超声处理对系统剩余污泥减量效果的研究刘峻

超声处理对系统剩余污泥减量效果的研究刘峻1，2，刘永德1，赵继红1，3，王玫玫4，王翔2(1．河南工业大学化学化工学院，河南郑州450001;2．河南省正大环境科技咨询工程有限公司，河南郑州450002;3．郑州轻工业学院材料与化学工程学院，河南郑州450002;4．郑州市五龙口污水处理厂，河南郑州450051)摘要:在运行稳定的连续流活性污泥系统中采用超声处理剩余污泥并将其返回系统，考察声能密度、超声作用时间和超声污泥回流比对系统剩余污泥减量效果的影响。结果表明，当超声污泥回流比为1∶24、声能密度为0．4W/mL、超声时间为5min时，系统污泥日平均产量为13．6mg/(L·d)，减量效果达到95．81%，此时出水COD为73mg/L、NH+4－N为7．99mg/L、TN为18．67mg/L，达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918—2002)的二级排放标准。此外，系统中污泥的沉降性能及其有机质含量并没有受到显著影响。关键词:剩余污泥减量化;超声波;连续流系统中图分类号:X703文献标识码:C文章编号:1000－4602(2011)01－0058－04StudyonFactorsofSludgeReductioninContinuousFlowSystembyUltrasonicWavesLIUJun1，2，LIUYong-de1，ZHAOJi-hong1，3，WANGMei-mei4，WANGXiang2(1．SchoolofChemistryandChemicalEngineering，HenanUniversityofTechnology，Zhengzhou450001，China;2．HenanZhengdaEnvironmentalTechnologyandConsultingCo．Ltd．，Zhengzhou450002，China;3．SchoolofMaterialsandChemicalEngineering，ZhengzhouUniversityofLightIndustry，Zhengzhou450002，China;4．ZhengzhouWulongkouSewageTreatmentPlant，Zhengzhou450051，China)Abstract:Theexcesssludgeproducedinthecontinuousflowactivatedsludgesystemoperatedstablywastreatedbyultrasonicwavesandrecycledbacktothesystem．Theinfluenceofenergydensity，ultrasonictimeandrecycledratioofultrasonicsludgeonsludgereductionwasinvestigated．Theresultsshowthatwhentherecycledratioofultrasonicsludgeis1∶24，ultrasonicintensityis0．4W/mLandul-trasonictimeis5min，theaveragesludgeproductionis13．6mg/(L·d)，thereductionrateis95．81%，andtheeffluentCOD，NH+4－NandTNare73mg/L，7．99mg/Land18．67mg/Lrespec-tively．TheeffluentqualitymeetsthesecondlevelcriteriaspecifiedintheDischargeStandardofPollu-tantsforMunicipalWastewaterTreatmentPlant(GB18918－2002)．Inaddition，thesludgesettleabilityandorganiccontentinitarenotaffectedobviously．Keywords:excesssludgereduction;ultrasonicwave;continuousflowsystem基金项目:河南省科技攻关项目(0524440062、0623060600、082102350024)·85·第27卷第1期2011年1月中国给水排水CHINAWATER＆WASTEWATERVol．27No．1Jan．2011连续流活性污泥系统是目前国内污水处理厂常用的处理系统，然而其产生的大量剩余污泥也是目前亟待解决的问题之一。由于传统的剩余污泥处理与处置方法存在各种弊端，污泥减量化技术日益受到研究者们关注，目前最常用的污泥减量技术是解偶联代谢和溶胞技术［1］。解偶联技术需要添加解偶联剂来抑制细胞的合成，但目前常用的解偶联剂大多不易降解或者有毒，会对环境造成二次污染;溶胞技术需要满足生物细胞分解破裂的能量要求及相应的运行条件［2］。目前应用广泛的溶胞技术主要有超声波法［3］、臭氧氧化法、热解法及湿式氧化法等。超声波通过破解污泥絮体，溶解细胞并释放出胞内物质，不仅提高了污泥的脱水性能还增强了破碎污泥的可生物降解性能［4］，为污泥减量化开辟了一条新途径。笔者利用超声波处理部分剩余污泥并回流至连续流活性污泥系统进行好氧消化，研究了连续流系统中剩余污泥减量化的影响因素及其对系统处理效果的影响。1试验材料与方法1.1试验材料试验所用接种污泥取自郑州市某污水厂的曝气池回流污泥井，污泥浓度为7000～8000mg/L，含水率为97%～98%，SVI为78～80mL/g。原水采用模拟废水，配制成分如下:葡萄糖为200mg/L、蛋白胨为132mg/L、可溶性淀粉为268mg/L、牛肉膏为68mg/L、脲为8mg/L、CaCl2为6mg/L、FeSO4·7H2O为0．3mg/L、NaHCO3为80mg/L、MgSO4为66mg/L、Na2HPO4为128．5mg/L、(NH4)2SO4为112mg/L。原水COD为600mg/L、BOD5为280mg/L、氨氮为50～60mg/L、TN为90～100mg/L、pH呈弱碱性(7．0～8．0)。1.2试验装置连续流活性污泥系统的处理流程如图1所示。图1连续流活性污泥系统的处理流程Fig．1Flowchartofcontinuousflowactivatedsludgesystem系统进水、回流污泥均采用蠕动泵提升并控制流量，其中剩余污泥从沉淀池底部排放。取自曝气池中的污泥采用超声波处理后进入进水箱。试验所用设备主要有Scientz－ⅡD型探头式超声波细胞粉碎机(输出功率为0～950W，工作频率为21kHz)、蠕动泵、曝气装置、搅拌器、pH计、溶氧仪等。1.3分析方法COD:重铬酸钾法;NH+4－N:纳氏试剂比色法;TN:碱性过硫酸钾消解—紫外分光光度法;MLSS和MLVSS:重量法。2结果与讨论2.1系统启动系统经过15d的污泥驯化培养后运行稳定，MLSS维持在3500mg/L左右，污泥负荷约为0．576kgCOD/(kgMLSS·d)，SRT控制在10d，HRT为6h，DO浓度控制在3．0mg/L左右，出水COD浓度在100mg/L以下，SVI维持在100mL/g左右，平均污泥产生量为324．5mg/(L·d)。2.2超声污泥回流比的影响超声处理的污泥量决定着超声能耗。在声能密度为0．6W/mL、超声时间为5min的条件下采用不同的污泥回流比，运行1个周期后，系统日平均污泥产量(△MLSS)、污泥减量效果及其SVI值的变化见表1。表1超声污泥回流比对处理效果的影响Tab．1Influenceofrecycledratioontreatmentefficiency项目超声污泥回流比1∶1201∶401∶247∶1203∶40△MLSS/(mg·L－1·d－1)63．454．231．828．623．3减量效果/%80．4683．3090．2191．9392．82SVI/(mL·g－1)909193124143从表1可知，在一定声能密度和超声时间下，随着超声污泥回流比的增加，剩余污泥产生量逐渐减少，相应地污泥减量效果呈上升趋势，由回流比为1∶120时的80．46%上升到回流比为3∶40时的92．82%，提高了12．36%。由此可见，增加超声污泥回流比可以提高剩余污泥的减量效果。从表1还可知，随着超声污泥回流比的逐渐增大，污泥SVI值明显增加，当回流比为3∶40时，SVI为143mL/g，沉降性能已经明显变差，长期运行下去将会导致系统运行失败。这可能是因为，随着超声污泥回流比·95·．watergasheat．com刘峻，等:超声处理对系统剩余污泥减量效果的研究第27卷第1期的增大，大量的SCOD和微生物胞内含氮物质回流入系统，对系统负荷造成冲击。此外，反应池中细小的污泥颗粒较多，不易形成新的絮体结构，也致使污泥沉降性能变差。检测系统出水水质发现，低回流比时的系统出水水质良好，而当回流比为7∶120时出水水质开始恶化，此时出水COD为99mg/L、NH+4－N为12．79mg/L、TN为25．37mg/L。从系统的稳定运行考虑，确定最佳回流比为1∶24，此时污泥的沉降性能良好，且污泥减量效果在90%以上。2.3声能密度的影响在超声作用时间为5min、超声污泥回流比为1∶24时，分别控制声能密度为0．2、0．4、0．6、0．8和1．0W/mL，考察系统在每个超声条件下运行1个周期后的△MLSS、污泥减量效果及出水水质，结果见表2。表2声能密度对处理效果的影响Tab．2Influenceofultrasonicdensityontreatmentefficiency项目声能密度/(W·mL－1)0．20．40．60．81．0△MLSS/(mg·L－1·d－1)68．913．631．854．959．3减量效果/%78．7795．8190．2183．0881．73出水水质/(mg·L－1)COD114731036171氨氮10．377．997．935．826．14总氮15．4818．6715．4218．2316．54由表2可知，在各超声条件下，系统剩余污泥平均产量和减量效果随声能密度的增大而变化，其中声能密度为0．4W/mL时的减量效果最好，达到95．81%，此时出水COD为73mg/L、NH+4－N为7．99mg/L、TN为18．67mg/L，达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918—2002)的二级排放标准。这可能是因为，低声能密度的超声虽不能直接破碎细胞壁，但仍可在一定程度上将大分子有机物转化为较小分子物质，易于被微生物吸收分解，从而提高了有机物降解速率［5］。不同超声条件下的污泥性质没有明显的变化，污泥沉降性能良好，SVI维持在100mL/g左右，可见超声并没有影响系统的正常运行，系统中泥水分离效果良好。污泥中有机质的含量有一定波动，当声能密度较大时，有机质含量呈下降趋势，这是因为超声的空化效应将污泥中的有机物溶解出来，致使系统中积累了一定量的无机物。2.4超声作用时间的影响在声能密度为0．6W/mL、超声污泥回流比为1∶24时，控制超声作用时间分别为0．5、1、5、10和15min，考察系统在每个超声条件下运行1个周期后的△MLSS、污泥减量效果及出水水质，结果见表3。表3超声时间对处理效果的影响Tab．3Influenceofultrasonictimeontreatmentefficiency项目超声作用时间/min0．5151015△MLSS/(mg·L－1·d－1)64．446．331．852．453．2减量效果/%80．1585．7390．2183．8583．61出水水质/(mg·L－1)COD4860839778氨氮7．598．387．938．259．37总氮21．5517．2818．6719．5321．48由表3可以看出，剩余污泥减量效果随超声时间的延长呈先上升后下降然后逐渐平稳的趋势，而且在前5min内上升明显，在5min时减量效果