堿解法對二沉池污泥中化學需氧量（COD）的釋放研究

雷玉新 劉耀興，2 席 銀 李文章 張 霞

（1.三峽大學 水利與環境學院，湖北 宜昌 443002；2.水資源安全保障湖北省協同創新中心，武漢 430070；3.湖北天泰環保工程有限公司宜昌分公司，湖北 宜昌 443002）

0 引 言

二沉池污泥是污水處理過程中產生的一種含水率很高的絮狀泥粒，其主要由污水中的懸浮物、微生物、微生物所吸附的有機物以及微生物代謝活動產物所形成的聚集體.污泥中有機質、氮、磷及重金屬含量較高，且含有大量的病原微生物，經過脫水后的污泥有臭味，若處理不當，會隨雨水等進入水體，引起二次污染［1］.由于污泥成分較為復雜，對環境污染日益加重，因而污泥減量化技術已經成為重要的環保課題之一.同時污泥中含有大量有機物，必須對其進行妥善處理，以防止對環境造成二次污染［2］.在實現污泥減量化的同時，如何使脫水污泥中的有機質最大限度地溶解出來，也是目前污泥減量化處理與處置過程中越來越受重視的問題.

目前，硝化反硝化是高效的生物脫氮技術，在污水處理領域有著廣泛的應用［3］，在微生物反硝化脫氮過程中異養反硝化菌需消耗大量的外加碳源以提供能量［4］.我國現行污水處理廠，特別是我國南方地區的污水處理廠，普遍存在脫氮碳源不足而引起的氮反硝化效率較低問題，這已成為制約生物脫氮的重要因素，因此需要投放外加碳源以滿足反硝化脫氮電子供體的要求［5］.目前外加碳源種類繁多，主要包括甲醇、乙醇、乙酸鈉、初沉池污泥和一些工業廢棄產物等［6］，相關研究證明不同外加碳源條件下氮的反硝化速率差別較大［7］.同時外加碳源會增加污水處理過程中的成本.

根據前人研究，堿解預處理可以破壞二沉池污泥絮體及其細胞結構，使不溶性有機物從胞內釋放出來［8］.這說明堿解過程不僅會使污泥中的有機物得以釋放，實現污泥的減量化；同時含有有機物的堿液可以作為厭氧消化的外加碳源，降低厭氧生物處理的成本.因此，本研究提出利用NaOH消解二沉池污泥，考考察NaOH濃度、溫度和時間等實驗參數對污泥中COD釋放效率的影響.這不僅可為二沉池污泥減量化提供一種有效的方法，同時將含有有機物的堿液作為碳源及營養源投加到污水處理廠的脫氮反硝化工藝中，提高反硝化脫氮速率，節約外加碳源成本.

1 材料與方法

1.1 試驗方法與儀器

氫氧化鈉，硫酸銀，硫酸亞鐵銨，重鉻酸鉀，七水合硫酸亞鐵，1，10－菲啰啉，硫酸（分析純，國藥集團化學試劑有限公司，中國），超純水（18.2MΩ）；水浴恒溫振蕩器（SHA－C，常州國華電器有限公司，中國），HS－JFK2000Z01型超聲換能器，微控數顯電熱板（EH35B，北京萊伯泰科有限公司，中國），燒杯，漏斗，錐形瓶，冷凝管等.

1.2 試驗方法

取一定量的二沉池污泥于碘量瓶中，加入一定量的NaOH溶液，將碘量瓶密封，在一定溫度置于水浴恒溫振蕩器中消解一段時間后，利用定量濾紙過濾消解的污泥，取濾液測定COD；利用 HS－JFK2000Z01型超聲換能器超聲處理污泥一定時間，利用定量濾紙過濾消解的污泥，取濾液測定COD.

1.3 分析方法

COD的測定：重鉻酸鉀法，具體參照《水和廢水監測分析方法》第四版.

1.4 實驗污泥來源

實驗污泥采自湖北省宜昌市臨江溪污水處理廠的二沉池污泥，該污水廠污水來源主要是生活污水，采用具有生物脫氮除磷功能的A2／O工藝，污泥取回實驗室后置于冰箱中保存直至使用（72h內）.

2 結果與討論

2.1 NaOH投加量對COD釋放量影響

在8支250mL的錐形瓶中加入100mL含水率為99.8%二沉池污泥，分別向錐形瓶中加入不同體積的NaOH溶液，將錐形瓶密封，在溫度為60℃的條件下消解12h，考察NaOH的投加量對COD釋放量的影響，結果如圖1所示.由圖1可見，NaOH的投加量小于2g／L時，COD的釋放量隨著NaOH濃度的增大而增加，NaOH的投加量大于2g／L時，污泥中COD釋放量趨近平衡.當NaOH的投加量分別為0g／L和2g／L時，濾液中COD質量濃度分別為117.2 mg／L和501.2mg／L，NaOH 的質量濃度為2g／L時COD釋放量是不加NaOH消解時COD釋放量的4.4倍.這表明NaOH消解對污泥中COD的釋放有顯著效果.

圖1 NaOH濃度對COD釋放的影響

當NaOH投加量低于2.0g／L時，COD溶出量隨NaOH投加量的增大而增大的原因主要有兩個.第一，NaOH的添加可改變污泥溶液的pH，而隨著污泥溶液pH值的升高，污泥聚集體和有機質之間的作用力會逐漸降低［9］，所以隨著NaOH投加量的增大，污泥溶出的COD量逐漸增大；第二，大部分微生物在強堿性條件下難以生長，死亡微生物細胞破裂可進一步釋放COD，從而提高溶出液COD的量.當NaOH的投加量大于2g／L時，COD溶出量隨NaOH投加量的增大變化不明顯，甚至還可能而下降，釋放COD不變或后下降的原因有兩個.第一，污泥聚集體吸附的有機物已經完全釋放；第二，微生物細胞中滲透壓與外界平衡，COD的釋放量不再加，從而使COD的釋放量保持平衡.同時可能污泥中有極少數微生物能在強堿性條件下存活，存活的微生物利用污泥中溶解性的有機物，消耗COD所造成的，Cai等［10］報道了相似結果.

2.2 消解溫度對COD釋放量的影響

在5支250mL的錐形瓶中分別加入100mL含水率為99.8%二沉池污泥，向錐形瓶中分別加入10 mL質量濃度為40g／L的NaOH溶液，在30～70℃溫度條件下消解2h，考察溫度對COD釋放量的影響，結果如圖2所示.由圖2可見，COD的釋放量隨溫度的升高而增加，溫度為70℃時COD的釋放量是溫度為30℃時的1.7倍.這主要是因為，溫度對污泥聚集體吸附有機質有不同程度的影響，低溫有利于污泥聚集體和有機質之間作用力的形成，使污泥中的有機質處于相對穩定狀態［11］.溫度越高越不利于污泥聚集體吸附有機物，同時較高的溫度不利于微生物生長，溫度越高微生物細胞破裂的機率越大，釋放的有機物就越多.

圖2 消解溫度對COD釋放的影響

2.3 消解時間對COD釋放量的影響

在8支250mL錐形瓶中分別加入100mL含水率為99.8%的二沉池污泥，然后分別向錐形瓶中加入10mL濃度為40g／L的NaOH溶液，在溫度為60℃條件下分別消解0、2、4、6、8、10、12、24h，考察消解時間對COD釋放量的影響，結果如圖3所示.

圖3 消解時間對COD釋放的影響

由圖3可見，COD釋放量隨著消解時間的增加而增加，當消解時間達到12h以后，污泥中COD釋放量趨近平衡.消解時間為0h和12h時，濾液中COD質量濃度分別為284.2mg／L和513.3mg／L，消解時間為12h時COD釋放量是消解時間為0h時COD釋放量的1.8倍，這表明消解時間對NaOH消解污泥釋放COD有顯著的影響.在高溫和堿性條件下，當消解時間小于12h時，COD釋放量隨消解時間的增加而增加的主要原因是：隨著時間的增加，NaOH逐漸破壞污泥中的絮體，同時破裂的微生物細胞越多，釋放的COD越多；當消解時間大于12h時，隨著消解時間的增加，NaOH逐漸被消耗，污泥中微生物細胞不再破裂，微生物細胞中滲透壓與外界平衡，COD的釋放量不再增加，從而使COD的釋放量保持平衡.

2.4 超聲與NaOH消解方法比較

在NaOH投加量為2.0g／L、溫度為50℃以及消解時間為12h的條件下對含水率為99.47%的污泥進行消解，測定COD的釋放量；利用超聲儀器在超聲功率為1 000W、聲能密度為1W／cm3的條件下對含水率為99.47%的污泥進行了超聲試驗，采樣時間分別為3、6、12、20min；比較 NaOH 消解和超聲兩種方法對COD溶出效率和污泥沉降效率的差異，結果見表3.由表3可見，隨著超聲時間的延長，濾液中COD濃度逐漸增加，當超聲時間為20min時，濾液中COD濃度為200mg／L，其遠遠低于NaOH消解濾液中COD 1 448mg／L的濃度.超聲試驗采用最長20min，主要是因為儀器一次性不宜工作過長時間，同時隨著超聲時間的延長，污泥粘度會逐漸增大，從而降低污泥的脫水性能，使后續污泥分離困難［12］.污泥經NaOH消解12h后，沉降性能較好，有利于污泥的濃縮處理.這說明在該實驗條件下，相比于超聲波，NaOH消解污泥具有更好的效果和應用前景.

表1 超聲和消解兩種方法COD釋放量

2.5 污泥含水率對COD溶出的影響

為考察污泥含水率對COD溶出的影響，分別利用 NaOH 對含水率為97.00%、98.56%、98.98%和99.55%的污泥進行消解，消解時間為2.0h，結果如圖4所示.由圖4可見，COD溶出量隨污泥含水率的降低而增加，如當NaOH濃度為4.0g／L時，含水率為97.00%、98.56%、98.98%和99.55%的污泥濾液中COD的濃度分別為538.9mg／L、2 180.3mg／L、2 688.5mg／L和3 950.8mg／L.同時可發現，隨著污泥含水率的升高，COD溶出達到平衡所需的NaOH的量逐漸降低，當污泥含水率為98.56%、98.98%和99.55%時，COD溶出平衡所需的NaOH濃度分別為2.0g／L、4.0g／L和5.0g／L；當含水率為97.00時，NaOH濃度為10.0g／L時，COD的溶出亦未達到平衡.這主要是因為含水率越低，污泥中懸浮物、微生物、微生物所吸附的有機物越多，消解過程中釋放COD的量越多，達到COD溶出平衡時所需NaOH就越多.

圖4 污泥含水率與COD釋放的關系

3 結 論

研究結果表明，NaOH消解對二沉池污泥中COD的釋放有非常顯著的效果，NaOH濃度、溫度、時間、污泥含水率等參數對COD的釋放效率有較大的影響.含水率為99.8%二沉池污泥消解最佳NaOH濃度為2g／L，消解時間12h，含水率不同的污泥，NaOH消解的最佳條件不同，同時COD的最大釋放量亦不同.超聲消解污泥過程中，雖然污泥釋放的COD隨超聲處理時間的延長而增加，但同時脫水越困難，與NaOH消解相比，超聲消解后污泥的沉降性能較差.由此可見，經NaOH消解后，污泥可釋放較多的COD，污泥的沉降性能較好，有利于污泥的濃縮處理，使污泥減量化；同時污泥釋放的COD，能為城市污水處理廠的反硝化處理工藝提供碳源和營養源，為污水反硝化處理節省成本.

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