杜 艷, 孫 德 棟, 郭 思 曉, 馬 妮 娜, 薛 芒, 張 新 欣, 馬 春, 薛 文 平, 董 曉 麗

(大連工業(yè)大學(xué) 化工與材料學(xué)院, 遼寧 大連 116034)

0 引 言

目前我國(guó)的污水處理廠數(shù)量在不斷地增加,污水處理能力也在不斷地提高,活性污泥法是城市污水處理廠應(yīng)用最廣泛的生物處理技術(shù),但最大弊端是產(chǎn)生大量的剩余污泥[1]。由此產(chǎn)生的污泥處理和處置的問(wèn)題日益嚴(yán)重,如果處理不當(dāng),極易造成嚴(yán)重的后果[2]。為此,人們采用了很多方法來(lái)處理,污泥好氧消化就是一種常見的方法。對(duì)污泥進(jìn)行曝氣,使活性污泥中的微生物有機(jī)體自身氧化分解,轉(zhuǎn)化為CO2、H2O、NH3等,從而提高污泥的穩(wěn)定性[3]。

Fenton試劑處理作為一種污泥預(yù)處理手段,通過(guò)其反應(yīng)生成的氧化性極強(qiáng)的羥基自由基(·OH)來(lái)氧化污泥,使污泥破解,將污泥表面的胞外聚合物氧化來(lái)提高污泥的絮凝性,改善污泥的脫水性能[5],同時(shí)Fenton氧化污泥可以使污泥減量、脫色和除臭。另外,Fenton氧化能去除污泥中部分有機(jī)物,殺滅病原菌,提高污泥的穩(wěn)定性[6]。目前大多數(shù)研究人員都是將Fenton試劑用于污泥的預(yù)處理方面,很少有人將Fenton氧化與污泥的好氧消化結(jié)合起來(lái)。本研究采用污泥好氧消化與Fenton氧化同時(shí)進(jìn)行的方法來(lái)處理剩余污泥。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

共設(shè)3個(gè)污泥消化反應(yīng)器,每個(gè)容積為2 L,曝氣方式采用鼓風(fēng)微孔曝氣,反應(yīng)器底部安裝石英砂曝氣頭,利用空氣流量計(jì)調(diào)節(jié)曝氣量。實(shí)驗(yàn)所用剩余污泥取自大連市凌水污水處理廠,原污泥經(jīng)一段時(shí)間的重力濃縮后,棄去上清液即為實(shí)驗(yàn)污泥。測(cè)得SS=8 200 mg/L,VSS=5 867 mg/L,VSS/SS=0.72。污泥上清液中COD為48 mg/L,ρ(NH3-N)=1.12 mg/L,pH為7.47。

1.2 運(yùn)行條件

實(shí)驗(yàn)中所用的3個(gè)反應(yīng)器記為0#、1#和2#,均采用24 h連續(xù)曝氣的運(yùn)行方式。每個(gè)反應(yīng)器的具體運(yùn)行條件如下:0#為空白實(shí)驗(yàn),即不加入任何氧化劑；1#每天每升污泥中加入2.0 g Fenton；2#每天每升污泥中加入3.0 g Fenton,加入的Fenton試劑m(Fe2+) ∶m(H2O2) = 1∶4[5]。

選擇15 d作為一個(gè)消化周期。每個(gè)反應(yīng)器加入2 L實(shí)驗(yàn)用污泥,室溫條件下運(yùn)行,用空氣流量計(jì)調(diào)節(jié)曝氣量,使每個(gè)反應(yīng)器的曝氣量相同且溶解氧質(zhì)量濃度大于等于2 mg/L。1#和2#反應(yīng)器每天加入不同劑量的Fenton,定時(shí)取樣測(cè)定。

1.3 測(cè)定方法

污泥各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)定方法均參照《水與廢水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)法》測(cè)定,COD的測(cè)定采用重鉻酸鉀法,總磷的測(cè)定采用鉬銻抗分光光度法,氨氮的測(cè)定采用水楊酸-次氯酸鹽光度法。

2 結(jié)果與討論

2.1 SS與VSS的變化和去除效果

在室溫條件下,連續(xù)曝氣消化15 d,3個(gè)反應(yīng)器獲得了不同的SS和VSS的去除率。0#反應(yīng)器SS與VSS的去除率分別為32.2%和38.1%；1#反應(yīng)器SS與VSS的去除率分別為37.4%和43.2%；2#反應(yīng)器SS與VSS的去除率分別為40.2%和47.7%。由圖1、2可以看出,加入Fenton試劑對(duì)于污泥的SS和VSS的去除有較大作用,使污泥達(dá)到穩(wěn)定；并且Fenton試劑的投加量越大,污泥的SS和VSS的去除率越大。

圖1 污泥SS的變化

圖2 污泥VSS的變化

2.2 污泥上清液COD的變化

由圖3可見,3個(gè)反應(yīng)器中上清液COD都有上升的趨勢(shì)。0#反應(yīng)器初期污泥上清液中的COD有所下降,這是由于好氧消化初期污泥的活性較強(qiáng),溶胞釋放的細(xì)胞物質(zhì)被污泥降解。隨著消化時(shí)間的延長(zhǎng),污泥溶胞程度加大,釋放到污泥溶液中的有機(jī)物增多,污泥溶液中的COD呈上升趨勢(shì)。1#和2#反應(yīng)器中污泥上清液的COD從最初的48 mg/L分別增加到288和336 mg/L,比空白實(shí)驗(yàn)增加了20%和40%。這是因?yàn)榧尤肓薋enton試劑促進(jìn)了污泥的破解,且Fenton投加量越大,污泥破解的程度也越大。

圖3 污泥上清液COD的變化

2.3 污泥上清液總磷質(zhì)量濃度的變化

在污泥好氧消化處理過(guò)程中,由于溶胞作用及可生物降解物質(zhì)的分解,使得貯存于污泥中的磷釋放出來(lái)[7]。通過(guò)測(cè)定污泥上清液中磷的含量可判斷污泥破解的強(qiáng)度[8]。由圖4可見,3個(gè)反應(yīng)器上清液中總磷的質(zhì)量濃度都呈不斷增大的趨勢(shì),但是總磷質(zhì)量濃度升高的幅度不同,通過(guò)15 d的好氧消化,1#和2#反應(yīng)器中污泥上清液的總磷質(zhì)量濃度分別增加到32.1和40.2 mg/L,大于0#反應(yīng)器的23.1 mg/L,分別增加了39.4%和74%,進(jìn)一步說(shuō)明加入Fenton試劑有助于污泥的破解,并且Fenton試劑的投加量越大,污泥破解的程度越大。

圖4 污泥上清液總磷質(zhì)量濃度的變化

Fig.4 Change of total phosphorus concentration in supernatant

2.4 污泥上清液氨氮質(zhì)量濃度的變化

由圖5可見,3個(gè)反應(yīng)器中氨氮質(zhì)量濃度的變化趨勢(shì)相同,都是有不斷上升的趨勢(shì),經(jīng)過(guò)15 d的好氧消化,1#和2#反應(yīng)器的污泥上清液氨氮質(zhì)量濃度從1.12 mg/L分別增加到121.3和140.3 mg/L,大于0#反應(yīng)器的104.7 mg/L,分別增加了15.9%和34%。這是因?yàn)楹醚跸^(guò)程中,含氮有機(jī)物的轉(zhuǎn)化分兩步進(jìn)行,首先是脫氨基作用將含氮有機(jī)物轉(zhuǎn)化為氨氮,第二步是硝化作用將氨氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮。但是由于好氧消化對(duì)堿度的消耗對(duì)硝化作用造成了影響,使硝化作用不能完全進(jìn)行,因此氨氮的質(zhì)量濃度不斷上升[9]。

2.5 pH的變化

如圖6所示,雖然3個(gè)反應(yīng)器都有下降的趨勢(shì),但是下降幅度不同。0#反應(yīng)器中,污泥在好氧消化初期,含氮有機(jī)物的氨化作用會(huì)引起pH上升,而氨態(tài)氮的硝化作用又導(dǎo)致pH下降[10]。在好氧消化15 d后,污泥pH從7.47下降到5.4。而1#和2#反應(yīng)器中的污泥pH則迅速下降,最終下降到2.83和2.74。這是因?yàn)槲勰啾籉enton試劑氧化,其胞外聚合物分解并釋放出溶解性有機(jī)物,隨著好氧消化的進(jìn)行,釋放出的部分有機(jī)物被氧化成揮發(fā)性脂肪酸、H2O 和CO2等小分子物質(zhì)[11]。有機(jī)酸的生成降低了溶液的pH,酸性條件又促進(jìn)了H2O2在Fe2+的催化作用下生成具有高反應(yīng)活性的羥基自由基(·OH),進(jìn)一步氧化污泥及其釋放的有機(jī)物,導(dǎo)致生成更多的有機(jī)酸,使1#和2#反應(yīng)器中的污泥pH顯著降低。

圖5 污泥上清液氨氮質(zhì)量濃度的變化

Fig.5 Change of ammonia nitrogen concentration in supernatant

圖6 污泥上清液pH變化

2.6 氧攝取率(OUR)的變化

如圖7所示,OUR均隨著好氧消化時(shí)間的延長(zhǎng)、污泥逐漸被破解而逐漸降低,在消化開始的前7 d,曲線較陡,然后趨于平緩。經(jīng)過(guò)15 d消化,0#反應(yīng)器中的污泥OUR降低到10.02 mg/(L·h),污泥的活性相對(duì)較低。1#和2#反應(yīng)器中污泥在Fenton試劑的作用下,污泥活性進(jìn)一步降低,污泥的OUR分別降低到1. 087和0. 921 mg/(L·h),污泥的活性降至非常低的水平。

2.7 污泥比阻的變化趨勢(shì)

圖7 OUR的變化趨勢(shì)

污泥比阻是反映污泥脫水性能的重要指標(biāo)。一般來(lái)說(shuō),比阻小于1×1011m/kg的污泥易于脫水,大于1×1011m/kg 的污泥難于脫水[12]。從圖8中可以看出,不加Fenton試劑的0#反應(yīng)器,污泥的比阻不斷地升高,從起始的1.07×1011m/kg升高到1.9×1011m/kg,升高了77.6%,越來(lái)越難于脫水。而加入Fenton試劑的1#和2#反應(yīng)器,污泥比阻在第4天后降低到一個(gè)相對(duì)低的水平,1#平均降低到2.9×1010m/kg,降低了72.9%；2#平均降低到1.5×1010m/kg,降低了86%,1#和2#經(jīng)消化后,污泥比阻均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1×1011m/kg,污泥較易于脫水。0#反應(yīng)器比阻升高的原因是:隨著好氧消化,污泥中的物質(zhì)釋放到上清液中,使上清液變得黏稠,影響了過(guò)濾的速度。加入Fenton試劑氧化后,污泥顆粒的粒徑明顯減小。Fenton氧化提高了污泥的無(wú)機(jī)化程度和疏水性,胞外聚合物中的結(jié)合水被釋放出來(lái),有效改善污泥的脫水性能[11],同時(shí),Fenton氧化污泥過(guò)程中形成的鐵水絡(luò)合物具有絮凝的作用,也能改善污泥的脫水性能[13],并且Fenton試劑的投加量越大,污泥越易于脫水。

圖8 污泥比阻的變化趨勢(shì)

3 結(jié) 論

在污泥好氧消化的同時(shí)加入Fenton試劑,有利于污泥的消化。與傳統(tǒng)的好氧消化相比,每天每升污泥中分別加入2.0和3.0 g Fenton試劑,好氧消化15 d后,VSS和SS的去除率得到提高,從32.2%、38.1%分別提高到37.4%、43.2%和40.2%、47.7%,Fenton試劑的投加量越大,越有利于污泥的SS和VSS的去除。上清液的COD較空白實(shí)驗(yàn)相應(yīng)分別增加了20%和40%,總磷質(zhì)量濃度分別增加了39.4%和74%,氨氮質(zhì)量濃度分別增加了15.9%和34%。

Fenton 試劑作用于污泥,釋放出有機(jī)酸,酸性條件又促進(jìn)了進(jìn)一步氧化污泥及其釋放的有機(jī)物,生成更多的有機(jī)酸,使污泥pH顯著降低。Fenton氧化能顯著提高污泥的脫水性能,與未投加Fenton試劑相比,脫水性能分別提高了72.9%和86%,有利于污泥的后續(xù)處理。

[1] RONG C, DEOKJIN J. Nitrogen control in AO process with recirculation of solubilized excess sludge[J]. Water Research, 2004, 38(5):1159-1172.

[2] 張艷萍,彭永臻,王亞宜,等. 調(diào)節(jié)好氧消化pH值提高污泥沉降和脫水性能[J]. 環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備, 2006, 7(2):34-37.

[4] 張錫輝,劉勇弟. 廢水生物處理[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2003.

[5] BARBUSINSKI K, FILIPEK K. Aerobic sludge digestion in the presence of chemical oxidizing agents part II. Fenton’s reagent[J]. Polish Journal Environment Studies, 2000, 9(3):145-149.

[6] 宋相國(guó),張盼月,張光明,等. Fenton氧化處理剩余污泥的作用機(jī)制[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù), 2009, 32(7):64-67.

[7] 張艷萍,彭永臻,王淑瑩. 不同污水處理廠剩余污泥好氧消化的對(duì)比研究[J]. 哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2005, 21(5):575-578.

[8] 李娟,張盼月,宋相國(guó),等. Fenton試劑的發(fā)展及其在剩余污泥處理中的應(yīng)用[G] //中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì), 環(huán)境保護(hù)分會(huì)第四屆委員會(huì)第一次會(huì)議論文集,2008:111-115.

[9] 張艷萍,彭永臻. 好氧/缺氧消化降解污泥特征分析[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào), 2009, 3(4):673-676.

[10] 周春生,尹軍. 剩余污泥好氧消化處理的效能及機(jī)理研究[J]. 中國(guó)給水排水, 1992, 8(1):13-18.

[11] 李娟,張盼月,曾光明,等. Fenton氧化破解剩余污泥中的胞外聚合物[J]. 環(huán)境科學(xué), 2009, 30(2):475-479.

[12] JIA Zhengwei, LIAO Zhixin, CHEN Daofeng. Two new dibenzocyclooctene lignans from the water extract ofKadsuraspp [J]. Helvetica Chimica Acta, 2005, 88(8):2288-2293.

[13] 包木太,王娜,陳慶國(guó),等. Fenton法的氧化機(jī)理及在廢水處理中的應(yīng)用發(fā)展[J]. 化工進(jìn)展, 2008, 27(5):660-665.