超声破解测定活性污泥总氮、总磷和COD研究综述_边德军.pdf

1 2/2 56 6-7 0长春工程学院学报(自然科学版)2 0 2 2年 第2 3卷 第4期J.C h a n g c h u n I n s t.T e c h.(N a t.S c i.E d i.),2 0 2 2,V o l.2 3,N o.4I S S N 1 0 0 9-8 9 8 4C N 2 2-1 3 2 3/Nd o i:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.1 0 0 9-8 9 8 4.2 0 2 2.0 4.0 1 2超声破解测定活性污泥总氮、总磷和C O D研究综述收稿日期:2 0 2 2-0 5-0 4基金项目:吉林省环境保护科研项目(2 0 2 1-1 4)长春工程学院学校科技基金项目(3 2 0 2 0 0 0 4 8)作者简介:边德军(1 9 6 7-),男(满),辽宁锦州人,博士,教授主要研究城市污水处理。边德军1,2,齐 鹏1,2,康 华1,2,曾尚景1,2,孙雪健2(1.长春工程学院水利与环境工程学院,长春 1 3 0 0 1 2;2.吉林省城市污水处理重点实验室,长春 1 3 0 0 1 2)摘 要:准确测定污泥中T N、T P和C O D含量,是实现剩余污泥资源再生利用的前提。超声处理作为一种物理方法,具有耗能低、药耗少且不会对环境造成二次污染等优点。因此,从超声破解应用于活性污泥中T N、T P和C O D检测方向出发,总结了超声时间、频率和功率等参数优化研究现状,综合超声联合方法对检测结果的影响,为超声破解法测定活性污泥中T N、T P和C O D推广应用提供参考。关键词:超声破解;活性污泥;影响因素;优化中图分类号:X 7 0 3文献标志码:A 文章编号:1 0 0 9-8 9 8 4(2 0 2 2)0 4-0 0 6 6-0 50 引言随着城市化进程的加快,我国污水年产量不断增加,剩余污泥的产量也逐年增长1。据统计,2 0 2 0年2 0 2 5年,我国污水处理厂剩余活性污泥年排泥量达到6 0 0 0万t以上2。目前,国内污水处理厂处置污泥的方法为土地填埋、干化焚烧和厌氧消化,不仅处置成本高而且会造成环境污染3。而污泥中含有丰富的碳、氮、磷等资源4,污泥经过适当处理后,不仅可以用作农作物养料,还可以转化为可利用的再生资源,从而创造极高的经济价值和良好的生态价值5-6。实现污泥资源化利用的关键是准确测定污泥中的T N、T P及C O D含量。超声破解作为一种物理手段,被广泛应用于物质萃取、物质探测和灭菌7。目前,超声被应用于活性污泥处理领域的研究主要集中在污泥内营养物和粒径及微生物活性的影响探究8-9。研究结果均表明了超声处理方法具有无污染、破解速率高、处理效果好等优点1 0。然而,超声破解法测定污泥中T N、T P及C O D含量的方法并未实现普遍应用。本文从检测活性污泥中T N、T P和C O D含量的角度出发,指出传统检测方法的不足,分析超声破解活性污泥的影响因素,并结合超声检测方法与碱、络合剂和臭氧等物质联用的应用效果,为超声作为前处理测定活性污泥中T N、T P和C O D的检测方法实现广泛应用给出建议。1 活性污泥中T N、T P和C O D的传统检测方法1.1 T N检测方法活性污泥中的氮分为单元素形态和复杂的氮杂芳烃形态1 1,主要存在于活性污泥微生物细胞的脂类、蛋白质和木质素中1 2-1 3。活性污泥中T N的检测范围包括亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、无机铵盐及有机含氮化合物1 4。杨涛等1 5称取0.10.2 g污泥试样进行过筛前处理,消解后进行检测,方法的精密度为2.9 2%4.2 3%,加标回收率为9 2.2%1 0 4%。但该方法在消解氧化过程中存在氧化不完全等问题,使得该方法在应用和普及过程中受到较大限制。谌靓靓等1 6采用全自动凯式定氮仪测定T N,取污泥样品1 g进行消解,利用释放出的氨气的量计算样品 中 氮 的 含 量,测 量 精 密 度 达 到1.9 0%2.6 0%,加标回收率达到9 1.8%9 7.7%。由于应用该检测设备使得检测成本提高,因此该方法难以实现广泛应用。陈杰等1 7把污泥样品的取样量控制在0.0 1 50.0 2 5 g,进行消解测量,得到的精密度1.5%,加标回收率为9 4%1 0 7%。但该方法在消解后的移液过程中会存在少量残留,使得测量数据存在误差。1.2 T P检测方法活性污泥中磷元素的存在形式包括无机磷、非磷灰石态无机磷、磷灰石态无机磷、有机磷和生物有效磷1 8,主要存在于活性污泥微生物细胞和细胞外聚合物中1 9。周旭红等2 0准确称量0.1 g污泥样品,采用氢氧化钠熔融,在6 0 06 5 0 的高温下消解3 0 m i n,加入显色剂等待显色后进行测量,检测精密度1%,加标回收率为1 0 1.3%1 0 3.6%。张肖静等2 1对样品预处理过程进行了优化,用纯水洗泥3次,洗去溶解性磷酸盐,只考虑污泥本身的含磷量,并在6 0 下烘干污泥样品,消解后测量,检测精密度1.0%,加标回收率为9 8%1 0 4%。但该方法在污泥烘干过程中温度较高,会造成部分(挥发性)磷的损失,导致测量结果不准确。蒯丽君等2 2进行了微波消解法测定活性污泥中T P,对活性污泥依次进行1 2 0、2 m i n/1 5 0、4 m i n/1 9 0、1 5 m i n的消解,使污泥中的T P氧化为正磷酸盐,随后在样品中加入钼酸铵抗坏血酸生成磷钼蓝,进行测 量。分 析 结 果 显 示,精 密 度 达 到0.6 3%0.9 5%,加标回收率达到1 0 1%1 0 2%,具有较高的准确性和稳定性。但该方法在检测过程中使用微波消解系统,使样品检测费用高,并且3次消解过程操作复杂,因此不适合广泛推广应用。1.3 C O D检测方法目前尚无活性污泥中C O D含量的检测方法,仅有针对超声 后上清液 中的溶 解 性 化 学 需 氧 量(S C O D)进行的测定2 3-2 4。前述研究结果说明,传统的前处理方法存在药品消耗大和操作复杂等问题,不能实现广泛应用和普及,需要开拓新的检测方向。超声能将污泥絮体分解成更细的颗粒,释放出胞内物质,改善污泥的脱水性能,被认为是一种高效无污染的污泥减量化方法2 5-2 6。近年来学者对超声测定活性污泥中T N、T P及C O D等指标检测过程参数进行了深入细致的研究,对未来的实际应用具有重要的参考价值。2 超声破解活性污泥的影响因素研究2.1 超声时间的影响MA R T I N,e t a l 2 7对活性污泥进行超声处理,设定时间参数分别为0、1 5、3 0、4 5、6 0 m i n。结果表明,超声时间的延长能够增加污泥中有机质含量的释放。刘庆玉等2 8对污泥溶解性化学需氧量增加值(S C O D+)与超声时间的关系进行了研究,分别采用1 0、2 5、4 0、5 5和7 5 m i n的超声预处理,结果表明超声时间在1 05 5 m i n与S C O D+浓度存在线性关 系,随 着 超 声 时 间 的 增 长,S C O D+浓 度 由1 5 4.8 1 m g/L增至3 6 0.9 3 m g/L,继续增加超声时间至7 5 m i n,S C O D+在此区间趋于平稳波动。王芬等2 9研究了污泥经不同时间超 声前处理后 的S C O D溶出率,在p H为8、9、1 0、1 1、1 2的条件下,设定时间分别为5、1 0、1 5、2 0、2 5、3 0、4 0和6 0 m i n,对超声后的污泥样品进行检测,结果发现,随着作用时间 的 增 加,S C O D的 溶 出 率 持 续 增 长,其 中 前3 0 m i n增量最大,随后趋于平稳。前述结果均表明存在最佳超声效果区间,且随着时间的延长,污染物检测值趋于平稳。在此基础上,曹秀芹等3 0对超声破解活性污泥最佳效果区间原因进行了探究。通过检测B O D/S C O D随时间变化的规律,发现其比值随着作用时间的增长显著提高,即经过超声处理后,可生物降解性能显著提高。分析表明,污泥经过超声处理后细胞壁破裂,污泥胞内物质被释放,但由于细胞壁数量有限,达到一定时间范围,可释放的胞内物质减少,各物质含量增速变缓后趋于平稳,所以存在超声破解污泥程度随时间增长的情况和最佳的超声时间范围。但由于污泥浓度、粒径方面的差异及试验条件不同,通过各实验得出的最佳超声时间区间不同,未来推广检测需要规定污泥浓度和粒径范围,以此保证检测的可推广性。2.2 超声频率的影响超声波是一种频率2 0 k H z的声波,它可以在气体、液体、固体中进行有效传播。在一定频率下的超声波会产生大的空化气泡,当气泡坍塌时会产生大量的射流,对污泥施加强大的剪切力,破碎污泥的菌胶团3 1-3 2。T i e h m,e t a l3 3设定超声频率为4 13 2 1 7 k H z进行实验,结果表明4 1 k H z时污泥固体分解并释放出的有机化合物最多,即污泥破解程度最高。晏鹏等3 4在功率为1 0、2 0、3 0、4 0、5 0 W的条件下,分别在频率为2 0 k H z和4 0 k H z的参数下进行超声处理2 0 m i n,对破解后污泥中的T N、T P和S C O D浓度进行测量。结果表明,超声频率为4 0 k H z的污泥破解效果远远高于2 0 k H z时,超声频率较高时有助于污泥破解。蒋建国等3 5在1 9、2 5、4 0、8 0 k H z的频率下探究了超声作用后的污泥脱水效果,其控制处理时间为3 0 s,声能密度为0.0 5 W/m L和0.1 W/m L。结果表明在0.0 5 W/m L的声能密度下,1 9 k H z超声波处理后污泥的含水率降低1 4.3%,8 0 k H z时仅降低8%;在0.1 W/m L的声能密度下,1 9 k H z超声波处理后污泥含水率降低9.6%,8 0 k H z时降低3.0%。由此看出,低频率、低声能密度更有利于污泥破解。前述研究结果说明,超声频率并不能单独反映出污泥破解的效果,是超声频率与时间等参数共同作用的结果3 6。因此在将超声应用于T N、T P和S C O D含量的检测时需要结合超声功率和声能密度共同确定超声频率参数。2.3 超声功率的影响NGO C T L,e t a l3 7在总功率量一定的前提下,进行了低功率和高功率超声对污泥破解效果的研究,控制功率范围为7 51 5 0 W,同时设定超声时间随功率的升高而减小。结果显示,功率为7 5 W且超声时间最长时,活性污泥的平均粒径减小量最大,分为由4 0 8、1 1 7和1 1 0 m减小至9 49 7 m、3 74 2 m和3 64 0 m,说明低功率长时间作用比高76 边德军,等:超声破解测定活性污泥总氮、总磷和C O D研究综述功率短时间作用的超声破解效果好。韩萍芳等3 8研究超声功率对活性污泥破解的影响时,在实验过程中控制超声时间为9 0 s,设置超声功率范围为01 2 0 W,通过检测活性污泥含水率变化来表征污泥破解效果。结果表明,功率为4 4 W时脱水效果最佳,增大或降低功率时脱水效果均变差。这说明超声破解活性污泥存在最佳功率范围,功率过低不能将污泥中的细胞壁完全打碎,功率过高时由于空化效应会增加污泥的过滤比阻,同样不利于污泥的破解。薛玉伟等3 9在进行超声功率对污泥破解效果研究时,考察了功率间单独超声和组合超声作用的破解效果,通过设置功率为5 0、4 0 0、8 0 0和1 2 0 0 W进行单独作用和组合作用,以S C O D+的数据代表活性污泥破解程度。结果表明,当单功率工作时,5 0 W的破解效果最佳,S C O D+增量为最大,且当比能耗相同时,单一高功率虽然会大大缩短作用时间,但S C O D+较小;当功率组合工作时,功率间差值小的组合(5 0、4 0 0和8 0 0 W)更利于污泥破解,最小功率作用越久,S C O D+越大,破解效果越优。前述研究均表明,在总能耗一定的前提下,相较于高功率短时间的超声设定,低功率长时间超声破解活性污泥更具有破解优势,污