不同調理方法強化污水廠污泥脫水性能的對比
【天津純水設備http://www.shunhung.com】以上海某生活污水廠濃縮污泥為研究對象，以泥餅含水率和毛細吸水時間( CST) 為評價指標，系統對比研究了芬頓( Fenton) 、超聲波－聚合硫酸鐵( PFS) 、十二烷基磺酸鈉( SDS) －氫氧化鈉( NaOH) 、溶菌酶和蛋白酶 K 共 5 種污泥調理方法對污泥脫水性能的強化效果。研究結果表明: 5 種調理方式中 Fenton 調理的脫水效果最好，調理后污泥泥餅含水率和 CST 分別為 64. 8%、43. 3 s，但其產生的強酸性廢水和污泥可能會影響后續的處理處置; 技術經濟綜合分析發現天津純水設備，超聲波-PFS 聯合調理是相對最優的污泥調理方式，超聲波作用時間為 30 s，PFS 投加量為 15. 0 mg /g 時，污泥的泥餅含水率可達到 70. 51%; 蛋白酶 K 的調理效果明顯優于溶菌酶; 然而，研究發現 SDS-NaOH 聯合調理會導致污泥脫水性能惡化。
剩余污泥高含水率是限制其后續處理與處置的重要因素，如何有效降低污泥含水率是污泥處理的關鍵環節。為了強化污泥的脫水性能，各種物理、化學或生物調理方法應運而生，包括熱處理、酸堿處理、超聲處理、氧化劑處理以及生物酶處理等，主要通過破壞污泥多孔性的膠羽結構，促使污泥表面的部分胞外聚合物( EPS) 和污泥溶胞釋放大量多聚物進入液相，有利于污泥表面吸附水、結合水向間隙水和自由水的轉化，例如 Fenton 調理、超聲波調理、生物酶調理等; 另外，通過加入調理劑調節污泥中多聚物的含量，維持合理的陽離子濃度和離子比例，使污泥顆粒脫穩聚集、增大污泥絮體，創造出有利于污泥脫水的環境條件，例如無機/有機高分子混凝劑、微生物絮凝劑［11］和表面活性劑等。然而，當前的研究主要針對某一種具體技術，而且研究結論尚存在分歧，并缺乏對已有常用技術的系統評定。
本研究在調研國內外研究現狀的基礎上，選擇Fenton 調理、超聲波-PFS 聯合調理、十二烷基磺酸鈉( SDS) -NaOH 聯合調理、溶菌酶調理、蛋白酶 K 調理共 5 種調理方式進行污泥預處理，以泥餅含水率和毛細吸水時間( CST) 作為評價污泥脫水性能的指標，對以上 5 種調理方式的顯著影響因素進行優化，并系統評定了各方式對污水廠污泥脫水性能的強化效果、應用條件及經濟成本等特點，以期為污水處理廠污泥預處理技術選擇提供參考。
1 實驗部分
1. 1 實驗污泥
實驗所用污泥取自上海市閔行水處理運營有限公司產生的濃縮污泥，取回后立即放入 4 ℃冰箱中儲存。實驗污泥的基本性質如表 1 所示。
1. 2 調理方法
分別量取 50 mL 污泥樣品，對其先后進行不同方式的調理( 表 2) 。其中，Fenton 調理和 SDS-NaOH 聯合調理實驗將污泥樣品置于磁力攪拌機上攪拌 1 h，超聲波-PFS 聯合調理實驗時超聲波頻率為 40 kHz，溶菌酶調理和蛋白酶 K 調理實驗將污泥樣品恒溫水浴并攪拌 1 h，取出后進行污泥泥餅含水率和 CST 的測定。
1. 3 污泥指標測定
泥餅含水率的測定: 將 30 mL 待測污泥倒入布氏漏斗，在－0. 1 MPa 恒壓下真空抽濾，30 s 內無濾液滴落即認為抽濾脫水完成天津純水設備，采用 CJ/T 221—2005《城市污水處理廠污檢驗方法》測定脫水泥餅的含水率。CST 的測定: 取 10 mL 待測污泥，采用毛細吸水時間測試儀( DFC-10A 型) 測定 CST。
2 結果與討論
2. 1 Fenton 調理對污泥脫水性能的影響
2. 1. 1 Fe2+投加量對污泥脫水性能的影響
一般 認 為 Fenton 試劑氧化的最佳 pH 為 2 ～4，本實驗中調節污泥 pH 為 3。30%H2O2 投加量為 30. 0 mg /g 時，Fe2+投加量對污泥脫水性能的影響如圖 1a 所示。隨著 Fe2+投加量的增加，泥餅含水率和 CST 均先減小后增加，Fe2+ 投加量為 30. 0 mg /g時，泥餅含水率和 CST 達到最小值，分別為 65. 4%和33. 3 s。Fe2+離子在 Fenton 反應中作為催化劑促進·OH的產生，·OH 具有強氧化性，能夠破解污泥絮體、胞外聚合物( EPS) 和細胞的結構，氧化分解 EPS等有機物，促進細胞內部水和結合水的釋放，改善污泥脫水性能。同時，Fe2+被氧化生成的 Fe3+可以通過生成磷酸鐵沉淀及 Fe3+水解聚合沉淀產物進一步強化污泥脫水性能。
Fe2+投加量過高時，會和有機物競爭·OH，且 Fe3+也能與 H2O2 發生反應，從而削弱 Fenton 試劑的氧化效果，不利于污泥脫水性能的提升。
2. 1. 2 H2O2 投加量對污泥脫水性能的影響
圖 1b 是 Fe2+投加量為 30. 0 mg /g 時，H2O2 投加量對污泥脫水性能的影響。H2O2 投加量( 以 30%H2O2 計) 為 30. 0 mg /g 時，泥餅含水率和 CST 均達到最小值，分別為 64. 8%和 43. 3 s。反應體系中 H2O2投加量增大，使得 OH·的產生速率和產生量增大，氧化效率提高，但過量的 H2O2 會與·OH 反應生成氧化性較弱的 HO2·，也會導致 H2O2 分解及·OH 自身反應，使·OH 濃度下降，影響 Fenton 調理效果。
2. 2 超聲波-PFS 聯合調理對污泥脫水性能的影響
2. 2. 1 PFS 投加量對污泥脫水性能的影響
圖 2a 所示為超聲波作用時間 30 s 時，不同 PFS投加量下的污泥脫水性能。污泥泥餅含水率和 CST均隨 PFS 投加量的增加而減小，表明 PFS 的聯用有利于污泥脫水性能的進一步提升。PFS 投加量為15. 0 mg /g 時，污泥泥餅含水率下降至 70. 51%，CST下降至最小值 123. 9 s。而 PFS 投加量繼續增加對污泥脫水性能的提升作用趨于飽和。PFS 能水解生成多核絡合物等產物，對污泥中的膠體顆粒起到電中和、吸附架橋和網捕卷掃等作用，使膠粒脫穩聚沉并釋放吸附水，提高污泥脫水性能。PFS 投加量過大時反而產生膠體保護作用，使污泥聚沉速率降低。
綜合考慮強化效果、經濟成本等因素，認為本實驗污泥條件下 PFS 最佳投加量為 15. 0 mg /g。
2. 2. 2 超聲波作用時間對污泥脫水性能的影響
PFS 投加量為 15. 0 mg /g 時，超聲波作用時間對污泥脫水性能的影響如圖 2b 所示。泥餅含水率和CST 均在超聲波作用時間為 30 s 時達到最小值，分別為 70. 51%、123. 9 s。相關研究表明，超聲波的空化、水力剪切作用能破壞污泥菌膠團及細胞結構，釋放部分結合水，同時超聲波產生的局部發熱、界面破穩和振動作用都能加速固液分離，與 PFS 的聯用則進一步強化污泥沉降性能。但過長的超聲波作用時間可能會導致污泥顆粒被過度分解，污泥黏度增大，污泥脫水性能反而下降，不利于后續處理。
2. 3 表面活性劑( SDS) －堿( NaOH) 聯合調理對污泥脫水性能的影響
2. 3. 1 表面活性劑( SDS) 投加量對污泥脫水性能的影響
SDS-NaOH 聯合調理時，NaOH 投加量為 0. 5 g /g的條件下，不同 SDS 投加量對污泥脫水性能的影響如圖 3a 所示。污泥的泥餅含水率隨 SDS 投加量的增加而減 小，但均大于未經調理污泥的泥餅含水率( 82. 06%) ，且不同 SDS 投加量下 CST 均大于儀器顯示范圍( 999 s) ，表明投加 SDS 后污泥脫水性能出現惡化天津純水設備。分析認為: 陰離子表面活性劑 SDS 與同樣帶負電荷的污泥顆粒之間存在靜電斥力，使 SDS 無法很好地吸附于污泥顆粒表面，也使污泥絮體處于不穩定懸浮狀態，同時 SDS 的兩親結構和增溶作用使得EPS 脫落并溶解于水中，導致包裹于污泥絮體中的顆粒被釋放，使污泥絮凝、過濾性能變差，CST 值較大。而隨著 SDS 投加量的增加，污泥表面張力降低，且更多 EPS 脫落并溶解，使污泥結合水和間隙水減少，泥餅含水率有所下降。
2. 3. 2 pH 對污泥脫水性能的影響
SDS 投加量為 0. 20 g /g 時，pH 對污泥脫水性能的影響如圖 3b 所示。可知: 污泥脫水性能在酸性條件下較好，在堿性條件下顯著惡化，最優 pH 為 3，這與洪晨等的研究結果相似。相關研究也表明，酸性條件能促進 EPS 水解，減弱污泥表面電荷，促進結合水釋放和污泥絮體進一步絮凝，從而提高污泥脫水性能。
2. 4 生物酶調理對污泥脫水性能的影響
根據相關研究，本實驗選擇溶菌酶和蛋白酶K 調理的反應溫度分別為 37，55 ℃。pH = 6. 5 時，溶菌酶和蛋白酶 K 投加量對污泥脫水性能的影響分別如圖 4a、b 所示。可知: 兩種酶作用下，污泥泥餅含水率和 CST 均隨酶投加量的增加而先減小后趨于穩定。由圖 4a 可知: 溶菌酶的最佳投加量為 3. 0 mg /g，此時泥餅含水率和 CST 分別下降至 74. 34%、250. 6 s，溶菌酶投加量進一步提高至 6. 0 mg /g 時，污泥泥餅含水率回升至 75. 24%，CST 則進一步下降至 238. 7 s，表明溶菌酶對污泥脫水性能提升的效果趨于穩定。
由圖 4b 可知: 蛋白酶 K 調理時，污泥泥餅含水率和CST 在蛋白酶 K 投加量為 0. 5 mg /g 時達到最低值，分別為 66. 57%、88. 1 s，而繼續增加蛋白酶 K 投加量，污泥脫水性能不再有明顯上升。
溶菌酶的等電點在 11 左右，在污泥溶液中帶正電荷，能與呈電負性的污泥膠體顆粒相互作用而促進微生物細胞壁水解，釋放結合水。但溶菌酶減弱了 EPS 與微生物間的黏附作用，破壞污泥絮體結構，使污泥沉降性能下降，污泥 CST 相對偏大。使用蛋白酶調理污泥時，蛋白酶能夠催化裂解細胞結構，并水解細胞釋放出的及污泥中原有的蛋白質，因而其對污泥脫水性能的強化作用優于溶菌酶。實驗結果表明，過量的酶并不能提高污泥脫水性能，可能是由于酶促反應在此底物污泥濃度下達到“飽和”。
2. 5 不同調理方法強化污水廠污泥脫水性能的綜合比較
圖 5 對比了各調理方法在最優條件下所得污泥的泥餅含水率和 CST。可知: 各調理方法能不同程度地降低污泥的泥餅含水率和 CST，提高污泥的脫水性能。Fenton 調理的效果最為突出，泥餅含水率下降17. 26 百分點，CST 下降 520. 6 s，其次依次是蛋白酶K 調理、超聲波-PFS 聯合調理、SDS-NaOH 聯合調理和溶菌酶調理。其中，SDS-NaOH 聯合調理的最優pH 均為 3，NaOH 的協同作用反而使污泥脫水性能惡化。溶菌酶調理和蛋白酶 K 調理效果對比表明蛋白酶 K 更能促進污泥中水分的脫除，可能是由于蛋白酶 K 不僅能促進污泥中微生物細胞結構的水解，還能水解污泥中原有的和細胞破解后釋放的有機物質。
并根據市場價格計算各方法的經濟成本。可知: Fenton 調理每噸干污泥的費用最低，其次是超聲波-PFS 聯合調理，費用最高的是 SDS-NaOH 聯合調理。雖然溶菌酶和蛋白酶 K 的投加量相對較少，但其單價高導致每噸干污泥的處理費用較高，后續研究可以考慮探討酶與混凝劑聯合使用對污泥脫水性能和經濟成本的影響。
超聲波-PFS 聯合調理的反應條件較溫和且反應時間僅 30 s，有利于污泥處理和污水處理的銜接，同時超聲波的協同作用能減少 PFS 的投加量，相應經濟成本較低。因此可認為超聲波-PFS 聯合調理是最適合污水處理廠的污泥調理方式。
1) 本研究選用的 5 種污泥調理方式中，Fenton 調理對污泥脫水性能的改善效果最好，pH = 3，Fe2+和H2O2( 以 30%H2O2 計) 的投加量均為 30. 0 mg /g 時，污泥泥餅含水率和 CST 分別為 64. 8%、43. 3 s，且經濟成本最低，但其強酸性條件可能會對設備運行和污泥后續處理處置和資源化利用帶來困難。
2) 技術經濟綜合分析認為: 超聲波-PFS 聯合調理是相對最優的污泥調理方式，超聲波作用時間30 s，PFS 投加量為 15. 0 mg /g 時，污泥的泥餅含水率平均為 70. 51%。
3) SDS-NaOH 聯合調理后污泥的脫水性能發生惡化，原因可能在于堿性條件下污泥中過量的 EPS難以溶解。而在強酸性條件( pH = 3) 下，污泥脫水性能有所提升。與投加表面活性劑相比，pH 的變化對污泥脫水性能的影響更明顯。
4) 兩組酶處理中，蛋白酶 K 比溶菌酶更有利于污泥脫水性能的提升，可能歸因于蛋白酶 K 能促進細胞壁中和細胞破碎后所釋放蛋白質的水解。天津純水設備，天津水處理設備，天津去離子水設備。醫院用純化水設備
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