氯化鐵/臭氧組合工藝改善活性污泥性質(zhì)的研究

袁文兵，吳金苗，劉　亮，王　燕

（1.江蘇中圣高科技產(chǎn)業(yè)有限公司，江蘇南京210009；2.廣東萬綠環(huán)保集團有限公司，廣東廣州510060）

氯化鐵/臭氧組合工藝改善活性污泥性質(zhì)的研究

袁文兵1，吳金苗2，劉亮2，王燕2

（1.江蘇中圣高科技產(chǎn)業(yè)有限公司，江蘇南京210009；2.廣東萬綠環(huán)保集團有限公司，廣東廣州510060）

初步研究了臭氧、單獨投加氯化鐵、先臭氧曝氣后投加氯化鐵、先投加氯化鐵后臭氧曝氣對活性污泥的影響，分析了臭氧作用時間、FeCl3濃度及氯化鐵/臭氧組合次序?qū)钚晕勰嘈再|(zhì)的影響。研究表明：隨著臭氧作用時間的延長，污泥的懸浮固體（TS）、揮發(fā)性懸浮固體（VTS）及VTS/TS均逐漸減小，污泥比阻先略微上升后逐漸下降，污泥上清液中的COD增加明顯。單獨投加氯化鐵后，污泥比阻和污泥上清液中的COD均逐漸降低。氯化鐵/臭氧組合工藝對污泥的作用效果不同，污泥的TS由低到高的排列順序為FeCl3/O3＞O3＞O3/FeCl3＞FeCl3；污泥上清液中COD由高到低的排列順序為O3＞O3/FeCl3＞FeCl3/O3＞FeCl3；污泥比阻由低到高的排列順序為FeCl3/O3＞O3/FeCl3＞FeCl3＞O3。實驗結(jié)果表明，F(xiàn)eCl3/O3法在污泥減量化及改善污泥脫水性能方面優(yōu)于其他方法。

臭氧；氯化鐵；活性污泥

隨著城市人口的增加及工業(yè)化的發(fā)展，大量污泥的處理與處置成為污水處理行業(yè)亟待解決的問題。目前污泥處理費用很高，占整個污水處理費用的20%～50%〔1〕。同時通過填埋與焚燒最終處置污泥變得越來越困難，這使得污泥減量化日益受到人們的關(guān)注〔2〕。臭氧作為強氧化劑廣泛用于凈水和污水處理，近年來也越來越多地應(yīng)用于污泥減量化研究中〔3-5〕。H.Yasui等〔6-8〕采用臭氧氧化污泥回流技術(shù)，對進水BOD5為550 kg/d的制藥廢水進行處理，實驗持續(xù)10個月，基本無剩余污泥產(chǎn)生。藥劑凝聚是改善污泥脫水性能的主要方法。投加氯化鐵能破壞膠體的穩(wěn)定性，使細(xì)微顆粒凝聚成絮體，進而改善污泥的脫水性能。投加氯化鐵雖可以降低污泥比阻、提高濾餅含固率，但也增加了干污泥的產(chǎn)量，給后續(xù)干污泥的處理增加了負(fù)擔(dān)。

臭氧氧化法作為常用的溶胞破解技術(shù)，因能夠有效破壞細(xì)胞壁，被認(rèn)為是前景廣闊的污泥破解技術(shù)〔9-10〕。利用臭氧氧化技術(shù)進行污泥減量化，國內(nèi)外學(xué)者已有大量研究〔2-8，11〕，但臭氧聯(lián)用無機混凝劑處理剩余污泥的研究鮮有報道。筆者采用臭氧、氯化鐵及二者聯(lián)用以改善污泥脫水性能，研究污泥減量化，得出不同工藝條件下的污泥濃度、溶解性有機物濃度及污泥比阻變化情況，以期為促進污泥減量化提供技術(shù)參考。

1　材料與方法

1.1實驗材料

實驗所用剩余污泥取自青島市某污水處理廠的污泥濃縮池，該廠采用生物脫氮除磷A/A/O工藝，處理能力為10萬t/d。污泥呈黃褐色，pH為6.5～6.9，污泥含水率97.0%，污泥比阻0.988×109s2/g。

實驗儀器：ZT型變頻臭氧發(fā)生器，青島中通臭氧科技有限公司；HT-EW-201型污泥比阻測定儀，北京華晟高科教學(xué)儀器有限公司；SX2-10-13型箱式電阻爐，上海喆鈦機械制造有限公司；JH-12型COD恒溫加熱器，青島環(huán)控設(shè)備有限公司。

1.2實驗裝置

實驗裝置如圖1所示。

圖1　臭氧反應(yīng)裝置

臭氧發(fā)生器產(chǎn)生的臭氧經(jīng)過微孔曝氣頭與反應(yīng)器中的生污泥發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)器容積約600 mL，每次反應(yīng)的污泥體積為400 mL，臭氧投加量為2.035 g/h，尾氣用KI溶液吸收。

1.3實驗方法

實驗過程中分別測定污泥的TS、VTS、污泥比阻和污泥上清液COD，臭氧的測定采用碘量法，其他指標(biāo)的測定采用標(biāo)準(zhǔn)方法〔12〕。

2　實驗結(jié)果及討論

2.1臭氧對污泥性質(zhì)的影響

研究了臭氧作用時間對生污泥TS、VTS、污泥上清液COD、污泥比阻、污泥濾餅含固率的影響，各參數(shù)變化情況如圖2～圖4所示。

圖2　臭氧氧化作用時間對TS、VTS的影響

圖3　臭氧氧化作用時間對污泥上清液COD的影響

圖4　臭氧氧化作用時間對污泥比阻、濾餅含固率的影響

如圖2所示，隨著臭氧作用時間的增加，污泥的TS、VTS均逐漸下降。當(dāng)臭氧氧化時間＜1.5 h時，TS和VTS快速下降，分別減少了39.4%、59.1%。當(dāng)臭氧氧化時間＞1.5 h時，TS和VTS下降緩慢并趨于穩(wěn)定。這說明臭氧氧化時間在0～1.5 h內(nèi)細(xì)胞破壁基本完成，大分子有機物也基本被降解，同時污泥中的揮發(fā)分快速下降，不可揮發(fā)的成分在污泥中不斷累積，污泥礦化率增加〔7〕。

圖3中，當(dāng)臭氧氧化時間＜1 h時，COD增加比較迅速，由4 601.4 mg/L增加到6 288.3 mg/L；當(dāng)氧化反應(yīng)時間＞1 h時，COD趨于平緩。處理2.5 h后污泥上清液COD由初始的4 601.4 mg/L增加到6 810.9 mg/L，增加48.02%。由此可以看出，臭氧處理后大量細(xì)胞質(zhì)釋放出來，污泥上清液中的COD隨之升高；當(dāng)臭氧氧化時間達(dá)到一定值時，更多的臭氧用于氧化溶胞產(chǎn)物，使得COD的變化趨于平緩。

由圖4可見，臭氧氧化時間＜1 h時污泥比阻略微升高，從 1.107×109s2/g升至 1.162×109s2/g；當(dāng)臭氧氧化時間＞1 h時，污泥比阻由1.162×109s2/g緩慢下降到0.980×109s2/g。污泥濾餅含固率的變化呈相反趨勢，當(dāng)氧化時間＜1 h時濾餅含固率逐漸下降，由6.35%降至4.77%；當(dāng)氧化時間＞1 h時，濾餅含固率緩慢增加并趨于平緩，含固率升高到5.73%，仍小于初始值6.35%，究其原因，隨著臭氧氧化時間的延長，污泥絮體變得更松散，細(xì)胞的細(xì)胞壁、細(xì)胞膜被破碎，污泥比阻也隨之增大，濾餅含固率則相應(yīng)降低。當(dāng)臭氧氧化時間大于一定值時，破碎的污泥顆粒可能發(fā)生二次凝聚，污泥的平均粒徑相應(yīng)增大，污泥比阻同時降低，濾餅含固率則相應(yīng)升高〔13〕。

2.2投加氯化鐵對污泥性質(zhì)的影響

投加不同質(zhì)量濃度的氯化鐵，考察其對生污泥濾液COD和污泥脫水性能的影響。實驗結(jié)果表明，隨著氯化鐵投加量的增加，污泥上清液的COD下降比較明顯。當(dāng)氯化鐵質(zhì)量濃度達(dá)到2 400 mg/L時，上清液的COD從3 906.0 mg/L下降到1 220.0 mg/L，降幅達(dá)到68.8%。

通過實驗研究污泥比阻、濾餅含固率隨氯化鐵質(zhì)量濃度的變化情況。當(dāng)氯化鐵質(zhì)量濃度為0～600 mg/L時，污泥比阻＞109s2/g，為難過濾污泥。當(dāng)氯化鐵投加量＞2 400 mg/L時，污泥比阻＜0.4×109s2/g，此時為易過濾污泥，污泥比阻由最初的1.1×109s2/g下降到0.35×109s2/g，下降了68%。其原因是鐵離子與污泥顆粒、懸浮膠粒發(fā)生絡(luò)合、氧化、還原作用，破壞了微粒的穩(wěn)定性和親水性，同時生成的多核羥基絡(luò)合鐵對污泥顆粒起到橋聯(lián)作用，形成絮體，使污泥比阻減小。隨著氯化鐵質(zhì)量濃度的升高，濾餅含固率呈線性增大，當(dāng)氯化鐵質(zhì)量濃度為2 400 mg/L時，污泥濾餅含固率為11.75%，升高了85.0%，說明投加氯化鐵可明顯提高污泥濾餅的含固率。

2.3氯化鐵與臭氧聯(lián)用對污泥性質(zhì)的影響

由2.1可知，臭氧單獨作用1.5 h時污泥的性質(zhì)已明顯得到改善。當(dāng)臭氧作用時間一定，通過改變氯化鐵投加量和氯化鐵的投加順序（即氯化鐵投加在臭氧曝氣之前或臭氧曝氣之后），研究二者聯(lián)合作用對污泥性質(zhì)的影響，結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5　臭氧與氯化鐵聯(lián)用順序?qū)ξ勰嗌锨逡褐蠧OD（a）及污泥濃度（b）的影響

圖6　臭氧與氯化鐵聯(lián)用對污泥比阻（a）及污泥濾餅含固率（b）的影響

由圖5可見，經(jīng)2種方法處理后，污泥上清液的COD均有所下降。比較可知經(jīng)FeCl3/O3法處理后，污泥上清液的COD下降得更為明顯。與單因素方法比較，處理后污泥上清液的COD由高到低的排列順序為O3＞O3/FeCl3＞FeCl3/O3＞FeCl3，說明FeCl3/O3法對COD的去除效果較O3/FeCl3法好，但比單獨投加氯化鐵要差。

經(jīng)O3/FeCl3法處理后，污泥的TS緩慢增加，由最初的28.04 g/L增加到29.61 g/L；而經(jīng)過FeCl3/O3法處理后，污泥的TS略有升高后逐漸下降，當(dāng)氯化鐵投加量為2 400 mg/L時，污泥TS下降到26.17 g/L，降低了6.7%。比較可知，不同方法處理后污泥TS由高到低的排列順序為 FeCl3＞O3/FeCl3＞O3＞FeCl3/O3，說明在降低污泥濃度方面 FeCl3/O3法優(yōu)于其他方法。

氯化鐵與臭氧聯(lián)用在改善污泥脫水性能方面效果非常明顯。隨著氯化鐵質(zhì)量濃度的升高，污泥比阻明顯下降，當(dāng)氯化鐵為1 800 mg/L時，2種方法處理后污泥比阻均＜0.4×109s2/g，此時屬于易過濾污泥。采用O3/FeCl3處理污泥后，污泥比阻呈線性下降，下降趨勢較平緩；當(dāng)氯化鐵質(zhì)量濃度為2 400 mg/L時，污泥比阻下降到7.2×107s2/g，污泥的脫水性能得到明顯改善。采用FeCl3/O3法處理后，污泥比阻先快速下降，后趨于平緩，當(dāng)氯化鐵質(zhì)量濃度為1 200 mg/L時，污泥比阻減小到6.1×107s2/g，遠(yuǎn)低于0.4×109s2/g，此時的處理效果與 FeCl3/O3法氯化鐵投加量在2 400 mg/L時的相當(dāng)。與單獨處理相比，污泥脫水效果由好到差的方法排列順序為FeCl3/O3＞O3/FeCl3＞FeCl3＞O3。

臭氧與氯化鐵聯(lián)用處理后的污泥濾餅含固率也隨氯化鐵的增加而逐漸升高。當(dāng)氯化鐵為600～1 800 mg/L時，污泥濾餅含固率升高較明顯，當(dāng)其質(zhì)量濃度＞1 800 mg/L時含固率增加比較緩慢。其中，F(xiàn)eCl3/O3法處理效果好于O3/FeCl3法，污泥濾餅含固率由5.38%分別提高到26.42%、22.45%。經(jīng)不同方法處理后，污泥濾餅含固率由高到低的排列順序為FeCl3/O3＞O3/FeCl3＞FeCl3＞O3。由此表明：在降低污泥比阻、改善污泥脫水性能、污泥減量化方面FeCl3/O3法均優(yōu)于其他方法，在實際運用中可以降低污泥的后續(xù)處理負(fù)擔(dān)。

3　結(jié)論

（1）隨著臭氧氧化時間的延長，TS、VTS和VTS/ TS均呈減小趨勢，污泥比阻先略微增加后逐漸降低，污泥上清液中的COD升高明顯，當(dāng)臭氧氧化時間達(dá)到1.5 h后，生污泥的各項指標(biāo)趨于穩(wěn)定。

（2）FeCl3的增加可明顯改善污泥的脫水性能，當(dāng)氯化鐵質(zhì)量濃度達(dá)到2 400 mg/L時，污泥由難脫水污泥變?yōu)橐酌撍勰?，污泥上清液的COD降低了68.8%，TS、VTS呈上升趨勢，分別增加了10.1%、6.5%。

（3）氯化鐵與臭氧聯(lián)合使用在改善污泥脫水性能方面明顯優(yōu)于單獨使用FeCl3。其中FeCl3/O3法在降低污泥濃度及污泥比阻方面優(yōu)于其他方法。

（4）實驗結(jié)果表明，F(xiàn)eCl3/O3法在處理活性污泥時效果較好，不僅可實現(xiàn)污泥減量化，同時改善了污泥的脫水性能，降低了后續(xù)處理負(fù)擔(dān)。

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Research on the improvement of activated sludge characteristics by the ferric chloride/ozone combined process

Yuan Wenbing1，Wu Jinmiao2，Liu Liang2，Wang Yan2
（1.Jiangsu Zhongsheng High-Technology Industry Co.，Ltd.，Nanjing 210009，China；2.Guangdong Wanlv Environmental Protection Engineering Co.，Ltd.，Guangzhou 510060，China）

The influences of O3，adding FeCl3singly，O3aeration first followed with adding FeCl3，and adding FeCl3first followed with O3aeration have been studied preliminarily.The influences of O3reaction time，F(xiàn)eCl3concentration and combination order of FeCl3/O3on the activated sludge characteristics have been analyzed.The results show that with the prolonging of O3reaction time，the suspended solids（TS），volatile suspended solids（VTS）and VTS/TS are gradually reduced，the sludge specific resistance is increased slightly first，and then declined slowly，but the COD in supernatant is increased significantly.After adding FeCl3singly，the sludge specific resistance and the COD in sludge supernatant are both decreased gradually.The reaction effect of FeCl3/O3combined process on sludge is different.The permutation order of the TS of sludge from low to high is FeCl3/O3＞O3＞O3/FeCl3＞FeCl3.The permulation order of the COD in sludge supernatant from high to low is O3＞O3/FeCl3＞FeCl3/O3＞FeCl3.And the permutation order of the sludge specific resistance from low to high is FeCl3/O3＞O3/FeCl3＞FeCl3＞O3.The results show that the FeCl3/O3method is superior to the other three methods in the aspects of sludge minimizing and sludge dewatering improvement.

ozone；ferric chloride；activated sludge

X703

A

1005-829X（2016）04-0073-04

袁文兵（1978—），工程師。E-mail：wenbing181@163. com。

2016-03-03（修改稿）