石灰穩定化污泥惡臭物質釋放特征研究

蔣建國,杜 偉,殷 閩,宮常修,郭覃碩 (.清華大學環境學院,北京 00084；2.清華大學固體廢物處理與環境安全教育部重點實驗室,北京 00084)

石灰穩定化污泥惡臭物質釋放特征研究

蔣建國1,2*,杜 偉1,殷 閩1,宮常修1,郭覃碩1(1.清華大學環境學院,北京 100084；2.清華大學固體廢物處理與環境安全教育部重點實驗室,北京 100084)

利用污泥-石灰高效混合器制備5%、10%、15%石灰添加量的穩定化污泥,應用Jerome 631-X型便攜式硫化氫測定儀、靜態吸收等試驗方法,分別研究了不同石灰添加比例下污泥還原性硫化物(RSCs)和氨(NH3)的釋放特征,并對臭度進行了評價.結果表明:污泥中添加石灰后,RSCs體現出緩釋特征;石灰穩定化污泥RSCs的釋放量下降明顯,連續監測380min后,石灰穩定化污泥處理的RSCs產生量相比等質量原泥處理降低了約85%;恒溫培養24h,石灰穩定化污泥的NH3釋放量(5.03×10-4mol)相比等質量原泥處理(7.00×10-6mol)提高了約72倍,明顯促進了污泥氮向氨氣的轉化和釋放.向污泥中添加少量工業石灰,均勻混合條件下,污泥的臭味強度明顯降低,基本達到了抑制惡臭的目的.

污泥；石灰穩定化；惡臭物質；釋放特征

我國生活污水處理率和處理程度不斷提高,產生的市政污泥逐年增加.污泥含水率高、性質不穩定,其科學處理處置已經成為備受關注的公眾問題[1].市政污泥中氮、硫含量較高,受厭氧微生物活動和氨化細菌的影響,還原性硫化物(RSCs)和氨以氣體形式釋放到大氣中,因此,在污泥產生、運輸過程中不可避免地帶來惡臭污染[2-3],使之成為污泥穩定化處理重點關注的問題之一.惡臭污染是僅次于噪聲污染的第六大公害,一般采用感官分析法和儀器分析法進行測定.感官分析法較為直接、簡便,被廣泛采用,但無法進行定量判斷;儀器分析法則是借助各種化學分析儀器方法來確定惡臭的組成,由于惡臭氣體的復雜性和多樣性,其分析方法也極為復雜;近年來有研究使用一種可以響應多種還原性硫化物的Jerome 631-X型便攜式硫化氫測定儀,用于定量推算污泥釋放的總 RSCs相對量,由此判斷惡臭程度[4],同時提高了檢測效率.

向濕污泥中投加干燥生石灰 CaO、熟石灰Ca(OH)2或石灰水,利用石灰對污泥的直接改性作用和間接作用,能夠殺滅污泥中的微生物,降低惡臭[5],但惡臭祛除效果受兩者混合均勻程度的影響較大[4-6],為了達到充分的穩定化效果,應提高石灰與污泥的接觸程度[7].目前傳統的機械攪拌混合技術無法滿足泥灰充分混合的要求[4],不僅影響到石灰在泥-灰混合體系中的作用程度,也容易造成石灰資源的浪費,而且這種限制在工程應用中還會擴大.目前,石灰穩定化技術在國內外污泥處理中均得到應用[8-10],國外石灰穩定化工藝技術已經形成較完善的體系[10-11],相比之下,我國對石灰穩定化技術在污泥滅菌、惡臭處理及污泥最終處置等方面的基礎研究仍十分薄弱,限制了該技術在國內的應用和發展.

本研究應用高效混合設備制備石灰穩定化污泥,研究 5%、10%、15%石灰添加量(質量比)下,石灰穩定化污泥還原性硫化物和氨氣釋放規律特征,以評價石灰在抑制污泥惡臭和刺激性氣體釋放等方面的穩定化效果.

1 材料與方法

1.1 供試污泥

供試污泥取自江蘇省常州市某污水處理廠,其基本性質如表1所示.

表1 脫水污泥(原泥)的基本理化性質Table 1 Properties of dewatered sludge (original sludge)

1.2 石灰穩定化工藝流程

本工藝核心設備由污泥石灰高效預混合系統、犁刀-飛刀復合型污泥-石灰高效混合器和絕熱污泥倉組成,達到污泥-石灰高效混合的效果,同時強化石灰的穩定化效果.

1.3 樣品采集與前處理

采用在線采樣的方式,隨機采集5%、10%、15%石灰添加量的倉前泥、2h倉后泥(絕熱污泥倉)各 5次,每個樣品混合后密閉保存,實驗室立即分析.同時采集原泥備測.

1.4 測定方法

1.4.1 還原性硫化物 分別稱取 0%(原泥)、5%、10%、15%石灰添加量的污泥100g,置于2L具塞錐形瓶中,密封后將錐形瓶置于震蕩器上,180v/min震蕩,每隔20min使用Jerome 631-X型便攜式硫化氫測定儀測定一次,測定總時長6h以上.測試過程中注意錐形瓶的密閉性,防止還原性硫化物的逸失.每個處理平行3次.同時設置空白對照.

1.4.2 氨氣 使用靜態吸收法對污泥產生的氨氣進行測定.分別稱取0%(原泥)、5%、10%、15%石灰添加量污泥100g,置于2L具塞玻璃瓶中,同時瓶內放置盛有10mL 2%硼酸溶液的燒杯用于吸收產生的氨氣,密封玻璃瓶,置于 25℃培養箱中恒溫培養,24h后取出吸收了氨氣的燒杯,使用0.05mol/L的鹽酸滴定,計算氨氣吸收量.每個處理平行3次.同時設置空白對照.

2 結果與討論

2.1 還原性硫化物的釋放特征

污泥中的硫主要以有機硫形式存在(80%以上),其他以硫化物、硫酸鹽等形式存在.根據污泥的結構特征,污泥基本處于厭氧狀態,在微生物的作用下會產生還原性硫化物,帶來惡臭.前人研究認為,污泥中添加石灰能夠抑制還原性硫化物的產生[4,12];本研究亦發現,與等質量原泥相比,石灰穩定化污泥還原性硫化物的釋放量下降明顯, 380min后,添加石灰的污泥處理的還原性硫化物產生量相比原泥處理降低了約85%(5%、10%、15%石灰添加量的污泥處理平均)(圖 1).Logan等[5]認為,污泥中加入石灰使污泥的pH值＞12并保持一段時間,由此創造的強堿性環境和釋放出的大量熱量能夠殺死微生物,可能是抑制還原性硫化物產生的主要原因.除抑制微生物作用外,堿性條件下還原性硫化物與其他物質之間發生的物理、化學反應可能是抑制還原性硫化物釋放的另一個因素,例如,硫化氫在堿性條件下發生酸堿中和反應并與金屬離子結合生成硫化物沉淀,最終被吸附固定在污泥中.

圖1 不同石灰添加量(5%、10%、15%)對污泥還原性硫化物(RSC)釋放的影響Fig.1 Effect of different lime application rate on sludge RSC release

Hwang等[12]研究發現,還原性硫化物產生量隨石灰用量的增加而降低,并認為可能是由于不同石灰添加量對含硫成分和微生物細胞代謝作用的影響存在差異引起的;然而本研究卻發現,不同石灰添加比例的等質量污泥還原性硫化物的平均釋放量基本維持在2′10-6左右(圖1),雖然處理間差異不大,但還原性硫化物釋放量體現了石灰添加量15%＞10%＞5%的微弱趨勢.因此,對于較高投入比例的石灰使污泥還原性硫化物在短時間內略有增加還需進一步研究;另一方面也說明本實驗條件能夠使污泥-石灰實現均勻混合,即使較低用量的石灰也可以達到抑制污泥還原性硫化物產生的目的.

由圖1還可以看出,原泥還原性硫化物釋放量在380min檢測時間內隨時間體現了增加趨勢,而添加石灰的污泥處理的還原性硫化物釋放量則隨時間維持在一定水平或略有降低;與等質量原泥相比,添加石灰的污泥處理的硫化氫釋放速率(曲線斜率)明顯降低,體現出石灰穩定化污泥還原性硫化物緩慢釋放的特點,也佐證了石灰對污泥中還原性硫化物的釋放具有抑制效應.此外,石灰穩定化污泥的倉前泥(混合機出口)還原性硫化物的釋放量略低于倉后泥(絕熱污泥倉出口),但差異不大,規律性亦不明顯,說明石灰與污泥的充分接觸與石灰對污泥惡臭物質產生的抑制作用具有同步性.

2.2 氨氣釋放特征

污泥中的氮主要是以銨氮和有機氮形式存在,有機氮在微生物作用下發生礦化作用轉變為銨態氮,堿度提高會使不穩定的污泥氮發生氨化作用,進而在堿性條件下生成易揮發的氨氣釋放出來[4].本研究發現,恒溫培養 24h,石灰穩定化污泥的 NH3釋放量達到 5.03×10-4mol,相比原泥處理(7.00×10-4mol)提高了約72倍,明顯促進了污泥氮向氨氣的轉化和釋放(表 2).North[4]研究發現,污泥中的NH3釋放量隨石灰添加量的增加而增加;而本研究卻發現,等質量條件下,5%石灰添加量與10%石灰添加量的污泥的氨氣釋放量(倉前泥與倉后泥氨氣釋放的平均值)之間沒有差異,15%石灰添加量處理的氨氣釋放量略有增加,但增幅很小,這可能與所使用的混合方式不同有關,較高程度的泥-灰均勻分布對氨氣釋放的促進作用遠大于石灰用量不同造成的差異.此外,倉后泥的氨氣釋放量(5%、10%、15%石灰添加處理平均 5.11×10-4mol)較倉前泥(5%、10%、15%石灰添加處理平均 4.95×10-4mol)略有增加,說明養護處理使泥體的堿度分配更為均勻,并使泥體保持一段高溫時間,更加能夠促進污泥中含氮物質向NH3的轉化.

表2 不同石灰添加比例對污泥氨氣釋放的影響Table 2 Effect of different lime application rate on ammonia gas release

2.3 污泥的臭味強度

惡臭的感官分析方法是根據人的嗅覺對惡臭氣味的嗅覺響應,通過人的嗅覺對惡臭的特征進行數值或文字的描述,是一種非常實用、有效的分析方法,也是對惡臭污染最準確的評價方式[13],臭味識別與感受人群對臭味物質的敏感程度有關(表3).

由表4看出,在污泥中添加5%、10%、15%的工業石灰后,污泥中臭味強度顯著降低,從5級降為2級以下.在污泥中添加15%的石灰,可以使污泥的臭味強度降到1級,即從無法忍受的強烈臭味降低至勉強可以感覺到輕微臭味,這與添加石灰后顯著降低了還原性硫化物產生量有一定關系,由此判斷,石灰穩定化技術基本能夠達到抑制惡臭的目的.

表3 八種臭味物質的感覺閾值[14](mg/kg)Table 3 Smell threshold Value of eight categories of odor matters(mg/kg)

表4 不同污泥的臭味強度變化Table 4 Odour intensity variation among different sludge

3 結論

3.1 污泥中添加石灰能夠抑制具有惡臭性質的還原性硫化物的產生,并使之表現出緩釋效應.

3.2 石灰與污泥充分混合,即使 5%的石灰添加量也能夠達到抑制污泥惡臭產生的目的.

3.3 石灰提高了污泥泥體的堿度,使氨氣的釋放量大幅度提升,雖然氨氣釋放濃度未達到感覺閾值,但存在產生空氣“二次污染”的風險,也會造成資源浪費,在工程應用中建議考慮氨的固定回收問題.

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Release character of offensive odorants produced from lime stabilizing sludge.

JIANG Jian-guo1,2*, DU Wei1, YIN Min1, GONG Chang-xiu1, GUO Qin-shuo1(1.School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China；2.Key Laboratory for Solid Waste Management and Environment Safety, Ministry of Education, Tsinghua University, Beijing 100084, China). China Environmental Science, 2012,32(9)：1620～1624

Studies and offensive odorant analysis on RSCs and NH3produced from sludge at 0, 5%, 10%, 15% lime application rate, by using Jerome 631-X Hydrogen Sulfide Analyzer and static absorption test method respectively, were carried out under laboratory condition. Slow-release character of RSCs produced from sludge was observed after the lime was applied into sludge, and the application of lime decreased the production amount of RSCs from sludge, i.e. under the equiponderance condition, production value of RSCs from lime-stabilized sludge reduced to about only 15% of that from original sludge after 380 minutes, besides, under the equiponderance condition, release value of NH3(5.03×10-4mol) from lime-stabilized sludge was about 72 times of that (7.00×10-6mol) from original sludge after 12h incubation, as showed that lime amendment promoted the transformation and release of NH3obviously. Furthermore, even a small amount of lime application could reduce the offensive odor intensity obviously, and the aim of odorant control could be achieved basically under the condition of highly mixing of lime and sludge.

sludge；lime stabilizing；odorant；release character

2012-01-10

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07301-001)

* 責任作者, 教授, jianguoj@mail.tsinghua.edu.cn

X703.5

A

1000-6923(2012)09-1620-05

蔣建國(1970-),男,江蘇丹陽人,教授,博士,主要從事固體廢棄物處理處置及資源化利用研究.發表論文100余篇.