胡滿杰
安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局三一二地質(zhì)隊(duì),安徽蚌埠,233040
?
超聲處理剩余污泥的影響因素分析
胡滿杰
安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局三一二地質(zhì)隊(duì),安徽蚌埠,233040
為探討超聲時(shí)間、振幅、功率密度、能量密度等超聲條件以及污泥濃度對(duì)污泥絮體破碎及物質(zhì)溶出的影響規(guī)律,采用超聲破碎儀處理生活污水處理廠二沉池的剩余污泥,然后用島津V-CPN型分析儀測(cè)定總有機(jī)碳(TOC),用改良苯酚-硫酸法測(cè)定多糖,用改良福林-酚法測(cè)定蛋白質(zhì)和腐植酸,用二苯胺法測(cè)定DNA,最后采用Varian Cary Eclipse熒光光度計(jì)進(jìn)行三維熒光光譜分析。結(jié)果表明:較高的功率密度和超聲時(shí)間均會(huì)顯著增加功的耗散而降低能效;在相同的功率密度下低振幅則具有更高的能效;對(duì)不同的超聲目的,可以通過(guò)控制能量密度來(lái)實(shí)現(xiàn),如使污泥EPS中的物質(zhì)溶出的最佳能量密度約為26 kJ/L。
剩余污泥;超聲處理;功率密度;能量密度;胞外聚合物
城市污水處理廠每年產(chǎn)生大量的剩余污泥,若處理處置不當(dāng),會(huì)給環(huán)境帶來(lái)顯著的危害。剩余污泥的脫水是污泥處理和處置前的重要步驟,脫水的效果直接影響到后續(xù)處理的成本和效果[1]。此外,厭氧消化是剩余污泥減量化和資源化的重要途徑,為了降低污泥中顆粒態(tài)有機(jī)物的溶解和水解對(duì)厭氧發(fā)酵速率的限制,常需要對(duì)剩余污泥進(jìn)行預(yù)處理[2]。超聲法因其操作簡(jiǎn)單、處理時(shí)間短且無(wú)須投加化學(xué)藥劑等特點(diǎn),已被廣泛地應(yīng)用于污泥脫水前的調(diào)理以及促進(jìn)污泥中物質(zhì)的溶出等領(lǐng)域[3-4]。
超聲法處理剩余污泥主要通過(guò)空化作用所產(chǎn)生的機(jī)械剪切力、羥基自由基以及瞬間高溫等實(shí)現(xiàn)的[5]。影響超聲處理剩余污泥效果的因素有很多,如污泥的濃度和粘度、溫度、超聲時(shí)間、聲強(qiáng)(振幅)以及聲密度等[6],而目前常用的表征超聲條件的指標(biāo)主要包括以面積為單位的超聲強(qiáng)度(W·cm-2)、以體積或干污泥(dry sludge,DS)質(zhì)量為單位的功率密度(power density,PD,W·L-1、W·g-1)和能量密度(energy density,ED,J·L-1、J·g-1)等[7]。針對(duì)不同的目的,超聲處理剩余污泥的條件也存在顯著差異。研究表明,較弱的超聲條件有利于剩余污泥脫水性能的提高,并可以在相同的脫水效果下減少20%~50%的混凝劑用量[8];進(jìn)一步提高超聲的強(qiáng)度則會(huì)使污泥胞外聚合物(extracellular polymeric substance,EPS)中的物質(zhì)大量溶出,因此超聲法也常被用于提取污泥中的EPS[9]。當(dāng)超聲的強(qiáng)度達(dá)到一定水平后,污泥絮體及微生物細(xì)胞開(kāi)始破裂,胞內(nèi)的物質(zhì)也隨之釋放到溶液中,污泥的脫水性能大幅降低,而污泥厭氧發(fā)酵的效率則顯著提高[3]。盡管將超聲應(yīng)用于污泥處理的研究成果較為豐富,但不同的研究所采用的超聲參數(shù)體系并不統(tǒng)一,這為實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中超聲參數(shù)的對(duì)比和選擇帶來(lái)了不便。
本研究以生活污水處理廠的剩余污泥為對(duì)象,以污泥中物質(zhì)的溶出情況為指標(biāo),研究了超聲時(shí)間、振幅、功率密度、能量密度等超聲條件以及剩余污泥的濃度對(duì)超聲效果的影響規(guī)律,并以所得到的結(jié)果為基礎(chǔ)明確了提取污泥中EPS的最佳超聲條件,為超聲應(yīng)用于剩余污泥處理過(guò)程中參數(shù)的選擇提供了參考。
2.1 污泥來(lái)源
剩余污泥來(lái)源于某采用A/A/O工藝的生活污水處理廠二沉池。取回的污泥經(jīng)18目篩濾除大顆粒雜質(zhì)后,在4℃條件下靜置沉淀24 h進(jìn)行濃縮。試驗(yàn)中所用到的特定濃度的污泥為濃縮污泥經(jīng)清液稀釋后得到。
2.2 試驗(yàn)方法
采用S-450D(BRANSON)型超聲破碎儀對(duì)剩余污泥進(jìn)行處理。該儀器為接觸式超聲破碎儀,超聲頻率為20 kHz,配備有兩種型號(hào)的變幅桿,其中高振幅變幅桿Φ為2mm,低振幅變幅桿Φ為8mm。在超聲過(guò)程中,將污泥進(jìn)行冰水浴以避免溫度升高對(duì)超聲結(jié)果的影響。超聲后的樣品在進(jìn)行指標(biāo)測(cè)定前首先經(jīng)10 000rpm離心15min,再經(jīng)過(guò)0.45μm的PTFE濾膜過(guò)濾后得到清液,并在4℃下保存直至測(cè)定。
以濃度為20g·L-1的污泥為對(duì)象,選用Φ8型變幅桿,采用相同的功率密度(0.3kW·L-1,亦即15W·g-1DS)分別對(duì)200、150、100和50mL的污泥超聲處理20min,測(cè)定清液的總有機(jī)碳(totalorganiccarbon,TOC)以及蛋白質(zhì)、多糖、腐植酸和DNA的含量,明確污泥體積對(duì)超聲效果的影響。
分別以濃度為6g·L-1和3g·L-1污泥為對(duì)象,選用Φ8型變幅桿,采用50W的功率對(duì)100mL污泥進(jìn)行超聲處理,在超聲第1、2.5、5、10min時(shí),取樣并測(cè)定清液的TOC,明確污泥濃度對(duì)超聲效果的影響。
以濃度為3g·L-1污泥為對(duì)象,選用Φ8型變幅桿,分別采用0.15、0.25和0.5kW·L-1功率密度對(duì)100mL污泥進(jìn)行超聲處理,在超聲第1、2.5、5、10min時(shí),取樣并測(cè)定清液的TOC,明確超聲強(qiáng)度對(duì)處理效果的影響。
以濃度為3g·L-1污泥為對(duì)象,分別選用Φ8和Φ2兩種型號(hào)的變幅桿并在0.15和0.25kW·L-1功率密度下對(duì)100mL污泥進(jìn)行超聲處理,在超聲第1、2.5、5、10min時(shí),取樣后測(cè)定清液的TOC,明確超聲振幅對(duì)處理效果的影響。
以試驗(yàn)得出的結(jié)果為依據(jù),選用Φ8型變幅桿,分別采用6、12、18、30、45、72、90kJ·L-1能量密度對(duì)濃度為17.5g·L-1污泥進(jìn)行處理,對(duì)超聲后清液的TOC和DNA含量進(jìn)行測(cè)定,同時(shí)對(duì)經(jīng)6、30和90kJ·L-1能量密度超聲處理后的污泥以及未處理的污泥清液進(jìn)行三維熒光光譜分析,明確采用超聲法提取污泥EPS的最佳條件
2.3 測(cè)試方法
污泥的TSS采用烘干稱重法測(cè)定[10],清液中總有機(jī)碳(totalorganiccarbon,TOC)采用島津V-CPN型TOC分析儀進(jìn)行測(cè)定,多糖采用改良苯酚-硫酸法測(cè)定并以D-葡萄糖為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)[11],蛋白質(zhì)和腐植酸的測(cè)定采用改良福林-酚法并以牛血清蛋白作為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)[12],DNA采用二苯胺法并用小牛胸腺DNA作為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)[13]。
采用VarianCaryEclipse熒光光度計(jì)進(jìn)行三維熒光光譜分析。測(cè)定過(guò)程中,光電倍增管設(shè)定為800mV,激發(fā)波長(zhǎng)(EX)為200~450nm,步長(zhǎng)為5nm,發(fā)射波長(zhǎng)(EM)為250~500nm,步長(zhǎng)為2nm,掃描速度為1 200nm/m,狹縫寬度為5nm。該熒光光度計(jì)的最高發(fā)射光響應(yīng)值為1 000AU(ArbitraryUnits),因此在測(cè)定前采用超純水將清液稀釋到合適的濃度范圍并記錄稀釋倍數(shù)。采用SigmaPlot11.0繪制測(cè)定結(jié)果的三維熒光圖。
曼來(lái)村是滄源佤族自治縣勐來(lái)鄉(xiāng)下屬行政村之一,位于勐來(lái)鄉(xiāng)西南海拔1500米的山區(qū),轄6個(gè)自然村7個(gè)村民小組,共有298戶1121人,以佤族為主,全村共有貧困人口135戶482人,是全縣50個(gè)深度貧困村之一。這里實(shí)施脫貧計(jì)劃任務(wù)之重、難度之大顯而易見(jiàn)。但這些困難反而激勵(lì)著滄源縣公安局曼來(lái)村駐村扶貧工作隊(duì)的隊(duì)員們出實(shí)招、下苦功,千方百計(jì)去打贏脫貧攻堅(jiān)這場(chǎng)硬仗。
3.1 污泥體積和濃度對(duì)超聲效果的影響
在相同功率密度條件下,對(duì)不同體積的污泥進(jìn)行超聲處理,得到清液中各類(lèi)物質(zhì)的含量以及TOC,如圖1所示。從圖1中可見(jiàn),作用在單位體積/質(zhì)量污泥的功率相同的條件下,各體積污泥清液中的TOC濃度均在850mg·L-1左右,說(shuō)明從污泥中釋放到清液中的物質(zhì)的總量相近。而對(duì)清夜中物質(zhì)組成的分析可見(jiàn),4種超聲體積所得到的物質(zhì)組成類(lèi)型和濃度沒(méi)有明顯差異,且清液中DNA的含量相近,說(shuō)明各組試驗(yàn)污泥的破碎情況基本相同。
上述結(jié)果表明,在相同的功率密度下,超聲的體積對(duì)超聲效果無(wú)明顯影響,因此采用以體積為單位的功率密度能較好地反映實(shí)際的超聲效果。
圖1 超聲體積對(duì)污泥中物質(zhì)溶出的影響
兩種不同濃度的污泥超聲處理后,清液中的TOC隨超聲時(shí)間的變化情況如圖2所示。在功率密度均為0.5kW·L-1條件下,濃度為6g·L-1的污泥清液中TOC濃度在不同的超聲時(shí)間下均顯著高于3g·L-1污泥。將清液TOC濃度除以污泥濃度得到單位濃度污泥的TOC釋放量(mgTOC·g-1DS)。從圖2中可見(jiàn),盡管兩種濃度污泥TOC釋放的絕對(duì)量有所差異,但單位濃度污泥TOC釋放量卻基本相同。這一結(jié)果表明超聲的過(guò)程存在著能量的耗散,提高污泥的濃度可以使更多的能量作用于污泥上,從而提高能量的有效利用比例。
此外,若以干污泥質(zhì)量為單位的功率密度來(lái)衡量,則濃度為3g·L-1污泥所承受的功率密度為6g·L-1污泥的2倍,這顯然與圖2所得到的結(jié)果不符。其主要原因是超聲過(guò)程中作用在單位體積上的功只有部分施加在污泥上,而另一部分則是施加在清液中而被耗散,采用以干污泥質(zhì)量為單位的功率密度并沒(méi)有包含這部分被耗散的能量,因此無(wú)法較好地反映出實(shí)際的污泥處理效果。這進(jìn)一步說(shuō)明采用以體積為單位的功率密度能較好地反映實(shí)際的超聲效果。后文中如無(wú)特殊說(shuō)明,則功率密度均指單位體積內(nèi)所施加的功率。
圖2 不同濃度的污泥超聲后清液的TOC隨超聲時(shí)間的變化
3.2 超聲的功率密度、振幅和時(shí)間對(duì)超聲效果的影響
超聲過(guò)程中功率密度對(duì)清液中TOC濃度的影響如圖3所示??梢?jiàn),在污泥濃度等其他條件相同的情況下,在各個(gè)超聲時(shí)間段內(nèi)從污泥中釋放到清液中的物質(zhì)均隨著功率密度的提高而顯著增加。而從圖3中單位功率密度所得到的TOC的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),盡管提高功率密度可以加快污泥重物質(zhì)的釋放,但能量的有效利用效率卻顯著降低,即更多的超聲能量被耗散掉而沒(méi)有被有效地作用于污泥的處理中。因此,在應(yīng)用過(guò)程中功率密度的選擇需要根據(jù)實(shí)際情況和要求確定在一個(gè)合適的范圍內(nèi)。
圖3 不同功率密度超聲后污泥清液的TOC隨超聲時(shí)間的變化
在功率密度分別為0.15和0.25kW·L-1時(shí),采用不同的振幅對(duì)污泥進(jìn)行超聲處理后清液的TOC如圖4所示。從圖4可知,在相同的功率密度下,采用較底的振幅(Φ8變幅桿)相比于高振幅(Φ2變幅桿)在各超聲時(shí)間內(nèi)均可使污泥中的物質(zhì)更多的溶出。其主要原因是盡管較高的振幅可以提高污泥絮體的破碎程度,但在輸入功率相同的情況下,提高振幅則降低了單位時(shí)間超聲的變幅桿所處理的污泥量,因此,從總量上來(lái)說(shuō),在保證污泥破碎基本要求的條件下,采用較低的超聲振幅要優(yōu)于高振幅的效果。
圖4 功率密度為0.15和0.25 kW·L-1時(shí)不同振幅超聲后污泥清液的TOC隨超聲時(shí)間的變化
圖5 單位時(shí)間內(nèi)由污泥釋放到清液中的TOC隨超聲時(shí)間的變化
3.3 能量密度與超聲效果的相關(guān)性分析
根據(jù)3.2可以發(fā)現(xiàn),在對(duì)剩余污泥進(jìn)行超聲處理的過(guò)程中,污泥濃度、功率密度、超聲時(shí)間等因素均對(duì)超聲效果產(chǎn)生顯著的影響。將以上各組低振幅試驗(yàn)條件下的功率密度與超聲時(shí)間相乘,得到超聲處理過(guò)程中所消耗的總的能量密度,并將該能量密度下單位污泥的TOC釋放量作圖,得到的結(jié)果如圖6所示。從圖6可以發(fā)現(xiàn),單位污泥的TOC釋放量隨著能量密度的提高而顯著升高,且兩者呈現(xiàn)出了良好的線性關(guān)系,其回歸后的R2為0.966。這一結(jié)果說(shuō)明,通過(guò)改變能量密度這一指標(biāo),可以很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)污泥超聲效果的控制。
圖6 能量密度與單位濃度的污泥釋放到清液中的TOC之間的關(guān)系
綜合上述試驗(yàn)結(jié)果,在利用超聲處理剩余污泥的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,可根據(jù)污泥的處理目標(biāo)確定相應(yīng)的能量密度,而超聲時(shí)間、振幅和功率密度等參數(shù)則可根據(jù)污泥性質(zhì)(如濃度、粘度、破碎的難易程度等)及能效因素以能量密度為基礎(chǔ)進(jìn)行調(diào)整。
3.4 超聲法提取污泥EPS的工況優(yōu)化
剩余污泥的EPS是污泥絮體的重要組成部分,它對(duì)污泥絮體的穩(wěn)定性、沉降性能以及脫水性能都具有顯著的影響,目前在對(duì)剩余污泥的相關(guān)研究中常涉及到對(duì)EPS的提取和分析。超聲是一種常用的提取EPS的方法,但在不同的研究中超聲參數(shù)的設(shè)定存在很大的差異。以下以前述的研究結(jié)果為依據(jù)對(duì)超聲提取污泥中EPS的工況進(jìn)行考察。
對(duì)污泥的EPS進(jìn)行提取的理想情況是在不破壞微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)的前提下盡可能地得到更多的胞外物質(zhì)。根據(jù)前述研究,通過(guò)改變能量密度可以很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)污泥超聲效果的控制,而TOC和DNA的濃度則可以反映污泥中物質(zhì)的釋放量以及細(xì)胞的破碎程度。不同能量密度超聲后,污泥清液中TOC和DNA濃度的測(cè)定結(jié)果如圖7所示。從圖7中可以看出,隨著能量密度的提高,污泥中物質(zhì)的溶出(亦即清液中TOC的濃度)呈現(xiàn)出線性升高的趨勢(shì),這與之前的研究結(jié)果相一致。而清液中DNA的濃度則隨著能量密度的提高而具有明顯的拐點(diǎn)。在達(dá)到拐點(diǎn)之前,清液中DNA的含量隨能量密度的變化較為緩慢,說(shuō)明此時(shí)細(xì)胞破碎的比例較低,清液中的TOC主要來(lái)源于污泥的胞外物質(zhì)即EPS;而拐點(diǎn)之后的DNA濃度隨能量密度的提高而顯著升高,此時(shí)TOC的升高則主要來(lái)源于細(xì)胞破碎后胞內(nèi)物質(zhì)的釋放。因此,根據(jù)提取EPS的理想情況分析,DNA出現(xiàn)拐點(diǎn)時(shí)的能量密度(約為26 kJ·L-1)即為超聲法提取EPS的最佳工況。
圖7 不同能量密度超聲后污泥清液中的TOC以及DNA的濃度
對(duì)未經(jīng)超聲處理的污泥清液、經(jīng)超聲處理且聲能密度在DNA濃度出現(xiàn)拐點(diǎn)前(6 kJ·L-1)、拐點(diǎn)附近(30 kJ·L-1)以及超過(guò)拐點(diǎn)后(90 kJ·L-1)的污泥清液進(jìn)行三維熒光光譜(EEM)分析,其譜圖如圖8所示。
圖8 超聲處理后的污泥清液(能量密度分別為6、30和90 kJ·L-1)以及未處理的污泥清液的三維熒光光譜
從圖8可知,不同的超聲條件得到的清液中有機(jī)物的組成存在著一定的差異。其中未處理的污泥清液在三個(gè)位置出現(xiàn)了顯著的熒光峰,其Ex/Em分別為225/360 nm(Peak A)、275/360 nm(Peak B)和320/430 nm(Peak C)。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,在相同發(fā)射波長(zhǎng)下出現(xiàn)的Peak A和Peak B均是蛋白類(lèi)物質(zhì)的熒光峰,其中Peak A主要是含芳香環(huán)類(lèi)的蛋白,Peak B主要是色氨酸類(lèi)蛋白,Peak C則是以腐植酸類(lèi)物質(zhì)為主[14-15]。腐植酸主要存在于污泥的EPS中,而隨著超聲能量密度的提高,腐植酸在清液中所占的比例逐漸降低,說(shuō)明清液中來(lái)源于污泥EPS的物質(zhì)所占的比例逐漸降低。此外,隨著能量密度的提高,從圖8中可見(jiàn)Peak A和Peak B發(fā)生了一定的紅移,熒光峰的紅移表明了熒光物質(zhì)中羰基、羥基、烷氧基、氨基和羧基等基團(tuán)的增多,是污泥中胞內(nèi)的復(fù)雜有機(jī)物釋放到清液中的結(jié)果[14],這進(jìn)一步說(shuō)明了在較高的能量密度下清液中胞內(nèi)物質(zhì)的比例會(huì)逐漸升高。因此,為了實(shí)現(xiàn)污泥EPS的有效提取和分離,需要將能量密度控制在一定的范圍內(nèi),如本研究中針對(duì)該污泥的性質(zhì)所選擇的最佳超聲提取EPS的條件約為26 kJ·L-1。
污泥濃度、功率密度、超聲時(shí)間、振幅等因素均會(huì)顯著影響剩余污泥的超聲效果,而在功率密度一定的條件下,污泥的體積對(duì)超聲效果的影響較小,且采用以體積為單位的功率密度能更好地反映實(shí)際的超聲效果。污泥超聲過(guò)程存在著能量耗散,較高的功率密度和超聲時(shí)間均會(huì)顯著增加功的耗散而降低能效,在相同的功率密度下低振幅具有更高的能效。以能量密度作為指標(biāo)可以很好地控制超聲的強(qiáng)度,以實(shí)現(xiàn)不同的超聲目的,如提取污泥EPS中物質(zhì)的最佳能量密度約為26 kJ·L-1。本文試驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論為污泥處理過(guò)程中超聲參數(shù)的選擇提供了指導(dǎo)和借鑒。
[1]Liu Y,F(xiàn)ang H H P.Influences of extracellular polymeric substances (EPS) on flocculation, settling, and dewatering of activated sludge[J].Critical Reviews in Environmental Science and Technology,2003,33(3):237-273
[2]Elefsiniotis P,Wareham DG,Oldham W K.Particulate organic carbon solubilization in an acid-phase upflow anaerobic sludge blanket system[J].Environmental Science & Technology,1996,30(5):1508-1514
[3]Tiehm A,Nickel K,Neis U.The use of ultrasound to accelerate the anaerobic digestion of sewage sludge[J].Water Science and Technology,1997,36(11):121-128
[4]Feng X,Deng J C,Lei H Y,et al.Dewaterability of waste activated sludge with ultrasound conditioning[J].Bioresource Technology,2009,100(3):1074-1081
[5]Tiehm A,Nickel K,Zellhorn M,et al.Ultrasonic waste activated sludge disintegration for improving anaerobic stabilization[J].Water Research,2001,35(8):2003-2009
[6]Khanal S K,Grewell D,Sung S,et al.Ultrasound applications in wastewater sludge pretreatment:A review[J]. Critical Reviews in Environmental Science and Technology,2007,37(4):277-313
[7]Pilli S,Bhunia P,Yan S,et al.Ultrasonic pretreatment of sludge:A review[J] Ultrasonics Sonochemistry,2011,18(1):1-18
[8]Yin X,Lu X P,Han P F,et al.Ultrasonic treatment on activated sewage sludge from petro-plant for reduction[J].Ultrasonics,2006,44:397-399
[9]Yu G H,He P J,Shao L M,et al.Enzyme activities in activated sludge flocs[J].Applied Microbiology and Biotechnology,2007,77(3):605-612
[10]APHA.Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater[J].20th ed.Washington,DC,USA:American Public Health Association,2008
[11]Gerchakov S M,Hatcher P G.Improved technique for analysis of carbohydrates in sediments[J].Limnology and Oceanography,1972,17(6):938-943
[12]Frolund B,Griebe T,Nielsen P H.Enzymatic activity in the activated-sludge floc matrix[J].Applied Microbiology and Biotechnology,1995,43(4):755-761
[13]Burton K.A study of the conditions and mechanism of the diphenylamine reaction for the colorimetric estimation of deoxyribonucleic acid[J].Biochemical Journal,1956,62(2):315
[14]Sheng G P,Yu H Q.Characterization of extracellular polymeric substances of aerobic and anaerobic sludge using three-dimensional excitation and emission matrix fluorescence spectroscopy[J].Water Research,2006,40(6):1233-1239
[15]Yamashita Y,Tanoue E.Chemical characterization of protein-like fluorophores in DOM in relation to aromatic amino acids[J].Marine Chemistry,2006,102(3-4):316-316
(責(zé)任編輯:汪材印)
10.3969/j.issn.1673-2006.2015.06.027
2015-02-28
胡滿杰(1963-),安徽懷寧人,高級(jí)工程師,主要研究方向:環(huán)境工程。
X703.1
A
1673-2006(2015)06-0100-05