微波-堿熱水解剩余污泥的破解研究

馬 妮 娜， 孫 德 棟， 郭 思 曉， 杜 艷， 馬 春， 郝 軍， 張 新 欣， 薛 芒

( 大連工業大學 化工與材料學院， 遼寧 大連 116034 )

0 引 言

隨著活性污泥工藝在廢水處理中的廣泛應用,其產生的剩余污泥的處置問題日益突出。剩余污泥的微生物細胞壁是一個穩定的半剛性結構，所以細胞壁的破解成為污泥處理技術的限制因素，造成污泥的處理處置困難。近年來，研究者利用細胞破碎技術，如通過熱、堿、酸或幾種技術的聯合來處理污泥，從而改變污泥自身的特性[1-2]。熱堿水解是一種有效的污泥預處理技術，可以有效破解污泥，改善污泥的脫水性能，提高污泥的厭氧消化性能以及厭氧生物產氣量，提高生物除磷效果[3]。

微波加熱是一種容積加熱，能從內部迅速加熱，因此沒有熱傳遞過程的熱損失。由于污泥是典型的混合物，除了主要成分水以外，還有氧化物、無機鹽和有機物。在微波場中，無機顆粒物提供了共沸中心，會出現局部過熱現象，更有利于污泥的溶解[4]。以微波輻照與化學藥劑相結合為理論基礎的污泥破解研究，國內報道不多。國內應用微波處理剩余污泥僅處在單純利用微波使剩余污泥脫水、干燥及對污泥結構破壞的研究階段。而化學藥劑如酸、堿、鹽等的應用，僅限于國外采用熱處理與酸、堿等藥劑相結合以及在活性污泥系統中投加解偶聯劑的污泥減量研究。

本研究以城市污泥為對象，開展密閉條件下堿輔助污泥微波熱水解實驗，探討污泥性質發生的變化。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗所用活性污泥取自大連凌水河污水處理廠CAST工藝曝氣池混合液，污泥質量濃度為3～5 g/L，污泥含水率為98%左右， pH為6.7左右，取回后在4 ℃冰箱中保存。

1.2 實驗方法

取15 mL活性污泥，向污泥中投加一定量的0.5 mol/L的NaOH溶液，每克SS NaOH投加范圍為0.03～0.20 g。置入70 mL聚四氟乙烯消解罐中，將消解罐蓋擰緊密閉，把裝有樣品的消解罐放入微波爐中，排列均勻，在一定的微波功率下反應一定時間，冷卻后取樣分析。

1.3 分析項目與方法

COD測定采用重鉻酸鉀法[5]；污泥SS采用重量法；TP測定采用鉬銻抗分光光度法；TN測定采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法；蛋白質測定采用考馬斯亮藍染色法；多糖測定采用苯酚-硫酸法； pH測量采用FE20型pH計。

2 結果與討論

2.1 微波輻照時間對污泥分解率的影響

采用微波輻照加堿處理污泥，考察微波輻照時間變化對SS分解率的影響。在微波功率800 W、輻照時間為70～110 s的條件下，比較每克SS NaOH投加量0.15 g和單獨微波輻照時，SS隨時間的變化情況，結果如圖1所示。

微波輻照首先破壞的是污泥的胞外聚合結構，進一步微波輻射使污泥微生物細胞壁開始受到胞內水分的機械性撞擊而破裂，污泥細胞內物質溢出，再加上堿的化學作用，使細胞壁完全破壞，大量胞內物質溶解在液相中。實驗結果表明，當微波輻照時間為110 s時，污泥分解率大幅度增加，達到48%，而未添加NaOH的污泥分解率為31%。延長反應時間，反應劇烈，聚四氟乙烯消解罐漏氣，因此本實驗微波輻照時間采用110 s。

圖1 不同微波輻照時間對SS分解率的影響

2.2 微波功率變化對污泥分解率的影響

當NaOH投加量一定時，考察不同微波輻照功率對污泥分解率的影響。微波輻照時間為110 s，每克SS NaOH投加量為0.15 g，對照組不添加NaOH，考察微波功率為300～800 W時的污泥分解效果，結果見圖2。由圖2可知，隨著微波功率的增大，污泥分解率也隨之增大。當微波功率800 W時，污泥分解率達到46.7%，比未加堿的大15%。

圖2 不同微波輻照功率對SS分解率的影響

2.3 NaOH投加量對污泥分解率的影響

在微波功率800 W、輻照時間為110 s的條件下，考察NaOH投加量從0增大到0.27 g過程中每克SS的變化情況，結果如圖3所示。由圖3可見，在相同微波輻照時間下，NaOH投加量越多，SS分解率越大。少量的堿首先破壞污泥的絮體結構，隨著加堿量的上升，細胞結構開始被破壞，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。因為試驗是密閉體系，微波輻照時，水仍維持在液相狀態，形成濕式氧化產生· OH的條件，產生的· OH能更有效地破壞污泥微生物細胞壁，使污泥分解。如圖3所示，當投加量增大到0.14 g時，污泥分解率由14%上升到46%；繼續增加NaOH投加量，污泥分解率變化緩慢。過多的堿會造成污泥的pH過高，且會發生褐變反應，反而降低其可生物降解性[6]。

圖3 NaOH投加量對SS分解率的影響

2.4 污泥預處理過程中pH的變化

在微波功率800 W，每克SS中NaOH投加量為0.145 g的條件下，考察輻照時間從0～110 s，pH的變化情況，并以不加堿的污泥做對照組。結果見圖4。

圖4 微波過程中pH的變化

由圖4可知，單獨微波處理的污泥pH由最初的6.7下降到5.9。原因是在微波加熱過程中污泥逐步破解，污泥中的揮發性有機酸等釋放到液相中，使污泥pH下降。微波-堿處理污泥時，污泥溶液pH由最初的10.5下降到微波輻照110 s時的9.1，而后污泥pH變化不大。結果表明污泥中的NaOH能夠有效中和污泥破解后釋放出的揮發性有機酸，從而使污泥保持在偏堿性，有利于后續的污泥厭氧處理[7]。

2.5 處理后污泥溶液中SCOD濃度的變化

污泥破解后，胞內物質會釋放到溶液中，使污泥上清液中的有機物濃度增加。考察在微波輻照功率為800 W、微波輻照時間為110 s，每克 SS中NaOH 投加量為0～0.22 g，污泥上清液SCOD值的變化。由圖5可知，隨著NaOH 投加量的逐漸增加，污泥的胞外聚合物和膜結構被破壞，污泥微生物細胞中原來不溶性的有機物從胞內釋放出來，并水解成蛋白質和碳水化合物等有機物，成為溶解性物質，從而提高了污泥的SCOD質量濃度[8]。當每克SS中NaOH的投加量增加到到0.14 g時，SCOD質量濃度由190 mg/L上升到2 487 mg/L，上升了12倍。

圖5 不同NaOH投加量時污泥混合液中SCOD質量濃度的變化

2.6 處理后污泥溶液中TP、TN質量濃度的變化

微波功率800 W、輻照時間為110 s的條件下，考察每克SS NaOH投加量0～0.21 g過程中，污泥溶液中TP、TN的變化情況，結果見圖6。

圖6 不同NaOH投加量時污泥溶液中TN、TP質量濃度的變化

N、P分別約占污泥微生物質量的12%和2%，因此考察污泥破解時N、P釋放量對工藝設計和運行有很重要的意義[9]。結果表明，微波與堿作用能有效促進污泥中N、P的釋放。由圖6可知，當每克SS NaOH投加量為0.14 g時，污泥溶液中TP質量濃度由4.7 mg/L上升到11.55 mg/L，增大了1.45倍。TN質量濃度從27.4 mg/L增加到76.1 mg/L，增加了1.7 倍。

2.7 處理后污泥溶液中蛋白質、多糖質量濃度的變化

有研究指出，剩余污泥中的有機物主要由蛋白質、碳水化合物和脂類3種物質組成。其中蛋白質占50%左右，其次是碳水化合物占11%左右，脂類占5%以及34%其他物質[10]。因此實驗考察了微波功率800 W，微波時間110 s，不同NaOH投加量對蛋白質和多糖的作用。如圖7所示。

圖7 不同NaOH投加量時污泥混合液中蛋白質、多糖質量濃度的變化

如圖7所示，污泥上清液中的蛋白質含量隨投堿量的增加而增加，當NaOH投加量增大到0.14 g時，蛋白質質量濃度從23 mg/L增加到204 mg/L，增大了7.9倍。這說明在密閉的微波體系下添加堿，能夠促進污泥胞外聚合物及細胞壁的破解，從而增加了液相中蛋白質的含量。

多聚糖結構簡單，較易被釋放和進一步氧化分解，是污泥胞外聚合物(EPS)的組成部分[11-12]，微波堿解破壞了污泥胞外聚合物(EPS)，使其溶解到液相中。如圖7所示，每克SS中NaOH的投加量增加到0.14 g時，多糖質量濃度由65.6 mg/L增加到124.3 mg/L，增加了0.89倍。

3 結 論

密閉體系下微波輻照與堿聯合處理污泥可以促進污泥細胞的破解。在微波輻照功率800 W、輻照時間110 s、每克SS中NaOH 投加量為0.145 g 時，污泥溶解率達到46%，處理后污泥中溶解性有機物濃度明顯增加，SCOD質量濃度由190 mg/L上升到2 487 mg/L，上升了12倍；微波-堿熱解污泥后，微生物細胞胞內物質溶出，導致污泥溶液中TP、TN質量濃度增加，與不加堿相比，處理后污泥上清液中TP、TN的質量濃度分別增大了1.45倍和1.7 倍；細胞中的蛋白質和糖釋放到液相中，與單獨微波處理相比，蛋白質和多糖的質量濃度分別增加了7.9倍和0.89倍。污泥破解后，釋放出的脂肪酸與污泥中的堿反應，使污泥溶液的pH由10.5降至9.1。

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