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我国污水处理厂普遍存在碳源不足的情况,常通过外加碳源 (甲醇、乙酸、葡萄糖等) 来解决此类问题[1]。此类处理方式有可能会带来剩余污泥产量的增加,亦会提高运行费用。通过采用污泥破解技术,可以释放污泥中的大量有机物,既可以制备高含碳上清液,将其回用到处理工艺中,解决系统碳源不足问题[2],又能够实现剩余污泥部分减量[3],以降低污水处理厂运行成本。
污泥破解的主要方法有微波[4]、珠磨[5]、超声波[6]等机械方法与热处理[7-8],碱解法[9]与氧化法等[10]。其中,超声-碱联合方法具有一定优势,超声波能短时间内促进细胞有机物的释放,碱解能促进有机物的水解[11],二者协同效果要优于单独使用。郝赟等[11]发现,当pH为11和12时,污泥破解率分别为1.5%和5.2%;与0.05 W·mL−1超声波联合作用30min后,可分别提升至7.3%和15.8%。刘昌等[12]经过碱/超声联合处理 (pH=12、2 W·mL−1,超声作用30 min后静置20 h) 后,SCOD增加了221%,总磷析出率可达2.53%。还有研究发现,通过0.5、1.0和1.5 W·mL−1超声与 0.05 mol NaOH处理,作用10 min时,SCOD破解率增加至22.7%、38.8%和41.2%[13-14]。BAO等[15]的研究中,超声-碱 (pH=10,超声频率为 (24+48) kHz,声能密度0.5 kW·mL−1) 处理10 min,SCOD从498 mg·L−1增加到6 872 mg·L−1,增加了13.8 倍。因此,超声-碱破解剩余污泥处理可释放内源碳,作为污水处理系统脱氮除磷的碳源,同时这种技术减少了剩余污泥量[2]。
然而,现有研究重点考虑了污泥中SCOD的释放,未注意到同时释放的N、P,如果污泥中N、P释放过多,所得上清液中C/N、C/P变低,不利于用做脱氮除磷的碳源。本研究综合考虑污泥破解率、上清液N、P的变化,以期在获得高污泥破解率、高含碳上清液的同时控制上清液C/N、C/P,避免上清液中氮磷过高;采用正交试验,使用超声-碱的污泥破解方法,优化高SCOD和高C/N、C/P的所需超声-碱解条件。
超声-碱破解剩余污泥的条件优化
Condition optimization of ultrasonic-alkali treatment of excess sludge
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摘要: 剩余污泥水解是实现污泥减量化和解决污水处理厂生物脱氮除磷中碳源不足的重要途径。以浓缩池污泥为对象,通过正交实验对超声-碱联合处理条件进行优化,考察了污泥破解率、上清液C/N与C/P的变化,并进行经济性分析。结果表明,对污泥破解率、上清液C/N、C/P影响最大的3个因素分别为pH、声能密度、pH。综合考虑3者,得到最佳操作条件为,声能密度=1.5 W·mL−1、超声时间=15 min、pH=10、碱处理时间=1.5 h,在此条件下,污泥VSS去除率可达35%左右,可以减少污泥处置的成本。上清液SCOD>7 600 mg·L−1、C/N>30、C/P>60,可以制备高碳低氮磷的污泥上清液回流,在大规模应用中比外加碳源的方式要节约成本。本研究结果可为超声-碱破解污泥的实际工程提供参考。Abstract: Excess sludge hydrolysis is an important way to reduce sludge and solve the carbon source shortage of biological nitrogen and phosphorus removal in sewage treatment plants. In this study, the combined ultrasound-alkali treatment was optimized by orthogonal experiments to optimize the sludge disintegration degree and the C/N, C/P of the supernatant, and the economic analysis was carried out. The results showed that the three factors with the greatest influence on sludge disintegration degree, supernatant C/N and C/P were pH, sound energy density and pH. Considering comprehensively, the optimal operating conditions are: sound energy density = 1.5 W·mL−1, ultrasonic time = 15 min, pH = 10, alkali treatment time = 1.5 h, and the sludge VSS removal rate can reach about 35%, which can reduce the cost of sludge disposal. Supernatant SCOD> 7 600 mg·L−1, C/N>30, C/P>60, can prepare high carbon, low nitrogen and phosphorus sludge supernatant to return, which is more cost-effective than adding carbon sources in large-scale applications. The results of this study can provide a reference for the actual engineering of ultrasound-alkali sludge disintegration.
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Key words:
- excess sludge /
- ultrasound /
- alkaline adjustment /
- sludge disintegration
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表 1 污泥的基本性质
Table 1. Characteristics of sludge
VSS/(g·L−1) TCOD/(mg·L−1) pH SCOD/(mg·L−1) TN/(mg·L−1) TP/(mg·L−1) C/N C/P 13.54 39 146.71 6.81 2 999.67 34.96 47.03 85.81 63.78 表 2 正交试验设计表
Table 2. Orthogonal tests
实验编号 声能密度/
(W·mL−1)pH 超声时间/
min碱处理
时间/h1 1 10 15 1 2 1 11 25 1.5 3 1 12 35 2 4 1.5 10 25 2 5 1.5 11 35 1 6 1.5 12 15 1.5 7 2 10 35 1.5 8 2 11 15 2 9 2 12 25 1 注:超声模式为开2 s,停2 s,超声时间为总运行时间而不是有效运行时间。 表 3 污泥破解率极差分析
Table 3. Range analysis of sludge disintegration degree
实验
编号声能密度/
(W·mL−1)pH 超声时间/
min碱处理
时间/h破解率/
%1 1 10 15 1 2.9±0.27 2 1 11 25 1.5 3.5±0.34 3 1 12 35 2 9.5±0.57 4 1.5 10 25 2 3.0±0.26 5 1.5 11 35 1 2.8±0.43 6 1.5 12 15 1.5 12.8±0.10 7 2 10 35 1.5 5.0±0.09 8 2 11 15 2 4.9±0.14 9 2 12 25 1 13.1±0.70 K1 5.3 3.633 6.867 6.267 K2 6.2 3.733 6.533 7.100 K3 7.667 11.800 5.767 5.800 R 2.367 8.16 1.100 1.300 表 4 污泥破解率方差分析
Table 4. Variance analysis of sludge disintegration degree
因素 偏差平方和 自由度 F比 F临界值 显著性 声能密度/(W·mL−1) 8.562 2 4.485 19.000 — pH 131.776 2 69.029 19.000 * 超声时间/min 1.909 2 1.000 19.000 — 碱处理时间/h 2.602 2 1.363 19.000 — 误差 1.91 2 — — — 注:“*”表示F比>F临界值,即差异显著。 表 5 上清液C/N极差分析
Table 5. Range analysis of supernatant C/N
实验
编号声能密度/
(W·mL−1)pH 超声时间/
min碱处理
时间/hC/N 1 1 10 15 1 80.69±12.58 2 1 11 25 1.5 59.97±1.40 3 1 12 35 2 38.32±2.94 4 1.5 10 25 2 58.18±5.55 5 1.5 11 35 1 44.66±4.23 6 1.5 12 15 1.5 34.87±1.96 7 2 10 35 1.5 31.21±1.09 8 2 11 15 2 23.86±0.67 9 2 12 25 1 34.34±2.02 K1 59.287 56.727 46.277 52.917 K2 45.993 42.590 50.883 41.857 K3 29.757 35.720 37.877 40.263 R 29.530 21.007 13.006 12.654 表 6 上清液C/P极差分析
Table 6. Range analysis of supernatant C/P
实验
编号声能密度/
(W·mL−1)pH 超声
时间/min碱处理
时间/hC/P 1 1 10 15 1 55.19±2.73 2 1 11 25 1.5 54.67±1.27 3 1 12 35 2 56.32±2.69 4 1.5 10 25 2 70.86±7.11 5 1.5 11 35 1 51.03±4.52 6 1.5 12 15 1.5 61.36±1.32 7 2 10 35 1.5 60.46±1.65 8 2 11 15 2 46.08±1.37 9 2 12 25 1 60.42±3.2 K1 52.060 62.170 54.213 55.547 K2 61.083 50.597 61.983 58.830 K3 55.657 56.033 52.603 54.423 R 9.023 11.573 9.380 4.407 表 7 各实验VSS去除率
Table 7. Removal rate of TS & VSS for each experiment
实验
编号声能密度/
(W·mL−1)pH 超声
时间/min碱处理
时间/hVSS去
除率/%1 1 10 15 1 36.04±1.02 2 1 11 25 1.5 35.01±2.21 3 1 12 35 2 37.67±2.68 4 1.5 10 25 2 34.71±1.41 5 1.5 11 35 1 35.45±0.66 6 1.5 12 15 1.5 35.01±2.43 7 2 10 35 1.5 30.87±1.17 8 2 11 15 2 37.81±1.25 9 2 12 25 1 26.88±1.84 -
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