在污水生物處理過程中會產生大量剩余污泥，污泥產量通常占污水量體積的0.3%~0.5%，或者約為污水質量的1%~2%. 據(jù)統(tǒng)計，目前我國污水處理能力約1.53億m3 ·d-1，年產生含水量80%的污泥3 500多萬t[1]，隨著今后我國的經濟發(fā)展，污水處理量和污水處理率會不斷增加，隨之而產生的剩余污泥量也會越來越多[2]. 因此，剩余污泥的處理與處置已成為迫在眉睫的問題.
厭氧消化是一種傳統(tǒng)的污泥處理方法，其中，水解過程是限速步驟[3]. 采用適當?shù)念A處理可以在較短的時間內將污泥水解，提高污泥厭氧消化效率[4]. 近年來，污泥熱堿聯(lián)合處理法在污泥預處理中得到研究者的廣泛關注[5, 6, 7, 8, 9, 10]. 在熱堿處理中，堿可以減弱微生物細胞壁對高溫的抵抗力，使細胞受熱時更容易破裂，從而釋放出大量的有機物(如蛋白質、 碳水化合物等)[5,6]. 該方法具有操作簡單、 處理時間短等優(yōu)點，并且能獲得比單獨堿處理或熱處理更好的溶出效果[7,8]. 研究表明，當熱堿處理溫度為170℃、 pH值為12時，污泥中SCOD釋放量比未經處理污泥增加83%，隨后將此污泥進行厭氧消化發(fā)現(xiàn)其甲烷產量比未處理污泥提高54%[9,10]. 在熱堿處理過程中污泥的性質會發(fā)生改變，以有利于后續(xù)的污泥處理. 研究表明，在熱堿處理過程中對污泥特性影響較大的因素有溫度(20~210℃)、 pH值(7~12.5)、 處理時間(0~60 min)、 污泥濃度(10~40 g ·L-1)、 加熱方式(間接熱交換、 直接加熱等)、 加堿種類[NaOH、 Ca(OH)2等][11,12].
然而，目前污泥熱堿處理的研究大多僅限于各單因素(如溫度、 pH值等)和雙因素(如溫度-pH、 溫度-時間、 pH-時間等)[13, 14, 15]，缺乏多種因素的綜合影響研究. 為了考察熱堿處理過程中各因素同時作用對污泥特性的綜合影響，本研究采用正交試驗同時考察不同污泥濃度、 pH、 溫度和處理時間的組合條件對污泥特性的影響，并找出熱堿處理的最優(yōu)組合條件.
1 材料與方法
1.1 污泥
試驗用泥為北京市某污水處理廠的剩余污泥，該污水處理廠采用活性污泥法處理城市污水. 自二沉池取得污泥后，采用40目篩網過篩，去除污泥中的大顆粒物，重力沉降將污泥濃縮到一定濃度，去上清液后使用. 污泥特性如下：pH 6.9±0.1，總化學需氧量(TCOD)(10 260±120)mg ·L-1，SCOD(75±20)mg ·L-1，總懸浮性固體(SS)(14.3±0.2)g ·L-1，揮發(fā)性懸浮性固體(VSS)(9.6±0.2)g ·L-1. 1.2 正交試驗 1.2.1 正交試驗設計
選擇污泥濃度、 pH、 溫度和處理時間4個因素，并取4個水平進行熱堿處理正交試驗，選擇L9(45)正交表，正交試驗設計表如表 1所示.
表 1 L9(45)正交試驗表
正交試驗表中每組試驗做3個平行，通過濃縮和稀釋調節(jié)控制污泥濃度，采用8 mol ·L-1 NaOH進行pH調節(jié)，污泥加熱是將裝有污泥的水熱反應釜(上海巖征)置于不同溫度的馬弗爐(Nabertherm P330，德國)中完成，加熱時間根據(jù)設計要求控制. 污泥進行完熱堿處理，冷卻后進行相關分析. 1.2.2 驗證試驗
為了驗證正交試驗得出的單位污泥SCOD隨溫度和pH的變化趨勢，進行如下驗證試驗：采用8 mol ·L-1 NaOH分別將污泥pH調節(jié)為6.9±0.1、 9.0±0.1、 10±0.1、 11.5±0.1、 12.5±0.1，并穩(wěn)定5 min. 再將上述5種不同pH值污泥分別置于20、 100、 175及210℃處理60 min，冷卻后進行相關分析，各做3組平行試驗. 1.3 分析方法
COD采用COD分析儀(HACH D2800，美國)測定. SCOD的測定，首先將樣品在4 500 r ·min-1離心分離10 min，之后用0.45 μm的微孔水系濾膜過濾之后進行測定. 污泥的粒徑采用激光粒度分析儀(Malvern Mastersizer 2000，英國)測定，用中值粒徑d0.5表示. 分形維數(shù)根據(jù)激光粒度儀的測量數(shù)據(jù)按照光散射法計算確定[16]. pH值采用pH計(Sartorius PB-10，德國)測定，SS、 VSS等采用標準方法測定[17]. 每個指標做3個平行，其平均值為檢測結果. 2 結果與討論 2.1 不同熱堿預處理條件對污泥融胞的影響
熱堿處理會破壞污泥的絮體和微生物細胞，從而導致細胞間胞外聚合物和細胞內有機物被釋放[18]. 污泥的融胞作用可以用溶解性有機物(SCOD)的釋放來表示，按正交設計表(表 1)進行熱堿處理后，單位污泥SCOD的變化見表 2，其極差及方差分析見表 3. 從中可知，極差大小為：pH>溫度>時間>污泥濃度. 結合方差分析結果可知，這4個因素對污泥釋放SCOD影響的顯著性為pH值是高度顯著，溫度和處理時間是顯著，污泥濃度是不顯著. 因此，這4個因素對污泥釋放SCOD影響的顯著性順序為：pH>溫度>時間>污泥濃度.
表 2 正交試驗結果
表 3 污泥SCOD正交試驗極差及方差分析 1)
根據(jù)試驗結果，可以得到單位污泥SCOD隨4個因素的變化(圖 1). 從圖 1中可知，單位污泥SCOD隨pH的升高或處理時間的延長而升高，此變化趨勢與文獻[19]一致. 單位污泥SCOD隨溫度的升高呈先升高后降低的變化：當溫度低于175℃時，SCOD隨溫度升高而增加，而當溫度高于175℃時，SCOD值隨溫度的升高反而降低. Neyens等[20]研究表明：污泥在175℃條件下熱處理60 min后微生物細胞被破壞，從而釋放出大量SCOD，但當熱處理溫度高于175℃會限制污泥釋放SCOD. 此外，隨著污泥濃度升高，單位污泥SCOD有一定增加，但增加幅度不如其它3個因素. 圖 1表明，在本試驗條件下，4個因素對熱堿處理釋放單位污泥SCOD的最佳組合條件為：污泥濃度36.55 g ·L-1、 pH 12.5、 溫度175℃和處理時間60 min.
圖 1 污泥SCOD隨各因素的變化
在熱堿處理過程中pH和溫度對污泥釋放SCOD的影響是高度顯著，為了進一步驗證SCOD隨溫度和pH的變化趨勢，進行了驗證試驗，試驗結果見圖 2.
圖 2 熱堿處理對污泥SCOD的影響
從圖 2可以看出，SCOD隨pH升高而升高，當溫度低于175℃時，SCOD隨溫度升高而增加，但當溫度高于175℃時，SCOD值隨溫度的升高而降低，這個結果與前面結果一致. Dwyer等[21]研究表明，高溫處理下污泥中還原糖的醛基和氨基酸中的氨基會發(fā)生美拉德反應，生成難降解的褐色多聚氮. 210℃時污泥的胞內物質多糖被大量釋放并在高溫下生成大量褐色難降解物質，從而導致單位污泥SCOD在210℃低于175℃. 2.2 不同熱堿預處理條件對污泥濃度的影響
熱堿預處理后，污泥中部分不溶性物質轉化為溶解性物質，使污泥濃度降低[22]. 按正交設計表(表 1)進行熱堿處理后污泥的SS和VSS減少率如表 2所示，其極差及方差分析見表 4. 從中可知，污泥SS和VSS減少率的極差大小均為：pH>溫度>時間>污泥濃度. 結合方差分析結果可知，這4個因素對污泥SS和VSS影響的顯著性均為pH值、 溫度和處理時間是顯著，污泥濃度是不顯著. 因此，這 4個因素對污泥SS和VSS影響的顯著性順序為：pH>溫度>時間>污泥濃度.
表 4 污泥SS、 VSS正交試驗極差及方差分析 1)
根據(jù)表 2中的試驗結果，可以得到污泥SS、 VSS減少率隨4個因素的變化(圖 3). 從圖 3中可知，SS、 VSS減少率隨處理時間延長和污泥濃度升高而升高，但隨污泥濃度的增加幅度小，這一變化規(guī)律與文獻一致[23]. 此外，SS、 VSS減少率隨溫度的升高呈先升高后降低的趨勢，此趨勢與文獻[24]一致. 但是，SS、 VSS減少率卻隨pH的升高呈先降低后升高的趨勢. 圖 3表明，在本試驗條件下，4個因素對熱堿處理降低SS、 VSS的最佳組合條件為：污泥濃度36.55 g ·L-1、 pH 12.5、 溫度175℃和處理時間60 min. 對比單位污泥SCOD和污泥濃度(SS和VSS)的變化(表 2、 圖 1和圖 3)可知，4個因素對3個參數(shù)的影響相似，這主要是由于污泥SCOD的釋放來源于污泥絮體和微生物細胞的破裂、 融胞所釋放的有機物，有機物釋放會使一部分不溶性物質轉化為溶解性物質，從而降低污泥濃度.
圖 3 污泥SS、 VSS減少率隨各因素的變化
2.3 不同熱堿處理條件對污泥形態(tài)特征的影響
熱堿處理能破壞污泥絮體結構，改變污泥表觀形態(tài)，減小污泥粒徑，并提高污泥的ξ電位，從而影響污泥的形態(tài)特征[25]. 污泥形態(tài)特征可以用粒徑和分形維數(shù)表示. 分形維數(shù)是一個很重要的參數(shù)，它影響了絮體的密度，分形維數(shù)的提高說明污泥絮體由松散型向致密型過渡[26]. 采用激光粒度儀測定污泥粒徑，并根據(jù)光散射法計算污泥絮體的分形維數(shù)，試驗結果如表 2所示，其極差及方差分析見表 5. 從中可知，粒徑及分形維數(shù)的極差大小均為：pH>溫度>時間>污泥濃度. 結合方差分析結果可知，這4個因素對污泥粒徑的影響是顯著的，顯著性順序為：pH>溫度>時間>污泥濃度. 而只有pH值對分形維數(shù)的影響是顯著性的，其它3個因素均不顯著.
表 5 污泥粒徑及分形維數(shù)正交試驗極差及方差分析 1)
根據(jù)表 2中的試驗結果，可以得到污泥粒徑及分形維數(shù)隨4個因素的變化(圖 4). 從圖 4中可知，粒徑和分形維數(shù)隨溫度的升高或處理時間的延長均呈先降低后升高的趨勢. 而污泥濃度、 pH值對粒徑和分形維數(shù)的影響有區(qū)別，其中粒徑隨污泥濃度或pH值的升高均呈先增大后減小的趨勢，然而分形維數(shù)幾乎不受污泥濃度影響，但隨pH的升高而降低. 劉金鳳等[27]研究表明熱堿處理能促使污泥固體溶解和水解，減小污泥粒徑和分形維數(shù)，提高污泥厭氧消化性能. 因此，粒徑和分形維數(shù)越小表明污泥熱堿處理效果越好. 圖 4表明，在本試驗條件下，4個因素對熱堿處理減小污泥粒徑和分形維數(shù)的最佳組合條件為：污泥濃度36.55 g ·L-1、 pH 12.5、 溫度175℃和處理時間45 min.具體參見污水寶商城資料或http://www.yiban123.com更多相關技術文檔。
圖 4 污泥粒徑及分形維數(shù)隨各因素的變化
3 結論
通過正交試驗研究了污泥熱堿處理對污水處理廠污泥特性的影響. 結果表明，研究的4個因素—污泥濃度、 pH、 溫度和處理時間均會影響污泥特性，這些特性包括SCOD、 污泥濃度、 粒徑和分形維數(shù). 4個因素對單位污泥釋放SCOD和污泥濃度污泥影響顯著性順序為pH>溫度>時間>污泥濃度，最佳組合條件為：污泥濃度36.55 g ·L-1、 pH 12.5、 溫度175℃和處理時間60 min. 而對于粒徑和分形維數(shù)影響的顯著性順序則為pH>溫度>時間>污泥濃度，最佳組合條件為：污泥濃度36.55 g ·L-1、 pH 12.5、 溫度175℃和處理時間45 min.(來源及作者：東北電力大學建筑工程學院 楊世東、陳霞、劉操、肖本益)
