超声波联合钛白废酸改善污泥脱水性能的研究

张 欣

(重庆市三峡水务渝北排水有限责任公司，重庆 401120)

1 引言

活性污泥法是世界上应用最广泛、最成熟的城市污水处理方法[1]。但是，该法在处理污水过程中，会产生大量的含水量为98%的剩余污泥，该污泥除了含有大量的有机质外，还含有大量的寄生虫卵、病原微生物及重金属等[2]。如果处置不当，会产生恶臭，造成地下水污染，破坏环境，并威胁人类的健康[2,3]。如何解决剩余污泥带来的二次污染问题已成为当前我国环保工作者面临的重要任务之一。然而，在传统污泥处理技术的制约下，要实现污泥的无害化、减量化、资源化，首要核心是采用合适的方法提高剩余污泥的脱水性能，降低其含水率，以减少后续处理的难度。

目前，改善污泥脱水性能的方法主要是利用Fenton试剂、臭氧及其他方法联合[4～8]。李小平等采用利用Fenton试剂对剩余进行预处理，发现处理后的污泥挥发性悬浮固体减少，脱水性能增强[7]。但该方法的主要缺点是涉及到的H2SO4和H2O2等药剂的成本高，反应存在安全隐患，处理效率低。何楚茵等利用臭氧与酸解、碱解联合对剩余污泥进行溶胞处理，处理结果显示剩余污泥破碎率及液相中多糖浓度上升，污泥平均粒径下降，脱水性能增加[8]。但该方法具有臭氧发生器设备庞大，单位臭氧能耗高，工业化应用比较困难等缺点。

钛白废酸是在硫酸法生产钛白粉的酸解和水洗单元中产生的，据统计，每生产1 t钛白粉就会产生约8 t质量浓度为20%左右的废酸，该废酸一般含有4%左右的硫酸亚铁[9]。传统的处理钛白废酸的方法是用石灰中和，该方法不但增加企业的生产成本，还会造成严重的二次污染。

基于此，通过探究不同的超声波处理条件、氧化处理时间、pH值调节时间及脱水处理条件等方面的因素对实验过程的影响，寻找最佳的处理条件。本研究的结果可以为超声波联合废酸改善污泥脱水性能技术的推广与应用提供一定的理论参考和数据支持。

2 材料与方法

2.1 污泥来源及性质

实验用污泥取自重庆市某污水处理厂二沉池，其基本性质如表1所示。

表1 污泥基本性质

2.2 钛白废酸来源及性质

实验用钛白废酸取自重庆某钛白粉厂，该废酸含20 wt%的硫酸，含3.49 wt%的Fe2+，其密度为1.33 g/mL。

2.3 主要仪器

DR5000型紫外分光光度计，DRB200消解器，DR2800分光光度计，HCA-100型COD消解器，SHA-B型恒温水浴振荡器，YM30型压力蒸汽灭菌器，721型分光光度计。

3 结果与讨论

3.1 实验原理

超声波是一种低频的弹性机械波，其频率范围为20～100 kHz，适合用来处理污泥。当超声波作用污泥一定时间时，污泥不断被压缩和膨胀，内部产生气穴泡，且不断成长并最终共振“内爆”产生5000 ℃超高温、500 bar高压，同时产生强力水喷射形成巨大的水力剪切力，对污泥絮体结构与污泥中微生物的细胞壁产生巨大的破坏，使细胞质和酶从细胞中溶出，使污泥的物理、化学和生物性质发生不同程度的改变，从而有益于污泥脱水性能的改善[10]。

利用钛白废酸代替Fenton试剂中的硫酸和硫酸亚铁两种原料，在酸性环境和亚铁离子的催化作用下双氧水得到激发产生羟基自由基，羟基自由基具有极高的氧化性使剩余污泥中的胞外聚合物氧化破解，使污泥中键合态的水被释放，从而提高污泥的脱水性能。同时，在Fenton试剂氧化污泥的过程中产生的铁离子，还可以通过生成磷酸铁沉淀及铁离子水解聚合沉淀产物，从而强化和改善污泥的性质[11]。

3.2 实验步骤

本实验首先采用超声波对污泥进行破解，使污泥中的大部分物质从污泥相转移到液相，改变污泥的颗粒分布，使整个污泥体系容易与化学试剂作用。再利用钛白废酸与双氧水配置成的Fenton试剂进行氧化处理，通过化学试剂直接与处理物质作用，以改善污泥的脱水性能。

3.2.1 超声波处理

超声波处理污泥步骤中影响污泥破碎的因素主要包括超声波的声能密度和超声波频率。实验中，采用的声能密度为0.5～1.5 W/mL，超声波作用时间为60～130 min，超声波频率为20～25 kHz。

3.2.2 氧化处理

向破解污泥中加入钛白废酸和双氧水，并以80～120 r/min的搅拌速率搅拌至均匀，使污泥进行氧化反应，反应时间为30～60 min，得到氧化混合物；其中，破解污泥(按干基计算)与钛白废酸的质量体积比为0.9 g∶2～8 mL，钛白废酸与双氧水的体积比为3.5∶1.6～6.6。

3.2.3 调节pH值

向氧化混合物中加入浓度为2 mol/L的NaOH，以调节pH值至10，反应停止后静置使其自然冷却至室温，得到污泥混合物。

3.2.4 脱水处理

将污泥混合物在3000 r/min下离心10 min，过滤分离得到污泥上清液和剩余污泥，并对其性状进行分析。

3.3 实验结果

经分析，处理后上清液溶解性化学需氧量(SCOD)由25.6 mg/L增加到438～632 mg/L，总氮(TN)由11.9 mg/L 增加到28.4～58.6 mg/L，总磷(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，污泥的毛细吸水时间(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%，与单独化学氧化法或超声波处理相比，能耗降低了23%～42%。

最佳操作条件为：超声波声能密度为0.5 W/mL，超声波作用时间为60 min，超声波频率为20 kHz；破解污泥与钛白废酸的质量体积比为0.9 g∶2 mL，钛白废酸与双氧水的体积比为3.5∶1.6，以80 r/min的搅拌速率搅拌均匀，反应时间为30 min；NaOH的浓度为2 mol/L，pH值调节至10；污泥混合物在3000 r/min下离心10 min脱水。上清液溶解性化学需氧量(SCOD)为438 mg/L，总氮(TN)为28.4 mg/L，总磷(TP)为26.2 mg/L，氨氮为7.21 mg/L；污泥比阻(SRF)为2.0×108S2/g，毛细吸水时间(CST)为32.5 s，含水率(DS)下降到70.8%；能耗与单独采用Fenton试剂氧化处理相比，降低了42%，能耗与单独采用超声波相比降低了39 %。

4 结论

本文针对超声波和化学氧化法单独处理污泥的不足，开发的联合处理方式可以达到优势互补。该技术具有处理效率高，工艺路线简单，可操作性强的特点；不但有效减轻后续处理的压力，而且可以为企业节约成本，具有广泛的应用前景。该技术的最佳操作条件为：超声波的声能密度为0.5 W/mL，超声波作用时间为60 min，超声波频率为20 kHz；破解污泥与钛白废酸的质量体积比为0.9 g∶2 mL，钛白废酸与双氧水的体积比为3.5∶1.6，以80 r/min的搅拌速率搅拌均匀，反应时间为30 min；NaOH的浓度2 mol/L，pH值调节至10；污泥混合物在3000 r/min下离心10 min脱水。经改善后的污泥脱水性能指标为上清液溶解性化学需氧量(SCOD)为438 mg/L，总氮(TN)为28.4 mg/L，总磷(TP)为26.2 mg/L，氨氮为7.21 mg/L；污泥比阻(SRF)为2.0×108S2/g，毛细吸水时间(CST)为32.5 s，含水率(DS)下降到70.8%；能耗与单独采用Fenton试剂氧化处理相比，降低了42%，能耗与单独采用超声波相比降低了39 %。