鼓泡塔污泥臭氧化效率及影响因素分析

中国环境科学2017,37(9)：3416~3422ChinaEnvironmentalScience鼓泡塔污泥臭氧化效率及影响因素分析蒋轶锋1*,黄晓楠1,王志彬1,金云珍2(1.浙江工业大学环境学院,浙江杭州310014；2.温州市瓯海区城市管理与行政执法局,浙江温州325006)摘要：采用鼓泡塔反应器开展污泥臭氧化研究,考察了臭氧浓度、污泥浓度、臭氧投加量对污泥溶胞和有机物释放的影响规律.结果表明,污泥臭氧化在实现较高溶胞速率的同时对释出COD的矿化作用明显,造成臭氧化效率下降.基于响应面分析,发现各影响因素对污泥溶胞速率和COD释放速率的显著性排序分别为:臭氧浓度污泥浓度臭氧投加量,臭氧浓度臭氧投加量污泥浓度,且存在交互作用效应;建立了相关多元二次回归模型并进行了有效性验证,获得了各影响因素之于污泥臭氧化的最佳反应条件.关键词：臭氧；污泥；溶胞；响应面分析中图分类号：X705文献标识码：A文章编号：1000-6923(2017)09-3416-07Analysisofsludgeozonationefficiencyanditsinfluencingfactorsinbubblecolumn.JIANGYi-feng*,HUANGXiao-nan,WANGZhi-bin,JINYun-zhen(1.CollegeofEnvironment,ZhejiangUniversityofTechnology,Hangzhou310014,China；2.WenzhouUrbanManagementandLawEnforcementofOuhai,Wenzhou325006,China).ChinaEnvironmentalScience,2017,37(9)：3416~3422Abstract：Inthiscontext,abubblecolumnreactorwasemployedforsludgeozonation,wheretheeffectsofozoneconcentration,sludgeconcentrationandozonedosageonsludgesolubilizationandorganicreleasewasinvestigated,respectively.TheresultsshowedthatahighcelllysisratewasachievedbutwithanobviousmineralizationofreleasedCOD,anditinconsequenceloweredtheozonationefficiency.Basedontheresponsesurfacemethodology,itrevealedthattherewasinteractioneffectsamongtheaboveinfluencingfactors,andtheirrespectiveorderforsludgesolubilizationrateandCODreleaseratewere:ozoneconcentrationsludgeconcentrationozonedosage,andozoneconcentrationozonedosagesludgeconcentration.Finally,theoptimumoperationalconditionsforsludgeozonationwasobtained,bytherelatedmultiplequadraticregressionmodelestablishedandvalidatedexperimentally.Keywords：ozone；sludge；cellsolubilization；responsesurfacemethodology剩余污泥减量是当前亟待解决的环境和社会问题[1].污泥溶胞—隐性生长污泥减量技术具备环境安全、操作方便、减量效果显著等优点[2-3].臭氧/氯气氧化、机械压力/超声、酸/碱等均能破解细胞,其中臭氧化方法因其氧化能力强、反应副产物少、能改善污泥沉降性等特点而备受瞩目[4-7].目前,臭氧化设备的投资及制备成本仍然偏高.同时,由于臭氧难溶于水,根据双膜理论认为臭氧的扩散传质阻力主要集中于液相.为此,现有的研究主要从反应装置和运行参数入手,围绕污泥臭氧化的特点开展反应机理、传质动力学等研究[8-10],以期通过提高气液传质和臭氧利用效率,实现其与污水生物处理单元的耦合与污泥减量.蒋轶锋等[4]、王正等[5,9]考察了臭氧浓度、污泥浓度、臭氧投加量、混合液高度、气泡尺寸等对臭氧传质效率的贡献,并建立了相关数学模型;汪启光[11]剖析了污泥臭氧破解机理及主要作用途径,认为臭氧投加量、臭氧浓度与固相COD的释放成正比;赵玉鑫等[12]考察了臭氧投加量、pH值和污泥浓度对有机物释放的影响,获得了污泥溶胞的临界臭氧投量;吴声东等[13]以溶出COD为控制指标,分析表明影响臭氧化溶胞效率的顺序为臭氧浓度作用时间.考虑到臭氧化污泥溶胞反应相对缓慢、持续收稿日期：2017-02-27基金项目：国家青年科学基金项目(51308501)*责任作者,副教授,[e-mail]9期蒋轶锋等：鼓泡塔污泥臭氧化效率及影响因素分析3417时间较长,本文将采用底部安装有10µm微孔曝气头的新型气提式鼓泡塔接触反应器,具有结构简单、气相高度分散、相际接触表面大、传质系数高等优点.相比先前研究,该体系有望进一步增强污泥破解速率,缩短反应时间.同时,考察系统中污泥浓度、臭氧浓度、臭氧投加量等关键参数对臭氧化过程和效率的影响;结合响应面分析,探讨各因子对污泥溶胞及其有机物释放速率的显著性影响与交互作用效应,以摸清污泥臭氧化的一般性规律及优化方法.1材料和方法1.1臭氧发生器臭氧发生器(3S-A3型,北京同林高科科技有限责任公司)以环境空气为气源,经高频放电产生臭氧.试验中保持进气流量0.2L/min,通过调节电流控制出口臭氧浓度在11、16和21mg/L左右.1.2污泥臭氧化装置图1所示的污泥臭氧化装置由臭氧发生器、鼓泡塔反应器、尾气吸收和臭氧检测装置等组成.具有一定高径比的鼓泡塔直径35mm,高1700mm,有效容积1.65L.图1污泥臭氧化试验装置示意Fig.1Schematicdiagramofsludgeozonationdevice1.臭氧发生器2.气体流量计3.三通阀4.臭氧吸收瓶5.臭氧检测瓶6.鼓泡塔7.安全瓶8.排放口污泥取自杭州某城市污水处理厂,通过人工培养保持污泥性状稳定,VSS/SS=0.51左右.污泥经自来水淘洗后配置所需的浓度.每批次反应投加污泥1L,臭氧经流量计由微孔曝气头进入塔底与污泥接触氧化.1.3臭氧投加量本试验的臭氧投加量定义为臭氧投量与初始污泥量的比值,其计算方式如下:33gOOSSMLSSQTCdV××=×式中:dO3为臭氧投加量,gO3/gMLSS;Qg为气源流量,L/min;T为反应时间,min;CO3为臭氧浓度,mg/L;VSS为污泥体积,L;MLSS为污泥浓度,mg/L.1.4分析方法各指标按国家标准方法测定[14];臭氧浓度采用碘量法分析[15].液相总COD(TCOD)和溶解性COD(SCOD)分别指混合液经沉降5min或离心10min(4500r/min)后上清液中的有机物浓度[9,16].2结果与讨论2.1污泥溶胞01020304050012345MLSS(g/L)臭氧反应时间(min)11mg/L16mg/L21mg/L0204060801000246810MLSS(g/L)臭氧反应时间(min)11mg/L16mg/L21mg/L3418中国环境科学37卷02040608010012003691215MLSS(g/L)臭氧反应时间(min)11mg/L16mg/L21mg/L图2不同臭氧浓度下MLSS的变化Fig.2ChangeofMLSSatdifferentozoneconcentrationsa,b,c:分别表示初始MLSS为4g/L、9g/L、14g/L图2显示在不同进气臭氧浓度(11、16和21mg/L)和污泥浓度(4、9和14g/L)下的污泥溶胞情况.臭氧利用强氧化性破坏细胞,导致污泥溶解并释放胞内物.如图,在不同工况下MLSS均呈现先快速后趋缓的下降规律,表明反应后期由于惰性物质积累,导致污泥分解趋缓[17-18].即臭氧投量的增加对污泥减量的促进存在一个合理的范围,过长的反应时间反而会加剧臭氧消耗及其对释出有机物的直接氧化作用[4].理论上,污泥细胞质提供了类似pH中性和高浓度HCO3-离子的环境,溶胞过程包括OH·和分子态臭氧的间接和直接氧化作用[11,19].通过图3对pH监测,其中性偏酸性条件更有利于污泥的臭氧氧化分解[12,20].0.0000.0050.0100.0150.0200.0254.04.55.05.56.06.5pH值臭氧投加量(gO3/gMLSS)MLSS=4g/LMLSS=9g/LMLSS=14g/L图3pH随臭氧投加量的变化Fig.3ChangeofpHwithozonedosage表1列出了不同条件下的污泥溶胞速率,显示较高的臭氧浓度更利于溶胞[13].相较吴声东[21]19mgMLSS/(L·min)的溶胞速率,本试验在类似条件下的速率高达116mgMLSS/(L·min)(为其6倍),推测这与研究采用的鼓泡塔装置和微孔曝气器有关.该结果也与作者前期结论一致[5],即塔内混合液高度和气泡直径对臭氧传质效率的影响十分显著.表1不同条件下的溶胞速率Table1Celllysisrateunderdifferentconditions污泥浓度(g/L)臭氧浓度(mg/L)溶胞速率(mgMLSS/(L·min))11541681421116116816141921225111061614014212082.2有机物释放污泥溶胞引起液相有机物浓度上升,图4和图5分别表示在3种初始污泥浓度条件下,TCOD和SCOD随臭氧投量的变化情况.首先,COD的释放量随着臭氧投量增加而增加,但同时发现拟合曲线存在拐点,暗示在反应中后期臭氧对COD的氧化速率已超越其溶胞释出速率,这显然对臭氧溶胞的经济性不利[22-23].此外,在一定的臭氧投量下TCOD与SCOD的差值反映了污泥溶出物中大分子非溶解性COD占据较大比例,且其增加速率高于溶解性SCOD.总体而言,污泥臭氧化在0.015gO3/gMLSS左右的投量下具有较好的溶胞效果.然而,就单位溶解污泥释放有机物的比例而言,经计算其最大值仅为365mgTCOD/gVSS,进一步表明有70%多的有机物(底物)在溶胞过程中被臭氧直接矿化损耗(按1gVSS=1.42gCOD[24]).推测本研究鼓泡塔的设计及其分散相中较小的气泡尺寸引起了气液传质反应速率改善,导致释出COD在溶胞过程中更易被氧化分解.因此,在维持高污泥溶胞9期蒋轶锋等：鼓泡塔污泥臭氧化效率及影响因素分析3419速率的同时减少臭氧和有机物的无效消耗是后续研究的重点.0.0000.0050.0100.0150.0200.025020040060080010001200MLSS=4g/LMLSS=9g/LMLSS=14g/LTCOD(mg/L)臭氧投加量(gO3/gMLSS)图4不同污泥浓度下TCOD随臭氧投加量的变化Fig.4VariationofTCODwithozonedosageunderdifferentsludgeconcentrations0.0000.0050.0100.0150.0200.0250100200300400500600MLSS=4g/LMLSS=9g/LMLSS=14g/LSCOD(mg/L)臭氧投加量(gO3/gMLSS)图5不同污泥浓度下SCOD随臭氧投加量的变化Fig.5VariationofSCODwithozonedosageunderdifferents