Fenton试剂用于剩余污泥好氧消化的研究

杜 艳, 孙 德 栋, 郭 思 晓, 马 妮 娜, 薛 芒, 张 新 欣, 马 春, 薛 文 平, 董 晓 丽

(大连工业大学 化工与材料学院, 辽宁 大连 116034)

0 引 言

目前我国的污水处理厂数量在不断地增加,污水处理能力也在不断地提高,活性污泥法是城市污水处理厂应用最广泛的生物处理技术,但最大弊端是产生大量的剩余污泥[1]。由此产生的污泥处理和处置的问题日益严重,如果处理不当,极易造成严重的后果[2]。为此,人们采用了很多方法来处理,污泥好氧消化就是一种常见的方法。对污泥进行曝气,使活性污泥中的微生物有机体自身氧化分解,转化为CO2、H2O、NH3等,从而提高污泥的稳定性[3]。

Fenton试剂处理作为一种污泥预处理手段,通过其反应生成的氧化性极强的羟基自由基(·OH)来氧化污泥,使污泥破解,将污泥表面的胞外聚合物氧化来提高污泥的絮凝性,改善污泥的脱水性能[5],同时Fenton氧化污泥可以使污泥减量、脱色和除臭。另外,Fenton氧化能去除污泥中部分有机物,杀灭病原菌,提高污泥的稳定性[6]。目前大多数研究人员都是将Fenton试剂用于污泥的预处理方面,很少有人将Fenton氧化与污泥的好氧消化结合起来。本研究采用污泥好氧消化与Fenton氧化同时进行的方法来处理剩余污泥。

1 材料与方法

1.1 实验材料

共设3个污泥消化反应器,每个容积为2 L,曝气方式采用鼓风微孔曝气,反应器底部安装石英砂曝气头,利用空气流量计调节曝气量。实验所用剩余污泥取自大连市凌水污水处理厂,原污泥经一段时间的重力浓缩后,弃去上清液即为实验污泥。测得SS=8 200 mg/L,VSS=5 867 mg/L,VSS/SS=0.72。污泥上清液中COD为48 mg/L,ρ(NH3-N)=1.12 mg/L,pH为7.47。

1.2 运行条件

实验中所用的3个反应器记为0#、1#和2#,均采用24 h连续曝气的运行方式。每个反应器的具体运行条件如下:0#为空白实验,即不加入任何氧化剂；1#每天每升污泥中加入2.0 g Fenton；2#每天每升污泥中加入3.0 g Fenton,加入的Fenton试剂m(Fe2+) ∶m(H2O2) = 1∶4[5]。

选择15 d作为一个消化周期。每个反应器加入2 L实验用污泥,室温条件下运行,用空气流量计调节曝气量,使每个反应器的曝气量相同且溶解氧质量浓度大于等于2 mg/L。1#和2#反应器每天加入不同剂量的Fenton,定时取样测定。

1.3 测定方法

污泥各项指标的测定方法均参照《水与废水标准检验法》测定,COD的测定采用重铬酸钾法,总磷的测定采用钼锑抗分光光度法,氨氮的测定采用水杨酸-次氯酸盐光度法。

2 结果与讨论

2.1 SS与VSS的变化和去除效果

在室温条件下,连续曝气消化15 d,3个反应器获得了不同的SS和VSS的去除率。0#反应器SS与VSS的去除率分别为32.2%和38.1%；1#反应器SS与VSS的去除率分别为37.4%和43.2%；2#反应器SS与VSS的去除率分别为40.2%和47.7%。由图1、2可以看出,加入Fenton试剂对于污泥的SS和VSS的去除有较大作用,使污泥达到稳定；并且Fenton试剂的投加量越大,污泥的SS和VSS的去除率越大。

图1 污泥SS的变化

图2 污泥VSS的变化

2.2 污泥上清液COD的变化

由图3可见,3个反应器中上清液COD都有上升的趋势。0#反应器初期污泥上清液中的COD有所下降,这是由于好氧消化初期污泥的活性较强,溶胞释放的细胞物质被污泥降解。随着消化时间的延长,污泥溶胞程度加大,释放到污泥溶液中的有机物增多,污泥溶液中的COD呈上升趋势。1#和2#反应器中污泥上清液的COD从最初的48 mg/L分别增加到288和336 mg/L,比空白实验增加了20%和40%。这是因为加入了Fenton试剂促进了污泥的破解,且Fenton投加量越大,污泥破解的程度也越大。

图3 污泥上清液COD的变化

2.3 污泥上清液总磷质量浓度的变化

在污泥好氧消化处理过程中,由于溶胞作用及可生物降解物质的分解,使得贮存于污泥中的磷释放出来[7]。通过测定污泥上清液中磷的含量可判断污泥破解的强度[8]。由图4可见,3个反应器上清液中总磷的质量浓度都呈不断增大的趋势,但是总磷质量浓度升高的幅度不同,通过15 d的好氧消化,1#和2#反应器中污泥上清液的总磷质量浓度分别增加到32.1和40.2 mg/L,大于0#反应器的23.1 mg/L,分别增加了39.4%和74%,进一步说明加入Fenton试剂有助于污泥的破解,并且Fenton试剂的投加量越大,污泥破解的程度越大。

图4 污泥上清液总磷质量浓度的变化

Fig.4 Change of total phosphorus concentration in supernatant

2.4 污泥上清液氨氮质量浓度的变化

由图5可见,3个反应器中氨氮质量浓度的变化趋势相同,都是有不断上升的趋势,经过15 d的好氧消化,1#和2#反应器的污泥上清液氨氮质量浓度从1.12 mg/L分别增加到121.3和140.3 mg/L,大于0#反应器的104.7 mg/L,分别增加了15.9%和34%。这是因为好氧消化过程中,含氮有机物的转化分两步进行,首先是脱氨基作用将含氮有机物转化为氨氮,第二步是硝化作用将氨氮转化为硝态氮。但是由于好氧消化对碱度的消耗对硝化作用造成了影响,使硝化作用不能完全进行,因此氨氮的质量浓度不断上升[9]。

2.5 pH的变化

如图6所示,虽然3个反应器都有下降的趋势,但是下降幅度不同。0#反应器中,污泥在好氧消化初期,含氮有机物的氨化作用会引起pH上升,而氨态氮的硝化作用又导致pH下降[10]。在好氧消化15 d后,污泥pH从7.47下降到5.4。而1#和2#反应器中的污泥pH则迅速下降,最终下降到2.83和2.74。这是因为污泥被Fenton试剂氧化,其胞外聚合物分解并释放出溶解性有机物,随着好氧消化的进行,释放出的部分有机物被氧化成挥发性脂肪酸、H2O 和CO2等小分子物质[11]。有机酸的生成降低了溶液的pH,酸性条件又促进了H2O2在Fe2+的催化作用下生成具有高反应活性的羟基自由基(·OH),进一步氧化污泥及其释放的有机物,导致生成更多的有机酸,使1#和2#反应器中的污泥pH显著降低。

图5 污泥上清液氨氮质量浓度的变化

Fig.5 Change of ammonia nitrogen concentration in supernatant

图6 污泥上清液pH变化

2.6 氧摄取率(OUR)的变化

如图7所示,OUR均随着好氧消化时间的延长、污泥逐渐被破解而逐渐降低,在消化开始的前7 d,曲线较陡,然后趋于平缓。经过15 d消化,0#反应器中的污泥OUR降低到10.02 mg/(L·h),污泥的活性相对较低。1#和2#反应器中污泥在Fenton试剂的作用下,污泥活性进一步降低,污泥的OUR分别降低到1. 087和0. 921 mg/(L·h),污泥的活性降至非常低的水平。

2.7 污泥比阻的变化趋势

图7 OUR的变化趋势

污泥比阻是反映污泥脱水性能的重要指标。一般来说,比阻小于1×1011m/kg的污泥易于脱水,大于1×1011m/kg 的污泥难于脱水[12]。从图8中可以看出,不加Fenton试剂的0#反应器,污泥的比阻不断地升高,从起始的1.07×1011m/kg升高到1.9×1011m/kg,升高了77.6%,越来越难于脱水。而加入Fenton试剂的1#和2#反应器,污泥比阻在第4天后降低到一个相对低的水平,1#平均降低到2.9×1010m/kg,降低了72.9%；2#平均降低到1.5×1010m/kg,降低了86%,1#和2#经消化后,污泥比阻均远远小于1×1011m/kg,污泥较易于脱水。0#反应器比阻升高的原因是:随着好氧消化,污泥中的物质释放到上清液中,使上清液变得黏稠,影响了过滤的速度。加入Fenton试剂氧化后,污泥颗粒的粒径明显减小。Fenton氧化提高了污泥的无机化程度和疏水性,胞外聚合物中的结合水被释放出来,有效改善污泥的脱水性能[11],同时,Fenton氧化污泥过程中形成的铁水络合物具有絮凝的作用,也能改善污泥的脱水性能[13],并且Fenton试剂的投加量越大,污泥越易于脱水。

图8 污泥比阻的变化趋势

3 结 论

在污泥好氧消化的同时加入Fenton试剂,有利于污泥的消化。与传统的好氧消化相比,每天每升污泥中分别加入2.0和3.0 g Fenton试剂,好氧消化15 d后,VSS和SS的去除率得到提高,从32.2%、38.1%分别提高到37.4%、43.2%和40.2%、47.7%,Fenton试剂的投加量越大,越有利于污泥的SS和VSS的去除。上清液的COD较空白实验相应分别增加了20%和40%,总磷质量浓度分别增加了39.4%和74%,氨氮质量浓度分别增加了15.9%和34%。

Fenton 试剂作用于污泥,释放出有机酸,酸性条件又促进了进一步氧化污泥及其释放的有机物,生成更多的有机酸,使污泥pH显著降低。Fenton氧化能显著提高污泥的脱水性能,与未投加Fenton试剂相比,脱水性能分别提高了72.9%和86%,有利于污泥的后续处理。

[1] RONG C, DEOKJIN J. Nitrogen control in AO process with recirculation of solubilized excess sludge[J]. Water Research, 2004, 38(5):1159-1172.

[2] 张艳萍,彭永臻,王亚宜,等. 调节好氧消化pH值提高污泥沉降和脱水性能[J]. 环境污染治理技术与设备, 2006, 7(2):34-37.

[4] 张锡辉,刘勇弟. 废水生物处理[M]. 北京:化学工业出版社, 2003.

[5] BARBUSINSKI K, FILIPEK K. Aerobic sludge digestion in the presence of chemical oxidizing agents part II. Fenton’s reagent[J]. Polish Journal Environment Studies, 2000, 9(3):145-149.

[6] 宋相国,张盼月,张光明,等. Fenton氧化处理剩余污泥的作用机制[J]. 环境科学与技术, 2009, 32(7):64-67.

[7] 张艳萍,彭永臻,王淑莹. 不同污水处理厂剩余污泥好氧消化的对比研究[J]. 哈尔滨商业大学学报:自然科学版, 2005, 21(5):575-578.

[8] 李娟,张盼月,宋相国,等. Fenton试剂的发展及其在剩余污泥处理中的应用[G] //中国机械工程学会, 环境保护分会第四届委员会第一次会议论文集,2008:111-115.

[9] 张艳萍,彭永臻. 好氧/缺氧消化降解污泥特征分析[J]. 环境工程学报, 2009, 3(4):673-676.

[10] 周春生,尹军. 剩余污泥好氧消化处理的效能及机理研究[J]. 中国给水排水, 1992, 8(1):13-18.

[11] 李娟,张盼月,曾光明,等. Fenton氧化破解剩余污泥中的胞外聚合物[J]. 环境科学, 2009, 30(2):475-479.

[12] JIA Zhengwei, LIAO Zhixin, CHEN Daofeng. Two new dibenzocyclooctene lignans from the water extract ofKadsuraspp [J]. Helvetica Chimica Acta, 2005, 88(8):2288-2293.

[13] 包木太,王娜,陈庆国,等. Fenton法的氧化机理及在废水处理中的应用发展[J]. 化工进展, 2008, 27(5):660-665.