微波-机械联合破碎剩余污泥的机制研究

亓雪菲，王杰峰，张雨笛，刘少卓，张安龙，

王先宝1*，马明华3

(1.陕西科技大学 环境科学与工程学院，陕西 西安 710021；2.中交第一公路勘察设计研究院有限公司,陕西 西安 710075；3.西安市第五污水处理厂，陕西 西安 710021)

0 引言

目前，我国城市污水处理厂在工艺运行过程中主要面临两个问题：首先活性污泥工艺运行过程中产生大量的剩余污泥，一种由有机残留物、细菌菌体、无机颗粒、胶体等组成的复杂非均质体，常规污水处理过程中污泥产生量约占污水总量0.3%～0.5%(体积)，处理处置成本较高[1]，另一方面，进水有机物含量较低，生物处理单元碳源不足直接制约了脱氮除磷效果[2,3].随着我国污水处理厂出水排放标准的提高，对污水处理厂脱氮除磷提出了更高的要求，碳源不足的问题越发突出[4].

已有研究表明，剩余污泥的水解酸化产物可有效地为生物脱氮除磷过程提供碳源，减少污泥产量.因此，提高污泥厌氧水解酸化效率是目前研究的热点.但是由于微生物的细胞壁阻碍细胞内有机物质的流出，限制了有机物质与水解酸化细菌作用，使得水解过程成为污泥厌氧发酵产酸的限速步骤[5,6]，因此国内外学者通过在厌氧发酵前对污泥进行预处理，破解污泥从而释放碳源来提高厌氧发酵效率.

目前常用的污泥预处理技术有机械、微波、超声波-Fenton联用等.常用的联合预处理方法主要有微波与碱联合预处理、热与碱联合预处理、超声波与碱联合预处理、超声波和热联合预处理等，刘东方等[7]采用机械破碎方法—球磨机对污水处理厂初沉池的污泥进行球磨破解，结果表明，初沉污泥的最佳水解酸化条件为：水解酸化时间5 d，此时反应后系统SCOD从1 742 mg·L-1增加到8 256 mg·L-1，污泥水解转化效率为32.0%.

马妮娜等[8]研究了在微波辐照功率为800 W、辐照时间为110 s、NaOH添加量为0.14 g，SS去除率达到46%，SCOD增至2 487 mg·L-1，比单独微波处理的190 mg·L-1增加了约12倍；采用热—碱联合处理技术对剩余污泥进行预处理，结果表明：在pH=12.0，温度为88.8 ℃条件下处理73.79 min，能获得理论最大溶胞率48.1%，最高挥发酸质量浓度(以COD计)为3 269.20 mg·L-1，是对照组的3.22倍[9].

对于微波与机械联合破解污泥的研究目前鲜有报道.因此，本文提出了一种以微波-机械联合技术破碎污泥，使微波作为预处理技术强化机械作用下污泥的碳源释放效率，缩短碳源释放的时间，实现污泥中有机碳源的快速转化与回收.

1 实验部分

1.1 污泥来源

本研究所用污泥取自西安市某污水处理厂二沉池剩余污泥.污泥取回后，经过滤除去大颗粒物质及毛发等杂物，调整污泥浓度为15 000 mg·L-1，然后将污泥保存在4 ℃冰箱中备用.实验污泥的主要性质如表1所示.

表1 剩余污泥的主要性质

1.2 实验仪器和试剂

(1)实验仪器

污泥机械破壁装置采用九阳JYL-Y99破壁机;微波装置采用美的MM721NG1-PW/M1-211A微波炉.

(2)实验试剂

实验过程中的主要药剂如表2所示.

表2 主要实验药剂

1.3 实验方法

(1)单独微波处理

取800 mL剩余污泥置于1 000 mL烧杯中，用保鲜膜密封，保持最大功率700 W下分别进行微波处理0 min、2 min、4 min、6 min、8 min后进行实验分析.

(2)单独机械处理

取800 mL剩余污泥置于1 500 mL破壁机中，保持最强机械力为4.8×104g，分别进行机械破壁污泥0 min、2 min、4 min、6 min、8 min后进行实验分析.

(3)微波-机械处理

取800 mL剩余污泥置于1 000 mL烧杯中，用保鲜膜密封，进行最大功率700 W最优时间下的微波处理，取出烧杯将污泥置于破壁机中进行机械处理，保持最强机械力为4.8×104g，分别进行机械破壁污泥0 min、2 min、4 min、6 min、8 min后进行实验分析.

1.4 分析指标

pH采用上海雷兹PHB-4型pH计测定;挥发性固体含量(VSS)、污泥浓度(SS)采用重量法测定；化学需氧量(COD)、溶解性化学需氧量(SCOD)采用重铬酸盐法测定，SCOD经离心机5 000 r·min-1离10 min后取上清液，用0.45μm滤膜过滤，取滤液进行测定,蛋白质采用苯酚-硫酸法[10]，多糖采用考马斯亮蓝G250染色法[11]测定，氨氮采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法;磷酸盐采用钼酸铵分光光度法测定.

采用溶出率(DD)作为评价污泥破解的指数[12].多糖、蛋白质也均可表示污泥破解的效果.溶出率(DD)的计算方法为:

DD=(SCOD1-SCOD0)/(TCOD0-

SCOD0)

(1)

式(1)中：SCOD1表示污泥处理后溶解性COD的质量浓度，mg·L-1；TCOD0表示污泥样品的总COD的质量浓度，mg·L-1；SCOD0表示污泥处理前溶解性COD的质量浓度，mg·L-1.

2 结果与讨论

2.1 污泥上清液SCOD产量变化

由图1可以看出，随着单独微波时间的增加，SCOD浓度逐渐增大，在微波6 min时，SCOD产量最大795 mg·L-1，到6 min后SCOD浓度有所下降，原因是随着微波辐射时间的增加，混合液的温度快速上升，小分子有机物蒸发，从而导致上述情况出现[13].因此，本实验微波作为预处理技术处理污泥的最优条件为最大功率700 W,微波时间为6 min.

图1 污泥上清液中SCOD浓度的变化

随着单独机械破碎时间的增加，SCOD浓度逐渐增大，在机械破碎8 min时，SCOD浓度761.22 mg·L-1，与未进行机械破碎的原始污泥相比SCOD增量为631.42 mg·L-1.

在微波联合机械技术破碎污泥的趋势图中，微波6 min作为预处理技术，随着机械破碎时间的增大，SCOD产量逐渐增加，在破碎时间为2 min时，SCOD增长速率最大，此时污泥上清液中SCOD浓度为1 350 mg·L-1，与原始污泥相比，SCOD增量1 220.2 mg·L-1，在2 min后SCOD浓度基本趋于稳定.分析其原因，微波预处理时辐射作用和热效应使得污泥胞外聚合物和细胞破碎大部分破碎，从而释放出大量有机质[14].

实验结果表明：微波联合机械处理剩余污泥效果优于单独微波、机械处理污泥的效果；在2 min时，微波单独作用释放的SCOD的产量为540 mg·L-1，机械单独作用释放的SCOD的产量为153.78 mg·L-1，联合作用下SCOD的产量为1 354 mg·L-1，单独微波和单独机械作用产生的SCOD的产量之和小于联合作用下SCOD的产量，因此，微波与机械联合作用下产生了协同作用.而且随着破碎污泥时间的增大，联合作用处理污泥效果增加趋势较小，所以考虑到节能方面，选定最佳的时间为2 min.

2.2 溶解性多糖、溶解性蛋白质的变化

蛋白质和多糖是污泥胞外聚合物的主要成分，亦是污泥可降解有机质的主要成分，其污泥破解前后浓度的变化亦是表征污泥破解碳源释放效果的重要指标[15].

由图2可知，当只利用微波技术处理污泥时，随着破碎时间的增加，溶解性多糖、溶解性蛋白质的浓度也在逐渐增加，在6 min时，溶解性多糖、溶解性蛋白质的产量达到最大，溶解性多糖的浓度为43 mg·L-1，溶解性蛋白质的浓度40 mg·L-1，单独机械作用破碎污泥时，多糖和蛋白质的产量逐渐增多，8 min时多糖和蛋白质的产量分别为：98 mg·L-1和42.22 mg·L-1；微波6 min作为预处理技术联合机械技术破解污泥时，溶解性多糖、蛋白质的溶出在2 min后有较明显的提高，在2 min时，溶解性多糖、蛋白质的浓度分别为133.3 mg·L-1，69.18 mg·L-1.由于在微波时间6 min，机械破碎2 min后，进一步延长机械破碎时间并没有对污泥有机物溶出产生明显影响.因此，从经济角度考虑，本试验在微波预处理破解污泥6 min条件下，最佳机械破解污泥时间为2 min.

(a)破碎时间对多糖的影响

(b)破碎时间对蛋白质的影响图2 破碎时间对多糖和蛋白质释放效果的影响

2.3 氨氮、磷酸盐的浓度变化

对于氨氮和磷酸盐的溶出效果如图3所示.单独微波处理污泥2 min时氨氮和磷酸盐的浓度增长速率较快，此时的氨氮和磷酸盐的浓度为3.54 mg·L-1和 2.3 mg·L-1；单独机械作用处理污泥时，污泥的氨氮和磷酸盐的产量随着时间的增大而逐渐增加，氨氮的产量从0.69 mg·L-1(原始污泥)增加到2.28 mg·L-1(8 min)，磷酸盐的产量从0.125 mg·L-1(原始污泥)增加到7.175 mg·L-1(8 min)，分析其原因，机械破碎污泥时胞外聚合物、细胞壁经过破裂，胞内物溶出，所含蛋白质发生水解生成氨氮，SCOD值增加，氨氮值也相应增加，胞外聚合物和细胞结构的破坏，使细胞内的磷迅速释放溶入液相中，从而磷酸盐产量增加[16].

当微波6 min做为预处理技术联合机械技术破解污泥时，随着机械作用时间的增大，氨氮和磷酸盐在2 min时增长速率较大后趋于稳定，此时溶液中的氨氮含量为6.45 mg·L-1，这与溶解性蛋白质溶出效果变化趋势一致；磷酸盐含量为12.45 mg·L-1.可以得出，微波与机械联合技术破解污泥过程中，微波预处理6 min后随着机械破碎时间的增大，污泥破解程度越高，释放出的含磷物质越多.微波作为预处理技术联合机械技术破解污泥与单独微波、单独机械技术破解污泥相比释放的氮磷产量更大，与李海兵等[17]研究相吻合.

(a)破碎时间对氨氮的影响

(b)破碎时间对磷酸盐的影响图3 破碎时间对氨氮和磷酸盐产量的影响

2.4 联合技术对污泥破碎程度的影响

微波能快速溶解污泥细胞，使固态COD转化成溶解态COD，溶出率DD可有效评价微波处理后剩余污泥的有机物释放程度，同时也代表了剩余污泥的水解程度[18].

从图4可知，单独机械破解污泥，随着破碎时间的增加，破解程度逐渐增大，在第8 min污泥细胞中有机物质溶出率最大，污泥破解率为43.54%，对比单独机械法，微波作为预处理技术联合机械技术对污泥的有机物溶出效果更显著，在第0～2 min时污泥破解程度突增后趋于稳定，第2 min污泥的破解率为84.41%，说明微波为预处理技术联合机械技术作用，污泥的破解程度大大提升，预处理效果明显，有机物释放效果更好.有机物的最大溶出率DD比机械单独作用提高47%.可见，使用微波联合机械技术后，能有效提高后续污泥破解的效果.

图4 不同时间下污泥的破碎程度

2.5 污泥粒径的变化

经过粒度分析实验可以看出：图5(a)为原始污泥，图5(b)为微波单独作用2 min污泥平均粒径分布，图5(c)单独机械破碎2 min污泥平均粒径分布图.图6(a)、(b)分别微波预处理6 min后机械破碎0 min、微波预处理6 min后机械破碎2 min污泥平均粒径分布图.

(a)原始污泥粒径大小

(b)微波破碎2 min时污泥粒径大小

从图7可以看出，两组实验都呈现出近乎相同的变化趋势，即在8 min的破碎时间内随着时间的变化粒度呈现逐渐递减的趋势.微波预处理6 min后进行2 min机械破解污泥与单独微波2 min、单独机械2 min破解污泥技术相比，粒径由32μm分别减小到29μm和21μm,说明微波作为预处理技术提高了污泥的破碎程度，污泥的粒径进一步减小，并且随着破碎时间越久污泥粒径越小.

分析其原因:微波破解后污泥粒径会受到明显影响，能够透射到生物组织内部使偶极分子和蛋白质的极性侧链以极高的频率振荡，引起分子的电磁振荡等作用同时对氢键、疏水键和范德华力产生作用，使污泥絮体结构发生变化，导致粒径的进一步降低[19].在第8 min粒径有小幅度的上升，可能是温度升高导致的污泥絮体发生絮凝作用.

从图7数值上也可以看出，经过的时间越长，最终破碎的粒径越小;同时从图7中还可以看出，联合技术比单独微波、单独机械技术破解剩余污泥的效果要更好.

图7 污泥粒径的变化

3 结论

(1)剩余污泥通过单独微波作用破碎剩余污泥，6 min时SCOD浓度达到最大，约为795 mg·L-1;单独机械破碎2 min时，SCOD产量为153.78 mg·L-1，随着机械破碎时间的增加，SCOD产量逐渐增加，机械破碎8 min时，SCOD浓度达到761.22 mg·L-1.微波作用与机械破碎具有一定的协同响应，微波(6 min)-机械(2 min)联合作用下，SCOD产量达到1 354 mg·L-1，明显高于二者单独作用下SCOD产量之和.同时联合作用下溶解性多糖和蛋白质浓度分别达到133.3 mg·L-1与69.18 mg·L-1.微波-机械联合处理可以达到较好的污泥破解效果，污泥破碎率达到84.4%，从而实现SCOD的快速释放与回收.

(2)预处理技术可改变污泥的粒径大小，使用粒度分析仪更为准确地表征污泥絮体的变化.根据实验的粒径分布情况，破碎时间为2 min时，单独微波处理和联合作用下污泥的粒径大小为29μm和32μm，通过对比发现联合作用对污泥颗粒破解程度较强，当微波作为预处理技术功率为700 W、微波时间为6 min时联合机械破解污泥技术，机械力度为4.8×104g，机械时间为2 min时，污泥的粒径为21μm，进一步验证了微波作为预处理技术强化了机械技术对碳源释放效率.