微納米氣泡催化氧化強(qiáng)化污泥減量及脫水性能研究

袁曉玲，王飛坤，王雅萌，李登新

(1.東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620；2.東華大學(xué) 國(guó)家環(huán)境保護(hù)紡織污染防治工程技術(shù)中心，上海 201620；3.同濟(jì)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620； 4.上海污染控制與生態(tài)安全研究院，上海 201620)

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

氫氧化鈉、濃硫酸、七水合硫酸亞鐵、叔丁醇均為分析純；污泥(TSS濃度4.5 g/L，VSS/TSS值為0.65，初始pH值6.7～7.5。污泥取后置于 4 ℃ 恒溫冷藏)，取自上海市某生活污水處理廠。

微納米氣泡發(fā)生器；CFT-5型臭氧發(fā)生器；pH計(jì)測(cè)試儀；HH-4型數(shù)顯恒溫水浴鍋；DFC-10A型毛細(xì)吸水時(shí)間測(cè)試儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1是微納米氣泡與污泥進(jìn)行反應(yīng)的裝置系統(tǒng)圖。污泥反應(yīng)裝置為定制的圓柱形有機(jī)玻璃容器，向內(nèi)投加TSS為4.5 g/L污泥樣品1.3 L，裝置連接好后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖1 微納米氣泡體系污泥反應(yīng)裝置圖Fig.1 Sludge reactor diagram of micro-nano bubble system1.溶液水箱；2.臭氧發(fā)生器；3.微納米氣泡發(fā)生器； 4.污泥反應(yīng)裝置；5.尾氣吸收裝置；6.污泥樣品收集瓶

臭氧氣體(或空氣)進(jìn)入微納米氣泡發(fā)生器與水形成微納米氣泡，進(jìn)入污泥反應(yīng)裝置，微納米氣泡在電動(dòng)攪拌器的作用下與污泥顆粒充分接觸進(jìn)行反應(yīng)，多余臭氧氣體由標(biāo)準(zhǔn)碘化鉀溶液進(jìn)行吸收，取一定反應(yīng)時(shí)間后的污泥樣品進(jìn)行測(cè)試。

1.3 測(cè)試方法

污泥TSS、VSS測(cè)定均采用標(biāo)準(zhǔn)稱重法[10]。污泥毛細(xì)吸水時(shí)間(CST) 指污泥中的毛細(xì)水在濾紙上滲透單位距離所需時(shí)間，反映污泥脫水難易程度[11-12]，CST值越小，表明污泥保留水分的能力越弱，可脫水性能越好。污泥脫水性能以毛細(xì)吸水時(shí)間測(cè)定儀測(cè)試3次后的CST平均值表示。

污泥干重減少率(w，%)：

w=(m1-m2)/m1×100%

(1)

污泥CST降低率(c，%)：

c=(CST0-CST1)/CST0×100%

(2)

式中m1——原污泥在105 ℃烘干至恒重的質(zhì)量，g；

m2——微納米氣泡處理后抽濾脫水污泥在105 ℃烘干至恒重的質(zhì)量，g；

CST0——100 mL原污泥濃縮至體積為 40 mL 后的毛細(xì)吸水時(shí)間，s；

CST1——處理后100 mL污泥樣品濃縮至體積為40 mL后3次毛細(xì)吸水時(shí)間測(cè)試平均值，s。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)參數(shù)對(duì)污泥減量的影響

2.1.1 反應(yīng)時(shí)間對(duì)污泥減量的影響 處理溫度為20 ℃，pH為7，未加FeSO4的條件下，分別以空氣和臭氧作為氣源生成微納米氣泡對(duì)污泥進(jìn)行處理，污泥干重隨時(shí)間的變化情況見(jiàn)圖2。

圖2 反應(yīng)時(shí)間對(duì)污泥減量的影響Fig.2 Effect of reaction time on sludge reduction

由圖2可知，兩種氣源下生成的微納米氣泡處理后的污泥干重均隨反應(yīng)時(shí)間的增加不斷減少，相同反應(yīng)條件下，臭氧微納米氣泡對(duì)污泥干重的減少效果高出空氣微納米氣泡很多，并且這種差異隨著反應(yīng)時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸擴(kuò)大。污泥減量主要通過(guò)兩種途徑：一是臭氧的直接氧化以及羥基自由基的間接氧化作用破壞污泥絮體，胞內(nèi)物質(zhì)釋放到液相；二是將污泥細(xì)胞和有機(jī)物質(zhì)通過(guò)礦化作用轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水等無(wú)機(jī)物，最終達(dá)到固體減量目的[13]。反應(yīng)時(shí)間相同時(shí)，臭氧微納米氣泡破裂時(shí)產(chǎn)生的自由基數(shù)量要多于空氣微納米氣泡，還有一部分臭氧氣體將通過(guò)直接氧化的途徑不斷氧化污泥絮體，使微生物細(xì)胞破裂和有機(jī)物分解反應(yīng)快于后者。兩種氣源下污泥的干重減少率均隨時(shí)間先上升后趨于平緩，在反應(yīng)85 min后呈現(xiàn)更加平緩的增長(zhǎng)趨勢(shì)。考慮到經(jīng)濟(jì)成本，將85 min作為本研究最佳處理時(shí)間，此時(shí)空氣微納米氣泡可使污泥干重減少26.29%，臭氧條件下可減少34.79%。

2.1.2 處理溫度對(duì)污泥減量的影響 在反應(yīng)時(shí)間85 min，pH=7，未加FeSO4的條件下，污泥干重減少率隨處理溫度變化的情況見(jiàn)圖3。

圖3 處理溫度對(duì)污泥減量的影響Fig.3 Effect of treatment temperature on sludge reduction

由圖3可知，污泥干重減少率隨溫度升高達(dá)到最高值，兩種微納米氣泡對(duì)減少污泥干重的最佳效果均出現(xiàn)在30 ℃，減少率分別達(dá)到28.39%和36.79%。這是由于處理溫度略微上升時(shí)，羥基自由基的氧化能力得到提高，并且臭氧分解速率的上升也加快了羥基自由基產(chǎn)生的速率，增加了液相中羥基自由基的濃度[14]，因此提升了污泥絮體的破壞和氧化效率。溫度>30 ℃時(shí)，兩種氣源氣泡處理后的污泥干重減少率均大幅度下降，這可能是由于氣泡處于較高溫度時(shí)上升速度變快，縮短了與污泥絮體的接觸時(shí)間。另外，高溫條件下氣泡變得極不穩(wěn)定，氣泡容易聚并，尺寸變大，不但減弱了其傳質(zhì)能力更使大量氣泡在水面附近破裂，降低了其產(chǎn)生羥基自由基的能力。故處理溫度控制在30 ℃比較適宜。

2.1.3 pH值對(duì)污泥減量的影響 反應(yīng)時(shí)間為 85 min，處理溫度為30 ℃，F(xiàn)e2+濃度為2 mmol/L時(shí)，用氫氧化鈉和濃硫酸溶液調(diào)整pH值在2～9之間，研究4種條件下污泥干重減少率的變化，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 pH值對(duì)污泥減量的影響Fig.4 Effect of pH on sludge reduction

由圖4可知，未加入FeSO4時(shí)，酸性條件下兩種氣泡對(duì)污泥干重減少率隨著pH的上升先升高后降低，pH=7時(shí)污泥干重減少率最低，堿性條件有助于提升污泥干重的減少率。pH=9時(shí)，臭氧微納米氣泡對(duì)于污泥干重的減少效果比空氣更加明顯。有研究表明，堿性條件對(duì)于提升污泥的溶胞和減量效果比酸性條件下更加明顯[15]，且在堿性條件下臭氧的分解速率會(huì)加快[16]，羥基自由基的產(chǎn)生速率加快有助于污泥減量。但也有證據(jù)表明，酸性較強(qiáng)時(shí)，微納米氣泡收縮破裂時(shí)能產(chǎn)生更多羥基自由基，pH升高微納米氣泡破裂產(chǎn)生的自由基變少[17-18]，堿減量污泥的正面效應(yīng)被一部分微納米氣泡的負(fù)面效應(yīng)抵消，這可能是強(qiáng)堿環(huán)境下污泥干重減少率較酸性條件下提高較少的原因。由污泥干重減少率的對(duì)比可知，酸性較強(qiáng)時(shí)，加入Fe2+的體系對(duì)于污泥的減量效果有所提升，并在pH=3時(shí)達(dá)到峰值，且在此條件下污泥干重減少效果的提升幅度也最明顯。這是由于Fe2+在該體系中作為催化劑催化了自由基的產(chǎn)生，促進(jìn)了氧化反應(yīng)的效率，催化反應(yīng)機(jī)理[19-20]如下：

Fe2++O3→FeO2++O2

(3)

FeO2++H2O→Fe3++·OH+OH-

(4)

(5)

有研究表明，當(dāng)體系pH值處于2～3.5，F(xiàn)e2+有較強(qiáng)的催化效果并在pH=3左右效果較高[21]，隨著pH逐漸升高，F(xiàn)e2+開(kāi)始發(fā)生水解作用，中性至堿性條件下會(huì)生成氫氧化鐵沉淀，不但失去了催化作用，還影響了氣泡的傳質(zhì)特性，因此pH>5后，兩種氣泡體系的氧化能力大幅度降低，造成干重減量率的大幅度下降。

2.1.4 Fe2+濃度對(duì)污泥減量的影響 反應(yīng)時(shí)間為85 min，處理溫度為30 ℃，pH=3，研究Fe2+濃度對(duì)污泥干重減少的效果，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 Fe2+濃度對(duì)污泥減量的影響Fig.5 Effect of Fe2+concentration on sludge reduction

由圖5可知，F(xiàn)e2+濃度由1 mmol/L升高到 2 mmol/L 時(shí)，污泥干重減量的效果提升較多，之后隨著Fe2+濃度的升高，污泥干重減少率不斷降低且降幅劇烈，這是由于適當(dāng)濃度的Fe2+能起到較好的催化效果，促進(jìn)羥基自由基的產(chǎn)生，加快其產(chǎn)生速率，但過(guò)量的Fe2+卻會(huì)大量消耗體系中產(chǎn)生的自由基，造成參與污泥減量反應(yīng)的自由基數(shù)量減少，產(chǎn)生了負(fù)面效應(yīng)[22]。

2.2 污泥脫水性能

2.2.1 反應(yīng)時(shí)間對(duì)污泥脫水性能的影響 處理溫度為20 ℃，pH=7，未加FeSO4時(shí)，污泥脫水性隨時(shí)間的變化見(jiàn)圖6。

圖6 反應(yīng)時(shí)間對(duì)污泥脫水性的影響Fig.6 Effect of reaction time on sludge dewaterability

由圖6可知，隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，兩種氣源微納米氣泡處理的污泥CST值不斷降低，CST值降低到相似水平時(shí)，臭氧微納米氣泡所用的時(shí)間短于空氣微納米氣泡。脫水性的變化規(guī)律在一定程度上能反映污泥氧化破解的程度。研究表明，胞外聚合物約占污泥總質(zhì)量的60%～80%，是污泥絮體的主要成分，主要由蛋白質(zhì)、多糖、腐植酸、DNA等構(gòu)成，其對(duì)污泥膠體系統(tǒng)的水密性起到了重要作用，也被認(rèn)為是污泥脫水性差的主要原因之一[23]。隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，EPS不斷被破壞和分解，污泥絮體中大量自由水和結(jié)合水被釋放的同時(shí)，蛋白質(zhì)及其他有機(jī)物質(zhì)也大量溶出，后被不斷氧化降解成小分子，因此污泥脫水性得到不斷改善。經(jīng)過(guò)85 min處理后，臭氧微納米氣泡處理后污泥的脫水性明顯高于空氣微納米氣泡。

2.2.2 處理溫度對(duì)污泥脫水性能的影響 在反應(yīng)時(shí)間85 min，pH=7，未加FeSO4時(shí)，處理溫度變化對(duì)污泥脫水性的影響見(jiàn)圖7。

圖7 處理溫度對(duì)污泥脫水性的影響Fig.7 Effect of treatment temperature on sludge dewaterability

由圖7可知，處理溫度從20 ℃升高到30 ℃時(shí)，兩種氣源條件下的污泥脫水性均得到較大幅度改善，污泥CST值分別從16.6 s和14.8 s降至15.4 s和13.0 s，脫水效果提升約15.67%和12.16%。當(dāng)處理溫度超過(guò)最佳條件后，污泥脫水性有整體變差的趨勢(shì)，40 ℃下污泥脫水性表現(xiàn)最差。潘勝等[24]的實(shí)驗(yàn)中觀察到污泥脫水性能在10～80 ℃ 之間隨溫度的提升不斷改善，溫度從20 ℃升至30 ℃的區(qū)間內(nèi)降低幅度極大，升溫至40 ℃的過(guò)程中，污泥脫水性僅有小幅度改善。本實(shí)驗(yàn)條件下，30～40 ℃區(qū)間內(nèi)污泥脫水性較大程度惡化的原因可能與液相中臭氧濃度迅速下降和微納米氣泡穩(wěn)定性變差導(dǎo)致氧化能力大幅下降有關(guān)。升溫至 60 ℃，水熱作用的進(jìn)一步加強(qiáng)可能抵消一部分微納米氣泡和臭氧濃度下降的負(fù)面作用使污泥脫水性有所改善。

2.2.3 pH對(duì)污泥脫水性能的影響 反應(yīng)時(shí)間為85 min，處理溫度為30 ℃，F(xiàn)e2+濃度為2 mmol/L時(shí)，研究pH值在2～9之間四種條件下污泥脫水性的變化，結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖8 pH對(duì)污泥脫水性的影響Fig.8 Effect of pH on sludge dewaterability

由圖8可知，pH=3時(shí)，四種條件下處理的污泥均達(dá)到最佳脫水性能，同種氣源條件下，pH=3時(shí)Fe2+對(duì)于污泥脫水性的改善程度也最高。有研究表明，酸性條件下污泥的脫水性能可得到明顯改善[25]。Fe2+在發(fā)揮催化作用的同時(shí)也被氧化成帶有大量正電荷的Fe3+，這些正電荷與污泥顆粒表面的負(fù)電荷中和，降低污泥顆粒的相對(duì)疏水性，一定程度上也有助于改善污泥脫水性能。隨著體系pH的升高，污泥脫水性迅速惡化。pH在逐步提升過(guò)程中，F(xiàn)e2+會(huì)發(fā)生水解反應(yīng)生成氫氧化鐵膠體，這些膠體結(jié)構(gòu)會(huì)將污泥顆粒包裹起來(lái)形成保護(hù)層，阻礙羥基自由基對(duì)污泥的進(jìn)一步氧化，降低了微納米氣泡對(duì)污泥氧化減量的效率，也使絮體透水通道變形，阻礙了污泥的脫水過(guò)程[26]。

2.2.4 Fe2+濃度對(duì)污泥脫水性能的影響 反應(yīng)時(shí)間85 min，處理溫度為30 ℃，pH為3時(shí)，研究Fe2+濃度對(duì)污泥脫水性的影響，結(jié)果見(jiàn)圖9。

圖9 Fe2+濃度對(duì)污泥脫水性的影響Fig.9 Effect of Fe2+ concentration on sludge dewaterability

由圖9可知，隨著Fe2+濃度的提高，污泥脫水性得到迅速改善，2 mmol/L時(shí)，污泥脫水性能最佳，之后隨著濃度的提高污泥脫水性逐步惡化。這是因?yàn)镕e2+濃度很低時(shí)，F(xiàn)e2+催化臭氧和空氣微納米氣泡產(chǎn)生羥基自由基的速率也較低，F(xiàn)e2+濃度過(guò)高時(shí)會(huì)發(fā)生自由基的自我消除反應(yīng)[19]，自由基對(duì)污泥絮體的氧化作用減弱造成污泥脫水性變差。

2.3 最佳條件下污泥性質(zhì)分析

通過(guò)對(duì)不同氣源條件下處理后污泥的干重減少率和污泥脫水性兩者的綜合分析可知，最佳條件為：反應(yīng)時(shí)間85 min，處理溫度30 ℃，pH為3，F(xiàn)e2+濃度2 mmol/L。在此最佳反應(yīng)條件下，對(duì)兩種氣源微納米氣泡處理后污泥的VSS/TSS值以及污泥脫水性能進(jìn)行對(duì)比。

2.3.1 污泥VSS/TSS分析 污泥經(jīng)過(guò)兩種氣源的微納米氣泡在最佳反應(yīng)條件下處理后，VSS/TSS變化情況見(jiàn)圖10。

圖10 兩種氣源催化體系VSS/TSS對(duì)比Fig.10 Comparison of VSS/TSS for two gas source catalytic systems

由圖10可知，原污泥VSS/TSS值在0.65左右，經(jīng)過(guò)空氣微納米氣泡和臭氧微納米氣泡處理后，VSS/TSS均表現(xiàn)出不同程度的大幅度降低，污泥干重由4 500 mg/L分別降低至 2 764.8 mg/L 和 2 480.4 mg/L，降低率分別可達(dá)到38.56%和44.88%；有機(jī)質(zhì)含量降低至 1 700.4 mg/L 和 1 414.6 mg/L，降低約41.56%和51.67%，較之前的研究成果相似且有所提升[9，27]。相同反應(yīng)時(shí)間下，臭氧微納米氣泡能達(dá)到更好的效果，污泥穩(wěn)定化程度也得到提升。

2.3.2 污泥脫水性能分析 圖11是最佳反應(yīng)條件下有Fe2+存在的微納米催化氧化體系與微納米普通氧化體系下，污泥脫水性能的變化情況。

圖11 兩種氣源催化體系CST降低率對(duì)比Fig.11 Comparison of CST decrease rates of two gas source catalytic systems

由圖11可知，兩種體系處理后的污泥的脫水性能均有改善，有Fe2+存在的微納米催化氧化體系對(duì)于污泥的脫水性能改善更佳，且以臭氧為氣源的微納米氣泡催化氧化體系對(duì)污泥脫水性能改善效果最好，相較于空氣微納米體系來(lái)說(shuō)，F(xiàn)e2+對(duì)臭氧微納米體系污泥脫水性能的提升效果更佳，四種反應(yīng)條件下，污泥CST值的降低率分別達(dá)到了63.14%，66.57%，68.85%和72.37%。

2.4 微納米氣泡減量污泥反應(yīng)機(jī)制分析

圖12是臭氧和空氣微納米氣泡及普通氣泡在有無(wú)叔丁醇添加下的作用對(duì)比圖。叔丁醇是一種有效的自由基捕捉劑，能迅速捕捉·OH。基于 2.1.1 節(jié)的反應(yīng)條件，向污泥中投加60 mg/L叔丁醇，通過(guò)污泥干重減量率的變化來(lái)研究·OH在兩種微納米體系中的作用情況。

由圖12可知，投加叔丁醇后，兩種氣源微納米氣泡對(duì)于污泥干重的減量增長(zhǎng)速率均明顯小于未加條件下。對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合后發(fā)現(xiàn)，臭氧微納米體系下，加入叔丁醇濃度為0，60 mg/L時(shí)的趨勢(shì)斜率為0.53和0.26，而空氣微納米氣泡趨勢(shì)斜率從0.38降低至0.07。這是由于臭氧減量污泥是通過(guò)直接氧化和間接氧化共同完成。羥基自由基被捕捉后，臭氧的直接氧化作用仍然可以起到污泥減量的效果，其作用比例分別為48.24%和 51.76%。圖中可以看出，空氣微納米氣泡減量污泥的作用主要依靠羥基自由基來(lái)實(shí)現(xiàn)，且羥基自由基的貢獻(xiàn)率超過(guò)80%。

圖12 兩種氣源微納米氣泡羥基自由基作用機(jī)質(zhì)對(duì)比Fig.12 Comparison of the effects of hydroxyl radicals in micro-nano bubbles from two gas sources

3 結(jié)論

(1)中性條件下，兩種氣源微納米氣泡處理后的污泥干重減少和污泥脫水性在反應(yīng)時(shí)間 85 min，處理溫度為30 ℃條件下達(dá)到最佳，污泥干重減少率分別為28.39%，36.79%，污泥脫水時(shí)間分別為15.4，3.0 s；pH改變對(duì)未加FeSO4的普通微納米氣泡體系和加入FeSO4的催化微納米氣泡體系在最佳反應(yīng)時(shí)間和處理溫度下處理污泥的效果有明顯影響；污泥干重減少率和脫水性能均隨Fe2+濃度的升高先增加后下降。

(2)臭氧微納米氣泡處理后污泥干重的減量效果和脫水性能優(yōu)于空氣微納米氣泡，最佳pH值(即pH=3)下，F(xiàn)e2+對(duì)于前者的催化效果強(qiáng)于后者。

(3)最佳處理?xiàng)l件為反應(yīng)時(shí)間85 min，處理溫度為30 ℃，pH=3，F(xiàn)e2+濃度為2 mmol/L。與原污泥相比，經(jīng)空氣微納米氣泡和臭氧微納米氣泡處理后的污泥干重減少率分別為38.56%和44.88%，污泥CST值降至11.7 s和9.67 s，污泥VSS/TSS降至0.615和0.57。

(4)空氣微納米氣泡減量污泥的作用主要依靠·OH來(lái)實(shí)現(xiàn)，臭氧微納米氣泡減量污泥由直接氧化和·OH的間接氧化共同完成。