过氧化钙预氧化对污泥脱水特性的影响

2018-07-12丁绍兰田倩倩董凌霄

陕西科技大学学报 2018年4期

丁绍兰，田倩倩，董凌霄

(陕西科技大学环境科学与工程学院，陕西西安　710021)

0　引言

据住建部统计数据，截至2016年年末，全国城市共有污水处理厂2 039座，污水厂日处理能力1.49×108m3，比上年增加6.2%[1].随着污水排放量日益增加，污水处理效率的不断提高，产生的污泥量也随之增长.污泥中的污染物如果没有得到有效处理，将会转移到大气、水体和土壤中，造成对环境的二次污染，直接影响人类健康[2-4].目前，污泥处理与处置的主要方法包括填埋、土地堆肥和焚烧等[5]，而污泥含水率高达99%，这导致了污泥体积庞大，难以运输储存，运输费用昂贵等问题，成为制约污泥处置的主要因素.

污泥中水的存在形态分为自由水、间隙水、吸附水及内部结合水[6]，一般的机械脱水不能将细胞内部结合水去除，有必要对污泥进行调理，破坏污泥胶体结构，改善污泥脱水性能[7].目前，污泥调理技术主要为物理法、化学法和生物法.化学法操作简单，投资成本较低，效果较稳定[8].

过氧化钙(CaO2)是一种强氧化剂，在水中会缓慢生成过氧化氢(H2O2)和氧气(O2).与H2O2相比，CaO2相对更稳定，是一种作用效果更好的H2O2源[9].CaO2溶解于水产生H2O2最大产量为0.47 g H2O2/(g CaO2)，可以通过 CaO2的溶解速率来调节释放H2O2的速率，因此反应持久性长，减少了由于歧化反应引起的H2O2的损耗，且不会产生有毒的副产物.同时CaO2缓慢释氧，能够氧化降解有机物.CaO2不仅在农业、水产养殖、石油及化学工业等领域具有广阔的应用前景[10]，还可用于修复土壤与地下水污染、氧化去除剩余活性污泥中的6种酚类环境内分泌干扰化合物等[11].但使用CaO2调理对污泥脱水性能影响的研究较少.所以本研究采用CaO2来调理污泥，探究CaO2对污泥脱水性能的影响.

1　试验部分

1.1　试验材料

污泥取自西安市第五污水处理厂二沉池剩余污泥，原污泥取回后立即放入4 ℃冰箱中，静置24 h后弃去上清液，获得的浓缩污泥为试验所用污泥样品.污泥的基本特性见表1所示，分析方法参照《城市污水处理厂污泥检验方法》(CJ/T 221-2005)[12].

表1　污泥的基本特性

其它试剂及材料有：过氧化钙(CaO2)，粉末，化学纯；过氧化氢(H2O2)，液体，分析纯.

1.2　试验仪器

电热鼓风干燥箱，101-AB型，天津市泰斯特仪器有限公司；电子恒温水浴锅，DZKW-4，北京中兴伟业仪器有限公司；数显六联搅拌器，JJ-4型，国华电器有限公司；可见分光光度计，722N，上海精密科学有限公司；美国FEI Q45型环境扫描电镜(SEM).

1.3　测试项目及方法

1.3.1泥饼含水率

调理后的污泥用布氏漏斗真空抽滤6 min，取滤纸上形成的泥饼，按照《城市污水处理厂污泥检验方法》( CJ/T 221-2005) 中含水率的测定-重量法计算泥饼含水率，如公式(1)所示:

(1)

式(1)中：ω—泥饼含水率；m1—抽滤脱水后泥饼质量；m2—烘干后泥饼质量.

1.3.2其他指标

化学需氧量(COD)采用重铬酸钾法测定[13]；多糖采用蒽酮硫酸法测定，以葡萄糖为标准物质；蛋白质采用Folin-Lowry法测定，以牛血清蛋白为标准物质；通过显微镜和扫描电子显微镜观察污泥的絮体特征.

1.4　试验方法

在烧杯中加入一定量的污泥，分别投加不同剂量的CaO2和H2O2，在300 r/min下搅拌一定时间，反应在室温下进行.测定调理后污泥的固体含量、泥饼含水率、上清液COD(SCOD)及胞外聚合物(EPS)，并进行电镜扫描及镜检.

2　结果与讨论

2.1　CaO2和H2O2调理对污泥脱水性能的影响

向污泥中投加不同剂量的CaO2和H2O2，反应不同时间后泥饼含水率的变化情况如图1所示.

通过图1(a)可以看出，向污泥中投加CaO2能够明显降低泥饼的含水率.这可能是因为CaO2氧化污泥絮体，污泥絮体的细胞结构裂解，释放出细胞结合水，使得污泥易于脱水，从而泥饼含水率降低，这与处理后污泥的有机物浓度上升的结果一致.当CaO2投加量为200 mg/gTS，反应2 h时，泥饼含水率最低为68.3%，而投加300 mg/gTS CaO2时，泥饼的含水率反而有所增加.这可能是因为当CaO2浓度过高时，污泥絮体裂解彻底，被分解为粒径很小的颗粒，在抽滤时堵塞滤纸难以脱水，表明CaO2浓度太大时，并不利于污泥脱水.

图1(b)显示，当H2O2投加量为200 mg/gTS时，泥饼含水率最低为75.7%，而投加300 mg/gTS H2O2时，反应时间越长，泥饼的含水率反而有所增加.与投加剂量相同的H2O2相比，CaO2调理后泥饼的含水率更低，且随着时间的变化，泥饼含水率值更稳定，这表明CaO2可以作为一种H2O2的替代源，且脱水效果更好.

(a)CaO2调理污泥

(b)H2O2调理污泥图1　投加量对泥饼含水率的影响

2.2　CaO2和H2O2调理对污泥破解程度的影响

2.2.1污泥SCOD的变化

向污泥中投加不同剂量的CaO2和H2O2反应不同时间，SCOD值的变化情况如图2所示.

由图2(a)可知，随着CaO2投加剂量和反应时间的增加，污泥SCOD呈上升趋势，这可能是因为CaO2氧化污泥使生物质中微生物细胞壁破坏，细胞质溶出到外界溶液中.氧化的结果是，有机物质被浸出到上清液，SCOD增加[14].可以看出，在CaO2投加剂量为100 mg/gTS、200 mg/gTS，SCOD值增加缓慢，而投加量为300 mg/gTS时，SCOD显著增加，反应2 h后，从259 mg/L增加到1 210 mg/L，5 h时到1 660 mg/L，表明污泥中大分子有机物的裂解并释放至污泥上清液中，而污泥细胞破坏严重，降低了污泥的含水率，与2.1节中该投加量下的脱水效果变差一致.

由图2(b)可知，当H2O2投加量为100 mg/gTS和200 mg/gTS时，SCOD基本在一开始达到最大值，表明投加H2O2后，反应迅速开始.而投加量为300 mg/gTS时，SCOD变化不大，这可能是由于反应时H2O2的损失造成.在投加量相同的情况下，CaO2调理后污泥的SCOD值更大，表明CaO2对污泥的破解程度比H2O2更好.

(a)CaO2调理污泥

(b)H2O2调理污泥图2　投加量对污泥SCOD的影响

2.2.2污泥EPS的变化

CaO2和H2O2的投加量和反应时间对污泥EPS的影响结果如图3、图4所示.

从图3(a)、(b)可以看出，加入CaO2后，污泥中的多糖和蛋白质含量都呈现出增大趋势，说明污泥中的微生物细胞受到破坏，释放出有机物.随着反应时间的增加，多糖含量有一些降低，这可能是因为CaO2溶于水后生成的H2O2将有机物继续氧化为水和二氧化碳.根据Cetin S等[15]，糖类的增加导致污泥脱水性提高，而蛋白质的作用正好相反，在反应2 h后，投加CaO2剂量为200 mg/gTS的污泥中多糖含量达到最大值，而蛋白质含量最少，与其研究结果一致，且此时的泥饼含水率最低.

(a)污泥多糖含量

(b)污泥蛋白质含量图3　CaO2投加量对污泥EPS含量的影响

从图4(a)、(b)看出，H2O2处理污泥后，多糖和蛋白质含量都有明显增加，这可能是H2O2氧化污泥使生物质中微生物细胞壁破坏，细胞质溶出到外界溶液中，而使其多糖、蛋白质含量增加.随着反应时间的继续，多糖含量有一些降低，可能是因为H2O2将多糖继续氧化为水和二氧化碳，这与Hammadi L等[16]的研究结果一致.

(a)污泥多糖含量

(b)污泥蛋白质含量图4　H2O2投加量对污泥EPS含量的影响

经以上分析可知，CaO2和H2O2通过破解污泥中微生物细胞释放有机物，氧化分解 EPS等有机物，促进污泥中结合水和微生物细胞内部水的释放，从而提高污泥的脱水性能.

2.3　CaO2、H2O2调理对污泥絮体结构的影响

2.3.1污泥絮体的镜检分析

分别经CaO2、H2O2调理后，对污泥样品进行电子显微镜观察.图5(a)、(b)、(c)分别为原污泥、CaO2调理和H2O2调理后污泥的电子显微镜观察照片.从图5可以看出，原污泥成絮状，絮体比较聚集.而经调理后污泥絮体分散效果较好，这更有利于污泥脱水，与污泥脱水率降低的结果一致.

(a)原污泥

(b)CaO2调理污泥

(c)H2O2调理污泥图5　污泥镜检照片

2.3.2污泥絮体的SEM分析

通过扫描电镜对原污泥、CaO2和H2O2调理后的污泥进行观察，可以比较CaO2和H2O2对污泥絮体结构的影响.故此，对调理后的污泥样品进行了扫描电镜分析，其结果如图6所示.从图6(a)可以看出，原污泥絮体的表面相对平滑，经过CaO2和H2O2调理后污泥絮体表面发生明显变化.污泥絮体经CaO2和H2O2调理后，污泥絮体被氧化破解，污泥结构疏松，孔隙分布复杂，尤其是CaO2调理污泥2 h(图6(c))与CaO2调理污泥0.5 h(图6(b))相比，污泥絮体结构更加破碎分散，这与白润英等[17]的研究结果一致.