不同污泥預處理方法對污泥過濾脫水性能的影響
【純水設備www.zzdsjc.com】研究了表面活性劑處理、堿處理和芬頓處理三種預處理方法對污泥過濾脫水的影響。結(jié)果表明，三種預處理方法中，Fenton試劑的陽離子表面活性劑CTAB的過濾脫水性能最好，為50 mg/g, 150 ms/g, Fe2+和H2O2為1 (Fe2+)。5. 三種預處理方法對污泥均有一定的裂解效果。由于芬頓反應的強氧化作用，污泥的裂解速率最大，污泥粒徑減小了近50%，可溶性COD(SCOD)的釋放量最高(786)。88 ms / L)。芬頓處理的污泥與細胞外聚合物緊密結(jié)合(緊密結(jié)合)。胞外聚合物(TB - EPS)和TB - EPS是降低蛋白質(zhì)和多糖含量最顯著的兩種物質(zhì)。分析了三種預處理方法的脫水效率和脫水速率的差異。
隨著我國城市化水平的不斷提高純水設備，污水處理設施建設迅速發(fā)展，產(chǎn)生了大量的剩余污泥。由于這些污泥含水率高，儲運及后續(xù)處理都十分困難，污泥處理情況十分嚴重。細胞外聚合物(EPS)是由微生物分泌的聚合物物質(zhì)。它們主要由蛋白質(zhì)、多糖、核酸和腐殖質(zhì)組成。它們普遍存在于污泥絮凝體的內(nèi)部和表面，占污泥總質(zhì)量的60% ~ 80%。1956年，Mickinney首次提出EPS多糖的存在改變了細菌細胞的有效臨界電位，從而影響污泥的絮凝和過濾性能。2004年，王洪武等首次明確指出EPS組成是污泥過濾脫水性能的決定因素。根據(jù)國內(nèi)外學者的研究成果，EPS結(jié)構的破壞和降解是提高污泥脫水性能的有效措施。陳等人相比,改進的效果,兩性電解質(zhì)表面活性劑十二烷基二甲基胺ethyllactone和傳統(tǒng)污泥護發(fā)素FeCl3和曹污泥脫水在相同的條件下,研究表明,表面活性劑可以更好的促進污泥EPS的釋放和顯著提高過濾和脫水污泥的性能。1989年，Rajan等人首次提出了污泥堿預處理方法，證明堿處理可以加速污泥的熔池。2004年，Nurdan首次深入研究了Fenton試劑在污泥調(diào)理中的應用，并證實在適宜的Fe2+與H2O2濃度范圍內(nèi)，污泥毛細吸水時間(Capillary Suction Time，CST)、污泥比阻(Specific Resistanceof Filtration，SRF)等參數(shù)顯著減小，污泥的過濾脫水性能得以改善。此外，熱處理、超聲波處理、酸處理及聯(lián)合處理等方法也被應用于提高污泥過濾脫水性能的研究中，純水設備并取得了較好的處理效果。
本文研究3種常用的污泥預處理方法(表面活性劑、堿、Fenton處理)對污泥過濾脫水性能的影響。通過分析SRF、CST、Zeta電位、污泥粒徑、污泥中溶解性COD(SCOD)、EPS質(zhì)量濃度等參數(shù)的變化情況對比3種方法對污泥的處理效果。并對不同方法處理下污泥脫水速率的差異進行探討，以期為污泥處理工作者提供一定的理論參考。
1 材料與方法
1.1 材料
供試污泥樣品取自撫順某市政污水處理廠濃縮池，該污水處理廠廢水以生活污水為主。將污泥樣品帶回實驗室于4℃冰箱儲存。在試驗及測定前需對污泥樣品進行充分攪拌，使其達到均質(zhì)。供試污泥基本特征見表1。如無特殊說明，所使用的化學藥品均為分析純。
1.2 試驗方法
1.2.1 試驗裝置
反應裝置主要包括有效容積為1 L的圓柱玻璃罐，配有方便取樣的取樣口及能防止水分蒸發(fā)的蓋子；帶有加熱功能的磁力攪拌器(MS7一H550，大龍興創(chuàng)實驗儀器(北京)有限
公司)，使污泥充分混合達到均質(zhì)。
1.2.2 試驗設計
分別選擇陽離子表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)、堿(NaOH)及Fenton氧化3種方法對污泥進行預處理，并對處理效果進行比較分析。具體試驗設置見表2。試驗中，將500 mL污泥樣品置于反應器中，進行預攪拌5 min(350 r／min)使污泥均質(zhì)后，按表2投加藥劑進行反應，并在不同反應時間取樣分析測試。由于每種處理方法的反應速率不同，為盡量保證每種處理的反應完全，反應總歷時定為60 min。
1.3 測試與分析方法
污泥含水量采用重量法測定；污泥比阻(SRF)采用布氏漏斗法測定；毛細吸水時間(CST)采用毛細吸水時間測定儀(MHY一28227，北京美華儀科技有限公司)測定；Zeta電位應用Zeta電位儀(ZetaPlus型，美國布魯克海文儀器公司)測定；污泥粒徑采用激光粒度儀(Bettersize2000E，丹東百特儀器有限公司)測定；污泥溶解性COD(SCOD)測定采用快速密閉消解法；胞外聚合物(EPS)提取采用改良熱浸提的方法；多聚糖的測定采用蒽酮一硫酸比色法，以葡萄糖為標準物；純水設備蛋白質(zhì)的測定采用Lowry-Folin法，以牛血清蛋白為標準物。其他的污泥基本性質(zhì)(如MLSS、SV等)均采用標準方法。試驗數(shù)據(jù)均取3組平行試驗的平均值，分別應用Sigmaplot 12．0和SPSS 20軟件繪圖和統(tǒng)計分析。
2 結(jié)果與討論
2.1 最佳試驗條件的確定
2.1.1 表面活性劑預處理
表面活性劑物質(zhì)能降低液一液或固一液間的表面張力，并可以通過分離污泥表面的細胞物質(zhì)來改變微生物的細胞結(jié)構，從而影響污泥的性質(zhì)。如圖1所示，加入陽離子表面活性劑CTAB的確有助于提高污泥的過濾脫水性能，SRF(SRF越大，過濾性能越差)和污泥脫水率分別隨CTAB投加質(zhì)量比增加而減小和增大。由相關性分析可知，SRF與污泥脫水率呈現(xiàn)負相關性(R2=一0．988，0．01水平顯著相關)。
當投加的CTAB質(zhì)量比小于50 mg／g時，SRF與污泥脫水率隨CTAB質(zhì)量比增加變化顯著，尤其是小于25 mg／g時，SRF與污泥脫水率急劇變化；但當CTAB質(zhì)量比大于50 mS／S時，CTAB質(zhì)量比繼續(xù)增加，SRF反而逐漸增大，污泥脫水率又逐漸減小。因此，CTAB最佳投加質(zhì)量比為50 mg／g，此時SRF與污泥脫水率分別為8．05×1012m／kg與16．84％。這一變化趨勢與李雪等的研究結(jié)果相一致：當超過CTAB最佳投加量后，污泥的過濾脫水性能反而變差。這是因為隨CTAB投加量逐漸增加，污泥中EPS的量逐漸減少，污泥絮體變得松散，更多的結(jié)合水得到釋放，污泥的過濾脫水性能得到提高；但當超過最佳投加量時，更多的EPS溶解于水中，大分子物質(zhì)在過濾過程中會使濾紙濾孔堵塞，過濾速度減慢。另外，CTAB的長疏水鏈會使污泥絮體發(fā)生再絮凝作用，部分污泥水分被重新包裹，使得脫水率有略微升高的趨勢。
2.1.2 堿預處理
堿處理是在常溫條件下，通過加堿(如Na0H、KOH、Ca(OH)：等)來抑制細胞活性，并使細胞壁溶解，從而使污泥中有機成分溶解，提高污泥的過濾脫水性能。由圖2可知，NaOH投加質(zhì)量比不斷增大，SRF不斷減小，污泥脫水率逐漸增大。SRF與污泥脫水率呈現(xiàn)負相關性(R2=一0．930，0．01水平顯著相關)。NaOH投加質(zhì)量比150 mg／g是一個分界點(SRF為8．80×1012m／kg，脫水率為17．97％)；當小于這個值時，SRF與污泥脫水率下降和上升的幅度都比較大；但當大于這個值時，SRF與脫水率的變化逐漸變得平緩。這可能是因為堿的投加加速了污泥破解，促進了菌膠團的解體和細菌的破壞，從而提高了污泥的過濾脫水性能；但當堿的投加質(zhì)量比繼續(xù)增加時，細菌中大量的蛋白質(zhì)和多聚糖等物質(zhì)溶出，又不能及時地被降解，污泥過濾脫水性能不會再有提高，甚至使污泥過濾脫水性能重新惡化。因此，本文選擇150 ms／g為NaOH的最佳投加量。Ruiz．Hemando等。1則也指出，當NaOH投加質(zhì)量比為157 mg／g時，對污泥的破解作用最大，污泥的過濾脫水性能提高最多。
2.1.3 Fenton預處理
Fenton反應中Fenmn試劑(H2O2、Fe2+)的投加比例是影響氧化反應效率的主要因素。在H2O2質(zhì)量比(40 mg／g)保持不變的條件下，通過改變Fe2+的投加濃度，研究不同投加比對污泥過濾脫水性能的影響。由圖3可知，隨n(F2+)：n(H2O2)不斷增大，SRF和污泥脫水率分別呈現(xiàn)先減小再逐漸增大和先增大再逐漸減小的趨勢，兩者呈現(xiàn)負相關性(R2=一0．930，0．01水平顯著相關)。并在n(Fe2+)：n(H2O2)為1．5時，污泥的過濾脫水性能最佳，此時SRF為6．78 X1012m／kg，污泥脫水率為19．43％。然而，周煜等副研究表明，H2O2與Fe2+投加比為1．5是污泥處理的最佳條件。
可以看出，由于pH值、污泥性質(zhì)等其他條件的不同，具體的試驗結(jié)果存在差異。但Fenton氧化處理能有效改善污泥過濾脫水性能的結(jié)論是一致的。Fenton反應過程中生成的強氧化中間產(chǎn)物·OH，能有效破壞污泥結(jié)構，釋放大量的結(jié)合水，提高污泥的脫水性能。同時，污泥中釋放的蛋白質(zhì)和多聚糖等影響污泥過濾性能的物質(zhì)也在·OH的無選擇性氧化攻擊下被氧化成小分子，甚至直接礦化，純水設備由此污泥的過濾性能也得到顯著提升。但隨著系統(tǒng)中Fe2+和H2O2比例的不斷增加，多余的Fe2+充當了自由基的抑制劑，使大量的·OH被多余的Fe2+消耗，降低了整體的氧化能力，從而影響了污泥的過濾脫水性能。
2.2 不同預處理方法對污泥脫水性能的影響
在以上各試驗得到的最佳反應條件下，對比分析3種預處理方法對污泥脫水性能的影響。
2.2.1 對CST及Zeta電位的影響
污泥Zeta電位的絕對值越大，污泥絮體間靜電斥力作用越強，污泥絮體之問越難絮凝成較大顆粒，越不利于污泥絮凝，脫水性能越差舊u；同時，污泥過濾脫水性能隨CST減小而增強。從表3可以看出，3種預處理后污泥CST和Zeta電位的絕對值都明顯減小，污泥的過濾脫水性能有效改善。由于污泥顆粒帶有負電荷，而陽離子表面活性劑CTAB的投加恰能中和污泥表面的負電荷，使污泥Zeta電位趨于中性，CST減小，污泥脫水性能提高。而對于堿處理和Fenton處理后的污泥，強堿性與強氧化性使污泥結(jié)構發(fā)生變化，污泥絮體變小，也可能原污泥系統(tǒng)環(huán)境的變化使破碎的污泥又重新絮凝，污泥的Zeta電位絕對值與CST同時減小，污泥的過濾脫水性能得到改善。這3種預處理方法間比較，經(jīng)過Fenton處理的污泥過濾脫水性能稍優(yōu)于其他兩種預處理方式，可能是因為Fenton反應中生成了大量的強氧化劑中間產(chǎn)物·OH(氧化電位為2．80 V)，能有效地破解污泥，在短時間內(nèi)迅速提高污泥的過濾脫水性能。此外，Fenton反應需要對污泥pH值進行調(diào)節(jié)(3左右)，也即Fenton污泥預處理過程中除氧化作用外還存在酸處理作用，因此在氧化與酸處理的共同作用下，污泥處理效果更好。
1)污泥粒徑及SCOD。
SCOD的變化是表征污泥結(jié)構破壞情況的主要指標之一，而污泥粒徑的變化能更直接地反映污泥的破解程度。
如圖4所示，經(jīng)過3種預處理污泥粒徑與SCOD都發(fā)生了不同程度的變化。其中SCOD經(jīng)過各種處理都顯著升高，Fenton處理后的污泥樣品SCOD升高至786．88 mg／L，約為未處理污泥的4倍，堿處理和CTAB處理后的SCOD分別為725．45mg／L和589．90 mg／L。各處理后污泥平均粒徑都比原污泥小。同樣，Fenton處理后的污泥粒徑減小至原污泥的1／2(從17．12um減小至8．79um)，明顯小于其他兩種處理后的污泥平均粒徑。從SCOD及污泥粒徑的變化可以看出，3種處理方法都能有效破解污泥，更多的胞內(nèi)水因污泥結(jié)構破壞而釋放，污泥的脫水性能得到提高。但由于各種處理方法促使污泥脫水的原理不同(如2．1節(jié)所述)，污泥破解效果存在差異。而對于Fenton處理，在強氧化性和強酸性的共同作用下，破解污泥的能力更強，加速了污泥中結(jié)合水的釋放。
2)污泥EPS。
根據(jù)形態(tài)及結(jié)構，EPS又可分為松散結(jié)合(I_ooselyBound，LB—EPS)和緊密結(jié)合(Tiglltly Bound，TB—EPS)在細胞周圍的EPS拉…。由于結(jié)構與性質(zhì)不同，兩種形式EPS中結(jié)合水脫出的難易程度不同，其中以TB—EPS更難。同時，EPS的主要成分蛋白質(zhì)和多聚糖的含量也是影響污泥過濾脫水性能的主要因素之一。
圖5(a)中，TB—EPS質(zhì)量濃度在各處理后都有不同程度的減少，LB—EPS質(zhì)量濃度卻有所上升。其中，TB—EPS質(zhì)量濃度減少最多的是Fenton處理后的污泥樣品，為148．56mg／L，表面活性劑CTAB處理后的污泥TB—EPS減少量最小，為188．13 mg／L；而LB—EPS質(zhì)量濃度增加最多的是NaOH處理后的污泥樣品，為69．33 mg／L，增加量最少的是Fenton處理后的污泥，為56．00 mg／L。圖5(b)和(c)為EPS中蛋白質(zhì)和多聚糖質(zhì)量濃度的變化情況，這兩種物質(zhì)質(zhì)量濃度的變化與EPS總量的變化趨勢基本相同，TB—EPS中蛋白質(zhì)和多聚糖質(zhì)量濃度都顯著減小，LB—EPS中的質(zhì)量濃度卻稍有增加。
經(jīng)過不同預處理后，污泥中大分子、結(jié)構復雜的TB—EPS部分轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿虞^小、結(jié)構較簡單的LB—EPS，大量難以被脫出的原本被束縛在TB—EPS中的結(jié)合水得到釋放。同時亦可見，LB—EPS的增加量遠小于TB—EPS的減少量，表明在TB—EPS轉(zhuǎn)化為LB—EPS的過程中，LB—EPS質(zhì)量濃度也在不斷減小，轉(zhuǎn)化為結(jié)構更簡單的可溶解性EPS，甚至被直接礦化。此外，Fenton反應的氧化能力更強、氧化速率更快，并且生成的·OH能無選擇性地氧化攻擊系統(tǒng)中遇到的任何物質(zhì)，因此污泥的TB—EPS量減少得最多，LB—EPS增加量卻最少。另外，由于蛋白質(zhì)和多聚糖的總量降低，污泥的過濾脫水性能顯著提高。但是，對于表面活性劑處理和堿處理純水設備，處理后釋放到污泥溶液中的蛋白質(zhì)和多糖物質(zhì)并沒有被有效去除，因此從污泥的過濾性而言，Fenton反應的處理效果要比另兩種方法更好。
常用的傳統(tǒng)無機混凝劑(如Fe3+)和有機高分子絮凝劑(如PAM)雖能達到較好的化學調(diào)理效果，但只能增加污泥脫水速度，不能提高污泥脫水程度5：而這3種污泥預處理方法都能有效破解污泥，更多的結(jié)合水被釋放，污泥的過濾脫水性能得到改善。從污泥處理效果看，無論是CST、Zeta電位，還是污泥破解效果(粒徑、SCOD、EPS)，Fenton預處理方法都要好于其他兩種處理方法。從污泥處理成本來看，3種預處理方法成本的差異主要存在于藥劑成本(其他成本如攪拌等動力成本、人工等成本基本一致)，其中CTAB價格最高(約為100元/kg)，NaOH與Fenton試劑成本(NaOH、FeSO4·7H20和H2O2，分別約為3 000元/t、200元/t和1 000元/t，Fenton處理還需要對pH值進行調(diào)節(jié)，因此會增加酸的消耗)相差較小�？梢钥闯�，CTAB的處理成本最高，堿處理與Fenton處理藥劑成本相差不多，但在處理效果上Fenton處理要優(yōu)于堿處理。
2.3 不同處理方法污泥脫水能力分析
如圖6所示，不同污泥處理方法的效率存在差異。從脫水速率來看，3種處理方法的變化趨勢基本相同，都是先增大后減小，但變化幅度存在顯著差異。其中堿處理與Fenton處理的脫水速率變化趨勢基本一致，前30 min內(nèi)速率最大，并在10 rain左右脫水速率達到最大值，30 min后污泥脫水速率基本無變化。但Fenton處理的脫水速率要明顯高于堿處理，并且最大值是堿處理的2倍左右。這表明氧化處理相較于堿處理而言對污泥脫水更有效。對于表面活性劑CTAB處理，雖然脫水速率最大值也能達到堿處理的水平，最大脫水速率的時間點卻相對滯后，要在20 min左右達到最大值，但在CTAB處理污泥過程中，處于較高脫水速率的時間段要比堿處理和Fenton處理多出近l倍(CTAB為50 rain左右，堿處理和Fenton處理為30 min左右)。堿處理和Fenton處理的反應要比表面活性劑處理激烈得多，當在污泥中添加堿或Fenton試劑后，反應迅速發(fā)生，通過破壞細胞壁、污泥結(jié)構的方式，迅速使污泥脫水。同時，化學試劑也在反應中被消耗；并且在快速反應過程中，容易被水解、氧化的部分污泥短時間內(nèi)被消耗，剩余的則是更難處理的部分污泥，因此，堿處理和Fenton處理表現(xiàn)出脫水速率急速增大后又快速減小。而表面活性劑憑借其特殊的親水性和疏水性的兩親結(jié)構，可以改變污泥絮體結(jié)構和絮體的表面性質(zhì)，使污泥中更多的結(jié)合水轉(zhuǎn)化為易被脫除的自由水，從而達到改善污泥脫水性能的目的，是一個相對溫和的反應過程。除此之外，表面活性劑需要與污泥絮體充分反應，從而達到污泥脫水的目的，因此，污泥脫水性能隨反應時間延長而逐漸增大，達到最大值之后再逐漸減小。
本文使用的污泥來自污泥濃縮池，含水率在98％以上。因為這3種污泥預處理方法均需要藥劑與污泥充分反應，達到均質(zhì)狀態(tài)才能發(fā)揮最佳污泥處理效果，所以對污泥含水率有一定要求。含水率小、流動性差的脫水污泥會影響最終處理效果。同時，由于這3種處理方法均屬于無選擇性的處理方式，對不同來源污泥的處理效果差異不大�？梢姡�3種污泥預處理方法在反應速率與效率方面存在差異，恰是各種方法能靈活選擇并能組合應用的基礎。例如，對于堿處理和Fen-ton處理技術，可以通過縮短處理周期、分段加藥、多階段的處理工藝，使整個污泥處理過程處于較高效率下純水設備。或者建立組合處理工藝，如堿一熱、光一Fenton、超聲一Fenton、表面活性劑與其他無機調(diào)理機聯(lián)合處理等，大大提高污泥處理效果。
1)表面活性劑處理、堿處理、Fenton處理3種方法都能有效改善污泥的過濾脫水性能。使污泥過濾脫水性能最佳的陽離子表面活性劑CTAB質(zhì)量比為50 mg／g TS，NaOH質(zhì)量比為150 mg／g TS，Fenton試劑Fe“與H202投加比n(Fe2+)：n(H2O2)為1．5。
2)3種方法都能夠增加污泥的SCOD，減小污泥粒徑，破壞EPS結(jié)構，其中Fenton處理效果最好，對污泥的破碎效果也是最佳，污泥過濾脫水性能提高最顯著。
3)3種方法處理污泥時，污泥脫水速率與效率不同，其中Fenton反應的反應速率最大，反應效率最快；表面活性劑處理污泥脫水速率較小，脫水效率較慢，但處于較高脫水效率的時間較長。速率和效率上存在的差異正是各種處理方式靈活組合運用的基礎，組合工藝在污泥處理上的應用也將是今后的重點研究方向。蘇州皙全皙全純水設備公司可根據(jù)客戶要求制作各種流量的純水設備，實驗室純水設備,GMP醫(yī)用純化水設備，半導體超純水設備。
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