搜索
书书书第４４卷 第２期２０１２年２月 哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＨＡＲＢＩＮＩＮＳＴＩＴＵＴＥＯＦＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ Ｖｏｌ４４Ｎｏ２Ｆｅｂ．２０１２ 电化学氧化活性污泥减量效能王 丽１，李春梅２，强亮生２，张宏媛１（１．哈尔滨工业大学能源与环境工程中心，１５０００１哈尔滨，ｌｉｗａｎｇｈｉｔ＠１２６．ｃｏｍ；２．哈尔滨工业大学化工学院，１５０００１哈尔滨）摘 要：针对电化学氧化技术是有效而可靠的“清洁技术”，提出以Ｔｉ／ＲｕＯ２材料为阳极的同心圆式电解槽为反应器对活性污泥进行电解减量的实验研究．结果表明，电氧化能够有效实现活性污泥减量．当工作电压为６Ｖ、ｐＨ值为１２、间歇电解６０ｍｉｎ、初始混合液悬浮性挥发固体（ＭＬＶＳＳ）为４６７０ｍｇ·Ｌ－１时，活性污泥的表观溶解效率为２９９８％．此时污泥溶胞释放出的ＳＣＯＤ和ＴＰ分别升高了７１２２、３３ｍｇ·Ｌ－１，ＮＨ３Ｎ也达到最大值并呈下降趋势，表明该工艺条件为最佳电解条件．关键词：电氧化；活性污泥；溶胞；ＭＬＶＳＳ中图分类号：Ｘ７０３文献标志码：Ａ文章编号：０３６７－６２３４（２０１２）０２－０１１６－０４ＲｅｄｕｃｔｉｏｎｅｆｆｉｃａｃｙｏｆａｃｔｉｖａｔｅｄｓｌｕｄｇｅｂｙｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｏｘｉｄａｔｉｏｎＷＡＮＧＬｉ１，ＬＩＣｈｕｎｍｅｉ２，ＱＩＡＮＧＬｉａｎｇｓｈｅｎｇ２，ＺＨＡＮＧＨｏｎｇｙｕａｎ１（１．ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｅｎｔｅｒｏｆＥｎｅｒｇｙＳｏｕｒｃｅｓａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ，ＨａｒｂｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１５０００１Ｈａｒｂｉｎ，Ｃｈｉｎａ，ｌｉｗａｎｇｈｉｔ＠１２６．ｃｏｍ；２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＨａｒｂｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１５０００１Ｈａｒｂｉｎ，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｅｃａｕｓｅｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｏｘｉｄａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅａｎｄｒｅｌｉａｂｌｅｃｌｅａｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｉｓｓｔｕｄｙｐｒｏｐｏｓｅｄｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｏｘｉｄａｔｉｏｎａｃｔｉｖａｔｅｄｓｌｕｄｇｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓｒｅａｃｔｏｒｗｉｔｈｈｏｍｏｃｅｎｔｒｉｃｃｉｒｃｌｅａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔｅｌｅｃｔｒｏｄｅｉｎｗｈｉｃｈＴｉ／ＲｕＯ２ｗａｓｕｓｅｄａｓｒｅｔｉｃｕｌａｒｐｌａｔｅｓ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｏｘｉｄａｔｉｏｎｃｏｕｌｄｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｒｅｄｕｃｅａｃｔｉｖａｔｅｄｓｌｕｄｇｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅａｃｔｉｖａｔｅｄｓｌｕｄｇｅｓｏｌｕｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｃｈｉｅｖｅｄｔｏ２９９８％ｉｎｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｕｎｄｅｒｔｈｅｆｏｌｌｏｗｉｎｇｏｐｔｉｍａｌｏｘｉｄａｔｉｏｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ：ｐＨ＝１２，６０ｍｉｎｏｆｉｎｔｅｒｍｉｔｔｅｎｔｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓｔｉｍｅ，ｗｏｒｋｉｎｇｖｏｌｔａｇｅ６ＶａｎｄｉｎｉｔｉａｌＭＬＶＳＳｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆ４６７０ｍｇ·Ｌ－１．Ｕｎｄｅｒａｂｏｖｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｔｈｅＳＣＯＤａｎｄＴＰｒｅｌｅａｓｅｄｆｒｏｍｃｅｌｌｄｉｓｓｏｌｖｅｇｏｔｔｈｅｍａｘｉｍｕｍ７１２２ａｎｄ３３ｍｇ·Ｌ－１，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ；ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅＮＨ３Ｎａｌｓｏｒｅａｃｈｅｄｔｈｅｍａｘｉｍｕｍａｎｄｐｒｅｓｅｎｔｅｄａｄｅｃｌｉｎｉｎｇｔｒｅｎｄ，ｗｈｉｃｈｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｓｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｗｅｒｅｔｈｅｂｅｓｔｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｏｘｉｄａｔｉｏｎ；ａｃｔｉｖａｔｅｄｓｌｕｄｇｅ；ｃｅｌｌｄｉｓｓｏｌｖｅ；ｍｉｘｅｄｌｉｑｕｏｒｖｏｌａｔｉｌｅｓｕｓｐｅｎｄｅｄｓｏｌｉｄ（ＭＬＶＳＳ）收稿日期：２０１１－０１－２０．基金项目：哈尔滨工业大学创新基金支持项目（ＨＩＴ．ＮＳＲＩＦ．２００９１０８）．作者简介：王 丽（１９６６—），女，副教授，博士后；强亮生（１９５４—），男，教授，博士生导师． 活性污泥法作为一种较好的污水处理技术被广泛应用，但该方法的最大弊端是产生大量的剩余活性污泥［１］，其处理处置不仅需要昂贵的费用，还需要满足日益严格的法规要求．针对活性污泥处理工艺的弊端，基于微生物隐性生长理论的污泥减量工艺［２］，提出用电化学方法氧化溶胞破解剩余活性污泥．目前，常用的溶胞技术有各种物理、化学和生物手段，如加热、酸、碱、超声波、臭氧、添加酶制剂等［３－７］．电化学技术用于剩余污泥减量目前国内外还没有系统的研究与应用．电化学氧化污泥减量是在特定的电化学反应器内，通过一定的化学反应，利用在电化学过程形成的强氧化性·ＯＨ基团破坏污泥的絮体结构，氧化污泥胞外聚合物，使污泥溶解参与污水处理，降低处理工艺过程的剩余污泥量，实现污泥减量化［８］．电化学污泥减量一般无需很多化学药品、后续处理简单、占地面积小、管理方便，符合污泥处理稳定化、无害化、减量化和资源化的总体要求．本文重点研究了电化学氧化工艺参数对活性污泥溶解率的影响，总结了混合液中ＳＣＯＤ、ＮＨ３Ｎ、ＴＰ随电解时间的变化规律，以确定最佳工艺条件，为开展电化学氧化处理剩余活性污泥减量的深入研究和实际应用打下基础．１ 实 验１１ 实验装置与实验污泥实验采用自制的同心圆式电解槽，以网状的钛涂钌材料作为电极板，正极面积为１５ｃｍ２，板间距为１ｃｍ（极距越小电解效率越高，但极距过小易对电极的排列和设备造成麻烦［９］），容积为１００ｍＬ电源为ＤＨ１７１８４型直流稳压稳流电源．实验装置见图１．!#１—阳极；２—阴极；３—磁力搅拌子．图１ 电解实验装置示意图 实验所用活性污泥取自哈尔滨文昌污水处理厂二沉池，基本性质参数如表１所示．表１ 活性污泥的基本性质参数ｐＨＭＬＶＳＳｍｇ·Ｌ－１ρ（ＴＰ）ｍｇ·Ｌ－１ρ（ＮＨ３Ｎ）ｍｇ·Ｌ－１ρ（ＳＣＯＤ）ｍｇ·Ｌ－１６６４６７０１８９４１２２３７５１２ 实验方法及仪器ｐＨ采用便携式ｐＨ计、ＭＬＶＳＳ采用重量法测定，ＳＣＯＤ采用快速消解法测定，ＮＨ３Ｎ和ＴＰ等指标均采用标准方法［１０］测定，污泥的ｐＨ值用氢氧化钠溶液调节．实验仪器见表２．表２ 实验仪器编号仪器名称厂家／型号１ＣＯＤ快速测定仪兰州连华环保科技发展有限公司／５Ｂ３Ｃ２ＣＯＤ消解装置兰州连华环保科技发展有限公司／５Ｂ１３马弗炉长沙友欣仪器制造有限公司／ＹＸＨＦ４可见分光光度计上海元析仪器有限公司／７２１５电子天平上海越平科学仪器有限公司／ＪＡ２００３６便携式ｐＨ计上海宇隆仪器有限公司／ＰＨＢ１ 取１００ｍＬ活性污泥于电解槽中，为了减小在电解过程中污泥分层对ＭＬＶＳＳ溶解率的影响，采用间接电解（每次电解１０ｍｉｎ，间隔５ｍｉｎ）并在中速磁力搅拌的条件下进行．２ 结果与讨论２１ 工艺条件对ＭＬＶＳＳ溶解率的影响２１１ 工作电压对污泥ＭＬＶＳＳ溶解率的影响电解时间（６０ｍｉｎ）和ｐＨ（１２）为定值，分别在２、３、４、５、６、７、８Ｖ的工作电压下进行实验，研究不同电压对ＭＬＶＳＳ溶解率的影响，结果如图２所示．!#$#%&$&%’!($)*+!,-./-00!#$,1图２ 电压对污泥ＭＬＶＳＳ溶解率的影响 由图２可以看出，ＭＬＶＳＳ溶解率随电压的增大呈先上升后下降的趋势，当电压为６Ｖ时，溶解率达到最高值２９９８％．这是因为：（１）电压增大有利于电极产生更多强氧化性自由基；加快了电解质的传质效应，提高了污泥与电极直接或间接的氧化效率；电压的增大提供的能量大，利于有机物化学键的断裂，从而会影响处理效果．（２）电压增大加剧了副反应水电解反应的发生，产生的大量气泡阻碍了污泥在电极表面的氧化反应，从而降低了ＭＬＶＳＳ溶解率．由图２可以看出，当电压为２～６Ｖ时，随电压的增大，原因（１）对污泥溶解率的影响明显大于原因（２）；当电压大于６Ｖ时，原因（２）对污泥溶解率的影响占主导地位．实验综合考虑处理效果和能耗消耗，选定最佳的工作电压值为６Ｖ．２１．２ ｐＨ对污泥ＭＬＶＳＳ去除率的影响由于污泥在碱性条件下具有明显的溶胞效果［１１］，实验ｐＨ选择在碱性范围．电解时间（６０ｍｉｎ）和工作电压（６Ｖ）为定值，调节污泥的ｐＨ值分别为８、９、１０、１１、１２、１３，不同ｐＨ值对ＭＬＶＳＳ溶解率的影响如图３所示． 由图３可以看出，ｐＨ值对ＭＬＶＳＳ溶解率影响很大，ｐＨ值为１２时，溶解率达到最高２９９８％，ｐＨ值大于１２时反而降低．影响ＭＬＶＳＳ·７１１·第２期王丽，等：电化学氧化活性污泥减量效能溶解率的原因有：（１）碱性的增强使污泥的导电性能增大，与电极的反应速率也增大；（２）碱性增强，电极的析氧电位降低，电极对ＯＨ－氧化生成Ｏ２的速率增加，使电极氧化污泥的速率下降．ｐＨ值在８～１２阶段，ｐＨ值的增大更有利于电极氧化污泥反应，所以，ＭＬＶＳＳ溶解率不断上升；ｐＨ值大于１２时，碱性增强ＯＨ－在阳极氧化，导致ＭＬＶＳＳ溶解率下降．实验得出，最佳电氧化活性污泥的ｐＨ值为１２．!#$#%&$&%$%’()%&&&*)!+,-./00!#$12图３ ｐＨ值对污泥ＭＬＶＳＳ溶解率的影响２１３ 电解时间对污泥ＭＬＶＳＳ去除率的影响工作电压（６Ｖ）和ｐＨ（１２）为定值，考察电解时间分别为１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０ｍｉｎ，不同电解时间对污泥ＭＬＶＳＳ溶解率的影响如图４所示．!#$#%&$&%&%’%!%(%$%)%*+!,-./01233!#$,4图４ 电解时间对ＭＬＶＳＳ溶解率的影响 由图４可知，污泥ＭＬＶＳＳ的溶解率随着电解时间的增加而增大，在前２０ｍｉｎ内去除率增加幅度大于后期．分析其原因主要是，开始时混合液中还原性物质浓度低，电极主要氧化破解活性污泥使ＭＬＶＳＳ溶解率迅速上升．随电解时间的延长，污泥溶胞释放出更多的还原性物质参与了阳极的氧化反应，导致电氧化污泥溶胞速率下降．由图４还可以看出，后期电解时间的延长对于ＭＬＶＳＳ溶解效果的提升不显著，故最佳的电解时间为６０ｍｉｎ．２２ 电解时间对泥水混合液中各水质参数的影响电解活性污泥能破坏微生物的细胞壁和细胞膜，引起细胞内物质释放到液相中，从而使液相中的物质含量发生变化．为进一步考察电氧化对污泥溶胞减量效能的影响，在最优的氧化条件下（工作电压６Ｖ，ｐＨ值１２，污泥ＭＬＶＳＳ为４６７０ｍｇ·Ｌ－１），考察了不同电解时间泥水混合液中ＳＣＯＤ、ＮＨ３Ｎ、ＴＰ的变化．２２１ 电解时间对ＳＣＯＤ的影响液相中ＳＣＯＤ质量浓度的变化主要取决于：（１）氧化溶胞过程释放和部分非溶解性有机物氧化转变使ＳＣＯＤ数量增加；（２）电解过程的矿化作用使ＳＣＯＤ数量降低．ＳＣＯＤ随电解时间的变化曲线如图５所示．!#$%&%%%&%$%’%!%!()*+!,-./(0)1!2345图５ 溶出的ＳＣＯＤ随电解时间的变化 由图５可知，电解时间为６０ｍｉｎ时，混合液中ＳＣＯＤ的增量达到最大值７１２２ｍｇ·Ｌ－１，这说明在０～６０ｍｉｎ内，电极氧化破解污泥释放ＳＣＯＤ的速率大于矿化的速率，确定６０ｍｉｎ为最佳电解时间．２２．２ 电解时间对ＮＨ３Ｎ的影响引起氨氮质量浓度变化的原因有：（１）溶胞作用释放氨氮和有机氮向氨氮的转化使氨氮数量增加；（２）电极氧化使氨氮数量减少．氨氮随电解时间的变化曲线如图６所示．!!#$%&’#’(’%’)’!*+,-!./0&!/1*.+2!3456图６ 溶出的ＮＨ３Ｎ随电解时间的变化 由图６可知，在电解初期２０ｍｉｎ内氨氮的质·８１１·哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报 第４４卷 量浓度不断下降，２０ｍｉｎ时出现最低值，随后开始上升，在６０ｍｉｎ时，氨氮质量浓度达到最