沈會(huì)山

（廣東省環(huán)境技術(shù)中心，廣州　510308）

超聲波破碎聯(lián)合ClO2氧化污泥的效能研究

沈會(huì)山

（廣東省環(huán)境技術(shù)中心，廣州510308）

采用先超聲波對(duì)取自SBR的剩余污泥進(jìn)行物理破碎，然后投加ClO2進(jìn)行化學(xué)氧化溶胞破解污泥，通過(guò)單因素試驗(yàn)考察主要影響因素對(duì)污泥破解效果的影響；通過(guò)正交試驗(yàn)研究超聲波聯(lián)合ClO2對(duì)剩余污泥細(xì)胞破解的效率，得出各主要因素的影響規(guī)律及最佳污泥破解條件。結(jié)果表明，污泥上清液各相關(guān)指標(biāo)的變化幅度與聲能密度、ClO2投加量正相關(guān)，但隨著時(shí)間的延長(zhǎng)及ClO2投加量的增加，變化幅度趨緩。最佳處理?xiàng)l件為：超聲波聲能密度為1.0 W/mL，作用時(shí)間為6 min，ClO2投加量為6 mg/g［干泥］，能使SCOD增幅達(dá)2 213%，TN增幅達(dá)203.67%，TP增幅達(dá)827.08%，MLSS減幅達(dá)6.48%。

超聲波；ClO2；剩余污泥；污泥破解；正交試驗(yàn)

目前，全世界超過(guò)90%的城市污水處理采用活性污泥法?；钚晕勰喾〞?huì)產(chǎn)生大量的剩余污泥，而且剩余污泥的處理處置已經(jīng)成為城市污水處理迫切需要解決的問(wèn)題。以歐美為例，污泥處理處置基建費(fèi)用占污水處理廠總基建費(fèi)用的比例高達(dá)60%～70%，污泥處理費(fèi)用占污水處理廠運(yùn)行費(fèi)用的30%～40%，有的甚至高達(dá)60%［1］。污泥減量化這一概念是在20世紀(jì)90年代提出的，它是指通過(guò)利用物理、化學(xué)、生物的手段，使得整個(gè)污水處理系統(tǒng)向外排放的生物固體量達(dá)到最少［2-3］。其中，破碎溶胞是污泥減量的關(guān)鍵之一。破碎溶胞指采用物理、化學(xué)等方法將剩余污泥破碎、溶解，以實(shí)現(xiàn)污泥減量化。物理破碎法主要有機(jī)械破碎法、熱處理法、高壓噴射法、珠磨法、超聲波破碎法等?；瘜W(xué)方法主要有堿解法、臭氧氧化法、氯氧化法、ClO2氧化法。

超聲波破碎是通過(guò)交替壓縮和擴(kuò)張產(chǎn)生空穴作用，以此壓碎細(xì)胞壁［4-5］。Tiehm等［6］研究表明超聲波頻率不宜超過(guò)40 kHz。Bougrier等［4］研究發(fā)現(xiàn)在能耗為1 350 kJ/kg［TS］下破解污泥，超聲波破解污泥可使剩余污泥的顆粒粒徑變小。趙繼紅等［7］在聲能密度為1 W/mL、作用時(shí)間為15 min的條件下，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間6 h，MLSS的質(zhì)量濃度維持在約3 000 mg/L，系統(tǒng)一個(gè)月內(nèi)污泥的增加量?jī)H為56 mg/L，且出水水質(zhì)較好，但超聲波的高能耗限制了其在污泥破解中的應(yīng)用。

ClO2作為氧化劑，與氯氣很大的不同是與酚反應(yīng)不產(chǎn)生異味很大的氯苯酚，與腐殖質(zhì)及有機(jī)物反應(yīng)時(shí)幾乎不產(chǎn)生有機(jī)鹵化物（TOX），不生成并抑制生成有致癌作用的TMHs，另外，ClO2成本較低。國(guó)內(nèi)已有采用ClO2對(duì)污泥進(jìn)行細(xì)胞溶解的研究報(bào)道。張樹(shù)艷［8］研究發(fā)現(xiàn)ClO2可對(duì)剩余污泥微生物起到化學(xué)溶胞作用，將其作為污泥減量的技術(shù)是可行的。李欣等［9］通過(guò)靜態(tài)對(duì)比試驗(yàn)，表明ClO2對(duì)活性污泥具有溶胞作用，ClO2最佳投加量在10.0 mg/g［干污泥］左右。傅金祥等［10］通過(guò)動(dòng)態(tài)對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)ClO2氧化污泥后回流能使活性污泥處理系統(tǒng)1個(gè)月不排泥，且曝氣池的污泥濃度較為穩(wěn)定，污泥減量率達(dá)到100%，但系統(tǒng)的出水水質(zhì)受到了一定的影響。

單一技術(shù)很難在保證污水處理達(dá)標(biāo)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效的污泥減量，為此，人們開(kāi)始考慮采用聯(lián)合技術(shù)，如梁樹(shù)焜［11］、林嘉添［12］、王廣華［13］采用ClO2氧化聯(lián)合超聲波破碎破解污泥，結(jié)果表明，ClO2聯(lián)合超聲波破解污泥是一種非常有潛力的技術(shù)。本研究擬采取先超聲波細(xì)胞破碎處理后ClO2氧化溶胞破解污泥，通過(guò)正交試驗(yàn)分析上清液各相關(guān)指標(biāo)的變化規(guī)律及對(duì)污泥細(xì)胞破解效果的影響規(guī)律，確定各主要因素的排序及最佳污泥破解條件，為超聲波聯(lián)合ClO2的污泥破解技術(shù)提供依據(jù)。

1　材料與方法

1.1SBR中試系統(tǒng)

SBR系統(tǒng)有效容積為1 260 L，運(yùn)行周期為8 h，每一個(gè)周期的分配為：進(jìn)水（0.5 h）、曝氣期（4.0 h）、沉淀期（1.5 h）、排水期（0.5 h）、閑置期（1.5 h）?？諝饬髁繛?00 L/h，維持曝氣階段的DO的質(zhì)量濃度約為2 mg/L。進(jìn)水為污水處理廠沉砂池出水，CODCr的質(zhì)量濃度為100～500 mg/L。

1.2剩余污泥

當(dāng)SBR系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，MLSS的質(zhì)量濃度維持在3 000 mg/L左右后，排出污泥，其pH值為7.3～7.8，含固率約為1.5%。

1.3超聲波發(fā)生器

寧波新芝公司SCIENTZ-IID超聲波發(fā)生器，工作頻率為20 kHz，輸出功率為0～950 W。

1.4試驗(yàn)方法

1.4.1單因素污泥破解試驗(yàn)

分別在聲能密度為0.5、1.0、2.0 W/mL的條件下，對(duì)含固率為1.5%的剩余污泥進(jìn)行超聲波處理，并分別于60、120、240、360、480及600 s結(jié)束，分析污泥上清液SCOD、MLSS、TN及TP濃度的變化，考察超聲波聲能密度、作用時(shí)間對(duì)污泥破解效果的影響。

在ClO2投加量分別為2、4、6、8、10及12 mg/g［干污泥］的條件下，對(duì)含固率為1.5%的剩余污泥進(jìn)行處理。分析污泥上清液SCOD、MLSS、TN及TP濃度的變化，考察ClO2投加量對(duì)污泥破解效果的影響。

1.4.2正交試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選出聲能密度（A）、作用時(shí)間（B）以及ClO2投加量（C）3個(gè)影響因素，每個(gè)因素考察3個(gè)水平。正交試驗(yàn)的因子水平如表1所示。

表1 正交試驗(yàn)的因子水平Tab.1　Factor levels of orthogonal test

1.5分析方法

SCOD采用重鉻酸鉀法測(cè)定；MLSS采用重量法測(cè)定；TN采用過(guò)硫酸鉀紫外分光光度法測(cè)定；TP采用鉬酸銨分光光度法測(cè)定。

2　結(jié)果與討論

2.1單因素試驗(yàn)

2.1.1聲能密度、作用時(shí)間對(duì)污泥破解效果的影響

超聲波聲能密度、作用時(shí)間對(duì)污泥上清液SCOD、TN、TP及MLSS濃度的影響如圖1～圖4所示。

從圖1～圖4可以看出，對(duì)應(yīng)各聲能密度，當(dāng)作用時(shí)間為6 min，SCOD增幅分別為713.75%、1 397.01%、1 567.33%，TN增幅分別為63.09%、84.56%、119.46%，TP增幅分別為 293.04%、 389.70%、665.80%，MLSS減幅分別為 2.55%、3.49%、4.44%。充分反映出上清液各相關(guān)指標(biāo)的變化幅度與聲能密度正相關(guān)，聲能密度越大，幅度變化越大。隨著作用時(shí)間的延長(zhǎng)，幅度逐漸趨緩。污泥細(xì)胞結(jié)構(gòu)隨作用時(shí)間的延長(zhǎng)，其被破壞程度逐漸增強(qiáng)，污泥細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)從固相轉(zhuǎn)移到水相，基于超聲波能耗的考慮，對(duì)應(yīng)各聲能密度適宜的作用時(shí)間是必須考慮的。

圖1　污泥上清液SCOD增幅隨時(shí)間的變化

圖2 污泥上清液TN增幅隨時(shí)間的變化

圖3　污泥上清液TP增幅隨時(shí)間的變化

圖4 污泥上清液MLSS減幅隨時(shí)間的變化

2.1.2ClO2投加量對(duì)污泥破解效果的影響

ClO2投加量對(duì)污泥上清液SCOD、TN、TP及MLSS的影響如圖5所示。

圖5　污泥上清液各指標(biāo)隨ClO2投加量的變化情況

從圖5可以看出，在ClO2投加量分別為2、4、6、8、10、12 mg/g［干污泥］的條件下，SCOD增幅分別為65.27%、91.18%、129.99%、137.23%、159.69%、192.53%，TN增幅分別為 92.58%、244.87%、312.89%、344.78%、351.20%、358.70%，TP增幅分別為 106.80%、245.80%、547.60%、624.50%、743.10%、882.45%，MLSS減幅分別為0.98%、2.34%、4.37%、4.48%、4.50%、4.62%。上清液各相關(guān)指標(biāo)的變化幅度與ClO2投加量呈正相關(guān)，ClO2投加量越大，幅度變化越大，但隨著ClO2投加量的增加，各指標(biāo)的變化幅度逐漸趨緩。

ClO2與污泥中的微生物細(xì)胞發(fā)生氧化反應(yīng)，使得微生物細(xì)胞壁發(fā)生破裂，細(xì)胞質(zhì)溶出并從污泥固相中轉(zhuǎn)入水相中。同時(shí)，由于ClO2的強(qiáng)氧化作用，在溶解微生物細(xì)胞的同時(shí)，還能將污泥體內(nèi)或表面吸附的一部分無(wú)機(jī)成分與污泥固相分離。

2.2正交試驗(yàn)

正交試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

由表2中的極差大小可知：影響上清液SCOD釋放的主要順序?yàn)椋鹤饔脮r(shí)間＞ClO2投加量＞聲能密度；影響上清液TN釋放的主要順序?yàn)椋鹤饔脮r(shí)間＞聲能密度＞ClO2投加量；影響上清液TP釋放的主要順序?yàn)椋鹤饔脮r(shí)間＞聲能密度＞ClO2投加量；影響MLSS減少的主要順序?yàn)椋鹤饔脮r(shí)間＞ClO2投加量＞聲能密度。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果及分析Tab.2　Results and analysis of orthogonal test

2.3最佳條件的確定

對(duì)表2中的均值進(jìn)行分析，可以確定最佳條件為：聲能密度為1.0 W/mL，作用時(shí)間為6 min，ClO2投加量為6 mg/g［干污泥］。以此條件進(jìn)行了3次重復(fù)性試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。

表3 重復(fù)性試驗(yàn)結(jié)果Tab.3　Results of repeated test

3　結(jié)論

超聲波聯(lián)合ClO2能較好地破解污泥細(xì)胞，污泥上清液各相關(guān)指標(biāo)的變化幅度與聲能密度、ClO2投加量正相關(guān)，但隨時(shí)間及投加量的增加，變化幅度趨緩。超聲波聯(lián)合ClO2破解剩余污泥的最佳條件是聲能密度為 1.0 W/mL，作用時(shí)間為6 min，ClO2投加量為 6 mg/g［干污泥］。在此條件下，SCOD增幅為2 213%、TN增幅為203.67%、TP增幅為827.08%、MLSS減幅為6.48%。

［1］劉春紅，楊順生，戴本林.我國(guó)超聲波處理污泥技術(shù)的研究進(jìn)展［J］.安徽化工，2007，（2）：20-22.

［2］劉琳，宋碧玉.污泥減量化技術(shù)新進(jìn)展［J］.工業(yè)用水與廢水，2005，36（3）：5-9.

［3］高麗英，湯兵.解偶聯(lián)代謝污泥減量機(jī)理及其新工藝［J］.工業(yè)用水與廢水，2012，43（1）：6-10.

［4］BOUGRIER C，CARRERE H，DELGENES J P.Solubilisation of waste-activated sludge by ultrasonic treatment［J］.Chemical Engineering Journal，2005，106（2）：163-169.

［5］王廣華，李義勇，胡勇有，等.ClO2耦合超聲波破解污泥回流SBR系統(tǒng)的隱性生長(zhǎng)污泥減量研究［J］.工業(yè)用水與廢水，2014，45（1）：85-91.

［6］BOUGRIER C，ALBASI C，DELGENèS J P，et al.Effect of ultrasonic，thermal and ozone pre-treatments on waste activated sludge solubilisation and anaerobic biodegradability［J］.Chemical Engineering and Processing，2006，4（8）：711-718.

［7］趙繼紅，劉楠，劉永德.超聲對(duì)SBR工藝中剩余污泥的減量化研究［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2008，31（2）：77-79.

［8］張樹(shù)艷.應(yīng)用ClO2進(jìn)行污泥減量的技術(shù)研究［J］.青島：青島理工大學(xué)，2005.

［9］李欣，裴麗花.ClO2氧化污泥減量性能試驗(yàn)研究［J］.遼寧化工，2006，35（10）：567-569.

［10］傅金祥，裴麗花，許海良，等.ClO2氧化污泥減量試驗(yàn)研究［J］.工業(yè)安全與環(huán)保，2008，34（4）：11-13.

［11］梁樹(shù)焜.ClO2氧化溶胞耦合超聲波細(xì)胞破碎的污水處理系統(tǒng)污泥減量研究［D］.廣州：華南理工大學(xué)，2011.

［12］林嘉添.ClO2耦合超聲波破解污泥隱性生長(zhǎng)在污水處理系統(tǒng)中污泥減量研究［D］.廣州：華南理工大學(xué)，2012.

［13］王廣華.ClO2耦合超聲波破解污泥溶出機(jī)理與微生物隱性生長(zhǎng)的污泥減量研究［D］.廣州：華南理工大學(xué)，2011.

A study of sludge treatment efficiency by ultrasonic disintegration combined with ClO2oxidation

SHEN Hui-shan
（Guangdong Province Environmental Technology Center，Guangzhou 510308，China）

Excess sludge from SBR was disintegrated firstly by ultrasonic，and then was treated by lysis process based on chemical oxidation with ClO2added.The main factors influencing sludge disintegration were investigated by single factor test；besides，the effect of the combined process of ultrasonic disintegration and ClO2oxidation on excess sludge disintegration efficiency was studied through orthogonal test，the influencing rules of the main factors and the optimal condition for sludge disintegration were finally determined.The results showed that，there was a positive correlation among rangeability of indexes of supernatant liquid，energy density of sound and ClO2dosage，however，with the extension of reaction time and the increasing of ClO2dosage，the indexes variation was slow down.Under the optimal treatment condition that:the sound energy density of ultrasonic was 1.0 W/mL，the reaction time was 6 min，the dosage of ClO2was 6 mg/g（dry sludge），the growing rates of SCOD，TN and TP were 2 213%，203.67%and 827.08%respectively；the decreasing rate of MLSS was 6.48%.

ultrasonic；ClO2；excess sludge；sludge disintegration；orthogonal test

X703.1

A

1009-2455（2016）04-0084-04

沈會(huì)山（1983-），男，湖北赤壁人，工程師，主要從事與環(huán)境技術(shù)相關(guān)的工作，（電子信箱）281588921@qq.com。

2016-04-14（修回稿）