草木灰分散耦合生物发酵对剩余污泥深度脱水

发布日期:2015-01-08 13:01:17

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文章摘要:固体废物_资源化利用_草木灰分散_剩余污泥_深度脱水_生物发酵 ,洗劫奇境横贯,当场件号大胸。

利用草木灰分散剩余污泥中高分子聚丙婦醜胺,固体废物在耐热耐減侧胞菌和effective microorganisms (EM)复合菌作用下,对剩余污泥进行生物发酵深度脱水和除臭等.研究结果表明,资源化利用添加草木灰(草木灰 与污泥体积比1:3)可分散絮凝剩余污泥(水质量分数约为80%)中的聚丙烯酰胺并通过耦合生物发酵 对剩余污泥进行深度脱水和除臭.处理前后污泥的pH值由6. 7增至12. 3;污泥比阻(specific resistance to filtration, SRF)由 1. 41 x 1013 m/kg 降为 6. 85 x 1011 m/kg;污泥中水的质量分数由 80. 2% 降至 46. 8% ;草木灰分散污 泥中聚丙烯酰胺质量分数由4.9 mg/g降为0.2 mg/g;臭味强度由5级变为1级;粪大肠菌群值由6.9 xio7 MPN/g降为0. 08MPN/g,处理后污泥中的氮、磷(以P2O5计)、钾(以K2O计)和有机质质量分数分别 为3.4%、9.2%、5. 7%和49. 9%.该方法可有效实现对絮凝剩余污泥的深度脱水,实现污泥的资源化.

随着我国城市化进程的加快,城市污水处理率 逐年提高,污水处理量越来越大,同时产生了大量 副产物一剩余污泥.目前,污泥的初级脱水普遍 米用加人高分子聚丙稀酰胺(polyacrylamide , PAM)作为絮凝剂,以提高絮凝效果,然后进行机 械压滤或离心脱水处理,使剩余污泥中水的质量分 数(w(H2〇))降至80%左右。这类污泥再继续深 度脱水十分困难.2020年,我国城市剩余污泥产生 量将达4.4xl07t/年(w(H2O) =80%〇[|].这些未 经深度脱水处理的剩余污泥将给生态环境和人类健 康带来潜在威胁,同时也达不到污泥卫生填埋处置 (w(H2O) < 60%〇[2]和焚烧处置(w(H2O) < 50%〇[3]的要求.因此,含PAM的剩余污泥 (w(H2〇) = 80% )能否实现深度脱水处理已成为困 扰污水处理厂最严峻的现实问题之一[4—5].
剩余污泥中存在的高分子PAM,既可起到污泥 脱水的敏化作用,又可对污泥稳定起到保护作用. 当污泥颗粒的吸附面全部被高分子PAM覆盖后, PAM的保护作用将起主导,致使絮凝剩余污泥有很 好的压缩性能,阻碍污泥的深度脱水[6],也影响后 续生物发酵对有机质的降解效果,以及厌氧消化后 污泥的脱水性能[7—8].由于PAM的生物抗性较强, 单一用生物发酵的方法,对污泥中的PAM降解效 果不理想[9—10].如果对含PAM的剩余污泥 (一耳0) = 80%)进行深度脱水,必须首先克服 PAM大分子的絮凝作用,使其断裂为小分子,为后 续污泥深度脱水处理奠定基础.
草木灰是一种含钾高,且偏碱性的废物,廉价 易得,具有分散PAM、改善污泥结构、灭活病原微 生物和除臭的功能,适宜作为剩余污泥的脱水除臭 剂,与污泥混合作为土壤修复剂还可以钝化重金 属[11].利用碱性物质对污泥进行发酵、脱水、灭菌 和除臭研究已取得了一定效果[l2—l4].然而,有关利 用草木灰作为分散剂降解PAM,对污泥碱性发酵, 改善污泥深度脱水性能,同时灭菌和除臭的研究目 前鲜见报道.
本研究利用草木灰作为分散剂,对剩余污泥中 的高分子PAM进行分散断链,降解为小分子化合 物,然后在耐热耐碱的侧胞杆菌和EM菌(effective microorganisms)的作用下,对剩余污泥进行生物降 解,达到对污泥深度脱水、灭菌和除臭的效果.同 时利用热重分析和电镜等手段对污泥脱水特性进行 分析,对污泥结构进行表征,以期从机理上探讨剩 余污泥深度脱水、灭菌和除臭的原因;此外,对污 泥中的营养物成分氮、磷、钾和有机质含量进行分 析,为污泥的资源化利用提供基础数据.
1材料与方法
1. 1试验材料
所用PAM的剩余污泥样品取自南阳市污水净 化中心,w(H2O)约为80%,沉淀过程中加人质量 分数为0.5%的阳离子PAM.草木灰取自南阳市某 生物质发电厂锅炉灰,原料主要是小麦秸秆.复合 菌主要成分为耐热耐碱的芽孢杆菌液和EM菌液. 1.2实验操作
将10 x 103 L剩余污泥与3. 3 x 103 L草木灰在
自制的金属反应仓内充分搅拌混合,密封放置4 h, 然后加人复合菌液80 L,经充分搅拌混勻后常温密 封发酵48 h.发酵完成后,平铺污泥自然晾干.然 后测定处理后污泥样品的pH值、温度、污泥比阻 (specific resistance to filtration, SRF)、 PAM 质量分
数、臭味强度、w(H2〇)、病原菌指标、污泥结构和 热重变化,并与处理前剩余污泥样品相应指标进行 对比分析.结果由6次平行实验得出.
1.3分析方法
采用《玻璃电极法》(GB6920—86)测量pH 值;用温度计测温;采用布氏漏斗法测量污泥比 阻;采用烘干法测量污泥中的w(H2〇);采用淀粉 -碘化隔光度法测量污泥中w(PAM);采用《发酵 法》(GB7959—87)测量粪大肠菌群菌值;采用 《三点比较式臭袋法》(GB/T14675—93)测量污泥 中恶臭;米用电子显微镜和Quanta 200型扫描电镜 (scanning electron microscope, SEM)(荷兰,FEI 公 司)观察污泥结构变化;采用热重分析仪 (NETZSCH FTA449F3)测量污泥热重变化;采用 《半微量开氏法》(NY/T 53—1987)测量污泥全氮 (totle nitrogen, TN);米用《过硫酸钾消解磷钼蓝 比色法》(NY/T 88—1988 )测量污泥全磷(totle phosphorus, TP);采用《氢氧化钠熔融法》(NY/T 87—1988 )测定污泥全钾(totle potassium, TK); 采用《重铬酸钾容量法》(NY/T 1121.6—2006) 测定污泥有机质.
2结果与讨论
2.1污泥的pH值和温度
对污泥样品处理前后的pH值、污泥比阻、 w(PAM)、w(H2O)、臭味、粪大肠菌群值、TN、 TP (以P2〇5计)、TK和有机质成分指标进行分析, 结果见表1.试验过程平行操作6次,结果取平 均值. 
表1剩余污泥处理前后性质变化(n =6)
Table 1 Different characteristics of activated sludge in treatment (n =6)
臭味粪大肠w (有机质)
项目pH值t /SRFX10-"w (H2O)w(PAM)/强度菌群值/w (TN)w (TP)w (TK)
/(in.kg-1 )/%(mg * g-')/级(MPN • g-1)/%/%/%/%
处理前6.5?28 ?29130 ~79.4 ?4.8 ~55.8 X107 ?5.3?12.9 ?1.2?58.7 ~
污泥6.815980. 65. 28.3 X1075. 813.41.460. 3
均值6.728.514180. 24. 956.9 X1075. 613.11.359. 3
处理后12.2 ~44 ?466.10~46.2 ~0.1?10.07 ~3. 1?8.7?5.6?48.6 ~
污泥12.67. 4547.90. 30. 093. 59. 55. 949.3
均值12.345.06. 8546.80. 210. 083. 49. 25. 749.9
 
从表1可见,处理前剩余污泥的pH值为6. 7 , 属弱酸性,经过草木灰的作用和碱性发酵后,污泥 的pH值增至12. 3.因为草木灰的主要成分K2O和 K2CO3具有强烈的吸水特性,吸水后其主要成分为 K2CO3*KOH,两者均为碱性物质.因此,剩余污 泥加人草木灰混勻后,污泥的pH值由中性变为强 碱性,经过添加耐热耐碱侧胞杆菌和EM菌污泥发 酵后,污泥的性质变为碱性;另外,由于发酵过程 中发酵产热,温度由28. 5丈升至45.0丈;主导发 酵的菌类是耐热耐碱侧胞菌属,故体系的发酵过程 不会被破坏.鉴于发酵后污泥属于偏碱性,因此可 作为酸性土壤的改良剂使用,或是用氨基酸中和后 作为有机肥使用[15].
2.2污泥比阻
用污泥比阻评价污泥的脱水性能时,一般认 为,当污泥比阻大于4.0 X 10l2m/kg时,污泥属 于难脱水污泥;当污泥比阻小于1.0 X 10l2m/kg 时,污泥属于易脱水污泥[16].从表1可以看出,经 过该方法处理后,污泥脱水性能已由难脱水污泥
(1.41X 1013m/kg)变为易脱水污泥(6. 85X1011
m/kg),脱水性能显著改善.
2.3污泥中的w(H2O)
从表1还可以看出,处理前污泥的w(H2〇)为 80. 2% ,处理后污泥的w( H2O)降为46. 8% ,已达 到填埋处置(w(H2O)
污泥脱水性能改善的主要机理如下:首先,bbo必博_bbo必博官网_bbo必博娱乐:草 木灰与剩余污泥混合作用后,草木灰分散并降解高 分子PAM,使大分子的PAM断裂为小分子结构, 破坏了剩余污泥和PAM形成的凝胶结构(结合污 泥结构电镜图可进一步说明),有利于污泥中自由 水的脱除;其次,草木灰颗粒进人污泥和微生物细 胞周围空隙中,改变了污泥的结构,形成具有多孔 的骨架结构,使污泥的压缩性能减小[17-18],利于水 分的脱除[19] ; Luo等[20]研究了制革污泥焚烧底渣 联合PAM对污泥的调理脱水,结果表明,与PAM 单独脱水相比,污泥焚烧底渣联合PAM能够明显 提高污泥的脱水性能,说明底渣在机械脱水过程中 能提供一个相对通透、非压缩性的污泥结构.由此 推断,本研究添加的草木灰在实现对PAM降解的 同时,也能使剩余污泥产生一个相对通透非压缩性 的结构[21];最后,碱性生物发酵使污泥体系温度 升至45 〇C,破坏了部分污泥细胞的细胞膜[12],同 时降解了胞外聚合物的有机成分,弱化了污泥颗粒 的水化作用,使污泥颗粒的水化膜作用减弱,水分 更易从污泥颗粒形成的坚实骨架结构中逸出,降低 了污泥的含水率;此外,草木灰吸水性强,通过化 学反应转移到草木灰当中,也是污泥含水率下降的 原因之一-.
2.4污泥中PAM质量分数
由表1可见,处理前剩余污泥中的w (PAM)为 4. 9 mg/g,处理后为0. 2 mg/g,该方法对PAM的 降解率为96%,说明对PAM的分散和降解有效, 明显优于文献[22]中污泥高温堆肥对PAM降解率 (48. 8%)的结果.这是因为PAM有极强的生物抗 性,即使已经降解为小分子PAM,依然有这种特 性[9,23-24],在草木灰分散污泥的过程中通过前期加 入草木灰并搅拌混合,对PAM起作用的是机械降 解和化学降解,能同时为后续碱性条件下的生物发 酵协同作用;在生物发酵过程中,添加的EM菌是 一种复合菌,与耐热耐碱侧胞杆菌共同对污泥中的 PAM和有机质充分进行生物降解,获得了好的耦合 降解效果.所以,草木灰分散PAM结合碱性条件下 生物发酵的方法是集物理、化学和生物多种作用的 协同降解过程,更有利于PAM和其他有机质的同 时降解[25-26].
2.5污泥结构
图1 (a)和(b)分别是污泥处理前后的结构电 镜照.在图1 (a)中,剩余污泥含有PAM,絮凝的 污泥结构明显是一个絮状胶凝的大整体,没有明显 边界,说明污泥颗粒完全被PAM絮凝大分子所包 围.图1 (b)是经过草木灰分散和碱性发酵后的污 泥电镜图,可以看出,污泥絮凝整体的大污泥絮状 结构已不存在,结构分散的污泥颗粒明显变小并有 明显的分界,证明了 PAM的大分子已被分散为短 链的小分子.结合污泥比阻和污泥w(H2〇)数据表 明,此时,污泥的比阻变小,被PAM絮凝起来的
水分子容易释放出来,改善了污泥的脱水性能.
从图3可见,处理后污泥的TG曲线有两个明 显的失重段,对应DTG曲线上有两个阶段的失重 峰.第1阶段是49.42 ~110丈,失重率为39.09% 左右,为污泥脱除结合态的部分内部吸附水;失重 的第2阶段为污泥热解的主要阶段,温度范围为 629?720丈,为污泥中有机物的碳化阶段,失重 率为9. 07%左右,污泥最终残留量为49. 72%,与 处理前失重结果相比,处理后污泥残留量增加,原 因是与添加的草木灰有机质含量相对较低有关.与 图2相比,处理前污泥脱水起始温度为74丈,处 理后脱水起始温度为49. 42丈,失重峰明显前移, 这一结果与文献[27]研究结果相似,文献[27]给 出絮凝剩余污泥深度脱水起始温度也有失重峰明显 前移现象.失重峰前移说明污泥中的水分更易被脱 除.处理后污泥的脱水性能改善,这与上述讨论的 污泥比阻测定数据吻合.
2.7污泥臭味去除
文献[13]认为,污泥中还原性硫化物和氨的释 放是污泥臭味的主要来源.当污泥中加人石灰使污 泥的pH >12,产生的强碱和释放出的大量热量能 够杀死微生物,抑制还原性硫化物产生,使氨气释 放加速,达到除臭效果.从表1可以看出,处理前 污泥臭味强度为5级,属人类无法忍受的臭味级 别,处理后污泥臭味强度降为1级,属轻微的臭味 级别.草木灰和石灰都属于碱性物质,草木灰产生 的碱性环境和在碱性发酵过程中放出的热量能够杀 死微生物,并抑制还原性硫化物产生.由此推测, 草木灰分散剩余污泥结合碱性生物发酵能够达到抑 制恶臭的目的.
2.8污泥病原微生物灭活效果
从表1可见,原污泥中粪大肠菌群值为6. 9 x 107MPN/g,远高于我国《城镇污水处理厂污泥泥 质》(CJ247—2007)及《粪便无害化卫生标准》 (GB7959—87)规定的0. 01 MPN/g标准值;污泥处 理后,粪大肠菌群值降至0.08 MPN/g,略高于我 国《城镇污水处理厂污泥泥质》(CJ247—2007)的 规定限值(0.01 MPN/g).表明草木灰分散污泥后, 在耐热耐碱侧胞杆菌和EM菌作用下进行生物发 酵,可使污泥的病原菌被灭活.这与污泥添加石灰 对污泥病原菌杀灭作用研究结果[14]相近,草木灰 和石灰都属于碱性物质,两者产生的碱性环境和发 酵过程中放出的热能够杀死病原微生物.
2.9污泥的营养成分
从表1还可见,处理后污泥中营养成分氮、 磷、钾和有机质质量分数分别为3.4%、9.2%、 5. 7%和49. 9%,与处理前结果相比,除钾质量分 数增加外,氮和磷有机质质量分数降低,其原因是 草木灰含钾较高,而有机质质量分数较低.
尽管如此,处理后污泥的营养成分中,氮、磷 和钾的质量分数仍然达到有机肥料(NY525— 2002)标准对氮、磷、钾和有机质的要求.本研究 中处理后污泥的总养分(TN+TP+TK)质量分数 (干质量)为18. 3%,而标准要求高于4.0%即可; 有机质质量分数为49. 9%,而标准要求大于30% 即可.故该方法对剩余污泥处理后可作为有机肥使 用,尤其可以作为酸性土壤的改良剂使用.
结语
利用草木灰物化分散结合生物发酵处理絮凝态 剩余污泥,可实现对污泥的深度脱水和资源化,并 有灭菌除臭的效果.对剩余污泥中PAM的降解率为 96%;脱水性能明显改善;污泥中水的质量分数由 80. 2%降为46. 8% ;处理后污泥结构发生改变,絮 凝污泥大颗粒被分散为小颗粒,DTG曲线失重峰前 移;大肠菌群值由处理前的6. 9 x 107 MPN/g降为 0. 08MPN/g,接近标准要求的0.01 MPN/g;污泥 的臭味强度由处理前的5级降低到1级;污泥中总 养分(TN+TP+TK)质量分数(干质量)为 18.3%,有机质质量分数为48. 9%,可实现污泥的 资源化利用.
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