石灰稳定化污泥恶臭物质释放特征研究

蒋建国,杜 伟,殷 闽,宫常修,郭覃硕 (.清华大学环境学院,北京 00084；2.清华大学固体废物处理与环境安全教育部重点实验室,北京 00084)

石灰稳定化污泥恶臭物质释放特征研究

蒋建国1,2*,杜 伟1,殷 闽1,宫常修1,郭覃硕1(1.清华大学环境学院,北京 100084；2.清华大学固体废物处理与环境安全教育部重点实验室,北京 100084)

利用污泥-石灰高效混合器制备5%、10%、15%石灰添加量的稳定化污泥,应用Jerome 631-X型便携式硫化氢测定仪、静态吸收等试验方法,分别研究了不同石灰添加比例下污泥还原性硫化物(RSCs)和氨(NH3)的释放特征,并对臭度进行了评价.结果表明:污泥中添加石灰后,RSCs体现出缓释特征;石灰稳定化污泥RSCs的释放量下降明显,连续监测380min后,石灰稳定化污泥处理的RSCs产生量相比等质量原泥处理降低了约85%;恒温培养24h,石灰稳定化污泥的NH3释放量(5.03×10-4mol)相比等质量原泥处理(7.00×10-6mol)提高了约72倍,明显促进了污泥氮向氨气的转化和释放.向污泥中添加少量工业石灰,均匀混合条件下,污泥的臭味强度明显降低,基本达到了抑制恶臭的目的.

污泥；石灰稳定化；恶臭物质；释放特征

我国生活污水处理率和处理程度不断提高,产生的市政污泥逐年增加.污泥含水率高、性质不稳定,其科学处理处置已经成为备受关注的公众问题[1].市政污泥中氮、硫含量较高,受厌氧微生物活动和氨化细菌的影响,还原性硫化物(RSCs)和氨以气体形式释放到大气中,因此,在污泥产生、运输过程中不可避免地带来恶臭污染[2-3],使之成为污泥稳定化处理重点关注的问题之一.恶臭污染是仅次于噪声污染的第六大公害,一般采用感官分析法和仪器分析法进行测定.感官分析法较为直接、简便,被广泛采用,但无法进行定量判断;仪器分析法则是借助各种化学分析仪器方法来确定恶臭的组成,由于恶臭气体的复杂性和多样性,其分析方法也极为复杂;近年来有研究使用一种可以响应多种还原性硫化物的Jerome 631-X型便携式硫化氢测定仪,用于定量推算污泥释放的总 RSCs相对量,由此判断恶臭程度[4],同时提高了检测效率.

向湿污泥中投加干燥生石灰 CaO、熟石灰Ca(OH)2或石灰水,利用石灰对污泥的直接改性作用和间接作用,能够杀灭污泥中的微生物,降低恶臭[5],但恶臭祛除效果受两者混合均匀程度的影响较大[4-6],为了达到充分的稳定化效果,应提高石灰与污泥的接触程度[7].目前传统的机械搅拌混合技术无法满足泥灰充分混合的要求[4],不仅影响到石灰在泥-灰混合体系中的作用程度,也容易造成石灰资源的浪费,而且这种限制在工程应用中还会扩大.目前,石灰稳定化技术在国内外污泥处理中均得到应用[8-10],国外石灰稳定化工艺技术已经形成较完善的体系[10-11],相比之下,我国对石灰稳定化技术在污泥灭菌、恶臭处理及污泥最终处置等方面的基础研究仍十分薄弱,限制了该技术在国内的应用和发展.

本研究应用高效混合设备制备石灰稳定化污泥,研究 5%、10%、15%石灰添加量(质量比)下,石灰稳定化污泥还原性硫化物和氨气释放规律特征,以评价石灰在抑制污泥恶臭和刺激性气体释放等方面的稳定化效果.

1 材料与方法

1.1 供试污泥

供试污泥取自江苏省常州市某污水处理厂,其基本性质如表1所示.

表1 脱水污泥(原泥)的基本理化性质Table 1 Properties of dewatered sludge (original sludge)

1.2 石灰稳定化工艺流程

本工艺核心设备由污泥石灰高效预混合系统、犁刀-飞刀复合型污泥-石灰高效混合器和绝热污泥仓组成,达到污泥-石灰高效混合的效果,同时强化石灰的稳定化效果.

1.3 样品采集与前处理

采用在线采样的方式,随机采集5%、10%、15%石灰添加量的仓前泥、2h仓后泥(绝热污泥仓)各 5次,每个样品混合后密闭保存,实验室立即分析.同时采集原泥备测.

1.4 测定方法

1.4.1 还原性硫化物 分别称取 0%(原泥)、5%、10%、15%石灰添加量的污泥100g,置于2L具塞锥形瓶中,密封后将锥形瓶置于震荡器上,180v/min震荡,每隔20min使用Jerome 631-X型便携式硫化氢测定仪测定一次,测定总时长6h以上.测试过程中注意锥形瓶的密闭性,防止还原性硫化物的逸失.每个处理平行3次.同时设置空白对照.

1.4.2 氨气 使用静态吸收法对污泥产生的氨气进行测定.分别称取0%(原泥)、5%、10%、15%石灰添加量污泥100g,置于2L具塞玻璃瓶中,同时瓶内放置盛有10mL 2%硼酸溶液的烧杯用于吸收产生的氨气,密封玻璃瓶,置于 25℃培养箱中恒温培养,24h后取出吸收了氨气的烧杯,使用0.05mol/L的盐酸滴定,计算氨气吸收量.每个处理平行3次.同时设置空白对照.

2 结果与讨论

2.1 还原性硫化物的释放特征

污泥中的硫主要以有机硫形式存在(80%以上),其他以硫化物、硫酸盐等形式存在.根据污泥的结构特征,污泥基本处于厌氧状态,在微生物的作用下会产生还原性硫化物,带来恶臭.前人研究认为,污泥中添加石灰能够抑制还原性硫化物的产生[4,12];本研究亦发现,与等质量原泥相比,石灰稳定化污泥还原性硫化物的释放量下降明显, 380min后,添加石灰的污泥处理的还原性硫化物产生量相比原泥处理降低了约85%(5%、10%、15%石灰添加量的污泥处理平均)(图 1).Logan等[5]认为,污泥中加入石灰使污泥的pH值＞12并保持一段时间,由此创造的强碱性环境和释放出的大量热量能够杀死微生物,可能是抑制还原性硫化物产生的主要原因.除抑制微生物作用外,碱性条件下还原性硫化物与其他物质之间发生的物理、化学反应可能是抑制还原性硫化物释放的另一个因素,例如,硫化氢在碱性条件下发生酸碱中和反应并与金属离子结合生成硫化物沉淀,最终被吸附固定在污泥中.

图1 不同石灰添加量(5%、10%、15%)对污泥还原性硫化物(RSC)释放的影响Fig.1 Effect of different lime application rate on sludge RSC release

Hwang等[12]研究发现,还原性硫化物产生量随石灰用量的增加而降低,并认为可能是由于不同石灰添加量对含硫成分和微生物细胞代谢作用的影响存在差异引起的;然而本研究却发现,不同石灰添加比例的等质量污泥还原性硫化物的平均释放量基本维持在2´10-6左右(图1),虽然处理间差异不大,但还原性硫化物释放量体现了石灰添加量15%＞10%＞5%的微弱趋势.因此,对于较高投入比例的石灰使污泥还原性硫化物在短时间内略有增加还需进一步研究;另一方面也说明本实验条件能够使污泥-石灰实现均匀混合,即使较低用量的石灰也可以达到抑制污泥还原性硫化物产生的目的.

由图1还可以看出,原泥还原性硫化物释放量在380min检测时间内随时间体现了增加趋势,而添加石灰的污泥处理的还原性硫化物释放量则随时间维持在一定水平或略有降低;与等质量原泥相比,添加石灰的污泥处理的硫化氢释放速率(曲线斜率)明显降低,体现出石灰稳定化污泥还原性硫化物缓慢释放的特点,也佐证了石灰对污泥中还原性硫化物的释放具有抑制效应.此外,石灰稳定化污泥的仓前泥(混合机出口)还原性硫化物的释放量略低于仓后泥(绝热污泥仓出口),但差异不大,规律性亦不明显,说明石灰与污泥的充分接触与石灰对污泥恶臭物质产生的抑制作用具有同步性.

2.2 氨气释放特征

污泥中的氮主要是以铵氮和有机氮形式存在,有机氮在微生物作用下发生矿化作用转变为铵态氮,碱度提高会使不稳定的污泥氮发生氨化作用,进而在碱性条件下生成易挥发的氨气释放出来[4].本研究发现,恒温培养 24h,石灰稳定化污泥的 NH3释放量达到 5.03×10-4mol,相比原泥处理(7.00×10-4mol)提高了约72倍,明显促进了污泥氮向氨气的转化和释放(表 2).North[4]研究发现,污泥中的NH3释放量随石灰添加量的增加而增加;而本研究却发现,等质量条件下,5%石灰添加量与10%石灰添加量的污泥的氨气释放量(仓前泥与仓后泥氨气释放的平均值)之间没有差异,15%石灰添加量处理的氨气释放量略有增加,但增幅很小,这可能与所使用的混合方式不同有关,较高程度的泥-灰均匀分布对氨气释放的促进作用远大于石灰用量不同造成的差异.此外,仓后泥的氨气释放量(5%、10%、15%石灰添加处理平均 5.11×10-4mol)较仓前泥(5%、10%、15%石灰添加处理平均 4.95×10-4mol)略有增加,说明养护处理使泥体的碱度分配更为均匀,并使泥体保持一段高温时间,更加能够促进污泥中含氮物质向NH3的转化.

表2 不同石灰添加比例对污泥氨气释放的影响Table 2 Effect of different lime application rate on ammonia gas release

2.3 污泥的臭味强度

恶臭的感官分析方法是根据人的嗅觉对恶臭气味的嗅觉响应,通过人的嗅觉对恶臭的特征进行数值或文字的描述,是一种非常实用、有效的分析方法,也是对恶臭污染最准确的评价方式[13],臭味识别与感受人群对臭味物质的敏感程度有关(表3).

由表4看出,在污泥中添加5%、10%、15%的工业石灰后,污泥中臭味强度显著降低,从5级降为2级以下.在污泥中添加15%的石灰,可以使污泥的臭味强度降到1级,即从无法忍受的强烈臭味降低至勉强可以感觉到轻微臭味,这与添加石灰后显著降低了还原性硫化物产生量有一定关系,由此判断,石灰稳定化技术基本能够达到抑制恶臭的目的.

表3 八种臭味物质的感觉阈值[14](mg/kg)Table 3 Smell threshold Value of eight categories of odor matters(mg/kg)

表4 不同污泥的臭味强度变化Table 4 Odour intensity variation among different sludge

3 结论

3.1 污泥中添加石灰能够抑制具有恶臭性质的还原性硫化物的产生,并使之表现出缓释效应.

3.2 石灰与污泥充分混合,即使 5%的石灰添加量也能够达到抑制污泥恶臭产生的目的.

3.3 石灰提高了污泥泥体的碱度,使氨气的释放量大幅度提升,虽然氨气释放浓度未达到感觉阈值,但存在产生空气“二次污染”的风险,也会造成资源浪费,在工程应用中建议考虑氨的固定回收问题.

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Release character of offensive odorants produced from lime stabilizing sludge.

JIANG Jian-guo1,2*, DU Wei1, YIN Min1, GONG Chang-xiu1, GUO Qin-shuo1(1.School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China；2.Key Laboratory for Solid Waste Management and Environment Safety, Ministry of Education, Tsinghua University, Beijing 100084, China). China Environmental Science, 2012,32(9)：1620～1624

Studies and offensive odorant analysis on RSCs and NH3produced from sludge at 0, 5%, 10%, 15% lime application rate, by using Jerome 631-X Hydrogen Sulfide Analyzer and static absorption test method respectively, were carried out under laboratory condition. Slow-release character of RSCs produced from sludge was observed after the lime was applied into sludge, and the application of lime decreased the production amount of RSCs from sludge, i.e. under the equiponderance condition, production value of RSCs from lime-stabilized sludge reduced to about only 15% of that from original sludge after 380 minutes, besides, under the equiponderance condition, release value of NH3(5.03×10-4mol) from lime-stabilized sludge was about 72 times of that (7.00×10-6mol) from original sludge after 12h incubation, as showed that lime amendment promoted the transformation and release of NH3obviously. Furthermore, even a small amount of lime application could reduce the offensive odor intensity obviously, and the aim of odorant control could be achieved basically under the condition of highly mixing of lime and sludge.

sludge；lime stabilizing；odorant；release character

2012-01-10

国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07301-001)

* 责任作者, 教授, jianguoj@mail.tsinghua.edu.cn

X703.5

A

1000-6923(2012)09-1620-05

蒋建国(1970-),男,江苏丹阳人,教授,博士,主要从事固体废弃物处理处置及资源化利用研究.发表论文100余篇.