超声波破碎联合ClO2氧化污泥的效能研究

沈会山

（广东省环境技术中心，广州　510308）

超声波破碎联合ClO2氧化污泥的效能研究

沈会山

（广东省环境技术中心，广州510308）

采用先超声波对取自SBR的剩余污泥进行物理破碎，然后投加ClO2进行化学氧化溶胞破解污泥，通过单因素试验考察主要影响因素对污泥破解效果的影响；通过正交试验研究超声波联合ClO2对剩余污泥细胞破解的效率，得出各主要因素的影响规律及最佳污泥破解条件。结果表明，污泥上清液各相关指标的变化幅度与声能密度、ClO2投加量正相关，但随着时间的延长及ClO2投加量的增加，变化幅度趋缓。最佳处理条件为：超声波声能密度为1.0 W/mL，作用时间为6 min，ClO2投加量为6 mg/g［干泥］，能使SCOD增幅达2 213%，TN增幅达203.67%，TP增幅达827.08%，MLSS减幅达6.48%。

超声波；ClO2；剩余污泥；污泥破解；正交试验

目前，全世界超过90%的城市污水处理采用活性污泥法。活性污泥法会产生大量的剩余污泥，而且剩余污泥的处理处置已经成为城市污水处理迫切需要解决的问题。以欧美为例，污泥处理处置基建费用占污水处理厂总基建费用的比例高达60%～70%，污泥处理费用占污水处理厂运行费用的30%～40%，有的甚至高达60%［1］。污泥减量化这一概念是在20世纪90年代提出的，它是指通过利用物理、化学、生物的手段，使得整个污水处理系统向外排放的生物固体量达到最少［2-3］。其中，破碎溶胞是污泥减量的关键之一。破碎溶胞指采用物理、化学等方法将剩余污泥破碎、溶解，以实现污泥减量化。物理破碎法主要有机械破碎法、热处理法、高压喷射法、珠磨法、超声波破碎法等。化学方法主要有碱解法、臭氧氧化法、氯氧化法、ClO2氧化法。

超声波破碎是通过交替压缩和扩张产生空穴作用，以此压碎细胞壁［4-5］。Tiehm等［6］研究表明超声波频率不宜超过40 kHz。Bougrier等［4］研究发现在能耗为1 350 kJ/kg［TS］下破解污泥，超声波破解污泥可使剩余污泥的颗粒粒径变小。赵继红等［7］在声能密度为1 W/mL、作用时间为15 min的条件下，系统运行时间6 h，MLSS的质量浓度维持在约3 000 mg/L，系统一个月内污泥的增加量仅为56 mg/L，且出水水质较好，但超声波的高能耗限制了其在污泥破解中的应用。

ClO2作为氧化剂，与氯气很大的不同是与酚反应不产生异味很大的氯苯酚，与腐殖质及有机物反应时几乎不产生有机卤化物（TOX），不生成并抑制生成有致癌作用的TMHs，另外，ClO2成本较低。国内已有采用ClO2对污泥进行细胞溶解的研究报道。张树艳［8］研究发现ClO2可对剩余污泥微生物起到化学溶胞作用，将其作为污泥减量的技术是可行的。李欣等［9］通过静态对比试验，表明ClO2对活性污泥具有溶胞作用，ClO2最佳投加量在10.0 mg/g［干污泥］左右。傅金祥等［10］通过动态对比试验，发现ClO2氧化污泥后回流能使活性污泥处理系统1个月不排泥，且曝气池的污泥浓度较为稳定，污泥减量率达到100%，但系统的出水水质受到了一定的影响。

单一技术很难在保证污水处理达标的同时实现高效的污泥减量，为此，人们开始考虑采用联合技术，如梁树焜［11］、林嘉添［12］、王广华［13］采用ClO2氧化联合超声波破碎破解污泥，结果表明，ClO2联合超声波破解污泥是一种非常有潜力的技术。本研究拟采取先超声波细胞破碎处理后ClO2氧化溶胞破解污泥，通过正交试验分析上清液各相关指标的变化规律及对污泥细胞破解效果的影响规律，确定各主要因素的排序及最佳污泥破解条件，为超声波联合ClO2的污泥破解技术提供依据。

1　材料与方法

1.1SBR中试系统

SBR系统有效容积为1 260 L，运行周期为8 h，每一个周期的分配为：进水（0.5 h）、曝气期（4.0 h）、沉淀期（1.5 h）、排水期（0.5 h）、闲置期（1.5 h）。空气流量为700 L/h，维持曝气阶段的DO的质量浓度约为2 mg/L。进水为污水处理厂沉砂池出水，CODCr的质量浓度为100～500 mg/L。

1.2剩余污泥

当SBR系统运行稳定，MLSS的质量浓度维持在3 000 mg/L左右后，排出污泥，其pH值为7.3～7.8，含固率约为1.5%。

1.3超声波发生器

宁波新芝公司SCIENTZ-IID超声波发生器，工作频率为20 kHz，输出功率为0～950 W。

1.4试验方法

1.4.1单因素污泥破解试验

分别在声能密度为0.5、1.0、2.0 W/mL的条件下，对含固率为1.5%的剩余污泥进行超声波处理，并分别于60、120、240、360、480及600 s结束，分析污泥上清液SCOD、MLSS、TN及TP浓度的变化，考察超声波声能密度、作用时间对污泥破解效果的影响。

在ClO2投加量分别为2、4、6、8、10及12 mg/g［干污泥］的条件下，对含固率为1.5%的剩余污泥进行处理。分析污泥上清液SCOD、MLSS、TN及TP浓度的变化，考察ClO2投加量对污泥破解效果的影响。

1.4.2正交试验

在单因素试验基础上，选出声能密度（A）、作用时间（B）以及ClO2投加量（C）3个影响因素，每个因素考察3个水平。正交试验的因子水平如表1所示。

表1 正交试验的因子水平Tab.1　Factor levels of orthogonal test

1.5分析方法

SCOD采用重铬酸钾法测定；MLSS采用重量法测定；TN采用过硫酸钾紫外分光光度法测定；TP采用钼酸铵分光光度法测定。

2　结果与讨论

2.1单因素试验

2.1.1声能密度、作用时间对污泥破解效果的影响

超声波声能密度、作用时间对污泥上清液SCOD、TN、TP及MLSS浓度的影响如图1～图4所示。

从图1～图4可以看出，对应各声能密度，当作用时间为6 min，SCOD增幅分别为713.75%、1 397.01%、1 567.33%，TN增幅分别为63.09%、84.56%、119.46%，TP增幅分别为 293.04%、 389.70%、665.80%，MLSS减幅分别为 2.55%、3.49%、4.44%。充分反映出上清液各相关指标的变化幅度与声能密度正相关，声能密度越大，幅度变化越大。随着作用时间的延长，幅度逐渐趋缓。污泥细胞结构随作用时间的延长，其被破坏程度逐渐增强，污泥细胞内物质从固相转移到水相，基于超声波能耗的考虑，对应各声能密度适宜的作用时间是必须考虑的。

图1　污泥上清液SCOD增幅随时间的变化

图2 污泥上清液TN增幅随时间的变化

图3　污泥上清液TP增幅随时间的变化

图4 污泥上清液MLSS减幅随时间的变化

2.1.2ClO2投加量对污泥破解效果的影响

ClO2投加量对污泥上清液SCOD、TN、TP及MLSS的影响如图5所示。

图5　污泥上清液各指标随ClO2投加量的变化情况

从图5可以看出，在ClO2投加量分别为2、4、6、8、10、12 mg/g［干污泥］的条件下，SCOD增幅分别为65.27%、91.18%、129.99%、137.23%、159.69%、192.53%，TN增幅分别为 92.58%、244.87%、312.89%、344.78%、351.20%、358.70%，TP增幅分别为 106.80%、245.80%、547.60%、624.50%、743.10%、882.45%，MLSS减幅分别为0.98%、2.34%、4.37%、4.48%、4.50%、4.62%。上清液各相关指标的变化幅度与ClO2投加量呈正相关，ClO2投加量越大，幅度变化越大，但随着ClO2投加量的增加，各指标的变化幅度逐渐趋缓。

ClO2与污泥中的微生物细胞发生氧化反应，使得微生物细胞壁发生破裂，细胞质溶出并从污泥固相中转入水相中。同时，由于ClO2的强氧化作用，在溶解微生物细胞的同时，还能将污泥体内或表面吸附的一部分无机成分与污泥固相分离。

2.2正交试验

正交试验结果如表2所示。

由表2中的极差大小可知：影响上清液SCOD释放的主要顺序为：作用时间＞ClO2投加量＞声能密度；影响上清液TN释放的主要顺序为：作用时间＞声能密度＞ClO2投加量；影响上清液TP释放的主要顺序为：作用时间＞声能密度＞ClO2投加量；影响MLSS减少的主要顺序为：作用时间＞ClO2投加量＞声能密度。

表2 正交试验结果及分析Tab.2　Results and analysis of orthogonal test

2.3最佳条件的确定

对表2中的均值进行分析，可以确定最佳条件为：声能密度为1.0 W/mL，作用时间为6 min，ClO2投加量为6 mg/g［干污泥］。以此条件进行了3次重复性试验，结果如表3所示。

表3 重复性试验结果Tab.3　Results of repeated test

3　结论

超声波联合ClO2能较好地破解污泥细胞，污泥上清液各相关指标的变化幅度与声能密度、ClO2投加量正相关，但随时间及投加量的增加，变化幅度趋缓。超声波联合ClO2破解剩余污泥的最佳条件是声能密度为 1.0 W/mL，作用时间为6 min，ClO2投加量为 6 mg/g［干污泥］。在此条件下，SCOD增幅为2 213%、TN增幅为203.67%、TP增幅为827.08%、MLSS减幅为6.48%。

［1］刘春红，杨顺生，戴本林.我国超声波处理污泥技术的研究进展［J］.安徽化工，2007，（2）：20-22.

［2］刘琳，宋碧玉.污泥减量化技术新进展［J］.工业用水与废水，2005，36（3）：5-9.

［3］高丽英，汤兵.解偶联代谢污泥减量机理及其新工艺［J］.工业用水与废水，2012，43（1）：6-10.

［4］BOUGRIER C，CARRERE H，DELGENES J P.Solubilisation of waste-activated sludge by ultrasonic treatment［J］.Chemical Engineering Journal，2005，106（2）：163-169.

［5］王广华，李义勇，胡勇有，等.ClO2耦合超声波破解污泥回流SBR系统的隐性生长污泥减量研究［J］.工业用水与废水，2014，45（1）：85-91.

［6］BOUGRIER C，ALBASI C，DELGENÈS J P，et al.Effect of ultrasonic，thermal and ozone pre-treatments on waste activated sludge solubilisation and anaerobic biodegradability［J］.Chemical Engineering and Processing，2006，4（8）：711-718.

［7］赵继红，刘楠，刘永德.超声对SBR工艺中剩余污泥的减量化研究［J］.环境科学与技术，2008，31（2）：77-79.

［8］张树艳.应用ClO2进行污泥减量的技术研究［J］.青岛：青岛理工大学，2005.

［9］李欣，裴丽花.ClO2氧化污泥减量性能试验研究［J］.辽宁化工，2006，35（10）：567-569.

［10］傅金祥，裴丽花，许海良，等.ClO2氧化污泥减量试验研究［J］.工业安全与环保，2008，34（4）：11-13.

［11］梁树焜.ClO2氧化溶胞耦合超声波细胞破碎的污水处理系统污泥减量研究［D］.广州：华南理工大学，2011.

［12］林嘉添.ClO2耦合超声波破解污泥隐性生长在污水处理系统中污泥减量研究［D］.广州：华南理工大学，2012.

［13］王广华.ClO2耦合超声波破解污泥溶出机理与微生物隐性生长的污泥减量研究［D］.广州：华南理工大学，2011.

A study of sludge treatment efficiency by ultrasonic disintegration combined with ClO2oxidation

SHEN Hui-shan
（Guangdong Province Environmental Technology Center，Guangzhou 510308，China）

Excess sludge from SBR was disintegrated firstly by ultrasonic，and then was treated by lysis process based on chemical oxidation with ClO2added.The main factors influencing sludge disintegration were investigated by single factor test；besides，the effect of the combined process of ultrasonic disintegration and ClO2oxidation on excess sludge disintegration efficiency was studied through orthogonal test，the influencing rules of the main factors and the optimal condition for sludge disintegration were finally determined.The results showed that，there was a positive correlation among rangeability of indexes of supernatant liquid，energy density of sound and ClO2dosage，however，with the extension of reaction time and the increasing of ClO2dosage，the indexes variation was slow down.Under the optimal treatment condition that:the sound energy density of ultrasonic was 1.0 W/mL，the reaction time was 6 min，the dosage of ClO2was 6 mg/g（dry sludge），the growing rates of SCOD，TN and TP were 2 213%，203.67%and 827.08%respectively；the decreasing rate of MLSS was 6.48%.

ultrasonic；ClO2；excess sludge；sludge disintegration；orthogonal test

X703.1

A

1009-2455（2016）04-0084-04

沈会山（1983-），男，湖北赤壁人，工程师，主要从事与环境技术相关的工作，（电子信箱）281588921@qq.com。

2016-04-14（修回稿）