超声与次氯酸钠耦合预处理剩余污泥的中温厌氧消化效果

第６卷　第５期环境工程学报Ｖｏｌ．６，Ｎｏ．５２０１２年５月ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＭａｙ２０１２超声与次氯酸钠耦合预处理剩余污泥的中温厌氧消化效果刘东方１　王爱娟１　王　伟２　张友萍１　李克勋１　韩　磊１（１南开大学环境科学与工程学院，天津３０００７１；２天津市节约用水事务管理中心，天津３００２０１）摘　要　以某城市污水处理厂剩余污泥为对象，通过实验研究了超声与次氯酸钠预处理对污泥的溶胞效果，以及对后续厌氧消化的影响。结果表明，超声与次氯酸钠耦合作用最优操作条件为超声声能密度１０Ｗ／ｍＬ，作用时间５０ｍｉｎ。在此条件下，次氯酸钠投加量为４０２３ｍｇ／ｇＳＳ时，对污泥厌氧消化改善效果最明显，剩余污泥产气率及甲烷含量较对照组分别提高了６９７３％和１０％。同时污泥ＶＳＳ去除率由１１１１％提高到２１２４％，在一定程度上实现了污泥减量。关键词　剩余污泥　厌氧消化　预处理　超声　次氯酸钠中图分类号　Ｘ７０５　　文献标识码　Ａ　　文章编号　１６７３９１０８（２０１２）０５１７０４０５ＭｅｓｏｐｈｉｌｉｃａｎａｅｒｏｂｉｃｄｉｇｅｓｔｉｏｎｏｆｗａｓｔｅａｃｔｉｖａｔｅｄｓｌｕｄｇｅａｆｔｅｒｕｌｔｒａｓｏｎｉｃａｎｄＮａＣｌＯｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔＬｉｕＤｏｎｇｆａｎｇ１　ＷａｎｇＡｉｊｕａｎ１　ＷａｎｇＷｅｉ２　ＺｈａｎｇＹｏｕｐｉｎｇ１　ＬｉＫｅｘｕｎ１　ＨａｎＬｅｉ１（１ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮａｎｋａｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３０００７１，Ｃｈｉｎａ；２ＷａｔｅｒＣｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎＭａｎａｇｅｍｅｎｔＣｅｎｔｅｒｏｆＴｉａｎｊｉｎ，Ｔｉａｎｊｉｎ３００２０１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ　ＴｈｅｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｐｒｏｃｅｓｓｏｆｗａｓｔｅａｃｔｉｖａｔｅｄｓｌｕｄｇｅｆｒｏｍｗａｓｔｅｗａｔｅｒｔｒｅａｔｍｅｎｔｐｌａｎｔｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｕｓｉｎｇｔｈｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｏｆｕｌｔｒａｓｏｎｉｃａｎｄＮａＣｌＯｔｒｅａｔｍｅｎｔ，ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｎｓｌｕｄｇｅｄｉｓｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎａｎｄａｎａｅｒｏｂｉｃｄｉｇｅｓｔｉｏｎｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｐｏｗｅｒｉｎｔｅｎｓｉｔｙｏｆｔｈｉｓｓｙｎｅｒｇｅｔｉｃｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｗａｓ１０Ｗ／ｍＬａｎｄｔｈｅｂｅｓｔｄｉｓｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｔｉｍｅｗａｓ５０ｍｉｎＩｔｗａｓｄｉｓｃｏｖｅｒｅｄｔｈａｔｔｈｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｆｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｉｎｔｈｅｐｒｅｓｅｎｃｅｏｆ４０２３ｍｇ／ｇＳＳＮａＣｌＯｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｌｅｄｔｏｔｈｅｂｅｓｔｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆｓｌｕｄｇｅａｎａｅｒｏｂｉｃｄｉｇｅｓｔｉｏｎＴｈｅｂｉｏｇａｓｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｒａｔｉｏａｎｄｍｅｔｈａｎｅｃｏｎｔｅｎｔｗａｓｅｎｈａｎｃｅｄｂｙ６９７３％ａｎｄ１０％，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙＭｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅｖｏｌａｔｉｌｅｓｏｌｉｄｓｒｅｍｏｖａｌｒａｔｉｏｉｎｃｒｅａｓｅｄｆｒｏｍ１１１１％ｔｏ２１２４％，ｔｈｅｑｕａｎｔｉｔｙｏｆｗａｓｔｅａｃｉｔｉｖａｔｅｄｓｌｕｄｇｅｗａｓｒｅｄｕｃｅｄｔｏｓｏｍｅｅｘｔｅｎｔＫｅｙｗｏｒｄｓ　ｗａｓｔｅａｃｔｉｖａｔｅｄｓｌｕｄｇｅ；ａｎａｅｒｏｂｉｃｄｉｇｅｓｔｉｏｎ；ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ；ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ；ＮａＣｌＯ基金项目：北方城市大型污水处理厂除磷脱氮和污泥减量化技术研究与示范项目（２００９ＺＸ０７３１４００２）；城市污水深度除磷脱氮关键技术研究和示范项目（０８ＦＤＺＤＳＨ０１３００）收稿日期：２０１０－０７－０１；修订日期：２０１０－０８－０６作者简介：刘东方（１９６６～）男，博士，教授，主要从事污水处理、给水处理、污泥处理与处置的研究工作。Ｅｍａｉｌ：[e-mail]　　厌氧消化是目前国内外最为常用的污泥稳定处理工艺［１］。但污泥属于难生物降解物质，故厌氧消化存在污泥停留时间长、产气速率慢和消化池体积庞大等缺点。研究表明，水解酸化是污泥厌氧消化的限速步骤［２］，为了提高厌氧消化速率，国内外对污泥预处理技术展开多项研究。污泥经预处理后，微生物细胞内含物溶出进入水相，与胞外酶接触，水解为小分子化合物，从而提高厌氧消化速率［３］。目前污泥厌氧消化前处理技术主要包括机械破碎、热处理、碱处理、超声处理、臭氧氧化以及氯氧化［４９］等。污泥超声波破解技术，可有效改善污泥生物降解性能，提高厌氧消化速率。Ｔｉｅｎｈｍ等［１０］研究发现，污泥破解率随超声频率的升高而降低，污泥破解１５０ｍｉｎ后，污泥中溶解性化学需氧量（ＳＣＯＤ）由２１５ｍｇ／Ｌ提高到６２２ｍｇ／Ｌ，厌氧消化后污泥ＶＳＳ去除率由对照组的２１５％提高到３３７％，生物气产量增加４１６％，甲烷含量提高了约６％。虽然超声波技术能够显著提高污泥的厌氧消化性能，但是高能耗限制了该项技术的工程应用。近年来，研究人员尝试采用超声波技术与氧化剂联用，以降低能耗，提高污泥处理效率。超声波与氧化剂联用技术中比较典型的氧化剂第５期刘东方等：超声与次氯酸钠耦合预处理剩余污泥的中温厌氧消化效果是臭氧及芬顿试剂。超声与臭氧及芬顿试剂的联用提高了污泥处理效果，但是臭氧不稳定，易自行分解，且运行成本较高；芬顿试剂氧化一般在ｐＨ为３５下进行，对设备要求较高，同样增加了处理成本，限制了该技术的广泛应用。次氯酸钠消毒是目前广泛应用的一种杀菌技术，具有操作简单，成本低廉等优点，但是次氯酸钠的加入可能导致消毒副产物的产生。国内外研究表明，超声空化作用可有效去除消毒过程中产生的氯代有机物［１１１３］。因此，可尝试将超声波与次氯酸钠耦合技术用于污泥预处理。目前，国内关于超声与次氯酸钠耦合对污泥预处理的报道还比较少，通过本实验研究了超声与次氯酸钠耦合作用对污泥破解及后续厌氧消化的影响。１　材料与方法１１　污泥来源实验所用污泥取自天津泰达污水处理厂二沉池的回流污泥，经重力浓缩后污泥性质如下：悬浮固体（ＳＳ）含量为２４８６０ｍｇ／Ｌ，挥发性悬浮固体（ＶＳＳ）含量为１２６２５ｍｇ／Ｌ，溶解性化学需氧量（ＳＣＯＤ）１５４ｍｇ／Ｌ，置于４℃冰箱中保存待用，存放时间控制在一周以内。消化实验的厌氧接种污泥取自天津咸阳路污水处理厂，污泥总固体（ＴＳ）约为２４０００ｍｇ／Ｌ，ＶＳ约为１２０００ｍｇ／Ｌ。１２　超声波实验装置超声波发生装置为宁波新芝ＪＹ９９Ⅱ超声波细胞粉碎机，超声发生频率为２０ｋＨｚ，功率４００～１８００Ｗ可调，钛合金探头直径为２５ｍｍ。１３　实验方法１３１　超声波与次氯酸钠耦合污泥预处理实验分为２个阶段：第１阶段：确定最佳耦合预处理工况。向污泥中投加３５９４ｍｇ／ｇＳＳ次氯酸钠，在不同的超声声能密度（０２、０６、１０和１５Ｗ／ｍＬ）和不同作用时间（０～９０ｍｉｎ）下，对污泥进行耦合预处理，通过对处理后污泥中ＳＣＯＤ的测定，以及能量效率分析，确定最佳的处理工况。第２阶段：采用第１阶段确定的最佳耦合预处理条件，并在此基础上改变次氯酸钠投加量（为了不影响预处理后污泥的厌氧消化性能，次氯酸钠的投加量较低，其有效氯投加量分别控制在２０１１、４０２３和８０４５ｍｇ／ｇＳＳ）对污泥进行预处理，之后与未经处理的污泥同时进行厌氧消化，在此过程中每２４ｈ测定污泥产气量，同时测定生物气中甲烷含量。１３２　污泥厌氧消化厌氧消化反应器为锥形瓶（有效容积为１２００ｍＬ）。实验中取５００ｍＬ污泥样品，５００ｍＬ接种污泥混合装入密封瓶中，置于搅拌器上在３５±２℃恒温条件下培养，每日测定产气量及甲烷含量。１４　测定项目及分析方法ＴＳＳ、ＶＳＳ采用重量法测定；ＣＯＤ采用哈希ＣＯＤ（ＤＲ８９０）测定仪。样品离心３０ｍｉｎ（１３０００ｒ／ｍｉｎ）后，经０４５μｍ滤膜过滤测定ＳＣＯＤ；ＴＣＯＤ为被处理污泥混合液的ＣＯＤ值。ｐＨ值采用雷磁ＰＨＳ３Ｃ型ｐＨ计测定。生物气组分采用ＧＣ１１００型气相色谱仪，热导检测器。担体为ＴＤＸ０１，６０至８０目；载气为氩气；载气流率为３０ｍＬ／ｍｉｎ，柱温８０℃，面积归一法定量。２　结果与讨论２１　超声波与次氯酸钠耦合预处理最佳作用条件的确定ＳＣＯＤ增加值（ＳＣＯＤ＋）定义为污泥破解后ＳＣＯＤ与原污泥ＳＣＯＤ之差。首先确定耦合条件下最优工况，不同声能密度下污泥ＳＣＯＤ＋随破解时间变化如图１所示。图１　不同声能密度下污泥ＳＣＯＤ增加值随破解时间的变化Ｆｉｇ１　ＶａｒｉａｔｉｏｎｏｆＳＣＯＤ＋ａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｃｏｕｓｔｉｃｅｎｅｒｇｙｄｅｎｓｉｔｉｅｓｗｉｔｈｄｉｓｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｔｉｍｅ　微生物在超声空化作用下胞内有机物溶出，ＳＣＯＤ增加［１４］。由图１可知，当耦合作用时间低于５０７１环境工程学报第６卷５０ｍｉｎ时，ＳＣＯＤ＋与作用时间成正比，超过５０ｍｉｎ后，有机质的溶出量增加速率趋于缓慢。相同作用时间下，ＳＣＯＤ随声能密度的增加而增大，声能密度越大，污泥破解效果越好，但声能密度为１０Ｗ／ｍＬ与１５Ｗ／ｍＬ时两者ＳＣＯＤ＋相差很小，为进一步确定最佳超声作用工况，对１０Ｗ／ｍＬ及１５Ｗ／ｍＬ工况下能量利用效率进行分析，本文中能量利用效率定义为消耗１ｋＷｈ电能增加的ＳＣＯＤ质量，单位为ｇＳＣＯＤ＋／ｋＷｈ。能量利用效率分析结果如图２所示。图２　１０Ｗ／ｍＬ与１５Ｗ／ｍＬ工况下能量利用效率Ｆｉｇ２　Ｅｎｅｒｇｙｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆ１０Ｗ／ｍＬａｎｄ１５Ｗ／ｍＬ　由图２可知，２种工况下的能量利用效率变化趋势相同，超声作用时间为５０ｍｉｎ时，两者能量利用效率达到最高，此时，１０Ｗ／ｍＬ工况能量利用效率为５０４ｇＳＣＯＤ＋／ｋＷｈ，１５Ｗ／ｍＬ工况下能量利用效率为４１４ｇＳＣＯＤ＋／ｋＷｈ，由此可确定超声波与次氯酸钠耦合预处理最优声能密度为１０Ｗ／ｍＬ，最优作用时间为５０ｍｉｎ。薛向东等［１５］研究声能密度对超声波破解的影响表明，在超声波声能密度为０２、０５、１０和２０Ｗ／ｍＬ下，污泥中有机物的释放均随超声时间及声能密度而增加，超过某一时间后，有机物增加速率变慢，与本实验结论相同。２２　超声与次氯酸钠耦合作用对污泥破解的影响为研究超声与次氯酸钠耦合作用对污泥破解的影响，对原污泥和投加次氯酸钠的污泥进行破解实验，破解后ＳＣＯＤ及ｐＨ值变化如图３所示。图中ＵＳ代表超声波处理后污泥，ＵＳ／ＮａＣｌＯ代表超声与次氯酸钠耦合预处理后污泥。由图３可知，次氯酸钠投加量越大，破解后污泥ＳＣＯＤ越大。实验结果表明，投加次氯酸钠能够促进污泥超声破解的效果，特别是当次氯酸钠投加量图３　预处理对ＳＣＯＤ及ｐＨ的影响Ｆｉｇ３　ＥｆｆｅｃｔｏｆｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｓｏｎＳＣＯＤａｎｄｐＨ　为８０４５ｍｇ／ｇＳＳ时，比单独超声破解后ＳＣＯＤ提高了１７９％。同时，由图３可以看出，污泥经超声波预处理后ｐＨ值由６８９降至５８１，超声与次氯酸钠耦合处理后污泥ｐＨ值与单独超声破解后ｐＨ值相近，可见耦合预处理过程中ｐＨ的降低主要是由超声破解作用引起的。目前，仅有少量关于超声波与氧化剂耦合处理污泥的报道，ＡｎｔｔｉＧｒｎｒｏｏｓ等［１６］利用超声与２６３ｍｇ／ｇＤＳ过氧化氢耦合对污泥进行预处理，发现二者耦合后污泥ＳＣＯＤ含量低于单独超声处理后ＳＣＯＤ含量，并且随着过氧化氢投加量的增加耦合处理后ＳＣＯＤ呈下降趋势。他们认为利用超声与氧化剂耦合对污泥进行预处理时，氧化剂种类及用量的选择起决定作用。本实验中超声与次氯酸钠耦合处理后污泥ＳＣＯＤ溶出量虽有所增加，但仅提高了１７９％，原因可能是次氯酸钠投加量过低，导致菌体死亡率低。２３　超声与次氯酸钠耦合预处理对污泥厌氧消化的影响２３