超声波耦合Fenton氧化对污泥破解效果的研究

中国环境科学2013,33(2)：293~297ChinaEnvironmentalScience超声波耦合Fenton氧化对污泥破解效果的研究——以粒径和溶解性物质为例宫常修,蒋建国*,杨世辉(清华大学环境学院,固体废物处理与环境安全教育部重点实验室,北京100084)摘要：提出超声波和Fenton氧化协同作用来破解污泥,比较了单独的Fenton氧化和超声波耦合Fenton氧化对污泥粒径,溶解性物质和污泥上清液中多聚糖与蛋白质的影响.结果表明,污泥经过Fenton氧化和超声波耦合Fenton氧化处理后,污泥比表面积明显增加,体平均粒径和索太尔平均径都明显降低,污泥的絮凝体结构遭到了氧化破解,污泥的脱水性能和稳定性能得到了改善.超声波耦合对于污泥破解促进作用十分明显,表现在污泥的比表面积变得更大,粒径降低幅度更明显.这2种氧化对于污泥中SCOD的增加促进作用都十分明显,Fenton氧化处理后污泥SCOD从120.45mg/L增加到585.47mg/L,增加3.9倍,而超声波耦合Fenton氧化处理后,污泥中SCOD则能从120.45mg/L增加到767.47mg/L,增加5.4倍.单独的Fenton氧化处理,污泥上清液中多聚糖最高浓度为209.74mg/L,相对于原污泥的57.81mg/L增加了2.6倍,而超声耦合Fenton氧化处理后污泥上清液中多聚糖最高浓度则为433.68mg/L,相对于原污泥增加了6.5倍.2种氧化对上清液中的蛋白质的作用则是先增加后下降.关键词：污泥；粒径；比表面积；溶解性物质中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：1000-6923(2013)02-0293-05EffectsofFentonoxidationwithultrasoniccouplingonsludgeparticlesizeandsolublesubstances.GONGChang-xiu,JIANGJian-guo*,YANGShi-hui(KeyLaboratoryforSolidWasteManagementandEnvironmentSafety,MinistryofEducationSchoolofEnvironment,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China).ChinaEnvironmentalScience,2013,33(2)：293~297Abstract：ThestudywasconductedtoevaluatetheeffectofultrasonicontheperformanceofFentonoxidationinsludgetreatmentintermsofsludgeparticlesize,solublesubstancesandpolysaccharideandproteininthesupernatant.BothFentonoxidationandultrasoniccoupledFentonoxidationsignificantlyincreasedthespecificsurfaceareaofsludge,decreasedtheaverageparticlesizeandsauteraveragediameter.Sludgeflocculatedstructurewasdramaticallydestroyedandthedewateringprocesswasenhancedbybothtreatments.FentonoxidationincreasedtheconcentrationofSCODinsludgeby3.9timesfrom120.45mg/Lto585.47mg/L,whileultrasoniccoupledFentonoxidationresultedinanincreaseby5.4timesfrom120.45mg/Lto767.47mg/L.UltrasoniccoupledFentonoxidationdoubledtheconcentrationofpolysaccharideinthesupernatantfrom209.74mg/Lto433.68mg/L,whichare2.6and6.5timesmorethantheconcentrationofpolysaccharideinthecrudesludgerespectively.Forbothoxidationtreatments,theconcentrationofproteininthesupernatantwasdecreasedafterashortincrease.Keywords：sewagesludge；particlesize；specificsurface；solublesubstances剩余污泥是城市污水处理过程中的主要固体废弃物,在应用微生物在曝气池中的增长来消除污染物的污水处理过程中不可避免会产生剩余污泥[1],剩余污泥体积庞大、成分复杂制约着污泥的减量化和资源化,污泥的脱水性能是决定污泥减量化的最重要问题[2].由于污泥的产量巨大(2009年中国城市污水处理厂产生的含水率80%的污泥达2336万t)[3],含水率高且不易脱水,有机物含量高容易腐化发臭.因此,如何对污泥进行减量化、无害化、资源化处理成为国内外学者普遍关注的问题[4-6].超声波是一种常用经典的污泥预处理方法.收稿日期：2012-05-07基金项目：国家水体污染控制与治理科技专项基金(2012ZX07301-001)*责任作者,教授,[e-mail]294中国环境科学33卷超声波泛指频率在20kHz以上的声波[7],能够破解微生物细胞,改变活性污泥的物理、化学和生物学特性,增强污泥的厌氧消化[8].超声波能在水中产生瞬间的局部高温、高压、急剧的放电和超高速射流等一系列极端条件[9],这些极端条件破坏了污泥菌胶团结构,使其中的有机物和水分释放出来[7].Fenton氧化是H2O2在Fe2+催化下,产生活泼的羟基自由基(OH⋅),从而引发和传递链反应,加快有机物和还原物质的氧化反应[10].Fenton试剂的氧化处理可以破坏污泥结构,使污泥中的水分和有机物释放出来,同时,Fenton试剂可以氧化还原性的恶臭物质,减少恶臭物质的释放,杀灭病原菌,稳定化污泥[10-13].对于超声波处理污泥和Fenton氧化处理污泥已有大量研究,但是对于超声波耦合Fenton氧化工艺预处理污泥的研究却鲜有报道.本研究提出采用超声波和Fenton氧化协同作用破解污泥,以污泥粒径、溶解性物质,污泥上清液中多聚糖和蛋白质含量等指标,来表征污泥的破解程度.1材料与方法1.1污泥来源与性质浓缩污泥取自北京市某污水处理厂.该污水处理厂采用卡罗塞尔氧化沟延时曝气活性污泥处理工艺,主要处理城市生活污水,污泥在消化池短暂停留后经过重力浓缩形成浓缩污泥.为防止污泥变质,试验当天从污水处理厂取浓缩污泥,处理完毕后迅速分析各项指标,当天未能分析的须将原污泥样品及处理后的污泥一起置于4℃恒温冰箱中,冷藏的污泥2d内分析完毕.浓缩污泥基本性质如表1所示.表1实验污泥基本性质Table1Characteristicsofthetestedsludge编号pH值含水率(%)SCOD(mg/L)TS(mg/L)VS(mg/L)16.8198.93127.6610380763026.8798.8194.4011290847036.9198.87121.7910880787146.8198.95127.669670724056.7598.42132.3814099951966.7198.76118.82121878939均值6.8198.79120.45114188278从表1可以看出,实验用浓缩污泥pH值接近中性,含水率高达98.79%,而VS/TS较高,说明实验污泥中的有机物含量相对较高.污泥SCOD较低,说明污泥本身有机质溶出较少.1.2污泥破解前处理取试验用污泥,用稀盐酸调节污泥的pH值为3,加入0.4g/L的Fe2+和0.50g/L的H2O2,用锡箔纸封口,在常温用磁力搅拌(Fenton)和频率为25kHz,声能密度为100W/L的超声波强化(US+Fenton)破解.1.3污泥粒径的测定破解前处理0.5h和1.5h后测定污泥的粒径分布.采用激光粒度分析仪对污泥的粒径进行测定.激光粒度分析仪是英国荣马尔文公司的Micro-plus型Mastersizer,分析范围为50nm~555μm.1.4溶解性化学需氧量的测定破解前处理0.0,0.25,0.5,0.75,1.0,1.5,2.0,2.5、3.0.3.5,4.0,5.0h,处理后离心(5000r/min,5min),测定上清液中的COD含量,即为SCOD.操作时污泥先用布氏漏斗抽滤,然后再用0.45μm的滤膜过滤,之后的滤液用快速密闭催化消解法(含光度法)测定CODcr[14].COD消解仪是上海欧陆科仪有限公司ET3150B系列消解器,温度控制范围为105~160℃,时间设定范围为0~31h.2.5多聚糖和蛋白质的测定破解前处理0.0,0.25,0.5,0.75,1.0,1.5,2.0,2.5,3.0,3.5,4.0,5.0h,处理后离心(5000r/min,5min),测定上清液中的多聚糖和蛋白质的含量.测定方法:多聚糖采用苯酚-硫酸法进行测定,以葡萄糖为测定标准物质[15].蛋白质采用考马斯亮蓝法进行测定,以牛血清白蛋白为测定标准物质[16].2结果与讨论2.1粒径分布从图1可以看出,Fenton氧化和US+Fenton氧化处理后污泥粒径分布发生了明显变化.原污泥在41.43μm处的体积百分比最大(7.25%),而2期宫常修等：超声波耦合Fenton氧化对污泥破解效果的研究295Fenton氧化和US+Fenton氧化0.5h和1.5h后的污泥则是在35.56μm处体积百分比最大,而且US+Fenton氧化处理污泥1.5h后,0.36μm左右的污泥颗粒量明显增加.024680.11101001000粒径(µm)体积百分比(%)原污泥Fenton0.5hUS+Fenton0.5ha.0.5h024680.11101001000粒径(µm)体积百分比(%)原污泥Fenton1.5hUS+Fenton1.5hb.1.5h图1Fenton和US+Fenton对污泥粒径分布的影响Fig.1ImpactofFentonandUS+Fentonoxidationontheparticlessizedistributionofsludge对污泥粒径分布进一步分析,识别出污泥粒径分布的几个特征指标,列入表2.表2污泥粒径分布变化情况Table2SludgeparticlesizeafterFentonandUS+Fentonoxidation污泥样S.S.A(m2/g)D[4,3](µm)D[3,2](µm)D(v,0.1)(µm)D(v,0.5)(µm)D(v,0.9)(µm)原污泥0.686950.949.469.0535.95107.49Fenton(0.5h)0.913044.737.126.6030.0498.46US+Fenton(0.5h)1.012342.336.425.9428.3493.87Fenton(1.5h)0.997239.926.525.8627.7187.14US+Fenton(1.5h)2.518235.972.580.9025.0881.33注:S.S.A是比表面积;D[4,3]是体积平均径;D[3,2]是索太尔平均径;D(v,0.1)、D(v,0.5)、D(v,0.9)分别是累积分布曲线10%、50%、90%的粒径从表2可以看出经过Fenton氧化和US+Fenton氧化处理后,污泥比表面积明显增加,体平均粒径和索太尔平均径都明显降低,粒径累积分布曲线上各个百分比对应的