高鐵酸鹽氧化破解污泥的影響因素研究

張彥平，韓非，李靜，邸松，齊璠靜

（河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院，河北省土木工程技術(shù)研究中心，天津300401）

高鐵酸鹽氧化破解污泥的影響因素研究

張彥平，韓非，李靜，邸松，齊璠靜

（河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院，河北省土木工程技術(shù)研究中心，天津300401）

采用高鐵酸鹽溶液氧化破解污泥，研究了高鐵酸鹽投加量、氧化時間、pH、初始污泥濃度對污泥破解效果的影響。結(jié)果表明，高鐵酸鹽溶液對污泥破解效果較好，當(dāng)Fe（Ⅵ）投加量為1.0mg/gSS時，比污泥SCOD釋放量達到1.14 gSCOD/gMLVSS；堿性條件（pH為8～12）與高初始污泥濃度均有利于污泥的破解，但當(dāng)污泥質(zhì)量濃度大于最佳值6 192mg/L時，污泥溶胞比達到最大，為39.7%，比污泥SCOD釋放量降低；高鐵酸鹽溶液破解污泥的最佳反應(yīng)時間為45min。

高鐵酸鹽；污泥；污泥減量；氧化

隨著污水生物處理技術(shù)的普及，剩余污泥產(chǎn)量日益增加，導(dǎo)致污泥處置問題日益嚴峻，剩余污泥減量技術(shù)已經(jīng)成為污水處理領(lǐng)域中的研究熱點〔1〕。在眾多的污泥減量技術(shù)中，基于增強污泥隱性生長的化學(xué)溶胞技術(shù)因無需對原有工藝進行改動，操作方式簡單，易于管理，而受到廣泛關(guān)注〔2〕。研究表明〔3-5〕，采用臭氧、氯氣、Fenton試劑、過氧化氫、酸堿等化學(xué)溶胞技術(shù)能有效地破壞污泥細胞結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)污泥減量。高鐵酸鹽作為一種綠色強氧化劑，能有效地破解污泥細胞，釋放出的細胞內(nèi)物質(zhì)可作為微生物代謝的基質(zhì)，從而使污泥產(chǎn)量降低。與此同時，高鐵酸鹽的還原產(chǎn)物鐵鹽能與磷酸鹽結(jié)合形成沉淀，可提高污水除磷效果，有助于解決目前污泥減量技術(shù)中面臨的除磷效果較差的問題。因此，高鐵酸鹽在污泥減量技術(shù)中的應(yīng)用值得深入研究。本研究對高鐵酸鹽氧化破解污泥的影響因素進行了深入分析，以期為其在污泥減量技術(shù)中的應(yīng)用提供一定的數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗污泥取自天津市某污水處理廠。在實驗室采用人工配水將試驗污泥于SBR活性污泥系統(tǒng)中培養(yǎng)馴化。高鐵酸鹽溶液為實驗室自制，其他所用化學(xué)藥品均為國產(chǎn)分析純。

1.2 試驗方法

通過對污泥進行濃縮或稀釋，得到一定初始濃度的污泥混合液，然后用清水清洗數(shù)次至污泥上清液SCOD接近于0mg/L。分別取200mL上述污泥置于燒杯中，然后于六聯(lián)攪拌機上以300 r/min的速度進行攪拌，在攪拌過程中投加一定量的高鐵酸鹽溶液，高鐵酸鹽投加量以單位干污泥中加入Fe的質(zhì)量表示，即單位為mgFe/gSS。反應(yīng)一定時間后，取樣測定MLVSS及上清液中的SCOD。比污泥SCOD釋放量以γ表示，污泥溶胞比以ξ表示。

式中：ΔSCOD——釋放到污泥上清液中的SCOD，mg/L；

ΔMLVSS——被破解的MLVSS，mg/L；

MLVSS0——未經(jīng)處理污泥混合液中的MLVSS，mg/L。

1.3 測定方法

pH采用pHSJ-4A型精密pH計（天津）測定；SCOD采用5B-3B（V8）型COD快速測定儀（蘭州）測定；MLSS、MLVSS采用標準方法測定〔6〕。

2 結(jié)果與討論

2.1 高鐵酸鹽投加量對污泥破解效果的影響

高鐵酸鹽投加量是影響污泥破解效果的決定性因素之一，經(jīng)過高鐵酸鹽氧化后，污泥絮體結(jié)構(gòu)被破壞，污泥中的微生物細胞被溶解，胞內(nèi)物質(zhì)（如蛋白質(zhì)、核酸、多糖和脂肪等）會釋放出來，從而導(dǎo)致污泥固體物質(zhì)減少，以及污泥上清液SCOD增加。為此，在反應(yīng)時間為45min條件下，考察了高鐵酸鹽投加量對ΔMLVSS和ΔSCOD的影響，結(jié)果見圖1。

圖1 高鐵酸鹽投加量對污泥破解效果的影響

由圖1可知，ΔMLVSS隨著高鐵酸鹽投加量的增加先快速增加，而后緩慢增加；而ΔSCOD則隨著高鐵酸鹽投加量的增加先呈線性增加，而后呈線性降低，在高鐵酸鹽投加量為1.0mgFe/gSS時達到高峰。這表明隨著高鐵酸鹽投加量的增加，越來越多的污泥固體物質(zhì)被氧化，污泥不斷地從固相向液相轉(zhuǎn)化，使得ΔMLVSS與釋放到液相中的有機物質(zhì)ΔSCOD快速增加。由于高鐵酸鹽的強氧化作用不具選擇性，當(dāng)其投加量低時，混合液中溶出的有機物質(zhì)較少，此時高鐵酸鹽對污泥的氧化作用占主導(dǎo)；隨著投藥量的增加，溶出的有機質(zhì)不斷增加，高鐵酸鹽對有機質(zhì)的礦化速率逐漸大于有機質(zhì)的溶出速率，從而使得ΔMLVSS緩慢上升，而液相中ΔSCOD出現(xiàn)峰值后下降。當(dāng)高鐵酸鹽投加量為1.0mgFe/gSS時，溶出的有機質(zhì)ΔSCOD為950mg/L，破解的污泥ΔMLVSS為833mg/L，對應(yīng)的比污泥SCOD釋放量γ為1.14 gSCOD/gMLVSS，該值接近于理論值1.4 gSCOD/gMLVSS〔7〕，說明此時高鐵酸鹽對單位污泥的破解效率達到了最大。考慮到實際應(yīng)用過程中，污泥細胞破解后可作為二次基質(zhì)被后續(xù)微生物利用，因此污泥破解不應(yīng)一味追求污泥固體物質(zhì)的減少，還應(yīng)充分發(fā)揮微生物對污泥減量的貢獻，降低藥劑成本。因此本研究中，高鐵酸鹽的最佳投加量為1.0 mgFe/gSS。2.2氧化時間對污泥破解效果的影響

氧化時間可在一定程度上影響高鐵酸鹽對污泥的破解效果。在高鐵酸鹽投加量為1.0mgFe/gSS條件下，研究了氧化時間分別為10、20、30、45、60、80、100min時〔反應(yīng)結(jié)束時，加入過量的（1+1）H2SO4終止反應(yīng)〕污泥的破解效果，結(jié)果見圖2。

圖2 氧化時間對污泥破解效果的影響

由圖2可知，ΔMLVSS隨著反應(yīng)時間的延長先快速增加，而后趨于平緩，在反應(yīng)45min時ΔMLVSS達到最大，為466mg/L；ΔSCOD隨著反應(yīng)時間的延長其變化則分3個階段，即快速增加階段（＜30min）、緩慢增加階段（30～45 min）以及緩慢降低階段（＞45min）。由于高鐵酸鹽的氧化性較強，在水溶液中能迅速擴散并與有機物充分接觸發(fā)生反應(yīng)，使得前30 min內(nèi)對污泥的破解速率較快，ΔMLVSS與ΔSCOD均快速增加；隨著ΔSCOD增大，越來越多的有機質(zhì)參與氧化反應(yīng)被氧化，同時Fe（Ⅵ）由于被消耗而逐漸減少，使得ΔSCOD增加減緩，在反應(yīng)45 min時ΔSCOD達到最大，為527 mg/L，此時ΔMLVSS也達到最大值；隨著反應(yīng)時間的進一步延長，溶液中Fe（Ⅵ）幾乎被消耗殆盡，但由于高鐵酸鹽溶液中含有殘余的ClO-，在ClO-的繼續(xù)氧化作用下ΔSCOD呈緩慢降低趨勢，但此時ClO-對ΔMLVSS的貢獻不大。取最佳反應(yīng)時間為45min。

2.3 pH對污泥破解效果的影響

pH對高鐵酸鹽的強氧化性和穩(wěn)定性都有顯著的影響，并且不同的污染物質(zhì)與高鐵酸鹽反應(yīng)的最佳pH也不相同。因此，采用（1+5）H2SO4和1mol/L NaOH調(diào)節(jié)污泥的初始pH分別為2、4、6、8、10、12，在高鐵酸鹽投加量為1.0 mgFe/gSS，反應(yīng)時間為45min的條件下，考察了pH對污泥破解效果的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 pH對污泥破解效果的影響

由圖3可知，ΔMLVSS和ΔSCOD隨著pH的改變具有相似的變化規(guī)律，在pH=6時均存在一最低值，并且在堿性條件下的值均高于酸性條件。雖然Fe（Ⅵ）的氧化能力隨著pH的降低而升高，但其穩(wěn)定性大幅度降低，當(dāng)pH＜8時，加入到混合液中的Fe（Ⅵ）在尚未充分發(fā)揮其氧化作用時，便已分解為Fe（OH）3，從而導(dǎo)致其自身的有效利用率降低，進而對污泥的破解效果降低。另一方面，由于高鐵酸鹽溶液中含有殘余的ClO-，ClO-的氧化性也隨著pH的降低而增強，因而隨著pH的進一步降低，ClO-對污泥的破解能力逐步增加，ΔMLVSS和ΔSCOD重新升高，從而使得高鐵酸鹽溶液在pH=6時存在對污泥破解效果的最低點。而在堿性條件下，雖然Fe（Ⅵ）的氧化能力稍有降低，但其穩(wěn)定性大大增強，在pH= 12時，對應(yīng)的ΔMLVSS和ΔSCOD分別達到1 230 mg/L和1 265mg/L，均高于酸性條件下的氧化效果。因此，堿性條件（pH為8～12）有利于高鐵酸鹽對污泥的破解。

2.4 初始污泥濃度對污泥破解效果的影響

為了研究初始污泥濃度對污泥破解效果的影響，將原污泥經(jīng)過重力濃縮或稀釋后得到MLSS分別為1 993、4 074、6 192、8 081、10 022、11 782 mg/L的污泥?？刂聘哞F酸鹽投加量為1.0mgFe/gSS，反應(yīng)時間為45min，考察了不同初始污泥濃度下污泥的破解效果及污泥溶胞比，結(jié)果分別見圖4和圖5。

圖4 初始污泥濃度對污泥破解效果的影響

圖5 初始污泥濃度對污泥溶胞比的影響

由圖4可知，ΔMLVSS和ΔSCOD均隨著初始污泥濃度的增加而升高，但兩者速率的變化不同。當(dāng)初始MLSS由1993mg/L升高到6 192mg/L時，ΔSCOD和ΔMLVSS的增加速率基本相同，比污泥SCOD釋放量γ由1.0降低為0.98，降幅不大；但當(dāng)初始MLSS＞6 192mg/L時，ΔSCOD的增加速率逐漸降低，γ值隨之降低，當(dāng)初始MLSS為11 782mg/L時，γ為0.84，較初始值降低了16%。而圖5結(jié)果顯示，污泥溶胞比ξ在初始MLSS為6 192mg/L時達到最大值，為39.7%，此后隨著初始MLSS的增加，ξ值趨于穩(wěn)定。由此判斷，采用高鐵酸鹽破解污泥的最佳初始MLSS為6 192mg/L左右。初始污泥濃度對污泥破解效果的影響可以從如下方面來解釋：（1）隨著污泥濃度的增加，污泥中細胞物質(zhì)與高鐵酸鹽接觸的機會增多，加速了污泥固相向液相的轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致污泥溶胞比大幅度增加，ΔSCOD、ΔMLVSS迅速增高；（2）污泥濃度增加后，污泥中釋放出來的有機質(zhì)增多，增加了高鐵酸鹽與液相中有機質(zhì)的氧化反應(yīng)，使得部分ΔSCOD被氧化，比污泥SCOD釋放量降低；（3）由于單位污泥的高鐵酸鹽投加量相等，污泥濃度增加到一定程度后，污泥體系黏度增加，高鐵酸鹽的擴散阻力增大，單位污泥與高鐵酸鹽的反應(yīng)達到一穩(wěn)定值，污泥的溶胞比達到最大值。本試驗中，雖然ΔSCOD和ΔMLVSS均隨著初始污泥濃度的增加而持續(xù)增加，但MLSS＞6 192mg/L時，污泥溶胞比達到最大值并保持不變，比污泥SCOD釋放量降低，因此本試驗最佳初始MLSS為6 192mg/L。

3 結(jié)論

高鐵酸鹽氧化破解污泥影響因素研究結(jié)果表明：

（1）ΔMLVSS隨著高鐵酸鹽投加量的增加先快速增加，而后趨于緩慢；ΔSCOD則隨著高鐵酸鹽投加量的增加存在一個峰值。在1.0mgFe/gSS的最佳高鐵酸鹽投加量下，比污泥SCOD釋放量γ為1.14 gSCOD/gMLVSS。

（2）ΔMLVSS隨著反應(yīng)時間的延長先快速增加而后趨緩，在反應(yīng)45min時ΔMLVSS達到最大值，為466mg/L；ΔSCOD隨著反應(yīng)時間的延長呈現(xiàn)快速增加（＜30min）、緩慢增加（30～45min）、緩慢降低（＞45min）3個階段。綜合考慮，取最佳反應(yīng)時間為45min。

（3）pH對ΔMLVSS和ΔSCOD的影響相似，均在pH=6時存在最低值，并且堿性條件（pH為8～12）下對污泥的破解效果優(yōu)于酸性條件（pH為2～4）。

（4）ΔMLVSS和ΔSCOD均隨著初始污泥濃度的增加而升高，在初始MLSS＞6 192mg/L時，污泥溶胞比ξ達到最大值，比污泥SCOD釋放量γ降低。因此，本試驗最佳初始MLSS為6 192mg/L。

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Study on the influential factors ofsludge disruption by ferrate oxidation

Zhang Yanping，Han Fei，Li Jing，DiSong，Qi Fanjing
（SchoolofCivil Engineering and Transportation，HebeiUniversity of Technology，Civil Engineering Technology Research CenterofHebeiProvince，Tianjin 300401，China）

Ferratesolutionoxidationhasbeenused for thedisruptionofsludge.The influencesof ferratedosage，oxidation time，pH and initial sludge concentration on the sludge disruption effectare studied.The experimental results show thatsludge could be effectively oxidized by ferrate solution.When Fe（Ⅵ）dosage is 1.0mg/gSS，the specific sludge release of SCOD reaches 1.14 gSCOD/gMLVSS.Alkaline conditions（pH=8-12）and high initialsludge concentration are both good forsludge disruption.However，when sludgemass concentration ishigher than optimal value 6 192mg/L，the sludge lysis ratio reaches themaximum value 39.7%，and the specific sludge release ofSCOD isdecreased.Theoptimal reaction timeofsludge disruption by ferrate solution is45min.

ferrate；sludge；sludge decrement；oxidation

X705

A

1005-829X（2016）06-0057-04

張彥平（1978—），博士，講師。電話：022-60435990，E-mail：zyphit@163.com。

2016-02-24（修改稿）

河北省自然科學(xué)基金資助項目（E2015202354）；河北省建設(shè)科技研究計劃項目（2014-235）；河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究重點項目（ZD2016098）；河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究青年基金項目（QN2015122）