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熱堿法破解污泥動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)的條件優(yōu)化

熱堿法破解污泥動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)的條件優(yōu)化

2021-11-03 16:21:51 2

全康環(huán)保:研究背景:剩余污泥作為污水處理廠的產(chǎn)物,含水率高且脫水性能差,主要由活體微生物組成,易腐化、易傳播病菌。剩余污泥所含有的重金屬、有機(jī)污染物、病原微生物等物質(zhì)對(duì)環(huán)境存在很大風(fēng)險(xiǎn)。2015年頒布的《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》中明確規(guī)定了2020年底地級(jí)及以上城市污泥無害化處置率應(yīng)大于90%,因此尋找合適的污泥處理方式迫在眉睫。

剩余污泥中含有大量有機(jī)物質(zhì),而這些物質(zhì)大多存在于微生物細(xì)胞內(nèi)。為獲得胞內(nèi)物質(zhì),需對(duì)污泥進(jìn)行破解處理,在降低處理成本、提高處理效率的同時(shí)可對(duì)破解產(chǎn)物進(jìn)行污泥資源化研究。熱堿法由于低能耗、低投入的優(yōu)勢(shì)受到廣泛關(guān)注,Jeonfsik等用NaOH、KOH、Mg(OH)2和Ca(OH)24種堿性試劑對(duì)污泥進(jìn)行預(yù)處理,并使污泥pH值均達(dá)到12,常溫下COD的溶出率分別為39.8%、36.6%、10.8%和15.3%;121 ℃處理30 min后,COD的溶出率分別提高到51.8%、47.8%、18.3%和17.1%。由此可見,熱堿聯(lián)合對(duì)于污泥細(xì)胞的破解有明顯的促進(jìn)作用。陳蓓蓓研究單獨(dú)熱處理與熱堿聯(lián)合處理對(duì)污泥破解的影響,在投加NaOH 0.1 g/g(VS),90 ℃下處理1 h后,SCOD溶出率達(dá)到20.5%,同時(shí)研究表明,堿濃度、溫度、時(shí)間對(duì)污泥破解的影響依次降低。熱堿處理能夠顯著提高污泥細(xì)胞破解程度,改善污泥后續(xù)處理效果。鑒于污泥的處理量大且處置復(fù)雜,而熱堿處理作為一種效率高、能耗低且成本低的污泥處理方式具有廣闊的應(yīng)用前景,因此探索熱堿法如何應(yīng)用于實(shí)際工業(yè)中十分重要。

目前關(guān)于熱堿法破解污泥多為實(shí)驗(yàn)室的靜態(tài)實(shí)驗(yàn),處理的規(guī)模較小且為不連續(xù)實(shí)驗(yàn),對(duì)于實(shí)際工業(yè)化應(yīng)用所能參考的價(jià)值有限。為了進(jìn)一步探索污泥熱堿處理工業(yè)化運(yùn)行的可行性,本文研究了靜態(tài)實(shí)驗(yàn)與動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)之間的關(guān)系,以便找到最佳處理?xiàng)l件,為實(shí)際應(yīng)用提供參考。

摘 要

以城市污水處理廠二沉池污泥為研究對(duì)象,利用熱堿處理工藝對(duì)其進(jìn)行處理,研究污泥的最佳處理?xiàng)l件,分析靜態(tài)實(shí)驗(yàn)對(duì)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)作用。結(jié)果表明:靜態(tài)實(shí)驗(yàn)處理?xiàng)l件下,污泥熱堿處理的最佳初始pH、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間分別為13、30 ℃、10 h;在最適條件下,COD溶出率、水相中的蛋白質(zhì)和多糖濃度依次為61.53%、761.73 mg/L、649.85 mg/L;動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)最佳反應(yīng)時(shí)間為10 h,在此最佳條件下COD溶出率為75.77%、多糖濃度為842.34 mg/L,蛋白質(zhì)濃度隨著反應(yīng)時(shí)間上下波動(dòng),總體破解效果高于靜態(tài)實(shí)驗(yàn)。以上結(jié)果表明,污泥靜態(tài)實(shí)驗(yàn)對(duì)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)作用,熱堿聯(lián)合具有較好的應(yīng)用前景。

01 材料與方法

1.污泥性質(zhì)

實(shí)驗(yàn)污泥來源為大連市凌水污水處理廠二沉池污泥,該處理廠采用A2/O處理工藝,污水處理能力為6萬t/d。用30目篩網(wǎng)過濾剩余污泥以去除其中樹葉等大顆粒物質(zhì),檢測(cè)污泥的基本指標(biāo),污泥的常規(guī)成分分析如表1所示。

污水處理設(shè)備__全康環(huán)保QKEP

2.污泥處理方法

2.1 靜態(tài)實(shí)驗(yàn)方法

以溫度、初始pH和反應(yīng)時(shí)間依次作為控制參數(shù)進(jìn)行熱堿污泥處理,在250 mL具塞錐形瓶中放置200 mL污泥,用4 mol/L的NaOH溶液分別調(diào)節(jié)pH為9~13,放入恒溫培養(yǎng)振蕩器中,設(shè)置反應(yīng)溫度依次為30,45,60 ℃。實(shí)驗(yàn)開始后,每隔一段時(shí)間取樣,在5000 r/min下離心30 min,取上清液過0.45 μm濾膜,得到樣品在4 ℃下保存待測(cè)。

2.2 動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)方法

采用熱堿聯(lián)合技術(shù)對(duì)污泥進(jìn)行破解處理,自主研發(fā)污泥熱堿處理小試裝置,主要包括進(jìn)泥單元、反應(yīng)單元和回流單元。污泥處理工藝如圖1所示。

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反應(yīng)器有效體積共8.12 L,根據(jù)不同停留時(shí)間調(diào)整進(jìn)泥流量,污泥在進(jìn)泥單元中完成連續(xù)進(jìn)泥過程,將污泥連續(xù)打入反應(yīng)器中;根據(jù)不同進(jìn)泥流量計(jì)算加堿量,使污泥在反應(yīng)單元與堿充分混合,同時(shí)利用磁力泵進(jìn)行循環(huán)攪拌,水浴熱循環(huán)控制溫度;沉淀池底部的沉降物經(jīng)過污泥回流進(jìn)入反應(yīng)釜中繼續(xù)參加反應(yīng),從沉淀池溢流堰處收集上清液,處理方法同上。

3.分析方法

用重鉻酸鉀法測(cè)定剩余污泥的COD濃度,采用COD溶出率(disintegration degree of SCOD)作為不同實(shí)驗(yàn)條件下污泥水解程度的衡量標(biāo)準(zhǔn)。

蛋白質(zhì)測(cè)定采用考馬斯亮藍(lán)法。

多糖測(cè)定采用苯酚―硫酸比色法。

02 結(jié)果與討論

1.靜態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1.1 最佳pH值

以NaOH溶液調(diào)節(jié)污泥pH進(jìn)行熱堿法處理,考察在初始pH為9~13堿性條件時(shí)對(duì)污泥水解效果的影響,如圖2所示??芍寒?dāng)初始pH<12時(shí),污泥破解率(DD)隨著堿量的增加而增加,由1.86%增加至37.94%。而當(dāng)初始pH>12時(shí),DD大幅增加,曲線坡度較陡,pH=13時(shí)溶出率達(dá)到最大值67.18%。通過觀察可以看到pH值與污泥DD呈正相關(guān),大致分為2段,分析原因可能是因?yàn)閴A破解污泥首先要破壞其絮體結(jié)構(gòu),繼而才能分解微生物細(xì)胞,堿濃度較低時(shí),不足以破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu),因而上清液中SCOD增加較少,COD溶出率增幅低;當(dāng)堿濃度達(dá)到一定程度,2種結(jié)構(gòu)同時(shí)被破壞,可溶性有機(jī)物質(zhì)自胞內(nèi)流出,胞內(nèi)外大分子有機(jī)物都將水解成可溶性小分子有機(jī)物,上清液中SCOD大大提高,COD溶出率增幅高。

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可溶性有機(jī)物蛋白質(zhì)和多糖的濃度變化規(guī)律與COD溶出率變化大致相同,多糖和蛋白的含量隨著pH增大而增大,并在pH為13時(shí)達(dá)到最大值,蛋白質(zhì)濃度最高達(dá)到917.39 mg/L,多糖濃度最高達(dá)到524.68 mg/L。多糖和蛋白來源于胞外聚合物水解和胞內(nèi)物質(zhì)的釋放,但同時(shí)也伴隨著自身的水解及其他反應(yīng),由于堿濃度大,細(xì)胞破解效果好,自胞內(nèi)溶出和胞外聚合物水解產(chǎn)生的多糖蛋白含量遠(yuǎn)高于較低pH條件。

控制污泥反應(yīng)時(shí)間與反應(yīng)溫度一定,細(xì)胞破解效率隨著反應(yīng)初始pH值增加而升高。因此,控制反應(yīng)初始pH為13,此時(shí)處理的剩余污泥具有最好的細(xì)胞破解效果。

1.2 最佳反應(yīng)溫度

為了防止蛋白質(zhì)變性失活,設(shè)置反應(yīng)水解溫度分別為30,45,60 ℃,考察在pH=13,反應(yīng)時(shí)間為12 h時(shí)水解溫度對(duì)污泥破解效果的影響,此時(shí)DD分別為67.18%、64.50%、64.95%,污泥破解率基本保持不變。觀察蛋白質(zhì)和多糖濃度變化,發(fā)現(xiàn)在30~60 ℃時(shí),其濃度基本保持不變,蛋白質(zhì)濃度維持在900 mg/L,多糖的濃度在600 mg/L左右,不隨溫度的變化而大幅度變化。

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污泥水解為吸熱反應(yīng),溫度升高會(huì)使平衡正向移動(dòng),促進(jìn)污泥的水解加快反應(yīng)進(jìn)行。Appels等研究了反應(yīng)溫度在70,80,90 ℃時(shí)污泥破解效果,結(jié)果表明,在污泥預(yù)處理時(shí)間為30 min條件下,其DD依次為0.72%、2.98%、12.30%,溫度升高,DD顯著提高,有利于有機(jī)物的釋放。但從圖3中可看出:DD隨溫度變化不大,分析原因可能是因?yàn)楫?dāng)pH為13時(shí)堿濃度較高,污泥水解較為完全,即pH相較溫度對(duì)污泥破解影響更大,因此在低溫條件下,升高溫度對(duì)于細(xì)胞破解的促進(jìn)效果不明顯。在許德超等的研究中亦有類似的說明。因此在后續(xù)的水解實(shí)驗(yàn)中選擇水解溫度為常溫條件下30 ℃。

1.3 最佳反應(yīng)時(shí)間

在水解溫度為30 ℃和反應(yīng)初始pH為13的條件下,考察水解時(shí)間對(duì)污泥破解效果的影響,如圖4所示。可知:COD溶出率與多糖濃度的變化趨勢(shì)大致相同,在前10 h,反應(yīng)劇烈升幅較大,在10 h時(shí)達(dá)到最大值,污泥破解率為61.53%,水相中的多糖濃度達(dá)到649.85 mg/L,在10 h以后趨于平緩保持不變。由數(shù)據(jù)分析可知,在一定時(shí)間內(nèi)增加水解時(shí)間能夠促進(jìn)污泥的水解。

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在初始階段污泥破解程度隨著反應(yīng)時(shí)間的增加而增大,分析原因主要是在前10 h污泥與堿液充分接觸發(fā)生反應(yīng),加速細(xì)胞破解過程,使越來越多的有機(jī)質(zhì)得以釋放到水相中,而大分子有機(jī)物的水解占主導(dǎo)地位,表明此時(shí)已達(dá)到最大破解程度,即有機(jī)物質(zhì)已達(dá)到最大程度的釋放,濃度不再隨著反應(yīng)時(shí)間變化。隨著反應(yīng)進(jìn)行,蛋白質(zhì)發(fā)生水解反應(yīng)生成氨基酸、多肽等,氨基酸進(jìn)一步水解成小分子有機(jī)酸,胞內(nèi)蛋白質(zhì)的釋放與水相蛋白質(zhì)的水解不斷發(fā)生變化,導(dǎo)致蛋白濃度不穩(wěn)定。因此在該研究條件下,考慮反應(yīng)效果和能源消耗方面,確定實(shí)驗(yàn)的最佳反應(yīng)時(shí)間為10 h,此時(shí)在最佳處理時(shí)間下,污泥破解效率提高,使得污泥破解完全的同時(shí)減少能量消耗。

2.動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

參考靜態(tài)實(shí)驗(yàn)設(shè)置連續(xù)運(yùn)行的反應(yīng)器參數(shù),確定水解溫度為30 ℃,反應(yīng)初始pH為13,同樣以DD和蛋白質(zhì)多糖的濃度表征污泥破解效果,考察污泥停留時(shí)間對(duì)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)破解效果的影響,結(jié)果見圖5。結(jié)果表明:在反應(yīng)時(shí)間為10 h時(shí)取得最佳處理效果,DD達(dá)到75.77%,多糖濃度達(dá)到842.34 mg/L,其后基本不隨反應(yīng)時(shí)間變化,而蛋白質(zhì)濃度隨著反應(yīng)時(shí)間上下浮動(dòng)。

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對(duì)比靜態(tài)實(shí)驗(yàn)和動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)可知:動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)下的各項(xiàng)指標(biāo)的變化趨勢(shì)與靜態(tài)實(shí)驗(yàn)大致相同,最佳處理時(shí)間均出現(xiàn)在10 h。而該實(shí)驗(yàn)污泥在最佳條件下的破解效果遠(yuǎn)好于靜態(tài)實(shí)驗(yàn)處理的效果,在最適條件下,DD增加了14.24%,蛋白質(zhì)濃度增加了262.96 mg/L,多糖濃度增加了174.49 mg/L。在動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)連續(xù)進(jìn)泥的過程中存在污泥反混作用,即瞬間進(jìn)入反應(yīng)器的原污泥與處理過污泥的再混合,在循環(huán)攪拌泵的作用下,顆粒充分接觸碰撞。相較于靜態(tài)實(shí)驗(yàn),磁力循環(huán)泵攪拌力度較大,且污泥回流使未破解物質(zhì)二次破解,因此效果好于靜態(tài)實(shí)驗(yàn)。由此可見,靜態(tài)實(shí)驗(yàn)對(duì)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)作用,為中試裝置奠定了基礎(chǔ),應(yīng)用于污水處理廠批量污泥處理具有實(shí)際可行性。

03 結(jié) 論

1)在靜態(tài)實(shí)驗(yàn)中,細(xì)胞破解效率隨著反應(yīng)初始pH值增加而升高,水相中的有機(jī)物和可溶性有機(jī)物濃度均增大,最佳pH為13;低溫條件下,升高溫度對(duì)于細(xì)胞破解的促進(jìn)效果不明顯,設(shè)定常溫條件即30 ℃為最佳反應(yīng)溫度;污泥破解率在前10 h與反應(yīng)

時(shí)間呈正相關(guān),隨后保持不變,即最佳處理時(shí)間為10 h。此時(shí),COD溶出率、水相中的蛋白質(zhì)、多糖濃度依次為61.53%、761.73 mg/L、649.85 mg/L。

2)污泥動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)的最佳反應(yīng)時(shí)間同樣出現(xiàn)在10 h,但破解效果高于靜態(tài)實(shí)驗(yàn),在最佳條件下,COD溶出率增加了14.24%,蛋白質(zhì)濃度增加了262.96 mg/L,多糖濃度增加了174.49 mg/L。表明污泥靜態(tài)實(shí)驗(yàn)對(duì)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)作用,因此放大裝置破解污泥效果較好,具有實(shí)際可行性。


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