生物淋滤改善城市污泥脱水性能研究提交稿第二次.doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流生物淋滤改善城市污泥脱水性能研究提交稿第二次.精品文档.（拟再审修改稿；稿件编号：201104050）生物淋滤改善城市污泥脱水性能研究肖凌鹏，张盼月*，张玉璇，马博强，孙德智(北京林业大学环境科学与工程学院, 北京 10083）摘要：污水处理过程中产生大量剩余污泥，使得污泥脱水逐渐成为污泥处理的关键环节。本研究采用生物淋滤方法处理城市污泥，改善污泥脱水性能。通过污泥比阻、滤饼含水率和离心脱水率的变化评价生物淋滤改善剩余污泥脱水性能的效能。综合考虑污泥脱水性能改善效果和运行成本，生物淋滤优化条件为：硫粉投加量3 g/L；Fe2+投加量4 g/L；接种物投加量0.4。在优化条件下，污泥体系被酸化至pH为2.0左右需要36-48小时，淋滤污泥的比阻由1.26×1014 m/kg降至8.14×1012 m/kg，降低了93.54%，滤饼含水率从98.39%降至73.68%，同时污泥离心脱水率从72%提高到83%。回调淋滤污泥pH至6.0，污泥比阻继续降至8.27×1011 m/kg，污泥比阻降低99.34%，污泥从难脱水状态转化为易脱水状态。通过污泥体系中铁离子和污泥絮体特征的变化，分析生物淋滤改善污泥脱水性能的机理。作为底物投加的Fe2+在微生物氧化作用下快速转化为Fe3+。生物氧化产生的Fe3+的絮凝作用可能是生物淋滤改善污泥脱水性能的主要机理。关键词：城市污泥 生物淋滤 调理 脱水 比阻 铁离子Improvement of sewage sludge dewatering by bioleachingXiao Lingpeng, Zhang Panyue*, ZhangYuxuan, Ma Boqiang, Sun Dezhi(College of Environmental Science and Engineering, Beijing Forestry University, Beijing, China)Abstract: Because of large quantities of excess sewage sludge produced from wastewater treatment plants, sludge dewatering has become one key of sludge treatment. Sewage sludge bioleaching was optimized to improve sludge dewaterability. Sludge dewaterability was evaluated with specific resistance to filtration (SRF), water content of filter cake and ratio of water volume to total sludge volume with centrifugal separation. Considering both sludge dewaterability improvement and operation cost, the optimum conditions of sludge bioleaching were as follows: sulfur powder addition of 3 g/L, Fe2+ addition of 4 g/L and inocula addition of 0.4. Under the optimum bioleaching conditions, 36-48 hours were needed for pH value decrease to about 2.0; the sludge SRF decreased from 1.26×1014 m/kg to 8.14×1012 m/kg with a SRF reduction of 93.54%, the water content of filter cakes decreased from 98.39% to 73.68% and the ratio of water volume to total sludge volume with centrifugal separation increased from 72% to 83%. After adjusting the pH of bioleached sludge back to 6.0, the sludge SRF further decreased to 8.27×1011 m/kg with a total SRF reduction of 99.34%, and the sludge can be regarded easy to be dewatered. Change of iron species in sludge system and sludge flocs properties were measured to analyze the mechanisms of sludge dewaterability improvement by bioleaching. Fe2+ ions added as bioleaching substrate were quickly converted to Fe3+ through microorganism oxidation. Flocculation effect of Fe3+ may be the main mechanisms of sludge dewaterability improvement. Key words: sewage sludge; bioleaching; conditioning; dewatering; specific resistance of filtration; iron ion生活污水处理过程中会产生大量剩余污泥。由于污泥处理处置费用高昂，给污水处理厂的运行带来巨大压力1。剩余污泥含水率高、体积大，使得污泥脱水成为污泥处理处置的关键环节。剩余污泥的含水率一般超过98%，其脱水效果受污泥粒径、胞外聚合物、丝状菌株、调理方法等的影响2-4。提高污泥脱水性能的两种主要途径为：减少污泥中的微小絮体，提高污泥颗粒的絮凝性；破解污泥的胞外聚合物，降低污泥的亲水性5。目前，城市污水处理厂广泛采用聚丙烯酰胺调理加机械脱水的方式进行污泥脱水。经过该工艺处理后，污泥滤饼的含水率仍然高达80%-85%，污泥量和污泥体积仍然很大6。因此，污泥调理和脱水新工艺的研究和开发越来越受到人们的关注。生物淋滤的机理是氧化硫硫杆菌直接氧化单质硫和氧化亚铁硫杆菌间接氧化亚铁离子产生生物酸化作用7,8。近年来生物淋滤逐渐被引入污泥处理领域。已有的研究发现，生物淋滤通过生物氧化和生物酸化作用，能够有效地去除污泥中的重金属、消除污泥恶臭和杀灭污泥中的病原菌9,10。一些研究发现，生物淋滤能够提高污泥的脱水性能11,12，然而其效果不稳定。本研究目的在于优化生物淋滤提高污泥脱水性能的条件，分析生物淋滤调理污泥的机理，为生物淋滤的实际应用提供技术支持。1 材料与方法1.1 供试污泥性质供试污泥取自北京某污水处理厂二沉池出口。污泥取回后存放于4 °C的冰箱中。使用前将污泥自然沉降进行污泥浓缩，浓缩至污泥含水率98.8%待用。供试污泥的其它基本特性为：pH，6.86-7.08；总固体含量，10350-11625 mg/L；污泥比阻，1.22×1013-1.26×1014 m/kg；滤饼含水率，87%-98%；离心脱水率（2000 rpm，3 min），72%-76%。一般认为，当污泥比阻大于4.0×1012 m/kg时，污泥属难脱水污泥；当比阻小于1.0×1012 m/kg时，污泥属于易脱水污泥12,13。从供试污泥的比阻可知，从污水处理厂多批次取得的污泥均属于难脱水污泥。1.2 接种物培养把100 mL供试污泥装入250 mL锥形瓶中，同时加入10 g/L硫粉和10 g/L FeSO4·7H2O作为淋滤微生物的能源物质。将锥形瓶置于180 rpm、28 °C的恒温水浴振荡器（HZS-HA，中国）中振荡，土著硫杆菌在锥形瓶中逐渐富集。待污泥体系pH值降至2.0左右时，取10 mL酸化污泥加入到90 mL供试污泥中，同时投加入与上述等量的硫粉和FeSO4·7H2O，置于恒温水浴振荡器中在相同条件下振荡培养。待污泥体系pH值降至2.0左右时，再重复上步操作一次。经过三次富集培养的酸化污泥，其中氧化硫硫杆菌和氧化亚铁硫杆菌的活性可达到接种物的使用要求，所得酸化污泥即为接种物14。在接种物培养过程中，蒸发的水分每12 h用超纯水补充一次。1.3 污泥处理过程污泥生物淋滤过程：将供试污泥装入250 mL锥形瓶中，投加一定量的硫粉和Fe2+以及接种物（接种物与供试污泥的体积比，mL/mL），将装有污泥试样的锥形瓶置于180 rpm、28 °C的恒温水浴振荡器中持续振荡。在生物淋滤过程中，每12 h用pH计（E-201-C, 中国）测定污泥体系的pH值。生物淋滤前后，分别测定污泥试样的比阻、滤饼含水率、离心脱水率（离心液体体积与污泥总体积之比）、Zeta电位、Fe2+和Fe3+含量。生物淋滤过程中，蒸发的水分每12 h用超纯水补充一次。所有试样设置一个平行样。淋滤结束后，用饱和NaOH溶液回调淋滤污泥的pH值至6.0，测定回调pH后污泥试样的比阻。对比实验：采用无机酸酸化污泥，同时直接投加与生物淋滤过程中等量的Fe2+、Fe3+与污泥生物淋滤进行对比研究。首先利用分析纯硫酸（98%）进行污泥酸化，当污泥pH值接近至目标pH值时，改用2 mol/L的硫酸溶液完成酸化，然后向污泥中投加定量的Fe2+、Fe3+，在与污泥生物淋滤相同的条件下，将污泥试样置于水浴振荡器中振荡0.5 h。1.4 测定与分析方法污泥的含水率、TS和滤饼含水率均采用重量法测定。比阻用布氏漏斗法测定13。在测定离心脱水率时，将50 mL污泥试样注入离心管中，在离心机（TGL-20B，中国）中以2000 rpm离心分离3 min；离心后，离心管中上层清液体积与总试样体积之比，即为污泥的离心脱水率9,15。污泥中Fe2+和Fe3+含量采用邻菲啰啉分光光度法测定16，所用分光光度计型号为722S。污泥试样的Zeta电位采用Zeta电位分析仪测定（Nano Z, 英国）。污泥试样Zeta电位测定前，需要将污泥试样用超纯水稀释100倍。2 结果与讨论2.1 生物淋滤条件优化2.1.1 底物投加量的影响在不同底物投加量条件下对供试污泥进行生物淋滤，结果如图1和图2所示。图1为硫粉投加量对生物淋滤改善污泥脱水性能的影响。随着硫粉投加量的增加，淋滤污泥的比阻首先呈减小趋势；至硫粉投加量3 g/L时，污泥显示出最低的污泥比阻；随着硫粉投加量的继续增加，污泥比阻又开始增大，污泥脱水性能变差。图2为Fe2+投加量对生物淋滤改善污泥脱水性能的影响。随着Fe2+投加量的增加，淋滤污泥比阻持续降低。综合考虑污泥脱水性能改善效果和运行成本，选择4 g/L作为优化的Fe2+投加量。图1 硫粉投加量对淋滤污泥比阻的影响（Fe2+投加量，4 g/L；接种物投加量，0.1；淋滤时间，48 h；污泥试样的初始比阻，6.93×1013 m/kg）Figure 1 Effect of sulfur powder dosage on bioleached sludge SRF (Fe2+ dosage, 4 g/L; inocula addition, 0.1; bioleaching time, 48 h; raw sludge SRF, 6.93×1013 m/kg)图2 Fe2+投加量对淋滤污泥比阻的影响（硫粉投加量，3 g/L；接种物投加量，0.1；淋滤时间，48 h；污泥试样的初始比阻，6.93×1013 m/kg）Figure 2 Effect of Fe2+ dosage on bioleached sludge SRF (Sulfur powder dosage, 3 g/L; inocula addition, 0.1; bioleaching time, 48 h; raw sludge SRF, 6.93×1013 m/kg).2.1.2 淋滤时间的影响图3显示了污泥试样经过不同淋滤时间后比阻的变化情况。淋滤时间为36-48 h时，淋滤污泥的脱水性能有明显提高，淋滤污泥的比阻降低90%-96%。生物淋滤的时间继续延长，淋滤污泥的比阻开始大幅度升高，污泥的脱水性能显著变差。通过分析生物淋滤过程中污泥系统pH的定时监测结果，表明当污泥体系pH降至2.0以下时，污泥的脱水性能开始变差。图3 淋滤时间对污泥试样比阻的影响（硫粉投加量，3 g/L；Fe2+投加量，4 g/L；接种物投加量，0.1；污泥试样的初始比阻，6.93×1013 m/kg）Figure 3 Effect of bioleaching time on sludge sample SRF (Sulfur powder dosage, 3 g/L; Fe2+ dosage, 4 g/L; inocula addition, 0.1; raw sludge SRF, 6.93×1013 m/kg)2.1.3 接种物投加量的影响如图4所示，随着接种物投加量的增加，淋滤污泥的比阻呈减小趋势；接种物投加量为0.4时，淋滤污泥的比阻达到最小值；当接种液投加量超过0.4后，淋滤污泥的比阻又重新升高。图4 接种物投加量对淋滤污泥比阻的影响（硫粉投加量，3 g/L；Fe2+投加量，4 g/L；淋滤时间，48 h；污泥试样的初始比阻，1.26×1014 m/kg）Figure 4 Effect of inocula addition on bioleached sludge SRF (Sulfur powder dosage, 3 g/L; Fe2+dosage, 4 g/L; bioleaching time, 48 h; raw sludge SRF, 1.26×1014 m/kg)生物淋滤改善污泥脱水性能的优化条件为：硫粉投加量3 g/L；Fe2+投加量4 g/L；接种物投加量0.4。在此优化条件下进行生物淋滤，污泥体系的pH降至2.0左右需要36-48 h；淋滤污泥的比阻从供试污泥的1.26×1014 m/kg降至8.14×1012 m/kg，比阻降低93.54%，滤饼含水率由98.39%降至73.68%；污泥试样的离心脱水率从72%提高到83%。供试污泥在优化条件下经过生物淋滤处理后，用饱和NaOH溶液回调pH至6.0，降低污泥酸度，污泥试样的比阻继续降至8.27×1011 m/kg，污泥比阻共降低99.34%，污泥从难脱水状态转化为易脱水状态。2.2 生物淋滤改善污泥脱水性能的潜在机理2.2.1 生物淋滤过程中铁离子转化在生物淋滤过程中，作为底物投加的Fe2+被生物氧化为Fe3+，Fe3+可以作为改善污泥脱水性能的调理剂。在三种不同条件下对污泥进行生物淋滤：只投加Fe2+；投加Fe2+和接种液；投加Fe2+、接种液和硫粉，结果见图5。未添加接种物的污泥试样，经过48 h的调理后，只有23.6%的Fe2+被氧化为Fe3+；添加接种物的污泥试样，无论是否同时投加硫粉，24 h后几乎所有的Fe2+都被氧化为Fe3+。生物淋滤过程中的生物氧化作用比普通的空气氧化Fe2+更快速、更彻底。经过48 h的调理，三种条件下淋滤污泥的比阻分别由初始污泥的2.67×1013 m/kg降至2.31×1012 m/kg, 1.62×1012 m/kg和1.13×1012 m/kg。同时投加Fe2+、接种液和硫粉的淋滤污泥显示出最小的比阻值，其脱水性能改善程度最高。在生物淋滤过程中，氧化硫硫杆菌和氧化亚铁硫杆菌的协同作用可以在改善污泥脱水性能方面取得更好的效果。改善污泥脱水性能的机理之一，可能是生物氧化产生的Fe3+对污泥有良好的絮凝调理作用。图5 Fe2+与Fe3+之间的转化（硫粉投加量，3 g/L；Fe2+投加量，4 g/L；接种物投加量，0.4）Figure 5 Conversion between Fe2+ and Fe3+ (Sulfur powder dosage, 3 g/L; Fe2+ dosage, 4 g/L; inocula addition, 0.4)2.2.2 优化条件下污泥体系特性变化在优化条件下进行污泥的生物淋滤，每12 h测定一次污泥的Zeta电位，如图6所示。供试污泥的初始Zeta电位为17.5mV，污泥絮体之间的静电斥力能够阻止污泥絮体的凝聚，使污泥呈现较差的脱水性能。经过生物淋滤处理，污泥的Zeta电位迅速上升为正值，但其绝对值远小于污泥初始Zeta电位的绝对值，说明污泥絮体颗粒之间的静电斥力降低，有利于污泥絮体的碰撞和聚集，从而改善污泥的脱水性能。图6 优化条件下的生物淋滤污泥的Zeta电位变化（硫粉投加量，3 g/L；Fe2+投加量，4 g/L；接种物投加量，0.4）Figure 6 Zeta potential change of the bioleached sludge under optimum conditions (Sulfur powder dosage, 3 g/L; Fe2+ dosage, 4 g/L; inocula addition, 0.4)图7是优化生物淋滤条件下，不同淋滤时间时污泥试样的pH和比阻变化。由于采用了较大的接种物投加量，生物淋滤进行0.5 h后，污泥pH迅速降至2.61。由于作为底物添加的Fe2+和接种物中Fe3+的调理作用，淋滤污泥的脱水性能得到明显改善。随着生物淋滤的继续进行，污泥试样的比阻继续减小。在生物淋滤进行48 h之后，淋滤污泥的pH降至2.0以下，其脱水性能开始变差。在生物淋滤用于改善污泥脱水性能时，污泥体系pH降至2.0-2.5是合适的。过度的生物酸化可能导致污泥体系产生较多的微小污泥絮体，不利于污泥脱水。尽管生物淋滤0.5 h时，淋滤污泥也显示了较好的污泥脱水性能改善作用，由于微生物的生长繁殖时间短，可能会影响微生物的活性。图7 优化条件下不同淋滤时间时的污泥pH和比阻变化（硫粉投加量，3 g/L；Fe2+投加量，4 g/L；接种物投加量，0.4；供试污泥初始比阻，1.22×1013 m/kg）Figure 7 Sludge pH and SRF with different bioleaching times under optimum bioleaching condition (Sulfur dosage, 3 g/L; Fe2+ dosage, 4 g/L, inocula addition, 0.4; raw sludge SRF, 1.22×1013 m/kg)2.2.3 无机酸酸化与Fe2+、Fe3+直接调理的对比实验为了进一步分析生物淋滤改善污泥脱水性能的机理，采用无机酸（H2SO4）酸化污泥，同时直接投加与生物淋滤过程中等量的Fe2+、Fe3+对比生物淋滤的效果。该批次供试污泥的初始比阻为1.22×1013 m/kg，采用优化条件进行生物淋滤调理后污泥的比阻为5.07×1011 m/kg。直接投加4 g/L Fe2+和直接投加4 g/L Fe3+的两种污泥试样均有明显的脱水性能改善效果，处理后污泥的比阻分别是1.83×1012 m/kg和1.31×1012 m/kg；直接投加4 g/L Fe3+的污泥试样比直接投加4 g/L Fe2+的污泥试样显示出更好的脱水性能，但这两种条件下污泥的比阻分别是生物淋滤处理后的污泥比阻的2.6和3.6倍。采用H2SO4分别酸化污泥pH至2.61和2.05，同时投加2.84 g/L Fe2+和1.17 g/L Fe3+，污泥试样的比阻分别为2.76×1012 m/kg和5.05×1012 m/kg，分别降低了77.38%和58.61%，但均低于生物淋滤污泥比阻的降低程度94.29%。从对比实验可知，用生物淋滤法处理污泥比单纯用无机酸酸化并添加铁盐调理剂达到更好的脱水性能改善效果。在生物淋滤过程中，生物酸性环境可能造成污泥胞外聚合物的破解，这可能是污泥脱水性能明显改善的另一原因。4 结论（1）在适当条件下，生物淋滤处理城市污泥可明显改善污泥的脱水性能。综合考虑污泥脱水性能改善和运行成本，生物淋滤的优化条件为：硫粉投加量3 g/L；Fe2+投加量4 g/L；接种物投加量0.4。优化条件下，淋滤污泥比阻降低93.54%。淋滤污泥pH回调至6.0后，污泥比阻共降低99.34%，污泥从难脱水状态转化为易脱水状态。（2）淋滤污泥体系pH在2.0-2.5时，污泥脱水性能得到较大改善，所需淋滤时间为36-48 h。如果生物淋滤继续进行，淋滤污泥pH降至2.0以下时，污泥的脱水性能开始变差。（3）Fe3+的絮凝作用可能是生物淋滤改善污泥脱水性能的主要机理。参考文献1 Bruus J. 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