000 g,记为m。污泥样品脱水后,放入103~105 ℃烘箱中枯燥2 h,取出放入枯燥器中冷却至室温,称重,反复屡次,直至恒重,记为m2。污泥的剩余含水率(w)计算公式为: w=[m-(m2-m1)]∕m×100% 1.3.2 滤液pH的测定 将污泥样品过滤后,所得滤液用于pH的测定。在测定滤液pH前,应将用蒸馏水清洗后的电极放入pH为4.00、6.86与9.18的缓冲剂中进行仪器标定,校准后测定滤液pH。 2 结果与分析 2.1 NaClO氧化法对污泥调理的效果 2.1.1 pH对污泥调理效果的影响 pH对NaClO氧化法调理后污泥剩余含水率的影响如表2所示。由表2可知,NaClO在酸性体系中的氧化效果优于碱性体系,污泥的剩余含水率随着pH减小而降低。其原因在于H+浓度的增加使体系中HClO浓度升高,而HClO的氧化能力远远强于ClO-(HClO∕Cl-的标准电极电势为1.49 V,ClO-∕Cl-标准电极电势为0.89 V),污泥被氧化之后与水的结合作用减弱,提高了体系的脱水性能。但当pH降至2.07时,污泥的剩余含水率反而升高,可能是因为污泥的等电点在pH为2左右,此时污泥容易产生凝结现象,进而影响了污泥的脱水效果[28]。因此,NaClO氧化法调理的最正确pH为3.09,此时H2SO4的投加量为15 L∕t(以污泥质量计,全文同)。 2.1.2 NaClO投加量对污泥调理效果的影响 NaClO投加量对NaClO氧化法调理后污泥剩余含水率的影响如表3所示。由表3可知,随NaClO溶液投加量由1.0 mL增至4.0 mL,污泥的剩余含水率不断降低,这是由于随着体系中HClO与ClO-浓度的增加,被氧化的污泥量增加,进而提高了污泥的脱水率。NaClO溶液投加量继续增至5.0 mL时,污泥的剩余含水率变化不明显,这是因为在一定酸度条件下,过量的ClO-转化为HClO的量不再明显增加。NaClO溶液投加量为4.0 mL时,污泥的剩余含水率到达最低(78.44%),产生滤液的质量约为污泥质量的50%。因此,适宜的NaClO投加量为40 L∕t。 2.2 Fenton氧化法对污泥调理的效果 2.2.1 pH对污泥调理效果的影响 pH对Fenton氧化法调理后污泥含剩余水率的影响如表4所示。由表4可知,pH对Fenton试剂调理后污泥剩余含水率的影响较大,当滤液pH从8.87降至2.65时,污泥的剩余含水率有效降低,说明在该pH范围内,污泥的物理特性发生了明显变化并影响污泥的相关微观特征。继续降低pH至1.68时,由于污泥颗粒变小导致过滤缓慢,且易导致污泥产生凝结现象,使污泥的剩余含水率升高[28]。因此,在后续处理过程中,体系pH调至2.65,H2SO4投加量设为12.5 L∕t。 2.2.2 Fe2+与H2O2质量比对污泥调理效果的影响 Fe2+与H2O2质量比对调理后污泥剩余含水率的影响如表5所示。由表5可知,当Fenton试剂中Fe2+浓度增加时,污泥的脱水效果随之提高,当FeSO4·7H2O与30%H2O2的质量比为1:5.0时,经过滤后污泥的剩余含水率到达最低,为65.32%,这是由于在该比例范围内,氧化体系中H2O2在Fe2+的催化作用下,·OH的产生量增加,进而能够有效地破坏污泥的胞外聚合物,使污泥中局部水分得以有效释放。继续增大Fe2+与H2O2的质量比时,污泥的剩余含水率反而上升,这是由于体系中Fe2+可迅速催化Fenton反响的完成,在短时间内产生较大量的·OH,造成污泥中局部·OH浓度过高,使对污泥的氧化作用不充分;此外,多余的Fe2+充当了·OH的抑制剂,使大量的·OH被多余的Fe2+消耗,降低了整体的氧化能力,进而降低了处理效果[18,23,29]。因此,在该氧化体系中,宜采用的FeSO4·7H2O与30%H2O2质量比为1:5.0。 2.2.3 Fenton试剂投加量对污泥调理效果的影响 Fenton试剂投加量对调理后污泥剩余含水率的影响如表6所示。由表6可知,当Fenton试剂投加量为1.0~2.5 mL时,污泥的剩余含水率随着Fenton试剂投加量的增加而减小;继续提高Fenton试剂投加量至3.0 mL时,污泥的剩余含水率略有提高。这是由于Fenton试剂投加量越大,可提供的·OH更多,使得污泥氧化程度越高,脱水效果越好。但过量的Fenton试剂会导致胞外聚合物被过度氧化,释放出更多的胞外物质,同时局部细胞被氧化破裂后释放大量的蛋白质与DNA等胞内物质,该类物质带负电性且具有一定的亲水性能,进入液相导致滤液黏度增加,不利于污泥中絮体的聚集及水分子的别离。另外,细胞被氧化破裂后的细胞壁碎片会造成污泥颗粒减小,严重恶化污泥的脱水性能。因此,宜选择的Fenton试剂投加量为25 L∕t,此时产生滤液的质量约为污泥质量的60%。 2.3 Fenton+CaO联合法对污泥调理的效果 Fenton+CaO联合法调理时,CaO投加量对调理后污泥剩余含水率的影响如表7所示。由表7可知,当CaO投加量从1.5 g增至3.0 g时,污泥的剩余含水率从62.82%降至51.06%;继续增加CaO投加量至3.5和4.0 g时,污泥的剩余含水率升高。这是由于在Fenton体系中投加CaO后,提高了反响体系的pH,进一步加速Fe3+水解成氢