給水污泥提高剩余污泥消化穩(wěn)定性及處理水水質(zhì)

杜海霞 區(qū)恒煜 張蕾 吳艷霞

摘 ?要：為了探究活性污泥好氧及厭氧消化過程中添加給水污泥對其的影響和效果，分析了在剩余污泥好氧、厭氧消化不同時間段添加不同投加量給水污泥混凝沉淀后的總固體（TS）、揮發(fā)性固體（VS）降解效果，以對比不同條件對剩余污泥穩(wěn)定性的影響。通過化學(xué)需氧量（COD）、濁度、氨氮及總氮的變化來分析加入給水污泥混凝沉淀后剩余污泥好氧、厭氧消化出水水質(zhì)的變化。結(jié)果表明：在厭氧消化第8天，投加量為3000mg/L時，剩余污泥總固體（TS）下降了34.0%，揮發(fā)性固體（VS）下降了14.6%;添加給水污泥進行混凝沉淀后，最終產(chǎn)物出水水質(zhì)變好，氨氮濃度降低;剩余污泥脫水性得到提高。在給水污泥投加量為1000mg/L時，氨氮含量下降了50.26%。

關(guān)鍵詞：剩余污泥;給水污泥;好氧消化;厭氧消化;混凝沉淀

中圖分類號：X703.1 文獻標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）20-0001-05

Abstract： In order to explore the influence and effect of adding water sludge in the process of aerobic and anaerobic digestion of activated sludge， the degradation effects of total solid（TS） and volatile solid（VS） after adding different amount of feed sludge in different periods of aerobic and anaerobic digestion of excess sludge were analyzed， and the effects of different conditions on the stability of excess sludge were compared. The changes of effluent quality of aerobic and anaerobic digestion of excess sludge after coagulation and sedimentation of feed sludge were analyzed through the changes of chemical oxygen demand（COD）， turbidity， ammonia nitrogen and total nitrogen. The results showed that on the 8th day of anaerobic digestion， when the dosage was 3000mg/L， the total solid

（TS） of excess sludge decreased by 34.0%， and the volatile solid（VS） decreased by 14.6%. After adding water sludge for coagulation

and sedimentation， the effluent quality of the final product became better， the concentration of ammonia nitrogen decreased， and the dewatering of excess sludge was improved. When the dosage of feed sludge was 1000mg/L， the content of ammonia nitrogen decreased by 50.26%.

Keywords： excess sludge; feed sludge; aerobic digestion; anaerobic digestion; coagulation and sedimentation

前言

都市化與人口增加導(dǎo)致市政污水處理廠數(shù)量的急劇增加，從而伴隨著產(chǎn)生大量的剩余活性污泥[1-2]。剩余活性污泥含水率高、有機物含有量高、容易腐爛，從而嚴重影響自然環(huán)境與生活環(huán)境，其有效的處理與處置已成為包括我國在內(nèi)的許多工業(yè)化新興國家迫切需要解決的問題[3]。很多工業(yè)化國家所采用的焚燒等方法除了投資費用高、運行管理費用高等問題外，從溫室氣體減排減量的觀點來看，其耗能與焚燒產(chǎn)生的氣體排放也是必須重新認識與解決的課題[4]。因此，我們急需研究新型高效的方法以實現(xiàn)剩余活性污泥的穩(wěn)定化及提高處理水水質(zhì)。給水污泥是城市給水處理的副產(chǎn)物[5-6]，主要來自初沉池和過濾器的反沖洗排水，其水量一般約占給水廠總凈水量的4%-7%[7]。污泥中固體以無機成分為主，有機物含量較少，屬于無機污泥[8]。主要無機物成分為SiO2、Al2SiO5（OH）2、AlPO4和Fe3FeSiO4

（OH）5，有機物含量與原水中的有機質(zhì)含量相關(guān)[8-9]。目前在我國，給水污泥主要通過棄地填埋、土地應(yīng)用、衛(wèi)生填埋場、海洋處置等[10]方法進行處理，污泥大量填埋在廢棄土壤和垃圾填埋場會造成嚴重的環(huán)境問題和健康問題，如嚴重的土地污染和地下水污染等[11]。由于經(jīng)濟的發(fā)展，近幾十年來我國人口的增長及城市水處理廠的數(shù)量不斷增加導(dǎo)致給水污泥的量顯著增加。在上述背景及現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，本實驗利用給水污泥來提高活性污泥處理最終產(chǎn)物的穩(wěn)定性及處理水水質(zhì)。利用該方法，期待可以實現(xiàn)活性污泥穩(wěn)定化處理的同時，提高處理水水質(zhì)，并且達到高效處理給水污泥的目的。為包括我國在內(nèi)的許多工業(yè)化新興國家所面臨的急需解決的活性污泥與給水污泥的問題提供一種高效、環(huán)境負荷低、且資源可循環(huán)利用型的新方法。

本實驗主要研究剩余活性污泥好氧及厭氧處理不同時間段添加不同投加量給水污泥進行混凝沉淀對剩余活性污泥的減量化、穩(wěn)定化及最終出水水質(zhì)的影響和效果，確定使剩余活性污泥穩(wěn)定性以及出水水質(zhì)達到最佳狀況的給水污泥投加量和投加時間。本實驗通過pH、總固體（TS）、揮發(fā)性固體（VS）降解效果，以對比不同條件對剩余活性污泥穩(wěn)定性的影響。通過總化學(xué)需氧量（COD）、氨氮的變化來分析加入給水污泥混凝沉淀后剩余活性污泥好氧、厭氧消化后出水水質(zhì)的變化。

1 材料與方法

1.1 污泥準(zhǔn)備

剩余活性污泥為取自南京市某污水處理廠的回流污泥，給水污泥為取自南京市某給水處理廠的沉淀池污泥。給水污泥離心后密封備用。剩余活性污泥從污水廠取回，靜置4小時，倒去上部分液體后備用。剩余活性污泥和給水污泥的物理化學(xué)特性如表1。

表1 污泥的基本特性

1.2 剩余活性污泥好氧/厭氧消化不同時間與不同投加量給水污泥混合實驗

1.2.1 剩余活性污泥好氧與厭氧消化實驗

好氧及厭氧消化裝置為不透光聚乙烯反應(yīng)器，容量為50L。分別取30L剩余活性污泥進行好氧與厭氧消化實驗，好氧消化反應(yīng)器蓋子上方開孔通入空氣管，泵抽空氣鼓進裝水的錐形瓶，濕潤的空氣進入好氧污泥罐中進行曝氣;厭氧消化反應(yīng)器保持密封，維持厭氧環(huán)境，由于厭氧消化中發(fā)揮作用的細菌多為兼性厭氧菌，因此厭氧條件比較容易控制;反應(yīng)器置于常溫避光處。取樣時分別從兩個反應(yīng)器中取剩余污泥，取完后立即蓋上蓋子。

1.2.2 剩余活性污泥好氧消化不同時間段與給水污泥混凝沉淀實驗

剩余活性污泥好氧消化第 0，4，8，14天分別取2L剩余活性污泥，分為4等份置于500mL燒杯，然后分別添加不同濃度（0，500，1000，3000mg/L）給水污泥進行混凝沉淀實驗：急速攪拌10min，緩速攪拌30min，沉淀2h。實驗后，上清液直接取樣用于測定其濁度，用0.2μm纖維膜過濾后測定COD、氨氮、總氮等指標(biāo);沉淀物質(zhì)直接取樣測定其TS、VS等指標(biāo)的同時做靜態(tài)實驗，測定其放置不同時間的脫水性、臭氣產(chǎn)生量的變化，同時進行固液分離，測定固液相的性狀差異。

1.2.3 剩余活性污泥厭氧消化不同時間段與給水污泥混凝沉淀實驗

剩余活性污泥厭氧消化第 0，4，8，14天分別取2L剩余活性污泥，分為4等份置于500mL燒杯，然后分別添加不同濃度（0，500，1000，3000 mg/L）給水污泥進行混凝沉淀實驗：急速攪拌10min，緩速攪拌30min，沉淀2h。具體做法與1.2.2相同。

1.3 測定與分析

1.3.1 pH、濁度的測定

pH為pH計（pH Meter HM-21P，TOAOK）直接測量;濁度為便攜式濁度測量儀測量。

1.3.2 氨氮（NH4+）的測定

氨氮的測定方法選用納氏試劑光度法，使用的測定儀器為分光光度計，實驗過程中使用50ml磨口瓶和燒杯若干，同樣的，在氨氮的測量實驗中，也應(yīng)全程使用無氨水進行操作。納氏試劑光度法是利用碘化汞和碘化鉀與氨的反應(yīng)原理來測量氨氮含量的，碘化汞與碘化鉀在堿性條件下與氨反應(yīng)生成淡紅棕色膠狀化合物質(zhì)，這種顏色在較寬的波長內(nèi)能夠被強烈吸收，一般情況下氨氮的測量波長為410～425nm。此外，氨氮的測量需要設(shè)置全程序空白實驗，是指以無氨水代替水樣進行同樣的實驗步驟，最后作為參照組進行數(shù)據(jù)比對。

1.3.3 COD的測定

COD的測定方法選用微波消解法進行測量。在強酸性溶液中，準(zhǔn)確加入過量的重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液，加熱回流，將水樣中還原性物質(zhì)（主要是有機物）氧化，過量的重鉻酸鉀以試亞鐵靈作指示劑，用硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)溶液回滴，根據(jù)所消耗的重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液量計算水樣化學(xué)需氧量。實驗中用移液管移水樣5.00mL催化劑（硫酸-硫酸銀溶液），搖勻。另作一空白樣，加5.00mL蒸餾水，其他照加。放入微波爐消解，3罐-5min，4罐-6min，5罐-7min，消解液倒入錐形瓶中，沖洗消解罐3次，加兩滴指示劑，用硫酸亞鐵銨回滴，顏色由黃經(jīng)藍綠至紅褐色，即為終點。

1.3.4 總固體（TS）、揮發(fā)性固體（VS）的測定

總固體（TS）、揮發(fā)性固體（VS）采用重量法測定。先將洗凈灼燒至恒重（600℃條件下大約60min）的坩堝稱重G1;用量移液管量取10ml污泥，放入坩堝，將坩堝放入105℃的烘箱中烘烤24小時后取出，放在干燥器中冷卻至室溫，然后稱重G2;將坩堝放入600℃的馬弗爐中灼燒2小時，取出后放入干燥器中冷卻至室溫后稱重G3;用G2-G1除以污泥的體積得到污泥的TS;用G2-G3除以污泥的體積得到污泥的VS。

2 結(jié)果與討論

2.1 剩余活性污泥與給水污泥混凝沉淀實驗后出水水質(zhì)變化

2.1.1 COD變化

將消化過程不同時間好氧污泥與不同濃度給水污泥混合后進行混凝沉淀，測得的COD含量由圖1可見?？梢钥闯霾煌瑫r間投加不同濃度給水污泥對COD的含量有一定的影響。隨著好氧消化的進行，剩余污泥上清液中的COD含量逐漸升高。在消化過程中，上清液的COD從33.6mg/L上升到134.4mg/L。這是因為好氧消化過程中微生物有機體內(nèi)源代謝，利用氧氣分解生物可降解的有機物質(zhì)及細胞原生質(zhì)，使污泥絮體解體，形成細小的顆粒，因此上清液的COD上升。張艷萍等在研究pH的調(diào)節(jié)對好氧消化污泥沉降和脫水性能的影響時發(fā)現(xiàn)在未進行pH控制的反應(yīng)器中，好氧消化污泥上清液中的COD隨著消化的進行而上升，通過調(diào)節(jié)pH，上清液的COD有所降低[12]。第0、4、8天投加給水污泥都使好氧污泥中COD升高。相對于未添加給水污泥的對照組，COD分別提高了100%、75%、52%。這說明加入給水污泥后進行混凝沉淀，造成被吸附有機物的釋放、被吸附有機物微生物不完全代謝產(chǎn)物的釋放、細胞內(nèi)容物的釋放等[13]，使得水中的有機物含量增加。從不同時間厭氧污泥與不同濃度給水污泥混合后進行混凝沉淀的實驗中也可以看出同樣的趨勢（圖2）。相對于未添加給水污泥的對照組，COD濃度分別提高了100%、66.7%、25%。楊光等在驗證微量元素Fe、Ni對污泥厭氧消化優(yōu)化調(diào)理時發(fā)現(xiàn)在厭氧污泥水解產(chǎn)酸過程中添加微量元素Fe，相比于未添加的對照組，添加微量元素的SCOD濃度高出了15.3%[14]。

2.1.2 氨氮（NH4+）濃度變化

剩余活性污泥好氧消化不同時間段添加不同濃度給水污泥的氨氮變化如圖3所示。從圖中可以看出，氨氮濃度總體變化趨勢是先上升后下降。這表明在剩余活性污泥好氧消化的初始階段，微生物分解生成的氨溶于水中以氨氮的形式存在，隨著好氧消化的進行，經(jīng)過硝化細菌的硝化作用，氨氮的含量有所下降。李曉娟等在探究城市剩余活性污泥好氧消化的過程中，對好氧污泥進行曝氣也證明了好氧消化這一規(guī)律[15]。

將好氧消化不同時間段剩余活性污泥與不同濃度給水污泥混合后進行混凝沉淀，測得的氨氮含量如圖3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，在剩余活性污泥好氧消化不同時間投加不同投加量給水污泥對氨氮的含量有一定的影響。添加給水污泥進行混凝沉淀后，氨氮的含量都有不同程度的下降。添加給水污泥混凝沉淀后氨氮去除率最高分別達到了91.7%、12.0%、20.4%、50.3%。這說明投加給水污泥增加了水中金屬離子的含量，從而通過電中和作用降低了水中氨氮的含量。實驗數(shù)據(jù)表示，在14天添加1000mg/L的給水污泥，氨氮去除率達到了50.3%。

剩余活性污泥厭氧消化不同時間段添加不同濃度給水污泥的氨氮變化如圖4所示。剩余活性污泥厭氧消化過程中，氨氮濃度總體變化趨勢是先上升后下降，這是因為厭氧條件下微生物內(nèi)有機體內(nèi)源代謝產(chǎn)生氨氮，使氨氮含量升高，后又由于微生物的同化作用、硝化及反硝化作用使氨氮含量降低。實驗數(shù)據(jù)表示，在第8天氨氮含量達到峰值。胡述龍等在厭氧消化實驗中也得出了相似的結(jié)論，上清液氨氮濃度呈現(xiàn)總體上升的變化趨勢，上清液氨氮濃度在厭氧貯存12天左右分別達到峰值并趨于穩(wěn)定[16]。

2.1.3 濁度變化

從圖5及圖6可以看出，添加不同濃度給水污泥進行混凝沉淀后，剩余活性污泥好氧及厭氧消化不同時間段的出水濁度除有少量波動外，都有不同程度的降低，這說明添加不同濃度給水污泥混凝沉淀可以使剩余活性污泥消化出水水質(zhì)變好。在好氧消化第14天投加3000mg/L給水污泥濁度去除率最高達到了39.4%。在厭氧消化第14天投加1000mg/L給水污泥濁度去除率最高達到了66.2%。這是因為給水污泥中的混凝劑成分能形成高分子聚合物，吸附剩余污泥中的細小顆粒，并通過吸附架橋作用形成絮體，絮體增大到一定程度會沉淀下來，從而降低了剩余污泥液相中的膠體顆粒[17]。

2.2 剩余活性污泥與給水污泥混凝沉淀實驗后沉淀物穩(wěn)定性變化

添加給水污泥混凝沉淀后，剩余污泥沉淀后沉淀物中總固體含量及揮發(fā)性固體含量變化如圖7及圖8所示。可以看出，剩余污泥沉淀后沉淀物中總固體含量下降，揮發(fā)性固體也得到有效去除。在厭氧消化第8天投加3000mg/L給水污泥總固體下降了33.9%。在厭氧消化第4天投加1000mg/L給水污泥總固體下降了26.8%。ABBOTT等在研究微量元素對厭氧消化有機物的去除率實驗中，結(jié)果表明添加FeCl3使污泥厭氧消化有機物去除率降低了6.8%[18]。楊光等研究添加不同濃度Fe微量元素對污泥厭氧消化中有機物去除的影響，結(jié)果表明添加后厭氧消化后VS去除率在21%-30%之間[14]。

3 結(jié)束語

（1）投加給水污泥混凝沉淀可以釋放剩余污泥中的有機物質(zhì)，在好氧消化第4天，與不添加給水污泥相比，投加1000mg/L以及1500mg/L后上清液的濁度明顯降低，說明經(jīng)過給水污泥調(diào)理可以降低剩余污泥液相中的懸浮物和膠體顆粒濃度，進而提高剩余污泥的脫水性能。

（2）投加給水污泥混凝沉淀可以釋放剩余污泥中的有機物質(zhì)，在厭氧消化第4天、第8天以及第14天剩余污泥上清液的濁度均有所降低，且好氧消化后的濁度遠低于厭氧消化后的濁度，可以看出厭氧過程會使脫水性能變差。因為厭氧過程會使微生物細胞結(jié)構(gòu)破壞，形成眾多小顆粒釋放到液相中。

（3）給水污泥的投加，增加了水中金屬離子的含量，通過電中和作用降低了水中氨氮的含量。在好氧消化第14天，投加量為3000mg/L時，剩余污泥氨氮總量下降了50.3%。

（4）給水污泥的投加，污泥中總固體含量下降，揮發(fā)性固體也得到有效去除。在厭氧消化第8天，投加量為3000mg/L時，剩余污泥總固體下降了34.0%，揮發(fā)性固體下降了14.6%。

（5）給水污泥中的混凝劑成分可用于活性污泥的減量化，經(jīng)混凝沉淀后可以去除上清液中的膠體物含量，上清液水質(zhì)得到改善。

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