超声-碱破解剩余污泥的条件优化_沈婷婷.pdf

文章栏目：固体废物处理与资源化DOI10.12030/j.cjee.202212038中图分类号X703文献标识码A沈婷婷,张杰,张光明,等.超声-碱破解剩余污泥的条件优化J.环境工程学报，2023,17(6):1947-1954.SHENTingting,ZHANGJie,ZHANG Guangming,et al.Condition optimization of ultrasonic-alkali treatment of excess sludgeJ.Chinese Journal of EnvironmentalEngineering,2023,17(6):1947-1954.超声-碱破解剩余污泥的条件优化沈婷婷1，张杰1，张光明1，王洪杰21.河北工业大学能源与环境工程学院，天津300401；2.河北大学生态环境学院，保定071000摘要剩余污泥水解是实现污泥减量化和解决污水处理厂生物脱氮除磷中碳源不足的重要途径。以浓缩池污泥为对象，通过正交实验对超声-碱联合处理条件进行优化，考察了污泥破解率、上清液 C/N 与 C/P 的变化，并进行经济性分析。结果表明，对污泥破解率、上清液 C/N、C/P 影响最大的 3 个因素分别为 pH、声能密度、pH。综合考虑 3 者，得到最佳操作条件为，声能密度=1.5WmL1、超声时间=15min、pH=10、碱处理时间=1.5h，在此条件下，污泥 VSS 去除率可达 35左右，可以减少污泥处置的成本。上清液 SCOD7600mgL1、C/N30、C/P60，可以制备高碳低氮磷的污泥上清液回流，在大规模应用中比外加碳源的方式要节约成本。本研究结果可为超声-碱破解污泥的实际工程提供参考。关键词剩余污泥；超声波；碱性调节；污泥破解我国污水处理厂普遍存在碳源不足的情况，常通过外加碳源(甲醇、乙酸、葡萄糖等)来解决此类问题1。此类处理方式有可能会带来剩余污泥产量的增加，亦会提高运行费用。通过采用污泥破解技术，可以释放污泥中的大量有机物，既可以制备高含碳上清液，将其回用到处理工艺中，解决系统碳源不足问题2，又能够实现剩余污泥部分减量3，以降低污水处理厂运行成本。污泥破解的主要方法有微波4、珠磨5、超声波6等机械方法与热处理7-8，碱解法9与氧化法等10。其中，超声-碱联合方法具有一定优势，超声波能短时间内促进细胞有机物的释放，碱解能促进有机物的水解11，二者协同效果要优于单独使用。郝赟等11发现，当 pH 为 11 和 12 时，污泥破解率分别为 1.5%和 5.2%；与 0.05WmL1超声波联合作用 30min 后，可分别提升至 7.3%和15.8%。刘昌等12经过碱/超声联合处理(pH=12、2WmL1，超声作用 30min 后静置 20h)后，SCOD 增加了 221%，总磷析出率可达 2.53%。还有研究发现，通过 0.5、1.0 和 1.5WmL1超声与0.05molNaOH 处理，作用 10min 时，SCOD 破解率增加至 22.7%、38.8%和 41.2%13-14。BAO 等15的 研 究 中，超 声-碱(pH=10，超 声 频 率 为(24+48)kHz，声 能 密 度 0.5kWmL1)处 理 10min，SCOD 从 498mgL1增加到 6872mgL1，增加了 13.8倍。因此，超声-碱破解剩余污泥处理可释放内源碳，作为污水处理系统脱氮除磷的碳源，同时这种技术减少了剩余污泥量2。然而，现有研究重点考虑了污泥中 SCOD 的释放，未注意到同时释放的 N、P，如果污泥中N、P 释放过多，所得上清液中 C/N、C/P 变低，不利于用做脱氮除磷的碳源。本研究综合考虑污收稿日期：2022-12-07；录用日期：2023-02-27基金项目：国家自然科学基金资助项目(52070067)第一作者：沈婷婷(1999)，女，硕士研究生，；通信作者：张光明(1973)，女，博士，教授，环境工程学报Chinese Journal ofEnvironmental Engineering第 17 卷 第 6 期 2023 年 6 月Vol.17,No.6Jun.2023http:/E-mail:(010)62941074泥破解率、上清液 N、P 的变化，以期在获得高污泥破解率、高含碳上清液的同时控制上清液C/N、C/P，避免上清液中氮磷过高；采用正交试验，使用超声-碱的污泥破解方法，优化高SCOD 和高 C/N、C/P 的所需超声-碱解条件。1材料与方法1.1装置与材料所用污泥取自天津市北仓污水处理厂浓缩池污泥，其性质如表 1 所示。主要设备包括，超声仪(JY92-IIN，宁波新芝生物科技股份有限公司)；台式高速离心机(TG16-WS，湖南湘仪实验室仪器开发有限公司)；消解仪(LH-25A，北京连华永兴科技发展有限公司)；多参数水质分析仪(LH-3BN，北京连华永兴科技发展有限公司)；烘箱(101-1B，浙江力辰仪器科技有限公司)；马弗炉(KSL-1100X-S，合肥科晶材料技术有限公司)；pH 计(PHS-2F，雷磁上海仪电科学仪器有限公司)。1.2实验方法1)实验设计。本研究采用正交试验设计，使用低强度超声波16-18，选取 NaOH 作为碱解剂19-21，设计了 4 个关键因素(A=声能密度(WmL1)，B=pH，C=超 声 时 间(min)，D=碱处理时间(h)开展 3 水平的正交实验，如表 2 所示。2)实验操作。取 100mL 污泥于烧杯中，根据设定条件(表 1)向烧杯中投加氢氧化钠，不断搅拌使得污泥混合均匀，pH 稳定后，转移到超声仪器内，超声探头淹没泥面下 1cm，超声破解(开 2s，停 2s)一定时间。取 50mL在 10000rmin1的转速下离心 5min 后获取上清 液。测 定 反 应 后 上 清 液 的 性 质(SCOD、TN、TP)。剩余的 50ml 污泥进行 VSS 的测定。若不立即测样，则将污泥保存在80的环境中，所有实验样品均在 48h 内分析。各实验条件进行 3 组平行实验，实验结果取 3 组平行实验平均值。1.3分析项目与方法1)污泥破解率。超声-碱破解后的污泥破解率，如公式(1)所示。DD=(SCODSCOD0)(TCOD0SCOD0)100%(1)式中：SCOD，SCOD0为处理过和未处理的溶解性 COD，mgL1；TCOD0为污泥中的总 COD，mgL1。2)超声波功率。耗散到液体中的超声功率使用量热法22-23计算，比热量功率如公式(2)所示。表1污泥的基本性质Table1CharacteristicsofsludgeVSS/(gL1)TCOD/(mgL1)pHSCOD/(mgL1)TN/(mgL1)TP/(mgL1)C/NC/P13.5439146.716.812999.6734.9647.0385.8163.78表2正交试验设计表Table2Orthogonaltests实验编号声能密度/(WmL1)pH超声时间/min碱处理时间/h11101512111251.5311235241.51025251.51135161.512151.57210351.582111529212251注：超声模式为开2s，停2s，超声时间为总运行时间而不是有效运行时间。1948环境工程学报第17卷P=(dTdt)Cm(2)式中：P 是量热法确定的功率，WmL1；dT/dt 是每秒升温，s1；C 是水在 25 时的比热容，4.2103J(kgK)-1；m 是水的质量，kg。超声波声能密度如公式(3)所示。Ppowerdensity=PV(3)式中：Ppowerdensity是超声波声能密度，WmL1；V 是处理污泥体积，mL。3)参照水和废水监测分析方法(第 4 版)24中相关检测方法：TCOD、SCOD 采用重铬酸钾法；TP 采用钼酸铵分光光度法；TN 采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法；VSS、TS 采用重量法测定。2结果与讨论2.1污泥破解率pH10 时，释放增加25。由表 3 可知，破解率随 pH 的增加而增加26，且 pH 为 12 时的 SCOD 远高于低 pH 条件下的 SCOD，这与康晓荣等27的研究一致，R(极差)越大，该因素变化对实验影响越大，各因素对其影响大小为：pH声能密度碱处理时间超声处理时间。由表 4 的方差分析可看出，pH 对破解率具有显著影响。图 1 为破解率随不同因素水平变化的曲线。实验条件下，破解率随声能密度增加而增加，随pH 增加而增加，具有指数增长趋势11。破解率随着超声时间推移，有下降的趋势，说明溶解性有机物的消耗量上升。CHU 等16的研究发现，低强度超声对 SCOD 的释放作用不大，但是超声作用后期随着温度的增长以及自由基的作用，SCOD 却有一定的增长。另一方面，超声波作用使絮体分解，固液触面积变大，对溶解态的有机物吸附能力增强；而且随着超声波作用时间延长，环境温度上升，溶液的均质性提高，对污泥生物的生化反应起了促进作用，这些因素又会引起SCOD 的下降。破解率随声能密度增大而增大，声能密度=2WmL1时，破解率最大。破解率随 pH 增大而增大，pH=12 时，破解率最大。破解率随超声时间增大而减小，超声时间=15min 时，破解率最大。破解率随碱处理时间增大，呈现先增加后减小的趋势。碱处理时间=1.5h 时，破解率最大。推荐组合为声能密度=2WmL1、pH=12、超声时间=15min、表3污泥破解率极差分析Table3Rangeanalysisofsludgedisintegrationdegree实验编号声能密度/(WmL1)pH超声时间/min碱处理时间/h破解率/%11101512.90.272111251.53.50.3431123529.50.5741.5102523.00.2651.5113512.80.4361.512151.512.80.107210351.55.00.0982111524.90.14921225113.10.70K15.33.6336.8676.267K26.23.7336.5337.100K37.66711.8005.7675.800R2.3678.161.1001.300表4污泥破解率方差分析Table4Varianceanalysisofsludgedisintegrationdegree因素偏差平方和 自由度F比F临界值 显著性声能密度/(WmL1)8.56224.48519.000pH131.776269.02919.000*超声时间/min1.90921.00019.000碱处理时间/h2.60221.36319.000误差1.912注：“*”表示F比F临界值，即差异显著。第6期沈婷婷等：超声-碱破解剩余污泥的条件优化1949碱处理时间=1.5h，此时破解率理论值最大。2.2污泥上清液 C/N 比与 C/P 变化随着超声强度及 pH 的增加，破解率的升高也会带来污泥上清液中氮和磷的含量升高，应注意到 N、P 的释放带来的影响。污泥中的氮主要以蛋白质的形式存在，在预处理过程中，蛋白质水解，污泥中的氮形态发生转变，转化成 NH-4-+-N；超声-碱处理能破坏细胞膜、DNA 和 RNA，导致污泥中一部分磷释放28，本研究为计算上清液 C/N、C/P，测量了 TN、TP。根据表 5 结果，当超声和碱处理较弱时，TN 的释放相对于 SCOD 较低，表现为高C/N。一般认为 C/N15 时29，生物脱氮具有较好的处理效果，所有实验结果皆大于这个数值。由 R 可知，各因素对于 C/N 影响大小：声能密度pH超声处理时间碱处理时间。因此，应控制声能密度在较低范围内以避免 C/N 过低。图 2 为 C/N 随 不 同 因 素 水 平 变 化 的 曲线，随着声能密度的变化，C/N 基本上呈下降趋势，说明在污泥絮体分解时，含氮物质溶出较 SCOD 快。WANG 等30研究发现，超声波作用时，1040min 期间释放的溶解性蛋白质比碳水化合物高得多。高碱促进污泥更快地进入水