城市污水处理厂污泥臭氧减量技术研究

第３４卷第２期２０１４年２月环　境　科　学　学　报　ＡｃｔａＳｃｉｅｎｔｉａｅＣｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅＶｏｌ．３４，Ｎｏ．２Ｆｅｂ．，２０１４基金项目：西门子（中国）有限公司资助项目（污泥源头减量工艺研究）；国家自然科学基金项目（Ｎｏ．２１２７７１６０，５１１３８００９）ＳｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙｔｈｅＰｒｏｊｅｃｔｆｒｏｍＳｉｅｍｅｎｓＬｔｄ．，Ｃｈｉｎａ（ＴｅｃｈｎｉｃａｌＳｔｕｄｙｏｎＳｌｕｄｇｅＳｏｕｒｃｅＲｅｄｕｃｔｉｏｎ）ａｎｄｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ（Ｎｏ．２１２７７１６０，５１１３８００９）作者简介：汪鲁（１９８６—），男，博士研究生，Ｅ⁃ｍａｉｌ：[e-mail]；∗通讯作者（责任作者），Ｅ⁃ｍａｉｌ：[e-mail]：ＷＡＮＧＬｕ（１９８６—），ｍａｌｅ，Ｐｈ．Ｄ．ｃａｎｄｉｄａｔｅ，Ｅ⁃ｍａｉｌ：[e-mail]；∗Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒ，Ｅ⁃ｍａｉｌ：[e-mail]汪鲁，强志民，董慧峪，等．２０１４．城市污水处理厂污泥臭氧减量技术研究［Ｊ］．环境科学学报，３４（２）：３６３⁃３６９ＷａｎｇＬ，ＱｉａｎｇＺＭ，ＤｏｎｇＨＹ，ｅｔａｌ．２０１４．Ｓｌｕｄｇｅｒｅｄｕｃｔｉｏｎｂｙｏｚｏｎｅｉｎｍｕｎｉｃｉｐａｌｗａｓｔｅｗａｔｅｒｔｒｅａｔｍｅｎｔｐｌａｎｔｓ［Ｊ］．ＡｃｔａＳｃｉｅｎｔｉａｅＣｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅ，３４（２）：３６３⁃３６９城市污水处理厂污泥臭氧减量技术研究汪鲁１，强志民１，∗，董慧峪１，吕燕飞１，２，聂亚峰３１．中国科学院生态环境研究中心环境水质学国家重点实验室，北京１０００８５２．中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院，北京１０００８３３．中国人民解放军防化指挥工程学院，北京１０２２０５收稿日期：２０１３⁃０６⁃２５　　　修回日期：２０１３⁃０９⁃０３　　　录用日期：２０１３⁃０９⁃０３摘要：通过半连续式实验考察了臭氧投加量和初始ｐＨ对剩余污泥臭氧处理的影响．结果表明，随着臭氧投加量的增加，污泥溶解率增加，有机质、氮、磷等物质释放到污泥液相中；最佳臭氧投加量控制在约１５０ｍｇ·ｇ－１（以ＳＳ计），污泥溶解率可达约２６％；污泥臭氧减量应在初始ｐＨ中性或偏碱性条件下进行，此时污泥溶解率较高，有利于有机质和氮的溶出．臭氧处理后污泥回流至生物处理系统对微生物的生物活性、ＣＯＤ和ＴＮ的去除效果无显著影响，但由于系统中无剩余污泥排放，导致ＴＰ的去除效果明显下降．臭氧处理后污泥上清液的Ｃａ（ＯＨ）２除磷实验发现，较高的钙磷摩尔比对上清液除磷有利；当其值控制在１０．０左右时，ＴＰ的去除率大于８０％．关键词：污泥减量；臭氧；除磷；污水处理厂文章编号：０２５３⁃２４６８（２０１４）０２⁃３６３⁃０７　　　中图分类号：Ｘ７０３　　　文献标识码：ＡＳｌｕｄｇｅｒｅｄｕｃｔｉｏｎｂｙｏｚｏｎｅｉｎｍｕｎｉｃｉｐａｌｗａｓｔｅｗａｔｅｒｔｒｅａｔｍｅｎｔｐｌａｎｔｓＷＡＮＧＬｕ１，ＱＩＡＮＧＺｈｉｍｉｎ１，∗，ＤＯＮＧＨｕｉｙｕ１，ＬÜＹａｎｆｅｉ１，２，ＮＩＥＹａｆｅｎｇ３１．ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＡｑｕａｔｉｃＣｈｅｍｉｓｔｒｙ，ＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｆｏｒＥｃｏ⁃ＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＳｃｉｅｎｃｅｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８５２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｈｅｍｉｃａｌａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＭｉｎｉｎｇａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８３３．ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＣｈｅｍｉｃａｌＤｅｆｅｎｓｅ，ＰＬＡ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０２２０５Ｒｅｃｅｉｖｅｄ２５Ｊｕｎｅ２０１３；　　　ｒｅｃｅｉｖｅｄｉｎｒｅｖｉｓｅｄｆｏｒｍ３Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ２０１３；　　　ａｃｃｅｐｔｅｄ３Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ２０１３Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｅｍｉ⁃ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｍｏｄｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｗｅｒｅａｄｏｐｔｅｄｔｏｅｘａｍｉｎｅｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｏｚｏｎｅｄｏｓｅａｎｄｉｎｉｔｉａｌｐＨｏｎｔｈｅｓｌｕｄｇｅｒｅｄｕｃｔｉｏｎｂｙｏｚｏｎｅ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈａｔ，ａｓｔｈｅｏｚｏｎｅｄｏｓｅｉｎｃｒｅａｓｅｄ，ｔｈｅｓｌｕｄｇｅｓｏｌｕｂｉｌｉｚａｔｉｏｎｒａｔｉｏｉｎｃｒｅａｓｅｄａｎｄｔｈｅｏｒｇａｎｉｃｃｏｍｐｏｕｎｄｓ，ｎｉｔｒｏｇｅｎａｎｄｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｗｅｒｅｇｒａｄｕａｌｌｙｒｅｌｅａｓｅｄｉｎｔｏｔｈｅｗａｔｅｒｐｈａｓｅｏｆｓｌｕｄｇｅ．Ｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｏｚｏｎｅｄｏｓｅｗａｓａｒｏｕｎｄ１５０ｍｇ·ｇ－１（ｉｎＳＳ），ａｔｗｈｉｃｈｔｈｅｓｌｕｄｇｅｓｏｌｕｂｉｌｉｚａｔｉｏｎｒａｔｉｏｃｏｕｌｄｒｅａｃｈａｂｏｕｔ２６％．ＡｎｉｎｉｔｉａｌｎｅｕｔｒａｌｏｒａｌｋａｌｉｎｅｐＨｖａｌｕｅｆａｖｏｒｅｄｔｈｅｓｌｕｄｇｅｒｅｄｕｃｔｉｏｎ，ｕｎｄｅｒｗｈｉｃｈａｈｉｇｈｓｌｕｄｇｅｓｏｌｕｂｉｌｉｚａｔｉｏｎｒａｔｉｏｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄａｎｄｔｈｅｒｅｌｅａｓｅｏｆｏｒｇａｎｉｃｃｏｍｐｏｕｎｄｓａｎｄｎｉｔｒｏｇｅｎｗａｓｅｎｈａｎｃｅｄ．ＴｈｅｒｅｃｙｃｌｉｎｇｏｆｏｚｏｎａｔｅｄｓｌｕｄｇｅｔｏｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｔｒｅａｔｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍｈａｄｎｏｏｂｖｉｏｕｓｉｍｐａｃｔｏｎｔｈｅｍｉｃｒｏｂｉａｌａｃｔｉｖｉｔｙａｎｄｔｈｅｒｅｍｏｖａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓｏｆＣＯＤａｎｄＴＮ，ｗｈｉｌｅｔｈｅｒｅｍｏｖａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｄｅｃｌｉｎｅｄｏｂｖｉｏｕｓｌｙｂｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｚｅｒｏｄｉｓｃｈａｒｇｅｏｆｅｘｃｅｓｓｓｌｕｄｇｅｆｒｏｍｔｈｅｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｔｒｅａｔｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍ．ＴｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｏｆｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｒｅｍｏｖａｌｆｒｏｍｏｚｏｎａｔｅｄｓｌｕｄｇｅｓｕｐｅｒｎａｔａｎｔｂｙＣａ（ＯＨ）２ｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈａｔａｈｉｇｈＣａ／Ｐｍｏｌａｒｒａｔｉｏｗａｓｂｅｎｅｆｉｃｉａｌｆｏｒｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｒｅｍｏｖａｌ；ｗｈｅｎｔｈｉｓｒａｔｉｏｗａｓｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄａｔａｂｏｕｔ１０．０，ｔｈｅｒｅｍｏｖａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆＴＰｃｏｕｌｄｒｅａｃｈｍｏｒｅｔｈａｎ８０％．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｌｕｄｇｅｒｅｄｕｃｔｉｏｎ；ｏｚｏｎｅ；ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｒｅｍｏｖａｌ；ｗａｓｔｅｗａｔｅｒｔｒｅａｔｍｅｎｔｐｌａｎｔ１　引言（Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ）大量剩余污泥的产生是活性污泥工艺面临的一个重要问题．自２００３年开始，我国的剩余污泥产量就超过了１０００万ｔ（国家统计局等，２０１０）；随着城市污水处理厂在“十一五”期间的大规模建设，环　　境　　科　　学　　学　　报３４卷２０１１年我国污泥产量约２１８８万ｔ，预估到２０１５年我国污泥产量将超过３０００万ｔ（傅涛等，２０１２）．剩余污泥若不经有效处理处置将会产生二次污染，直接或间接威胁环境安全和公众健康，同时使污水处理设施的环境效益大大降低．剩余污泥减量技术受到了国内外研究者的广泛关注，目前主要包括物理方法（如机械作用、热处理、微波、超声波、辐射等）、化学方法（如酸碱处理、臭氧氧化、Ｆｅｎｔｏｎ试剂氧化、超临界水氧化、化学制剂解偶联等）和生物方法（如生物捕食、生物酶、多功能微生物制剂等）．单一污泥减量技术的减量效果往往有限．叶芬霞等（２００４）以３，３′，４′，５⁃四氯水杨酰苯胺（ＴＣＳ）作为解偶联剂，投加量为０．５ｍｇ·ｇ－１（以ＶＳＳ计）时，污泥减量约３０％；诸一殊等（２００８）将超声波用于污泥的好氧消化中，使得污泥ＴＳＳ减量４０％左右．污泥减量技术与活性污泥处理系统相结合可以实现剩余污泥进一步减量甚至零排放，其主要减量机制有溶解⁃隐性生长、解偶联代谢、维持代谢等（Ｗｅｉｅｔａｌ．，２００３）．污泥臭氧减量技术是通过臭氧处理使活性污泥溶胞，然后将其回流至生物处理系统，系统内微生物利用这部分物质进行隐性生长，从而达到减量的目的（Ｃｈｕｅｔａｌ．，２００９）．Ｙａｓｕｉ等（１９９６）在日本某小型城市污水处理厂中对该技术进行了为期９个月的研究，运行期间无剩余污泥排放．同时，研究人员围绕着臭氧处理对活性污泥的影响和臭氧处理后污泥回流对生物处理系统的影响等方面开展了一系列研究．研究发现，经过臭氧处理后，污泥浓度降低，溶解性ＣＯＤ增加（Ｙａｎｇｅｔａｌ．，２０１１）；ＶＳＳ／ＴＳＳ、ｐＨ和结合水含量有所降低，Ｚｅｔａ电位有所增加（Ｂｏｕｇｒｉｅｒｅｔａｌ．，２００６），较高的臭氧投加量使得污泥颗粒尺寸减小（Ｚｈａｎｇｅｔａｌ．，２００９）；污泥的可生物降解性有所提高（Ｙｅｏｍｅｔａｌ．，２００２），较低的臭氧投加量对污泥微生物种类无明显影响，而较高的臭氧投加量导致微生物种类逐渐减少甚至对污泥活性造成严重破坏（Ｙａｎｅｔａｌ．，２００９）．经过臭氧处理的污泥回流至生物处理系统后，ＣＯＤ和氮仍然具有较高的去除率，但出水中ＣＯＤ和氨氮浓度略有上升（寇青青等，２０１２），亚硝氮浓度保持很低的水平，硝氮浓度有所降低（孙德栋等，２００６），污泥回流对于生物处理系统的反硝化作用无明显影响（Ｄｙｔｃｚａｋｅｔａｌ．，２００６），而且臭氧处理过程中产生的溶解性和难沉降颗粒有机物可以作为反硝化的碳源（Ａｈｎｅｔａｌ．，２００２），ＳＳ保持较低水平（Ｌｅｅｅｔａｌ．，２００５）．有研究表明（Ｓａｋｔａｙｗｉｎｅｔａｌ．，２００５），污泥臭氧处理与活性污泥工艺结合后，磷的去除效果下降，这是由于生物除磷是通过剩余污泥的排放实现的，污泥减量甚至零排放使得磷在生物处理系统内逐步积累，导致出水中磷浓度升高，因此，污泥臭氧减量应与除磷工艺相结合．基于此，本研究考察了污泥臭氧减量效果、工艺控制参数及臭氧处理后回流污泥对生物处理系统的影响，同时探索了臭氧处理后污泥上清液化学除磷的优化条件，以期为污泥臭氧减量技术的规模化应用提供技术支持．２　材料与方法（Ｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｍｅｔｈｏｄｓ）２．１　污泥臭氧处理实验实验所用污泥取自北京清河污水处理厂Ａ／Ａ／Ｏ工艺二沉池的回流污泥，ＭＬＳＳ和ＭＬＶＳＳ分别为８６０３和６１８５ｍｇ·Ｌ－１．每次实验前取１４００ｍＬ污泥原样，曝气２４ｈ，然后用去离子水稀释至３５００ｍＬ．污泥臭氧处理实验采用半连续式反应模式，即污泥序批式加入反应器中，臭氧连续通入反应器，共完成了２个批次的臭氧处理实验．污泥样品的体积均为５００ｍＬ，臭氧气体的流速为０．２Ｌ·ｍｉｎ－１，采用砂芯曝气．第一批次实验中，初始ｐＨ为６．８，氧化时间为１０ｍｉｎ，臭氧投加量分别为０、２６、６３、１５４、２２７、２６８ｍｇ·ｇ－１（以ＳＳ计）；第二批次实验中，臭氧气体浓度为５０ｍｇ·Ｌ－１，氧化时间为９ｍｉｎ，初始ｐＨ调节为３．０、５．０、７．０、９．０、１１．０．臭氧气体浓度用碘量法测定．反应结束后，用氮气将系统中残留的臭氧吹出，并用１％ＫＩ溶液收集．实际消耗的臭氧由公式（１）计算．ＭＯ３，ｃｏｎｓ＝ＣＯ３，ｇａｓ，ｉｎ×ＱＯ３，ｇａｓ，ｉｎ×Ｔ－ＭＯ３，ｇａｓ，ｏｕｔ（１）式中，ＭＯ３，ｃｏｎｓ为臭氧消耗量（ｍｇ）；ＣＯ３，ｇａｓ，ｉｎ为反应器入口的臭氧浓度（ｍｇ·Ｌ－１）；ＱＯ３，ｇａｓ，ｉｎ为臭氧气体流速（Ｌ·ｍｉｎ－１），由气体流量计测得；Ｔ为活性污泥臭氧氧化时间（ｍｉｎ）；ＭＯ３，ｇａｓ，ｏｕｔ为未参与反应的臭氧量（ｍｇ）．采用污泥溶解率Ｒ表征其溶胞程度，计算公式如下：Ｒ＝［ＭＬＳＳ］ｏ－［ＭＬＳＳ］ｔ［ＭＬＳＳ］ｏ×１００％（２）式中，［ＭＬＳＳ］ｏ和［ＭＬＳＳ］ｔ表示未经臭氧处理及经４６３２期汪鲁等：城市污水处理厂污泥臭氧减量技术研究臭氧处