热碱法破解污泥动态实验的条件优化

http://www.water.hc360.com2020年12月10日08:51 来源:环境工程作者:赵虹焰 等T|T

    慧聪水工业网 研究背景:剩余污泥作为污水处理厂的产物,含水率高且脱水性能差,主要由活体微生物组成,易腐化、易传播病菌。剩余污泥所含有的重金属、有机污染物、病原微生物等物质对环境存在很大风险。2015年颁布的《水污染防治行动计划》中明确规定了2020年底地级及以上城市污泥无害化处置率应大于90%,因此寻找合适的污泥处理方式迫在眉睫。

    剩余污泥中含有大量有机物质,而这些物质大多存在于微生物细胞内。为获得胞内物质,需对污泥进行破解处理,在降低处理成本、提高处理效率的同时可对破解产物进行污泥资源化研究。热碱法由于低能耗、低投入的优势受到广泛关注,Jeonfsik等用NaOH、KOH、Mg(OH)2和Ca(OH)24种碱性试剂对污泥进行预处理,并使污泥pH值均达到12,常温下COD的溶出率分别为39.8%、36.6%、10.8%和15.3%;121℃处理30min后,COD的溶出率分别提高到51.8%、47.8%、18.3%和17.1%。由此可见,热碱联合对于污泥细胞的破解有明显的促进作用。陈蓓蓓研究单独热处理与热碱联合处理对污泥破解的影响,在投加NaOH0.1g/g(VS),90℃下处理1h后,SCOD溶出率达到20.5%,同时研究表明,碱浓度、温度、时间对污泥破解的影响依次降低。热碱处理能够显著提高污泥细胞破解程度,改善污泥后续处理效果。鉴于污泥的处理量大且处置复杂,而热碱处理作为一种效率高、能耗低且成本低的污泥处理方式具有广阔的应用前景,因此探索热碱法如何应用于实际工业中十分重要。

    目前关于热碱法破解污泥多为实验室的静态实验,处理的规模较小且为不连续实验,对于实际工业化应用所能参考的价值有限。为了进一步探索污泥热碱处理工业化运行的可行性,本文研究了静态实验与动态实验之间的关系,以便找到最佳处理条件,为实际应用提供参考。

    摘要

    以城市污水处理厂二沉池污泥为研究对象,利用热碱处理工艺对其进行处理,研究污泥的最佳处理条件,分析静态实验对动态实验的指导作用。结果表明:静态实验处理条件下,污泥热碱处理的最佳初始pH、反应温度、反应时间分别为13、30℃、10h;在最适条件下,COD溶出率、水相中的蛋白质和多糖浓度依次为61.53%、761.73mg/L、649.85mg/L;动态实验最佳反应时间为10h,在此最佳条件下COD溶出率为75.77%、多糖浓度为842.34mg/L,蛋白质浓度随着反应时间上下波动,总体破解效果高于静态实验。以上结果表明,污泥静态实验对动态实验具有现实指导作用,热碱联合具有较好的应用前景。

    01材料与方法

    1.污泥性质

    实验污泥来源为大连市凌水污水处理厂二沉池污泥,该处理厂采用A2/O处理工艺,污水处理能力为6万t/d。用30目筛网过滤剩余污泥以去除其中树叶等大颗粒物质,检测污泥的基本指标,污泥的常规成分分析如表1所示。

    0.jpg

    2.污泥处理方法

    2.1静态实验方法

    以温度、初始pH和反应时间依次作为控制参数进行热碱污泥处理,在250mL具塞锥形瓶中放置200mL污泥,用4mol/L的NaOH溶液分别调节pH为9~13,放入恒温培养振荡器中,设置反应温度依次为30,45,60℃。实验开始后,每隔一段时间取样,在5000r/min下离心30min,取上清液过0.45μm滤膜,得到样品在4℃下保存待测。

    2.2动态实验方法

    采用热碱联合技术对污泥进行破解处理,自主研发污泥热碱处理小试装置,主要包括进泥单元、反应单元和回流单元。污泥处理工艺如图1所示。

    1.jpg

    反应器有效体积共8.12L,根据不同停留时间调整进泥流量,污泥在进泥单元中完成连续进泥过程,将污泥连续打入反应器中;根据不同进泥流量计算加碱量,使污泥在反应单元与碱充分混合,同时利用磁力泵进行循环搅拌,水浴热循环控制温度;沉淀池底部的沉降物经过污泥回流进入反应釜中继续参加反应,从沉淀池溢流堰处收集上清液,处理方法同上。

    3.分析方法

    用重铬酸钾法测定剩余污泥的COD浓度,采用COD溶出率(disintegrationdegreeofSCOD)作为不同实验条件下污泥水解程度的衡量标准。

    蛋白质测定采用考马斯亮蓝法。

    多糖测定采用苯酚—硫酸比色法。

    02结果与讨论

    1.静态实验结果

    1.1最佳pH值

    以NaOH溶液调节污泥pH进行热碱法处理,考察在初始pH为9~13碱性条件时对污泥水解效果的影响,如图2所示。可知:当初始pH<12时,污泥破解率(DD)随着碱量的增加而增加,由1.86%增加至37.94%。而当初始pH>12时,DD大幅增加,曲线坡度较陡,pH=13时溶出率达到最大值67.18%。通过观察可以看到pH值与污泥DD呈正相关,大致分为2段,分析原因可能是因为碱破解污泥首先要破坏其絮体结构,继而才能分解微生物细胞,碱浓度较低时,不足以破坏细胞结构,因而上清液中SCOD增加较少,COD溶出率增幅低;当碱浓度达到一定程度,2种结构同时被破坏,可溶性有机物质自胞内流出,胞内外大分子有机物都将水解成可溶性小分子有机物,上清液中SCOD大大提高,COD溶出率增幅高。

    2.jpg

    可溶性有机物蛋白质和多糖的浓度变化规律与COD溶出率变化大致相同,多糖和蛋白的含量随着pH增大而增大,并在pH为13时达到最大值,蛋白质浓度最高达到917.39mg/L,多糖浓度最高达到524.68mg/L。多糖和蛋白来源于胞外聚合物水解和胞内物质的释放,但同时也伴随着自身的水解及其他反应,由于碱浓度大,细胞破解效果好,自胞内溶出和胞外聚合物水解产生的多糖蛋白含量远高于较低pH条件。

    控制污泥反应时间与反应温度一定,细胞破解效率随着反应初始pH值增加而升高。因此,控制反应初始pH为13,此时处理的剩余污泥具有最好的细胞破解效果。

    1.2最佳反应温度

    为了防止蛋白质变性失活,设置反应水解温度分别为30,45,60℃,考察在pH=13,反应时间为12h时水解温度对污泥破解效果的影响,此时DD分别为67.18%、64.50%、64.95%,污泥破解率基本保持不变。

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