微波-碱热水解剩余污泥的破解研究

马 妮 娜， 孙 德 栋， 郭 思 晓， 杜 艳， 马 春， 郝 军， 张 新 欣， 薛 芒

( 大连工业大学 化工与材料学院， 辽宁 大连 116034 )

0 引 言

随着活性污泥工艺在废水处理中的广泛应用,其产生的剩余污泥的处置问题日益突出。剩余污泥的微生物细胞壁是一个稳定的半刚性结构，所以细胞壁的破解成为污泥处理技术的限制因素，造成污泥的处理处置困难。近年来，研究者利用细胞破碎技术，如通过热、碱、酸或几种技术的联合来处理污泥，从而改变污泥自身的特性[1-2]。热碱水解是一种有效的污泥预处理技术，可以有效破解污泥，改善污泥的脱水性能，提高污泥的厌氧消化性能以及厌氧生物产气量，提高生物除磷效果[3]。

微波加热是一种容积加热，能从内部迅速加热，因此没有热传递过程的热损失。由于污泥是典型的混合物，除了主要成分水以外，还有氧化物、无机盐和有机物。在微波场中，无机颗粒物提供了共沸中心，会出现局部过热现象，更有利于污泥的溶解[4]。以微波辐照与化学药剂相结合为理论基础的污泥破解研究，国内报道不多。国内应用微波处理剩余污泥仅处在单纯利用微波使剩余污泥脱水、干燥及对污泥结构破坏的研究阶段。而化学药剂如酸、碱、盐等的应用，仅限于国外采用热处理与酸、碱等药剂相结合以及在活性污泥系统中投加解偶联剂的污泥减量研究。

本研究以城市污泥为对象，开展密闭条件下碱辅助污泥微波热水解实验，探讨污泥性质发生的变化。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验所用活性污泥取自大连凌水河污水处理厂CAST工艺曝气池混合液，污泥质量浓度为3～5 g/L，污泥含水率为98%左右， pH为6.7左右，取回后在4 ℃冰箱中保存。

1.2 实验方法

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投加范围为0.03～0.20 g。置入70 mL聚四氟乙烯消解罐中，将消解罐盖拧紧密闭，把装有样品的消解罐放入微波炉中，排列均匀，在一定的微波功率下反应一定时间，冷却后取样分析。

1.3 分析项目与方法

COD测定采用重铬酸钾法[5]；污泥SS采用重量法；TP测定采用钼锑抗分光光度法；TN测定采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法；蛋白质测定采用考马斯亮蓝染色法；多糖测定采用苯酚-硫酸法； pH测量采用FE20型pH计。

2 结果与讨论

2.1 微波辐照时间对污泥分解率的影响

采用微波辐照加碱处理污泥，考察微波辐照时间变化对SS分解率的影响。在微波功率800 W、辐照时间为70～110 s的条件下，比较每克SS NaOH投加量0.15 g和单独微波辐照时，SS随时间的变化情况，结果如图1所示。

微波辐照首先破坏的是污泥的胞外聚合结构，进一步微波辐射使污泥微生物细胞壁开始受到胞内水分的机械性撞击而破裂，污泥细胞内物质溢出，再加上碱的化学作用，使细胞壁完全破坏，大量胞内物质溶解在液相中。实验结果表明，当微波辐照时间为110 s时，污泥分解率大幅度增加，达到48%，而未添加NaOH的污泥分解率为31%。延长反应时间，反应剧烈，聚四氟乙烯消解罐漏气，因此本实验微波辐照时间采用110 s。

图1 不同微波辐照时间对SS分解率的影响

2.2 微波功率变化对污泥分解率的影响

当NaOH投加量一定时，考察不同微波辐照功率对污泥分解率的影响。微波辐照时间为110 s，每克SS NaOH投加量为0.15 g，对照组不添加NaOH，考察微波功率为300～800 W时的污泥分解效果，结果见图2。由图2可知，随着微波功率的增大，污泥分解率也随之增大。当微波功率800 W时，污泥分解率达到46.7%，比未加碱的大15%。

图2 不同微波辐照功率对SS分解率的影响

2.3 NaOH投加量对污泥分解率的影响

在微波功率800 W、辐照时间为110 s的条件下，考察NaOH投加量从0增大到0.27 g过程中每克SS的变化情况，结果如图3所示。由图3可见，在相同微波辐照时间下，NaOH投加量越多，SS分解率越大。少量的碱首先破坏污泥的絮体结构，随着加碱量的上升，细胞结构开始被破坏，使污泥微生物细胞中原来不溶性的有机物从胞内释放出来，成为溶解性物质。因为试验是密闭体系，微波辐照时，水仍维持在液相状态，形成湿式氧化产生· OH的条件，产生的· OH能更有效地破坏污泥微生物细胞壁，使污泥分解。如图3所示，当投加量增大到0.14 g时，污泥分解率由14%上升到46%；继续增加NaOH投加量，污泥分解率变化缓慢。过多的碱会造成污泥的pH过高，且会发生褐变反应，反而降低其可生物降解性[6]。

图3 NaOH投加量对SS分解率的影响

2.4 污泥预处理过程中pH的变化

在微波功率800 W，每克SS中NaOH投加量为0.145 g的条件下，考察辐照时间从0～110 s，pH的变化情况，并以不加碱的污泥做对照组。结果见图4。

图4 微波过程中pH的变化

由图4可知，单独微波处理的污泥pH由最初的6.7下降到5.9。原因是在微波加热过程中污泥逐步破解，污泥中的挥发性有机酸等释放到液相中，使污泥pH下降。微波-碱处理污泥时，污泥溶液pH由最初的10.5下降到微波辐照110 s时的9.1，而后污泥pH变化不大。结果表明污泥中的NaOH能够有效中和污泥破解后释放出的挥发性有机酸，从而使污泥保持在偏碱性，有利于后续的污泥厌氧处理[7]。

2.5 处理后污泥溶液中SCOD浓度的变化

污泥破解后，胞内物质会释放到溶液中，使污泥上清液中的有机物浓度增加。考察在微波辐照功率为800 W、微波辐照时间为110 s，每克 SS中NaOH 投加量为0～0.22 g，污泥上清液SCOD值的变化。由图5可知，随着NaOH 投加量的逐渐增加，污泥的胞外聚合物和膜结构被破坏，污泥微生物细胞中原来不溶性的有机物从胞内释放出来，并水解成蛋白质和碳水化合物等有机物，成为溶解性物质，从而提高了污泥的SCOD质量浓度[8]。当每克SS中NaOH的投加量增加到到0.14 g时，SCOD质量浓度由190 mg/L上升到2 487 mg/L，上升了12倍。

图5 不同NaOH投加量时污泥混合液中SCOD质量浓度的变化

2.6 处理后污泥溶液中TP、TN质量浓度的变化

微波功率800 W、辐照时间为110 s的条件下，考察每克SS NaOH投加量0～0.21 g过程中，污泥溶液中TP、TN的变化情况，结果见图6。

图6 不同NaOH投加量时污泥溶液中TN、TP质量浓度的变化

N、P分别约占污泥微生物质量的12%和2%，因此考察污泥破解时N、P释放量对工艺设计和运行有很重要的意义[9]。结果表明，微波与碱作用能有效促进污泥中N、P的释放。由图6可知，当每克SS NaOH投加量为0.14 g时，污泥溶液中TP质量浓度由4.7 mg/L上升到11.55 mg/L，增大了1.45倍。TN质量浓度从27.4 mg/L增加到76.1 mg/L，增加了1.7 倍。

2.7 处理后污泥溶液中蛋白质、多糖质量浓度的变化

有研究指出，剩余污泥中的有机物主要由蛋白质、碳水化合物和脂类3种物质组成。其中蛋白质占50%左右，其次是碳水化合物占11%左右，脂类占5%以及34%其他物质[10]。因此实验考察了微波功率800 W，微波时间110 s，不同NaOH投加量对蛋白质和多糖的作用。如图7所示。

图7 不同NaOH投加量时污泥混合液中蛋白质、多糖质量浓度的变化

如图7所示，污泥上清液中的蛋白质含量随投碱量的增加而增加，当NaOH投加量增大到0.14 g时，蛋白质质量浓度从23 mg/L增加到204 mg/L，增大了7.9倍。这说明在密闭的微波体系下添加碱，能够促进污泥胞外聚合物及细胞壁的破解，从而增加了液相中蛋白质的含量。

多聚糖结构简单，较易被释放和进一步氧化分解，是污泥胞外聚合物(EPS)的组成部分[11-12]，微波碱解破坏了污泥胞外聚合物(EPS)，使其溶解到液相中。如图7所示，每克SS中NaOH的投加量增加到0.14 g时，多糖质量浓度由65.6 mg/L增加到124.3 mg/L，增加了0.89倍。

3 结 论

密闭体系下微波辐照与碱联合处理污泥可以促进污泥细胞的破解。在微波辐照功率800 W、辐照时间110 s、每克SS中NaOH 投加量为0.145 g 时，污泥溶解率达到46%，处理后污泥中溶解性有机物浓度明显增加，SCOD质量浓度由190 mg/L上升到2 487 mg/L，上升了12倍；微波-碱热解污泥后，微生物细胞胞内物质溶出，导致污泥溶液中TP、TN质量浓度增加，与不加碱相比，处理后污泥上清液中TP、TN的质量浓度分别增大了1.45倍和1.7 倍；细胞中的蛋白质和糖释放到液相中，与单独微波处理相比，蛋白质和多糖的质量浓度分别增加了7.9倍和0.89倍。污泥破解后，释放出的脂肪酸与污泥中的碱反应，使污泥溶液的pH由10.5降至9.1。

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