北極星水處理網訊:研究背景：剩餘汙泥作為汙水處理廠的產物，含水率高且脫水性能差，主要由活體微生物組成，易腐化、易傳播病菌。剩餘汙泥所含有的重金屬、有機汙染物、病原微生物等物質對環境存在很大風險。2015年頒布的《水汙染防治行動計劃》中明確規定了2020年底地級及以上城市汙泥無害化處置率應大於90%，因此尋找合適的汙泥處理方式迫在眉睫。
剩餘汙泥中含有大量有機物質，而這些物質大多存在於微生物細胞內。為獲得胞內物質，需對汙泥進行破解處理，在降低處理成本、提高處理效率的同時可對破解產物進行汙泥資源化研究。熱鹼法由於低能耗、低投入的優勢受到廣泛關注，Jeonfsik等用NaOH、KOH、Mg(OH)2和Ca(OH)24種鹼性試劑對汙泥進行預處理，並使汙泥pH值均達到12，常溫下COD的溶出率分別為39.8%、36.6%、10.8%和15.3%；121 ℃處理30 min後，COD的溶出率分別提高到51.8%、47.8%、18.3%和17.1%。由此可見，熱鹼聯合對於汙泥細胞的破解有明顯的促進作用。陳蓓蓓研究單獨熱處理與熱鹼聯合處理對汙泥破解的影響，在投加NaOH 0.1 g/g(VS)，90 ℃下處理1 h後，SCOD溶出率達到20.5%，同時研究表明，鹼濃度、溫度、時間對汙泥破解的影響依次降低。熱鹼處理能夠顯著提高汙泥細胞破解程度，改善汙泥後續處理效果。鑑於汙泥的處理量大且處置複雜，而熱鹼處理作為一種效率高、能耗低且成本低的汙泥處理方式具有廣闊的應用前景，因此探索熱鹼法如何應用於實際工業中十分重要。
目前關於熱鹼法破解汙泥多為實驗室的靜態實驗，處理的規模較小且為不連續實驗，對於實際工業化應用所能參考的價值有限。為了進一步探索汙泥熱鹼處理工業化運行的可行性，本文研究了靜態實驗與動態實驗之間的關係，以便找到最佳處理條件，為實際應用提供參考。
摘 要
以城市汙水處理廠二沉池汙泥為研究對象，利用熱鹼處理工藝對其進行處理，研究汙泥的最佳處理條件，分析靜態實驗對動態實驗的指導作用。結果表明：靜態實驗處理條件下，汙泥熱鹼處理的最佳初始pH、反應溫度、反應時間分別為13、30 ℃、10 h；在最適條件下，COD溶出率、水相中的蛋白質和多糖濃度依次為61.53%、761.73 mg/L、649.85 mg/L；動態實驗最佳反應時間為10 h，在此最佳條件下COD溶出率為75.77%、多糖濃度為842.34 mg/L，蛋白質濃度隨著反應時間上下波動，總體破解效果高於靜態實驗。以上結果表明，汙泥靜態實驗對動態實驗具有現實指導作用，熱鹼聯合具有較好的應用前景。
01 材料與方法
1.汙泥性質
實驗汙泥來源為大連市凌水汙水處理廠二沉池汙泥，該處理廠採用A2/O處理工藝，汙水處理能力為6萬t/d。用30目篩網過濾剩餘汙泥以去除其中樹葉等大顆粒物質，檢測汙泥的基本指標，汙泥的常規成分分析如表1所示。
2.汙泥處理方法
2.1 靜態實驗方法
以溫度、初始pH和反應時間依次作為控制參數進行熱鹼汙泥處理，在250 mL具塞錐形瓶中放置200 mL汙泥，用4 mol/L的NaOH溶液分別調節pH為9～13，放入恆溫培養振蕩器中，設置反應溫度依次為30，45，60 ℃。實驗開始後，每隔一段時間取樣，在5000 r/min下離心30 min，取上清液過0.45 μm濾膜，得到樣品在4 ℃下保存待測。
2.2 動態實驗方法
採用熱鹼聯合技術對汙泥進行破解處理，自主研發汙泥熱鹼處理小試裝置，主要包括進泥單元、反應單元和回流單元。汙泥處理工藝如圖1所示。
反應器有效體積共8.12 L，根據不同停留時間調整進泥流量，汙泥在進泥單元中完成連續進泥過程，將汙泥連續打入反應器中；根據不同進泥流量計算加鹼量，使汙泥在反應單元與鹼充分混合，同時利用磁力泵進行循環攪拌，水浴熱循環控制溫度；沉澱池底部的沉降物經過汙泥回流進入反應釜中繼續參加反應，從沉澱池溢流堰處收集上清液，處理方法同上。
3.分析方法
用重鉻酸鉀法測定剩餘汙泥的COD濃度，採用COD溶出率(disintegration degree of SCOD)作為不同實驗條件下汙泥水解程度的衡量標準。
蛋白質測定採用考馬斯亮藍法。
多糖測定採用苯酚—硫酸比色法。
02 結果與討論
1.靜態實驗結果
1.1 最佳pH值
以NaOH溶液調節汙泥pH進行熱鹼法處理，考察在初始pH為9～13鹼性條件時對汙泥水解效果的影響，如圖2所示。可知：當初始pH<12時，汙泥破解率(DD)隨著鹼量的增加而增加，由1.86%增加至37.94%。而當初始pH>12時，DD大幅增加，曲線坡度較陡，pH=13時溶出率達到最大值67.18%。通過觀察可以看到pH值與汙泥DD呈正相關，大致分為2段，分析原因可能是因為鹼破解汙泥首先要破壞其絮體結構，繼而才能分解微生物細胞，鹼濃度較低時，不足以破壞細胞結構，因而上清液中SCOD增加較少，COD溶出率增幅低；當鹼濃度達到一定程度，2種結構同時被破壞，可溶性有機物質自胞內流出，胞內外大分子有機物都將水解成可溶性小分子有機物，上清液中SCOD大大提高，COD溶出率增幅高。
可溶性有機物蛋白質和多糖的濃度變化規律與COD溶出率變化大致相同，多糖和蛋白的含量隨著pH增大而增大，並在pH為13時達到最大值，蛋白質濃度最高達到917.39 mg/L，多糖濃度最高達到524.68 mg/L。多糖和蛋白來源於胞外聚合物水解和胞內物質的釋放，但同時也伴隨著自身的水解及其他反應，由於鹼濃度大，細胞破解效果好，自胞內溶出和胞外聚合物水解產生的多糖蛋白含量遠高於較低pH條件。
控制汙泥反應時間與反應溫度一定，細胞破解效率隨著反應初始pH值增加而升高。因此，控制反應初始pH為13，此時處理的剩餘汙泥具有最好的細胞破解效果。
1.2 最佳反應溫度
為了防止蛋白質變性失活，設置反應水解溫度分別為30，45，60 ℃，考察在pH=13，反應時間為12 h時水解溫度對汙泥破解效果的影響，此時DD分別為67.18%、64.50%、64.95%，汙泥破解率基本保持不變。觀察蛋白質和多糖濃度變化，發現在30～60 ℃時，其濃度基本保持不變，蛋白質濃度維持在900 mg/L，多糖的濃度在600 mg/L左右，不隨溫度的變化而大幅度變化。
汙泥水解為吸熱反應，溫度升高會使平衡正向移動，促進汙泥的水解加快反應進行。Appels等研究了反應溫度在70，80，90 ℃時汙泥破解效果，結果表明，在汙泥預處理時間為30 min條件下，其DD依次為0.72%、2.98%、12.30%，溫度升高，DD顯著提高，有利於有機物的釋放。但從圖3中可看出：DD隨溫度變化不大，分析原因可能是因為當pH為13時鹼濃度較高，汙泥水解較為完全，即pH相較溫度對汙泥破解影響更大，因此在低溫條件下，升高溫度對於細胞破解的促進效果不明顯。在許德超等的研究中亦有類似的說明。因此在後續的水解實驗中選擇水解溫度為常溫條件下30 ℃。
1.3 最佳反應時間
在水解溫度為30 ℃和反應初始pH為13的條件下，考察水解時間對汙泥破解效果的影響，如圖4所示。可知：COD溶出率與多糖濃度的變化趨勢大致相同，在前10 h，反應劇烈升幅較大，在10 h時達到最大值，汙泥破解率為61.53%，水相中的多糖濃度達到649.85 mg/L，在10 h以後趨於平緩保持不變。由數據分析可知，在一定時間內增加水解時間能夠促進汙泥的水解。
在初始階段汙泥破解程度隨著反應時間的增加而增大，分析原因主要是在前10 h汙泥與鹼液充分接觸發生反應，加速細胞破解過程，使越來越多的有機質得以釋放到水相中，而大分子有機物的水解佔主導地位，表明此時已達到最大破解程度，即有機物質已達到最大程度的釋放，濃度不再隨著反應時間變化。隨著反應進行，蛋白質發生水解反應生成胺基酸、多肽等，胺基酸進一步水解成小分子有機酸，胞內蛋白質的釋放與水相蛋白質的水解不斷發生變化，導致蛋白濃度不穩定。因此在該研究條件下，考慮反應效果和能源消耗方面，確定實驗的最佳反應時間為10 h，此時在最佳處理時間下，汙泥破解效率提高，使得汙泥破解完全的同時減少能量消耗。
2.動態實驗結果
參考靜態實驗設置連續運行的反應器參數，確定水解溫度為30 ℃，反應初始pH為13，同樣以DD和蛋白質多糖的濃度表徵汙泥破解效果，考察汙泥停留時間對動態實驗破解效果的影響，結果見圖5。結果表明：在反應時間為10 h時取得最佳處理效果，DD達到75.77%，多糖濃度達到842.34 mg/L，其後基本不隨反應時間變化，而蛋白質濃度隨著反應時間上下浮動。
對比靜態實驗和動態實驗可知：動態實驗下的各項指標的變化趨勢與靜態實驗大致相同，最佳處理時間均出現在10 h。而該實驗汙泥在最佳條件下的破解效果遠好於靜態實驗處理的效果，在最適條件下，DD增加了14.24%，蛋白質濃度增加了262.96 mg/L，多糖濃度增加了174.49 mg/L。在動態實驗連續進泥的過程中存在汙泥反混作用，即瞬間進入反應器的原汙泥與處理過汙泥的再混合，在循環攪拌泵的作用下，顆粒充分接觸碰撞。相較於靜態實驗，磁力循環泵攪拌力度較大，且汙泥回流使未破解物質二次破解，因此效果好於靜態實驗。由此可見，靜態實驗對動態實驗具有現實指導作用，為中試裝置奠定了基礎，應用於汙水處理廠批量汙泥處理具有實際可行性。
03 結 論
1)在靜態實驗中，細胞破解效率隨著反應初始pH值增加而升高，水相中的有機物和可溶性有機物濃度均增大，最佳pH為13；低溫條件下，升高溫度對於細胞破解的促進效果不明顯，設定常溫條件即30 ℃為最佳反應溫度；汙泥破解率在前10 h與反應
時間呈正相關，隨後保持不變，即最佳處理時間為10 h。此時，COD溶出率、水相中的蛋白質、多糖濃度依次為61.53%、761.73 mg/L、649.85 mg/L。
2)汙泥動態實驗的最佳反應時間同樣出現在10 h，但破解效果高於靜態實驗，在最佳條件下，COD溶出率增加了14.24%，蛋白質濃度增加了262.96 mg/L，多糖濃度增加了174.49 mg/L。表明汙泥靜態實驗對動態實驗具有現實指導作用，因此放大裝置破解汙泥效果較好，具有實際可行性。
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