鼓泡塔污泥臭氧化效率及影響因素分析

蔣軼鋒,黃曉楠,王志彬,金云珍(.浙江工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院,浙江 杭州 3004；.溫州市甌海區(qū)城市管理與行政執(zhí)法局,浙江 溫州 35006)

鼓泡塔污泥臭氧化效率及影響因素分析

蔣軼鋒1*,黃曉楠1,王志彬1,金云珍2(1.浙江工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院,浙江 杭州 310014；2.溫州市甌海區(qū)城市管理與行政執(zhí)法局,浙江 溫州 325006)

采用鼓泡塔反應(yīng)器開展污泥臭氧化研究,考察了臭氧濃度、污泥濃度、臭氧投加量對(duì)污泥溶胞和有機(jī)物釋放的影響規(guī)律.結(jié)果表明,污泥臭氧化在實(shí)現(xiàn)較高溶胞速率的同時(shí)對(duì)釋出 COD的礦化作用明顯,造成臭氧化效率下降.基于響應(yīng)面分析,發(fā)現(xiàn)各影響因素對(duì)污泥溶胞速率和COD釋放速率的顯著性排序分別為:臭氧濃度＞污泥濃度＞臭氧投加量,臭氧濃度＞臭氧投加量＞污泥濃度,且存在交互作用效應(yīng);建立了相關(guān)多元二次回歸模型并進(jìn)行了有效性驗(yàn)證,獲得了各影響因素之于污泥臭氧化的最佳反應(yīng)條件.

臭氧；污泥；溶胞；響應(yīng)面分析

剩余污泥減量是當(dāng)前亟待解決的環(huán)境和社會(huì)問(wèn)題[1].污泥溶胞—隱性生長(zhǎng)污泥減量技術(shù)具備環(huán)境安全、操作方便、減量效果顯著等優(yōu)點(diǎn)[2-3].臭氧/氯氣氧化、機(jī)械壓力/超聲、酸/堿等均能破解細(xì)胞,其中臭氧化方法因其氧化能力強(qiáng)、反應(yīng)副產(chǎn)物少、能改善污泥沉降性等特點(diǎn)而備受矚目[4-7].

目前,臭氧化設(shè)備的投資及制備成本仍然偏高.同時(shí),由于臭氧難溶于水,根據(jù)雙膜理論認(rèn)為臭氧的擴(kuò)散傳質(zhì)阻力主要集中于液相.為此,現(xiàn)有的研究主要從反應(yīng)裝置和運(yùn)行參數(shù)入手,圍繞污泥臭氧化的特點(diǎn)開展反應(yīng)機(jī)理、傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)等研究[8-10],以期通過(guò)提高氣液傳質(zhì)和臭氧利用效率,實(shí)現(xiàn)其與污水生物處理單元的耦合與污泥減量.蔣軼鋒等[4]、王正等[5,9]考察了臭氧濃度、污泥濃度、臭氧投加量、混合液高度、氣泡尺寸等對(duì)臭氧傳質(zhì)效率的貢獻(xiàn),并建立了相關(guān)數(shù)學(xué)模型;汪啟光[11]剖析了污泥臭氧破解機(jī)理及主要作用途徑,認(rèn)為臭氧投加量、臭氧濃度與固相COD的釋放成正比;趙玉鑫等[12]考察了臭氧投加量、pH值和污泥濃度對(duì)有機(jī)物釋放的影響,獲得了污泥溶胞的臨界臭氧投量;吳聲東等[13]以溶出 COD為控制指標(biāo),分析表明影響臭氧化溶胞效率的順序?yàn)槌粞鯘舛龋咀饔脮r(shí)間.

考慮到臭氧化污泥溶胞反應(yīng)相對(duì)緩慢、持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),本文將采用底部安裝有 10μm微孔曝氣頭的新型氣提式鼓泡塔接觸反應(yīng)器,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、氣相高度分散、相際接觸表面大、傳質(zhì)系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn).相比先前研究,該體系有望進(jìn)一步增強(qiáng)污泥破解速率,縮短反應(yīng)時(shí)間.同時(shí),考察系統(tǒng)中污泥濃度、臭氧濃度、臭氧投加量等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)臭氧化過(guò)程和效率的影響;結(jié)合響應(yīng)面分析,探討各因子對(duì)污泥溶胞及其有機(jī)物釋放速率的顯著性影響與交互作用效應(yīng),以摸清污泥臭氧化的一般性規(guī)律及優(yōu)化方法.

1 材料和方法

1.1 臭氧發(fā)生器

臭氧發(fā)生器(3S-A3型,北京同林高科科技有限責(zé)任公司)以環(huán)境空氣為氣源,經(jīng)高頻放電產(chǎn)生臭氧.試驗(yàn)中保持進(jìn)氣流量 0.2L/min,通過(guò)調(diào)節(jié)電流控制出口臭氧濃度在11、16和21mg/L左右.

1.2 污泥臭氧化裝置

圖1所示的污泥臭氧化裝置由臭氧發(fā)生器、鼓泡塔反應(yīng)器、尾氣吸收和臭氧檢測(cè)裝置等組成.具有一定高徑比的鼓泡塔直徑 35mm,高1700mm,有效容積1.65L.

圖1 污泥臭氧化試驗(yàn)裝置示意Fig.1 Schematic diagram of sludge ozonation device

污泥取自杭州某城市污水處理廠,通過(guò)人工培養(yǎng)保持污泥性狀穩(wěn)定,VSS/SS=0.51左右.污泥經(jīng)自來(lái)水淘洗后配置所需的濃度.每批次反應(yīng)投加污泥1L,臭氧經(jīng)流量計(jì)由微孔曝氣頭進(jìn)入塔底與污泥接觸氧化.

1.3 臭氧投加量

本試驗(yàn)的臭氧投加量定義為臭氧投量與初始污泥量的比值,其計(jì)算方式如下:

式中:dO3為臭氧投加量,gO3/gMLSS;Qg為氣源流量,L/min;T為反應(yīng)時(shí)間,min;CO3為臭氧濃度, mg/L;VSS為污泥體積,L;MLSS為污泥濃度, mg/L.

1.4 分析方法

各指標(biāo)按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定[14];臭氧濃度采用碘量法分析[15].液相總 COD(TCOD)和溶解性COD(SCOD)分別指混合液經(jīng)沉降 5min或離心10min(4500r/min)后上清液中的有機(jī)物濃度[9,16].

2 結(jié)果與討論

2.1 污泥溶胞

圖2 不同臭氧濃度下MLSS的變化Fig.2 Change of MLSS at different ozone concentrations

圖 2顯示在不同進(jìn)氣臭氧濃度(11、16和21mg/L)和污泥濃度(4、9和14g/L)下的污泥溶胞情況.臭氧利用強(qiáng)氧化性破壞細(xì)胞,導(dǎo)致污泥溶解并釋放胞內(nèi)物.如圖,在不同工況下MLSS均呈現(xiàn)先快速后趨緩的下降規(guī)律,表明反應(yīng)后期由于惰性物質(zhì)積累,導(dǎo)致污泥分解趨緩[17-18].即臭氧投量的增加對(duì)污泥減量的促進(jìn)存在一個(gè)合理的范圍,過(guò)長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間反而會(huì)加劇臭氧消耗及其對(duì)釋出有機(jī)物的直接氧化作用[4].

理論上,污泥細(xì)胞質(zhì)提供了類似 pH中性和高濃度HCO3-離子的環(huán)境,溶胞過(guò)程包括 OH·和分子態(tài)臭氧的間接和直接氧化作用[11,19].通過(guò)圖3對(duì)pH監(jiān)測(cè),其中性偏酸性條件更有利于污泥的臭氧氧化分解[12,20].

圖3 pH隨臭氧投加量的變化Fig.3 Change of pH with ozone dosage

表1列出了不同條件下的污泥溶胞速率,顯示較高的臭氧濃度更利于溶胞[13].相較吳聲東[21]19mgMLSS/(L·min)的溶胞速率,本試驗(yàn)在類似條件下的速率高達(dá)116mgMLSS/(L·min)(為其6倍),推測(cè)這與研究采用的鼓泡塔裝置和微孔曝氣器有關(guān).該結(jié)果也與作者前期結(jié)論一致[5],即塔內(nèi)混合液高度和氣泡直徑對(duì)臭氧傳質(zhì)效率的影響十分顯著.

表1 不同條件下的溶胞速率Table 1 Cell lysis rate under different conditions

2.2 有機(jī)物釋放

污泥溶胞引起液相有機(jī)物濃度上升,圖 4和圖5分別表示在3種初始污泥濃度條件下,TCOD和SCOD隨臭氧投量的變化情況.首先,COD的釋放量隨著臭氧投量增加而增加,但同時(shí)發(fā)現(xiàn)擬合曲線存在拐點(diǎn),暗示在反應(yīng)中后期臭氧對(duì)COD的氧化速率已超越其溶胞釋出速率,這顯然對(duì)臭氧溶胞的經(jīng)濟(jì)性不利[22-23].

此外,在一定的臭氧投量下TCOD與SCOD的差值反映了污泥溶出物中大分子非溶解性COD占據(jù)較大比例,且其增加速率高于溶解性SCOD.總體而言,污泥臭氧化在0.015gO3/gMLSS左右的投量下具有較好的溶胞效果.然而,就單位溶解污泥釋放有機(jī)物的比例而言,經(jīng)計(jì)算其最大值僅為365mgTCOD/gVSS,進(jìn)一步表明有70%多的有機(jī)物(底物)在溶胞過(guò)程中被臭氧直接礦化損耗(按 1gVSS=1.42gCOD[24]).推測(cè)本研究鼓泡塔的設(shè)計(jì)及其分散相中較小的氣泡尺寸引起了氣液傳質(zhì)反應(yīng)速率改善,導(dǎo)致釋出 COD在溶胞過(guò)程中更易被氧化分解.因此,在維持高污泥溶胞速率的同時(shí)減少臭氧和有機(jī)物的無(wú)效消耗是后續(xù)研究的重點(diǎn).

圖4 不同污泥濃度下TCOD隨臭氧投加量的變化Fig.4 Variation of TCOD with ozone dosage under different sludge concentrations

圖5 不同污泥濃度下SCOD隨臭氧投加量的變化Fig.5 Variation of SCOD with ozone dosage under different sludge concentrations

2.3 臭氧利用率

進(jìn)一步對(duì)污泥溶胞過(guò)程中的臭氧利用率進(jìn)行了考察,如圖6所示,在4、9和14g/L污泥濃度下,臭氧的利用率隨反應(yīng)的進(jìn)行均呈先升高后降低的趨勢(shì),其平均利用率分別在0.88、0.91、0.92左右,表明污泥濃度增加有利于臭氧的利用[9],但影響不大.

臭氧利用率的波動(dòng)也證明了污泥臭氧化過(guò)程中MLSS溶胞、COD氧化兩個(gè)過(guò)程對(duì)臭氧的爭(zhēng)奪利用[25].結(jié)合前文的分析,污泥臭氧化進(jìn)程和終點(diǎn)的控制應(yīng)通過(guò)不同操作條件下臭氧投量、MLSS、COD、臭氧率用率等嚴(yán)格監(jiān)控加以確定,避免臭氧被有機(jī)物礦化所用[5,8].

圖6 臭氧利用率隨反應(yīng)時(shí)間的變化Fig.6 Change of ozone utilization with reaction time

2.4 污泥臭氧化效率

2.4.1 響應(yīng)面因素及水平選取 進(jìn)而選取臭氧濃度(A)、污泥濃度(B)和臭氧投加量(C)作為污泥臭氧化溶胞效果影響顯著的3個(gè)因素,并采用三因素三水平的響應(yīng)面分析方法,其水平設(shè)計(jì)見表2.

表2 試驗(yàn)因素及水平Table 2 Factors and levels of experiment

2.4.2 模型建立及方差分析 根據(jù) Box-Benhnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(BBD),以上述A、B和C為自變量,污泥的溶胞速率(Y1)和 TCOD釋放速率(Y2)為目標(biāo)響應(yīng),設(shè)計(jì)了共15個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的響應(yīng)面分析實(shí)驗(yàn),利用Design-Expert8.0.6擬合得到3個(gè)因素與響應(yīng)值的多元二次回歸方程(1)和(2),通過(guò)對(duì)回歸方程的分析,分析最優(yōu)工藝參數(shù),結(jié)果如表3所示.

表3 BBD實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果Table 3 Experimental design and results of BBD

對(duì)Y1和Y2的回歸模型進(jìn)行二次方差分析和顯著性檢驗(yàn).由表4可見,溶胞速率模型的F值為37.34,P值為 0.0005＜0.05,認(rèn)為溶胞速率的響應(yīng)模型顯著.觀察各項(xiàng)的P值,A、B、C、AC、B2、C2六項(xiàng)的P值＜0.05,而其余各項(xiàng)P值均＞0.05,表明該模型A、B、C三項(xiàng)的單獨(dú)作用及A和C的交互作用對(duì)溶胞速率響應(yīng)模型的影響顯著,B、C的二次項(xiàng)對(duì)響應(yīng)模型的影響顯著;其他變量的影響均不顯著.失擬項(xiàng) F值為 0.050,P值 0.9818＞0.05,表明失擬項(xiàng)不顯著,說(shuō)明模型擬合效果好,可以用模型進(jìn)行污泥溶胞速率的預(yù)測(cè)分析.

另外,TCOD的釋放速率模型F值為5.78,P值為0.0339＜0.05,認(rèn)為該模型顯著.A的單獨(dú)作用以及C的二次項(xiàng)對(duì)響應(yīng)模型的影響顯著.失擬項(xiàng)F值為4.23,P值0.1972,失擬項(xiàng)不顯著,說(shuō)明模型擬合情況好.R2=0.9123,精密度為7.393,表明該模型有較好的擬合度.

表4 二次回歸模型的方差分析Table 4 ANOVA for quadratic regression model

2.4.3 響應(yīng)面分析 通過(guò)3D響應(yīng)面圖形可更直觀地觀察各因素對(duì)響應(yīng)值的影響.如圖7和8所示,污泥的溶胞速率和 TCOD的釋放速率隨著臭氧濃度的增加明顯的升高,特別是 TCOD釋放速率隨臭氧濃度的增大幾乎呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì).隨著污泥濃度的增大,污泥溶胞速率開始有所提高,但當(dāng)污泥濃度處于9與14g/L之間時(shí)溶胞速率幾乎不再升高甚至有所下降,說(shuō)明在一定范圍臭氧濃度下,較低污泥濃度更有利于污泥細(xì)胞的破解.這與曹艷曉等[26]的試驗(yàn)結(jié)論相一致,即 MLSS越高削減量越多,但當(dāng)高于某一值時(shí)削減量反而下降.

圖7 臭氧濃度-臭氧投加量,污泥濃度-臭氧投加量對(duì)溶胞速率影響的3D響應(yīng)面Fig.7 3D response surface grpahs of effect of ozone concentration-ozone dosage, sludge concentrationozone dosage on cell lysis rate

總體上,得出影響污泥溶胞速率的各因素按影響大小排序依次為:臭氧濃度(A)＞污泥濃度(B)＞臭氧投加量(C);而對(duì)于TCOD釋放速率影響,臭氧濃度(A)＞臭氧投加量(C)＞污泥濃度(B),與響應(yīng)面方差分析的結(jié)果一致.該結(jié)論與前人的研究[13]相符并進(jìn)一步揭示了主要操作參數(shù)對(duì)于污泥臭氧化過(guò)程的直觀影響規(guī)律.

2.4.4 優(yōu)化及驗(yàn)證 通過(guò)Design-Expert軟件分析,得到本試驗(yàn)優(yōu)化操作條件:臭氧濃度21mg/L、污泥濃度10.49g/L、臭氧投加量0.011gO3/gMLSS.此時(shí),污泥溶胞速率和有機(jī)物釋放速率分別為223mgMLSS/(L·min)和15.22mgTCOD/(L·min).

圖8 臭氧濃度-污泥濃度,臭氧投加量-污泥濃度對(duì)TCOD釋放速率影響的3D響應(yīng)面Fig.8 3D response surface grpahs of effects of ozone concentration-sludge concentration, ozone dosagesludge concentration on TCOD release rate

進(jìn)一步開展了相關(guān)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn):即在臭氧濃度21mg/L、初始污泥濃度10.80g/L工況下,當(dāng)臭氧投加量0.011gO3/gMLSS時(shí)(反應(yīng)僅約30min),得到的污泥溶胞速率和 TCOD釋放速率分別為212mgMLSS/(L·min)和 15.33mgTCOD/(L·min),且與上述模型預(yù)測(cè)值接近,從而說(shuō)明響應(yīng)面分析模型較為合理,具有一定的指導(dǎo)意義.

3 結(jié)論

3.1 鼓泡塔內(nèi)污泥臭氧化可獲得較高的溶胞速率,但對(duì)釋出有機(jī)物的氧化作用明顯,造成臭氧和COD的雙重?fù)p耗.

3.2 基于響應(yīng)面分析,臭氧濃度對(duì)溶胞速率和TCOD釋放速率的影響最為顯著,且其與臭氧投加量的交互作用對(duì)溶胞速率影響顯著,初始污泥濃度對(duì)TCOD釋放速率幾無(wú)影響.

3.3 按各因素的影響顯著性排序,對(duì)于污泥溶胞速率:臭氧濃度＞污泥濃度＞臭氧投加量;對(duì)于TCOD釋放速率:臭氧濃度＞臭氧投加量＞污泥濃度.

3.4 建立了溶胞速率和TCOD釋放速率的多元二次回歸模型,在臭氧濃度 21mg/L、污泥濃度10.49g/L、臭氧投加量0.011gO3/gMLSS的最佳反應(yīng)條件下,溶胞速率和TCOD釋放速率的預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值吻合,表明模型具有一定指導(dǎo)意義.

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Analysis of sludge ozonation efficiency and its influencing factors in bubble column.

JIANG Yi-feng*, HUANG

Xiao-nan, WANG Zhi-bin, JIN Yun-zhen (1.College of Environment, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China；2.Wenzhou Urban Management and Law Enforcement of Ouhai, Wenzhou 325006, China). China Environmental Science, 2017,37(9)：3416～3422

In this context, a bubble column reactor was employed for sludge ozonation, where the effects of ozone concentration, sludge concentration and ozone dosage on sludge solubilization and organic release was investigated, respectively. The results showed that a high cell lysis rate was achieved but with an obvious mineralization of released COD, and it in consequence lowered the ozonation efficiency. Based on the response surface methodology, it revealed that there was interaction effects among the above influencing factors, and their respective order for sludge solubilization rate and COD release rate were: ozone concentration ＞ sludge concentration ＞ ozone dosage, and ozone concentration ＞ ozone dosage ＞ sludge concentration. Finally, the optimum operational conditions for sludge ozonation was obtained, by the related multiple quadratic regression model established and validated experimentally.

ozone；sludge；cell solubilization；response surface methodology

X705

A

1000-6923(2017)09-3416-07

2017-02-27

國(guó)家青年科學(xué)基金項(xiàng)目(51308501)

* 責(zé)任作者, 副教授, jyf@zjut.edu.cn

蔣軼鋒(1978-),男,浙江紹興人,博士,主要研究方向?yàn)樗幚砑皻鈶B(tài)污染物控制技術(shù).發(fā)表論文30余篇.