超聲波聯(lián)合鈦白廢酸改善污泥脫水性能的研究

張 欣

(重慶市三峽水務(wù)渝北排水有限責(zé)任公司，重慶 401120)

1 引言

活性污泥法是世界上應(yīng)用最廣泛、最成熟的城市污水處理方法[1]。但是，該法在處理污水過程中，會(huì)產(chǎn)生大量的含水量為98%的剩余污泥，該污泥除了含有大量的有機(jī)質(zhì)外，還含有大量的寄生蟲卵、病原微生物及重金屬等[2]。如果處置不當(dāng)，會(huì)產(chǎn)生惡臭，造成地下水污染，破壞環(huán)境，并威脅人類的健康[2,3]。如何解決剩余污泥帶來的二次污染問題已成為當(dāng)前我國(guó)環(huán)保工作者面臨的重要任務(wù)之一。然而，在傳統(tǒng)污泥處理技術(shù)的制約下，要實(shí)現(xiàn)污泥的無害化、減量化、資源化，首要核心是采用合適的方法提高剩余污泥的脫水性能，降低其含水率，以減少后續(xù)處理的難度。

目前，改善污泥脫水性能的方法主要是利用Fenton試劑、臭氧及其他方法聯(lián)合[4～8]。李小平等采用利用Fenton試劑對(duì)剩余進(jìn)行預(yù)處理，發(fā)現(xiàn)處理后的污泥揮發(fā)性懸浮固體減少，脫水性能增強(qiáng)[7]。但該方法的主要缺點(diǎn)是涉及到的H2SO4和H2O2等藥劑的成本高，反應(yīng)存在安全隱患，處理效率低。何楚茵等利用臭氧與酸解、堿解聯(lián)合對(duì)剩余污泥進(jìn)行溶胞處理，處理結(jié)果顯示剩余污泥破碎率及液相中多糖濃度上升，污泥平均粒徑下降，脫水性能增加[8]。但該方法具有臭氧發(fā)生器設(shè)備龐大，單位臭氧能耗高，工業(yè)化應(yīng)用比較困難等缺點(diǎn)。

鈦白廢酸是在硫酸法生產(chǎn)鈦白粉的酸解和水洗單元中產(chǎn)生的，據(jù)統(tǒng)計(jì)，每生產(chǎn)1 t鈦白粉就會(huì)產(chǎn)生約8 t質(zhì)量濃度為20%左右的廢酸，該廢酸一般含有4%左右的硫酸亞鐵[9]。傳統(tǒng)的處理鈦白廢酸的方法是用石灰中和，該方法不但增加企業(yè)的生產(chǎn)成本，還會(huì)造成嚴(yán)重的二次污染。

基于此，通過探究不同的超聲波處理?xiàng)l件、氧化處理時(shí)間、pH值調(diào)節(jié)時(shí)間及脫水處理?xiàng)l件等方面的因素對(duì)實(shí)驗(yàn)過程的影響，尋找最佳的處理?xiàng)l件。本研究的結(jié)果可以為超聲波聯(lián)合廢酸改善污泥脫水性能技術(shù)的推廣與應(yīng)用提供一定的理論參考和數(shù)據(jù)支持。

2 材料與方法

2.1 污泥來源及性質(zhì)

實(shí)驗(yàn)用污泥取自重慶市某污水處理廠二沉池，其基本性質(zhì)如表1所示。

表1 污泥基本性質(zhì)

2.2 鈦白廢酸來源及性質(zhì)

實(shí)驗(yàn)用鈦白廢酸取自重慶某鈦白粉廠，該廢酸含20 wt%的硫酸，含3.49 wt%的Fe2+，其密度為1.33 g/mL。

2.3 主要儀器

DR5000型紫外分光光度計(jì)，DRB200消解器，DR2800分光光度計(jì)，HCA-100型COD消解器，SHA-B型恒溫水浴振蕩器，YM30型壓力蒸汽滅菌器，721型分光光度計(jì)。

3 結(jié)果與討論

3.1 實(shí)驗(yàn)原理

超聲波是一種低頻的彈性機(jī)械波，其頻率范圍為20～100 kHz，適合用來處理污泥。當(dāng)超聲波作用污泥一定時(shí)間時(shí)，污泥不斷被壓縮和膨脹，內(nèi)部產(chǎn)生氣穴泡，且不斷成長(zhǎng)并最終共振“內(nèi)爆”產(chǎn)生5000 ℃超高溫、500 bar高壓，同時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)力水噴射形成巨大的水力剪切力，對(duì)污泥絮體結(jié)構(gòu)與污泥中微生物的細(xì)胞壁產(chǎn)生巨大的破壞，使細(xì)胞質(zhì)和酶從細(xì)胞中溶出，使污泥的物理、化學(xué)和生物性質(zhì)發(fā)生不同程度的改變，從而有益于污泥脫水性能的改善[10]。

利用鈦白廢酸代替Fenton試劑中的硫酸和硫酸亞鐵兩種原料，在酸性環(huán)境和亞鐵離子的催化作用下雙氧水得到激發(fā)產(chǎn)生羥基自由基，羥基自由基具有極高的氧化性使剩余污泥中的胞外聚合物氧化破解，使污泥中鍵合態(tài)的水被釋放，從而提高污泥的脫水性能。同時(shí)，在Fenton試劑氧化污泥的過程中產(chǎn)生的鐵離子，還可以通過生成磷酸鐵沉淀及鐵離子水解聚合沉淀產(chǎn)物，從而強(qiáng)化和改善污泥的性質(zhì)[11]。

3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

本實(shí)驗(yàn)首先采用超聲波對(duì)污泥進(jìn)行破解，使污泥中的大部分物質(zhì)從污泥相轉(zhuǎn)移到液相，改變污泥的顆粒分布，使整個(gè)污泥體系容易與化學(xué)試劑作用。再利用鈦白廢酸與雙氧水配置成的Fenton試劑進(jìn)行氧化處理，通過化學(xué)試劑直接與處理物質(zhì)作用，以改善污泥的脫水性能。

3.2.1 超聲波處理

超聲波處理污泥步驟中影響污泥破碎的因素主要包括超聲波的聲能密度和超聲波頻率。實(shí)驗(yàn)中，采用的聲能密度為0.5～1.5 W/mL，超聲波作用時(shí)間為60～130 min，超聲波頻率為20～25 kHz。

3.2.2 氧化處理

向破解污泥中加入鈦白廢酸和雙氧水，并以80～120 r/min的攪拌速率攪拌至均勻，使污泥進(jìn)行氧化反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間為30～60 min，得到氧化混合物；其中，破解污泥(按干基計(jì)算)與鈦白廢酸的質(zhì)量體積比為0.9 g∶2～8 mL，鈦白廢酸與雙氧水的體積比為3.5∶1.6～6.6。

3.2.3 調(diào)節(jié)pH值

向氧化混合物中加入濃度為2 mol/L的NaOH，以調(diào)節(jié)pH值至10，反應(yīng)停止后靜置使其自然冷卻至室溫，得到污泥混合物。

3.2.4 脫水處理

將污泥混合物在3000 r/min下離心10 min，過濾分離得到污泥上清液和剩余污泥，并對(duì)其性狀進(jìn)行分析。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)分析，處理后上清液溶解性化學(xué)需氧量(SCOD)由25.6 mg/L增加到438～632 mg/L，總氮(TN)由11.9 mg/L 增加到28.4～58.6 mg/L，總磷(TP)由0.55 mg/L增加到26.2～40.8 mg/L，氨氮由0.33 mg/L增加到7.21～9.15 mg/L，污泥比阻(SRF)由4.0×108S2/g下降到2.0×108～1.5×108S2/g，污泥的毛細(xì)吸水時(shí)間(CST)由108.3s下降到20.1～32.5s，污泥含水率(DS)由98.6%下降到62.5%～70.8%，與單獨(dú)化學(xué)氧化法或超聲波處理相比，能耗降低了23%～42%。

最佳操作條件為：超聲波聲能密度為0.5 W/mL，超聲波作用時(shí)間為60 min，超聲波頻率為20 kHz；破解污泥與鈦白廢酸的質(zhì)量體積比為0.9 g∶2 mL，鈦白廢酸與雙氧水的體積比為3.5∶1.6，以80 r/min的攪拌速率攪拌均勻，反應(yīng)時(shí)間為30 min；NaOH的濃度為2 mol/L，pH值調(diào)節(jié)至10；污泥混合物在3000 r/min下離心10 min脫水。上清液溶解性化學(xué)需氧量(SCOD)為438 mg/L，總氮(TN)為28.4 mg/L，總磷(TP)為26.2 mg/L，氨氮為7.21 mg/L；污泥比阻(SRF)為2.0×108S2/g，毛細(xì)吸水時(shí)間(CST)為32.5 s，含水率(DS)下降到70.8%；能耗與單獨(dú)采用Fenton試劑氧化處理相比，降低了42%，能耗與單獨(dú)采用超聲波相比降低了39 %。

4 結(jié)論

本文針對(duì)超聲波和化學(xué)氧化法單獨(dú)處理污泥的不足，開發(fā)的聯(lián)合處理方式可以達(dá)到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。該技術(shù)具有處理效率高，工藝路線簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)的特點(diǎn)；不但有效減輕后續(xù)處理的壓力，而且可以為企業(yè)節(jié)約成本，具有廣泛的應(yīng)用前景。該技術(shù)的最佳操作條件為：超聲波的聲能密度為0.5 W/mL，超聲波作用時(shí)間為60 min，超聲波頻率為20 kHz；破解污泥與鈦白廢酸的質(zhì)量體積比為0.9 g∶2 mL，鈦白廢酸與雙氧水的體積比為3.5∶1.6，以80 r/min的攪拌速率攪拌均勻，反應(yīng)時(shí)間為30 min；NaOH的濃度2 mol/L，pH值調(diào)節(jié)至10；污泥混合物在3000 r/min下離心10 min脫水。經(jīng)改善后的污泥脫水性能指標(biāo)為上清液溶解性化學(xué)需氧量(SCOD)為438 mg/L，總氮(TN)為28.4 mg/L，總磷(TP)為26.2 mg/L，氨氮為7.21 mg/L；污泥比阻(SRF)為2.0×108S2/g，毛細(xì)吸水時(shí)間(CST)為32.5 s，含水率(DS)下降到70.8%；能耗與單獨(dú)采用Fenton試劑氧化處理相比，降低了42%，能耗與單獨(dú)采用超聲波相比降低了39 %。