臭氧处理剩余污泥的减量化实验研究

第6卷　第11期环境工程学报Vol.6,No.112012年11月ChineseJournalofEnvironmentalEngineeringNov.2012臭氧处理剩余污泥的减量化实验研究何楚茵1,2　金　辉1,2∗　卜淳炜1　温子成1　李　赟1(1．中山大学环境科学与工程学院,广州510275;2．广东省环境污染控制与修复技术重点实验室,广州510275)摘　要　采用质子交换聚合物膜电解法(PEM)产生臭氧,单独对剩余污泥进行氧化破解实验,结果表明,随着臭氧化反应时间的增加,污泥微生物细胞裂解,胞内物质进入到污泥溶液中,污泥固体物质减少,使得TS和VTS均显著下降,处理40min后,其去除率分别达到57．33%和72．76%;SCOD前30min呈线性增长,通入臭氧60min后,由处理前的3501．24mg/L上升到6298．32mg/L,增长率达79．88%;SV30及滤饼含水率均呈下降趋势,表明剩余污泥的沉淀性能及脱水性能得到明显改善。实验结果表明,直接利用臭氧对剩余污泥进行处理,可获得良好的减量化效果。关键词　剩余污泥　减量化　臭氧　总固体浓度　挥发性总固体浓度　溶解性COD中图分类号　X705　　文献标识码　A　　文章编号　1673-9108(2012)11-4228-07ExperimentalstudyonperformanceofozonationdisintegrationforexcesssludgereductionHeChuyin1,2　JinHui1,2　BuChunwei1　WenZicheng1　LiYun1(1．SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,SunYat-senUniversity,Guangzhou510275,China;2．GuangdongProvincialKeyLaboratoryofEnvironmentalPollutionControlandRemediationTechnology,Guangzhou510275,China)Abstract　Continuousexperimentsinlabscaleprocesswerecarriedouttostudytheeffectofexcesssludgeozonationandreducethecostofsludgereduction.Duringthetreatmentprocess,variousparameterscharacteri-zingsludgewereinvestigated.Asubstantialreductioninthevolumeofsludgewasobserved.Afterozonecon-sumptionof40minutes,theremovalefficienciesoftotalsolid(TS)andvolatiletotalsolid(VTS)increasedto57．33%and72．76%,respectively.Solublechemicaloxygendemand(SCOD)proliferatedasaconsequenceofextendingtheozonefeedingtimeinthefirst30minutes,androsetoafinalconcentrationof6298．32mg/Lfromtheoriginal3501．24mg/L,demonstratingagrowthrateof79．88%.Asteadydeclinebothin30minsettledsludgevolume(SV30)andwatercontentofsludgecakewasobservedthroughozonation,whichsuggestedthatozonationcouldimprovebothofthesedimentationanddewateringperformances.Thesefactssuggestedaremark-ableeffectofthesludgereductionbyozonation.Keywords　sludge;reduction;ozone;totalsolidconcentration;volatiletotalsolidconcentration基金项目:广东省科技厅科技计划项目(2010380004202591)收稿日期:2011-09-20;修订日期:2012-06-29作者简介:何楚茵(1987~),女,硕士研究生,主要从事水环境修复与规划方面的研究。E-mail:[e-mail]∗通讯联系人,E-mail:[e-mail]　　城市污水处理厂剩余污泥的处置一直是污水处理领域中的研究热点。臭氧化污泥减量技术,是利用臭氧的强氧化性分解微生物细胞,降低污泥产量的一种操作简单、破解效率高的污泥减量技术[1]。目前污泥臭氧化处理仍待解决的问题之一为臭氧生产投资相对较大,因此如何降低其使用成本是值得关注的方面。大部分使用臭氧进行污泥减量化的实验均采用电晕法(空气放电法)来制取臭氧[1-23]。空气中较低的含氧量从根本上局限了放电法制取高浓度臭氧的可能性(常规下臭氧浓度为3%),造成当前利用臭氧氧化污泥产生高成本的困境,而且此方法亦会伴生诱癌物质氮氧化物(NOx)。其次,大部分实验使用活性污泥或回流污泥作为实验材料[2-23],污泥经驯化后,通入臭氧进行氧化,或将臭氧氧化后的污泥回流至污水处理系统中的曝气池,使回流污泥与活性污泥充分反应后,再测定污泥性质和出水水质的相关指标,而对浓缩脱水后的剩余污泥进行臭氧氧化处理的报道,则较为少见。实验采取质子交换聚合物膜电解法(PEM)代第11期何楚茵等:臭氧处理剩余污泥的减量化实验研究替电晕法,使用纯水作为提取物,通过氢氧分离、氧原子聚合,获得高纯度、高浓度的臭氧。常规下臭氧浓度可达20%。同时,为检验污泥浓度的下降是臭氧处理的结果,抑或仅是处理系统中活性污泥对回流污泥的吞噬作用,实验将臭氧直接作用于浓缩脱水后的剩余污泥,研究臭氧对剩余污泥氧化的减量化效果。1　实验部分1．1　实验材料1．1．1　污　泥剩余污泥取自广州沥滘污水处理厂浓缩脱水后的剩余污泥,该污水处理厂采用改良A/O活性污泥处理工艺,处理容量为20×104m3/d。污泥浓缩脱水采用一体化离心浓缩脱水机,出泥含水率为75%~78%。由于各种实验测试指标均须在溶液状态下测定,故实验中每批处理污泥以1∶20的泥水比稀释成280~300mL的污泥混合液,初始污泥浓度约为8．85~9．6g/L。污泥取样点设在污泥浓缩脱水间,取样后装入敞口塑料桶,立即转移至实验室,并储藏于4℃的冰箱中,留待实验使用。各实验指标均采用3个平行组进行测试。1．1．2　臭　氧臭氧发生器采用武汉康桥环保设备有限公司生产的ECO-09100型电解式臭氧发生器,利用电导率≤5uS/cm的电解母液制备臭氧、氧气混合气体。室温为25℃时,臭氧最大产量为4．8g/h,其中出气气流的臭氧浓度为18%~20%,氧气浓度为80%~82%,出气流量为0．2L/s。该发生器采用电解水生成臭氧的新型技术,具有生成臭氧浓度高、耗电量小、不需使用纯氧作为原料等的优点。1．2　实验仪器与装置1．2．1　实验方法首先称取一定量的剩余污泥,加水稀释,形成混合液状态,然后倒入臭氧氧化反应器中,通入臭氧进行曝气处理。处理完毕后,从臭氧氧化反应器中取样,分别测定总固体浓度(TS)、挥发性总固体浓度(VTS)、溶解性COD(SCOD)、沉降性能、滤饼含水率、pH等各项指标。1．2．2　实验装置实验装置如图1所示,主要由臭氧发生器、微型气泵及反应器组成。高纯水(电导率为0)通入ECO-09100型电解式臭氧发生器中,通过电解反应释放臭氧,再用微型气泵增压,输送臭氧到臭氧反应器中进行减量处理。反应器为500mL的特氏气体洗瓶,尾气用KI溶液吸收。图1　臭氧化剩余污泥实验装置示意图Fig．1　Experimentalequipmentforexcesssludgereductionbyozonation由于发生器本身没有集成气泵,需要额外连接使用气泵或空气压缩机才能将产生的臭氧有效输出到污泥混合液中。本实验中使用的微型气泵流量为4L/s。1．3　分析项目和方法pH采用实验室pH计(PHSJ-3F)测定,TS、VTS、滤饼含水率、污泥沉降比(SV30)等,其中SCOD的测定方法为:取待测污泥混合液在转速为4500r/min下离心40min,离心液经0．45μm滤膜过滤,测定该滤液中的COD,其余各指标均采用标准测试方法[24,25]。2　实验结果与讨论2．1　臭氧氧化时间对污泥的减量化效果TS和VTS常用来表征污泥中固相物质及污泥中挥发性固相物质的浓度,其变化直接反映了臭氧对污泥的氧化作用情况,是污泥减量化的体现。由于MLTS测量简便易行,所以在实际测定中,往往会把总固体浓度(MLTS)视为悬浮固体浓度(MLSS)。高桂梅等的实验测试研究表明[26],在活性污泥中测定的MLSS占MLTS的比例,大约会在87%~91%之间,其实验样本中,悬浮物固体浓度最低时仅占到总固体浓度的83．24%;MLVSS占MLVTS的比例,大约在90%~95%之间。臭氧氧化过程中,污泥TS的减少量占处理前污泥TS的百分率为TS的减少率,记为ΔTS%;污泥9224环境工程学报第6卷VTS的减少量占处理前污泥VTS的百分率为VTS的减少率,记为ΔVTS%。实验过程中,在最大臭氧投量4．8g/h下,随着臭氧氧化时间的增加,污泥浓度(TS,VTS)的变化情况见图2,图3。图2　臭氧化过程污泥浓度随时间的变化Fig．2　VariationsofTSandVTSwithozonationtime图3　臭氧化过程TS,VTS减少率随时间的变化曲线Fig．3　VariationsofΔTS%andΔVTS%withozonationtime从图2及图3可以看出,随着臭氧化反应时间的增加,污泥的TS和VTS逐步下降。当处理时间在20min以下时,TS和VTS的减少量较少,其变化曲线斜率较小:10min时,ΔTS%为6．08%,ΔVTS%为11．65%;20min时,ΔTS%为13．49%,而ΔVTS%为26．88%。此后,随着处理时间的增加,TS和VTS开始急速下降,TS和VTS的减少率呈线性增加,当处理时间上升到30min时,ΔTS%和ΔVTS%分别达到40．17%和57．17%;而当处理时间为40min时,ΔTS%和ΔVTS%的变化曲线斜率又恢复到20min时的水平,TS和VTS的去除率分别为57．33%和72．76%。由此可见,在处理时间为30min时,污泥固体物质量明显减少。污泥在臭氧的作用下,其污泥浓度逐渐降低,TS从初始的8．39g/L,降低到3．58g/L;VTS从初始的5．58g/L降低到1．52g/L。污泥固体物质量的下降,主要是由于臭氧的强氧化性,通过直接和间接的反应破坏污泥中微生物的细胞壁,使细胞质进入到污泥溶液中[27]。同时,随着反应的进行,溶解在混合液中的部分有机物被氧化成二氧化碳和水[28]。通过分析TS和VTS的下降数据,可以看出TS的降低基本是由于VTS的降低所引起的,二者的差值表明污泥中部分的无机物质也随着臭氧化而溶解了,最终使得污泥的固体物质量得到减量化。2．2　臭氧氧化对污泥SCOD的影响本次实验选用SCOD作为表征混合液中溶解性有机物含量的指标,通过观察臭氧氧化过程中SCOD的变化情况,分析臭氧对有机物的作用效果,同时将污泥臭氧破解后SCODt与未破解SCOD0的差值与SCOD0的比值定义为SCOD的增加值(△SCOD%),即:△SCOD%=(SCODt-SCOD0)/SCOD0。从图4及图5可看出,随着处理时间的增加,SCOD及ΔSCOD%总体呈上升趋势,SCOD值从