污泥預(yù)處理方法對污泥性質(zhì)的影響

污泥預(yù)處理方法對污泥性質(zhì)的影響

目前，廢水生物處理技術(shù)主要用于污水處理廠。雖然具有經(jīng)濟(jì)高效等特點(diǎn)，但會(huì)產(chǎn)生大量剩余污泥，占處理水的0.3%0.5%左右（根據(jù)水分含量計(jì)算）。目前，中國的廢水排放量約為1500萬噸（按含水量97%計(jì)算）。隨著我國未來經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，廢水處理總量和污水處理率不斷增加，這意味著未來產(chǎn)生的污水?dāng)?shù)量還有很多，剩余污泥的處理和處理將變得更加緊迫。剩余污泥的處理和處置是目前污水處理廠存在的一個(gè)重要問題,厭氧消化是污泥處理的主要方式之一.與污水的厭氧處理不同,污泥厭氧消化的限速步驟是污泥水解過程.由于污泥中的有機(jī)質(zhì)大部分是微生物的細(xì)胞物質(zhì),被微生物細(xì)胞壁所包裹,難以為厭氧微生物所利用,于是便限制了污泥的厭氧消化,造成了污泥厭氧消化過程的污泥停留時(shí)間長(20～30d)、消化池容積大等問題.因此,采用預(yù)處理改變污泥中有機(jī)物的微生物可利用性,克服厭氧消化的這些不足,提高污泥厭氧消化的效率是十分必要的.目前常用的預(yù)處理方法主要有化學(xué)法(酸、堿處理、臭氧法)、物理法(熱處理、機(jī)械處理法)、生物法(酶處理法).例如,王治軍等研究了熱水解對剩余污泥的影響,而Inagaki等研究了污泥的熱堿處理過程.然而目前關(guān)于多種預(yù)處理對污泥影響的研究還很少.本文研究了3種污泥預(yù)處理方法(酸、堿、熱處理)對污泥性質(zhì)的改變,通過考察污泥的揮發(fā)性固體(VSS)、總固體(SS)、液相中溶解性化學(xué)需氧量(SCOD)與溶解性有機(jī)物的增加,以及污泥形態(tài)的變化等,確定預(yù)處理方法與控制條件對污泥性質(zhì)的影響,并對這3種預(yù)處理方法對污泥的融胞機(jī)理進(jìn)行了分析.1材料和方法1.1城市污水處理試驗(yàn)用污泥為北京市某污水處理廠的回流污泥,該污水處理廠采用活性污泥法處理城市污水.取得污泥后,采用絲網(wǎng)(80目)過濾,去除污泥中的大顆粒物,沉淀0.5h,去上清液后使用.污泥特性如表1所示.1.2預(yù)處理污泥ph值的測定將污泥進(jìn)行沉淀濃縮(使SS達(dá)10g/L左右),得到原污泥(RS),然后分別進(jìn)行酸、堿、熱處理.酸處理:用4mol/LHCl調(diào)節(jié)污泥的pH值到2.0,在攪拌下維持pH值穩(wěn)定5min,處理后污泥稱為酸處理污泥(AS).堿處理:用6mol/LNaOH調(diào)節(jié)污泥的pH值到12.0,同樣在攪拌下維持pH值穩(wěn)定5min,處理后污泥稱為堿處理污泥(BS).熱處理:采用高壓滅菌鍋,在121℃、1.5atm下保溫30min,然后進(jìn)行冷卻,處理后污泥稱為熱處理污泥(TS).3種預(yù)處理污泥均在室溫下保存12h后,進(jìn)行測定.經(jīng)預(yù)處理后污泥的pH值見表2.1.3理化性質(zhì)、理化性質(zhì)、破碎率的測定pH值采用pHS-3C精密pH計(jì)(上海雷磁儀器廠)測定,SCOD、SS、VSS等均采用標(biāo)準(zhǔn)方法檢測.對于溶解性有機(jī)物,首先將樣品用0.45μm的微孔濾膜過濾之后進(jìn)行測定.揮發(fā)性脂肪酸(VFA)采用氣相色譜法測定,溶解性蛋白質(zhì)的測定采用Folin-酚法,溶解性總糖測定采用苯酚-硫酸法.污泥的破碎率按Tiehm等的方法計(jì)算.污泥的粒徑采用激光粒度分析儀(Mastersizer,英國)測定.2結(jié)果與討論2.1預(yù)處理污泥中有機(jī)物的變化情況預(yù)處理后,污泥中部分不溶性物質(zhì)轉(zhuǎn)化為溶解性物質(zhì),因此污泥液相的SCOD會(huì)升高(表3).試驗(yàn)中酸、堿處理選擇pH2.0和pH12.0主要是為了使增加酸、堿處理的強(qiáng)度,使結(jié)果更明顯.從表3可以看出,在3種預(yù)處理中,堿處理對污泥的融胞效果最好,其釋放出的SCOD最高(2934.9mg/L),其次為熱處理(2329.7mg/L).表3還總結(jié)了3種預(yù)處理對污泥破碎率的影響,堿處理污泥的破碎率最大(58.46%),其次為熱處理污泥(46.38%).污泥預(yù)處理會(huì)破壞污泥的絮體,甚至還可能進(jìn)一步破碎污泥的微生物細(xì)胞.由于污泥絮體的破碎會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞間胞外聚合物(ECP)的釋放,而微生物細(xì)胞的破碎則會(huì)導(dǎo)致胞內(nèi)有機(jī)物的釋放,2種作用都使不溶性有機(jī)物轉(zhuǎn)化為溶解性有機(jī)物,從而導(dǎo)致污泥的SCOD升高,因此不同預(yù)處理導(dǎo)致污泥液相SCOD的改變與污泥破碎率的變化是一致的.蛋白質(zhì)、碳水化合物和揮發(fā)性脂肪酸是污泥中有機(jī)物的主要成分,約占了75%～85%,因此,在本研究中分析了預(yù)處理污泥釋放的這3種有機(jī)物.圖1是3種預(yù)處理方法導(dǎo)致污泥液相溶解性有機(jī)物的變化情況.將3種有機(jī)物轉(zhuǎn)化為SCOD可以發(fā)現(xiàn),這3種有機(jī)物之和占處理后污泥SCOD的80%～90%,這說明這3種有機(jī)物的確是污泥處理后融出有機(jī)物主要成分.圖1表明,3種預(yù)處理的蛋白質(zhì)和碳水化合物均增加了,其中堿處理污泥的溶解性蛋白質(zhì)增加最多(增加了2058.6mg/L),而熱處理污泥的溶解性碳水化合物增加最多(353.2mg/L).從圖1可以看出,酸處理效果最差,溶解性蛋白質(zhì)、碳水化合物的增加都是最低的.另外,污泥經(jīng)預(yù)處理釋放出來的有機(jī)物,一部分在預(yù)處理過程中會(huì)發(fā)生解聚,生成溶解性中間產(chǎn)物(如高級脂肪酸、氨氮等),并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為其它分子量更小的化合物,如揮發(fā)性脂肪酸,從而導(dǎo)致污泥中揮發(fā)性脂肪酸增加(圖1).污泥經(jīng)預(yù)處理后,釋放出來的碳水化合物和蛋白質(zhì)在一定條件下會(huì)發(fā)生美拉德反應(yīng)(即蛋白質(zhì)的氨基和碳水化合物的羰基發(fā)生縮合、聚合),生成一些褐色物質(zhì)(類黑素與腐殖酸),導(dǎo)致褐變(如圖2).研究表明,溫度和pH值是影響美拉德反應(yīng)的2個(gè)重要因素,高溫和高pH值均會(huì)促進(jìn)美拉德反應(yīng),而酸性pH(低于5,尤其是3以下)能有效控制美拉德反應(yīng).從圖2可以看出,堿處理污泥上清液的顏色最深,產(chǎn)生的類黑素最多,其次為熱處理污泥,而酸處理污泥上清液基本沒有顏色變化.堿處理污泥和熱處理污泥中溶解性有機(jī)物(主要是蛋白質(zhì)和碳水化合物)含量高(圖1)是褐變的主要原因.另外,美拉德反應(yīng)的產(chǎn)物中有一部分是難降解的,甚至有一部分是難溶解的.由于污泥的一些不溶性物質(zhì)經(jīng)預(yù)處理后轉(zhuǎn)化溶解性物質(zhì),因此污泥的SS和VSS會(huì)發(fā)生變化(表4).從表4可以看出,堿處理污泥的SS和VSS是3種預(yù)處理污泥中最低的,其減少率分別達(dá)到25.32%和38.84%,而酸處理污泥的SS和VSS則是最高的,僅分別減少9.05%和1.80%.這個(gè)結(jié)果與前面污泥SCOD的增加相一致.另外,污泥VSS與SS的減少量存在一定差異,這可能是由于預(yù)處理過程中,不但存在有機(jī)物從不溶態(tài)轉(zhuǎn)化為溶解態(tài),而且還存在無機(jī)物從不溶態(tài)轉(zhuǎn)化為溶解態(tài).2.2熱處理對污泥粒徑的影響預(yù)處理對污泥的作用,除了破壞污泥微生物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)、融胞作用外,還會(huì)破壞污泥絮體結(jié)構(gòu).圖3污泥預(yù)處理前后的顯微鏡照片.由于污泥經(jīng)沉淀后會(huì)使不溶物與溶解物分離,因此在取樣進(jìn)行顯微鏡觀察前,污泥需攪勻(原污泥、酸處理污泥和堿處理只需輕輕攪動(dòng),而熱處理污泥由于污泥結(jié)團(tuán),因而需用較高的速度進(jìn)行攪拌).從圖3可以看出,與原污泥相比,酸處理污泥絮體間的有機(jī)質(zhì)的少,這主要是由于酸性條件下這些有機(jī)質(zhì)一部分發(fā)生溶解,從絮體結(jié)構(gòu)中分離出來.污泥經(jīng)堿處理后絮體結(jié)構(gòu)完全被破壞,絮體結(jié)構(gòu)在顯微鏡下基本看不出來.熱處理則由于將污泥微生物細(xì)胞的胞外聚合物溶解,從而使污泥的絮體結(jié)構(gòu)破壞.圖4是污泥預(yù)處理前后的粒徑分布,表5總結(jié)了污泥預(yù)處理前后,污泥的一些特性的變化.由于污泥經(jīng)熱處理會(huì)結(jié)團(tuán),導(dǎo)致污泥粒徑不一,因此在進(jìn)行污泥粒徑分析時(shí),沒有分析熱處理污泥的粒徑.從圖4可以看出,堿處理和酸處理均可以減小污泥的粒徑,這一結(jié)果與前面堿處理和酸處理會(huì)破壞污泥的絮體結(jié)構(gòu)相一致,但堿處理污泥的粒徑減小的更多.從表4可以看出,污泥經(jīng)堿處理后,其d(0.5)從原污泥的45.72μm減小到35.91μm,而污泥經(jīng)酸處理后,其d(0.5)僅減小到40.93μm.與d(0.5)相似,酸堿處理后,污泥的d(0.1)會(huì)減小,堿處理污泥的d(0.1)最小,僅8.83μm.另外,與污泥的粒徑變化相一致,經(jīng)堿處理后,污泥的比表面積會(huì)增加.由于酸、堿處理會(huì)破碎污泥,使大粒徑的污泥減小,從而提高了污泥粒徑的均勻性.2.3vss/ss值3種預(yù)處理對污泥都有融胞作用,但融胞效果存在較大差異.由表4中數(shù)據(jù)可知,經(jīng)酸、堿或熱處理后,盡管各污泥樣品的SS和VSS都有所減少,但減少的幅度不同.從VSS與SS的比值可以清楚地看出,酸處理污泥的VSS/SS為0.75,高于原污泥的VSS/SS值(0.69);熱處理污泥與原污泥相比,其VSS/SS值略有降低;而堿處理污泥的VSS/SS值則從原污泥的0.69降低到0.57.這種現(xiàn)象表明,3種預(yù)處理方法對污泥微生物細(xì)胞融解的機(jī)理和效果不一樣.強(qiáng)堿作用能水解蛋白質(zhì)及核酸,使細(xì)胞的酶系和結(jié)構(gòu)受到損害,還可分解菌體中的糖類,使細(xì)胞失活,破壞細(xì)胞壁,使胞內(nèi)物質(zhì)釋放到周圍環(huán)境中,從而由不溶性的顆粒物轉(zhuǎn)化為溶解性物質(zhì).熱處理既可能會(huì)導(dǎo)致污泥絮體結(jié)構(gòu)的破壞,也可能會(huì)破壞污泥細(xì)胞的細(xì)胞壁,導(dǎo)致污泥細(xì)胞的破碎,將胞內(nèi)物質(zhì)釋放到周圍環(huán)境中.污泥微生物的胞外聚合物(ECP)也會(huì)在熱處理過程中溶解.另外,熱處理還會(huì)使微生物的蛋白質(zhì)和核酸等重要生物高分子發(fā)生變性、破壞,例如它可使核酸發(fā)生脫氨、脫嘌呤或降解,以及破壞細(xì)胞膜上的類脂類成分等.酸處理雖然對污泥微生物有一定的致死作用,但如果不是強(qiáng)氧化性的酸,通常對微生物的細(xì)胞融解作用較小.但是,由于污泥微生物的胞外聚合物中含有一些兩性物質(zhì),這些兩性物質(zhì)在酸性條件下會(huì)溶解,轉(zhuǎn)化為溶解性物質(zhì),從而對污泥的絮體結(jié)構(gòu)有一定破壞作用.3酸、堿、熱處理聯(lián)合系統(tǒng)的共同作用機(jī)理(1)酸、堿、熱處理均能夠增加污泥的SCOD,其中堿處理效果最好,它對污泥的破碎效果也是最佳.污泥預(yù)處理后融出的有機(jī)物主要為蛋白質(zhì)、碳水化合物和揮發(fā)性有機(jī)酸,前兩者在堿性pH值或高溫條件下會(huì)發(fā)生美拉德反應(yīng),導(dǎo)致污泥發(fā)生褐變.酸、堿處理會(huì)減小污泥的粒徑,而熱處理會(huì)導(dǎo)致污泥結(jié)團(tuán).(2)酸、堿、熱處理對污泥的作用機(jī)理不相同,強(qiáng)堿作用能破壞微生物的細(xì)胞壁;熱處理既可能會(huì)導(dǎo)致污泥絮體結(jié)構(gòu)的破壞,也可能會(huì)破壞污泥細(xì)胞的細(xì)胞壁,導(dǎo)致污泥細(xì)胞的破碎;而酸處理對微生物細(xì)胞的融解作用