利用硫酸根自由基處理剩余污泥

梁 花 梅，孫 德 棟，鄭 歡，馬 春，張 新 欣，郝 軍，薛 芒

(大連工業大學 輕工與化學工程學院，遼寧 大連 116034)

0 引 言

城市污水處理廠大多采用活性污泥法處理污水，隨著污水處理量的增加，剩余污泥產量越來越大。大量剩余污泥的產生已成為全世界污水處理廠的棘手問題，而在我國這一問題更為嚴重。全國共有污水處理廠400多座，年處理污水超過100億m3，污泥產生量大約為150×104t／a，并且以每年大約10%的速度增長[1－2]。因此，科學地采用各種污泥減量技術減少剩余污泥產量越來越受到人們的重視。

減少污泥產量的一個重要途徑是促進細胞死亡和溶解[3]，研究者利用各種細胞破碎技術促進污泥的分解，化學氧化方法[4]是有價值的污泥預處理方法。過硫酸鹽在水中電離產生過硫酸根離子S2O2－8，其分子中含有雙氧鍵O—O，是一類氧化性較強的氧化劑。但由于過硫酸鹽比較穩定，在常溫下反應速率較慢，對有機物的降解效果不明顯。但在光、熱、過渡金屬離子等條件下，可活化分解為，理論上可降解大部分有機污染物[5]。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

本實驗所用剩余污泥取自大連凌水河污水處理廠，污泥取回后置于4℃冰箱中保存。根據實驗要求對污泥進行重力沉降濃縮之后，所得污泥為實驗用料，實驗污泥特性如表1所示。

表1 實驗污泥特性Tab.1 Characteristics of the activated sludge sample

1.2 實驗方法

實驗組：取15mL污泥混合液加入哈希消解管中，向污泥中投加一定量的K2S2O8溶液，每克SS投加K2S2O8量為0～0.5g，將消解管蓋擰緊，混合均勻。把裝有樣品的消解管放入恒溫水浴鍋中，控制反應溫度和時間，反應完成后取出，冷卻至室溫后測試各項指標。

對照組：污泥中不加K2S2O8，其余反應條件均同實驗組一樣。

1.3 分析項目與方法

采用重量法測定SS質量濃度，采用重鉻酸鉀法測定SCOD質量濃度，采用鉬銻抗分光光度法測定TP質量濃度，采用過硫酸鉀氧化－紫外分光光度法測定TN質量濃度，采用水楊酸－次氯酸鹽光度法[7]測定NH＋4－N質量濃度，采用苯酚－硫酸法[8]測定多糖質量濃度，采用考馬斯亮藍染色法[13]測定蛋白質質量濃度。污泥分解率計算公式如下：

式中：m0為原污泥質量；m1為處理后污泥質量。

2 結果與討論

2.1 反應時間對污泥分解效果的影響

在反應溫度為90℃、每克SS中K2S2O8投加量0.3g、ρ(SS)＝8 550mg／L、反應時間為15～180min的條件下，考察實驗組與對照組污泥分解率隨時間的變化情況，實驗結果如圖1所示。從圖1可知，兩組實驗污泥分解率基本呈線性上升趨勢，在反應初始階段，實驗組污泥分解率明顯高于對照組，在較短的反應時間(15min)，實驗組污泥分解率比對照組增加了1.3倍；60min以后，隨著時間的延長，實驗組與對照組污泥分解率增加的幅度基本一樣。雖然延長反應時間能使污泥分解率增大，但反應時間過長，消耗的能量增大，會加大處理成本；反應時間過短，不能有效破解污泥，因此綜合考慮后本實驗將反應時間定為90min。

圖1 反應時間對污泥分解率的影響Fig.1 Effect of reaction time on SS dissolution ratio

2.2 反應溫度對污泥分解效果的影響

溫度是化學反應的重要影響因素，一般說來，溫度升高，有利于反應的進行。在反應時間為90min、每克SS中 K2S2O8投加量0.3g、ρ(SS)＝6 400mg／L、反應溫度60～100℃的條件下，考察不同反應溫度對污泥分解率的影響，結果如圖2所示。圖2表明，升高溫度可以有效提高污泥分解率，溫度從60℃升高到100℃時，實驗組污泥分解率從10.4%增加到19.7%。K2S2O8熱活化的基本原理是通過熱激發使雙氧鍵斷裂，需要的活化能約為140.2kJ／mol[10]。

實驗組與對照組相比較，在60℃以下時，污泥分解率并沒有多大變化，原因可能是溫度相對較低，分解產生的硫酸自由基較少，因此使污泥分解效果與加熱相比沒有區別，溫度上升到70℃時開始有較明顯的變化。提高溫度可提高K2S2O8熱活化的效率，體系的反應速率隨之加快，氧化效率提高。因此，隨著反應溫度的升高，污泥分解率呈增加的趨勢。

圖2 反應溫度對污泥分解率的影響Fig.2 Effect of reaction temperature on SS dissolution ratio

2.3 K2S2O8投加量對污泥分解效果的影響

在反應溫度90℃、反應時間90min、ρ(SS)＝8 267mg／L時，每克SS的K2S2O8投加量從0增加到0.5g，考察不同K2S2O8投加量對污泥分解率的影響，結果如圖3所示。由圖3可知，隨著K2S2O8投加量的增加，污泥分解率基本呈線性上升趨勢。這是由于增加K2S2O8投加量，產生的量增多，其氧化效應增強，能更有效地破壞污泥微生物細胞壁，加快污泥的分解。

圖3 K2S2O8投加量對污泥分解率的影響Fig.3 Effect of K2S2O8dosages on SS dissolution ratio

2.4 處理后污泥上清液中各項指標的變化

在反應時間90min、反應溫度90℃、ρ(SS)＝6 500mg／L，考察污泥上清液中SCOD、、多糖以及蛋白質質量濃度隨K2S2O8不同投加量的變化情況。

2.4.1 SCOD、TP質量濃度的變化

由于胞外聚合物和細胞結構被破壞，使污泥微生物細胞中原來不溶性的有機物從胞內釋放出來，成為溶解性物質，從而提高了污泥的SCOD[11]。

圖4 不同K2S2O8投加量污泥上清液中SCOD和TP質量濃度的變化Fig.4 Effect of K2S2O8dosages on SCOD and TP in sludge liquor

圖5 不同K2S2O8投加量污泥上清液中TN和NH＋4－N質量濃度的變化Fig.5 Effect of K2S2O8dosages on TN and NH＋4－N in sludge liquor

2.4.3 多糖、蛋白質質量濃度的變化

胞外聚合物(EPS)是在一定條件下由微生物主要是細菌分泌于體外的高分子聚合物，在細胞外形成保護層，保護細胞免受外部環境的影響，同時為饑餓環境中的細胞提供碳源和能量。EPS組成比較復雜，其中主要為多糖和蛋白質，約占EPS總量的70%～80%[13]。

圖6 不同K2S2O8投加量污泥上清液中多糖及蛋白質質量濃度的變化Fig.6 Effect of K2S2O8dosages on soluble sugar and protein in sludge liquor

如圖6所示，污泥上清液中的蛋白質質量濃度先增加后基本保持不變，而多糖質量濃度則先增加后減少。這是因為在K2S2O8及其產生的氧化作用下，污泥胞外聚合物(EPS)被破壞，多糖和蛋白質溶解到液相中，致使污泥上清液中多糖、蛋白質質量濃度增加，但EPS破解的同時伴隨著破解產物的進一步氧化，在過硫酸鉀投加量繼續增大的情況下，蛋白質質量濃度并不隨之增大，相對于蛋白質的三維結構而言，多聚糖結構簡單，較易被進一步氧化分解[14]，故多糖質量濃度曲線下降趨勢較明顯。

3 結 論

隨著反應時間的增加，污泥分解率呈線性上升趨勢。升高溫度可提高K2S2O8熱活化的效率，增加污泥的破解率。當反應溫度90℃、加熱時間90min、每克SS中K2S2O8投加量0.5g時，污泥分解率達16.9%；微生物胞外聚合物(EPS)被分解、胞內物質釋放到液相中，污泥上清液中SCOD由單獨加熱時的435mg／L增至719mg／L；融胞釋放的TN、TP質量濃度比單獨加熱處理分別增加了46%和60%；在高溫及氧化劑的作用下，部分有機氮被轉化成NH＋4－N，使污泥上清液中的NH＋4－N質量濃度由15mg／L增至27.8mg／L。

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