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pH对水热处理污泥效果的影响

时间:2016-05-03来源: 作者: 点击: 279次

周海云1,申哲民2*,姜伟立1,崔卫方1,程伟1

(1:江苏省环境工程重点实验室,江苏省环境科学研究院,南京,210036;2:上海交通大学,上海 200240)

[摘要]:采用连续式水热法处理市政污泥,考察了pH对水热处理污泥的脱水速率、污泥液固相基本参数及污泥中有机物水解程度的影响。结果表明, pH 4.0、pH 7.2、pH 10.0污泥经水热处理后,前30min过滤速率分别为0.15、0.09和0.03ml/min,酸性条件较中性、碱性条件下水热污泥的过滤速度分别提高66.7%和400%,酸性水热污泥液相水的溶解性化学需氧量SCOD(28225mg/L)远高于中性水热处理(8650mg/L)。酸、中性水热污泥的液相水经GC-MS分析表明,酸性条件更有利于絮体结构解体、细胞破裂、悬浮有机物溶解和有机物水解。

[关键词]:污泥;pH;水热

[中图分类号]X705        [文献标识码]B       文章编号

Effect of pH on Hydrothermal Treatment of Municipal Sludge

ZHOU haiyun1, SHEN Zhemin2*, JIANG Weili1 ,CUI Weifang1,CHENG Wei1

(1.JiangsuProvincialAcademyof Environmental Science,JiangsuKey Lab of Environmental Engineering,Nanjing,210036,China;

2. Shanghai Jiaotong University,shanghai, 200240,China)

Abstract: Municipal sludge were treated by continuous hydrothermal equipment and effect of pH on hydrothermal municipal Sludge were researched.Results showed that the sludge of pH 4.0、pH7.2 and pH 10.0  were treated respectively by hydrothermal method, filtering speed of hydrothermal treated sludge increased by 66.7%,400% under pH4.0 than pH7.2, pH10.0.The SCOD of hydrothermal treated sludge of pH <7 was far more than hydrothermal treated sludge of pH 7.The GC-MS of hydrothermal treated sludge showed that acidic hydrothermal treatment conditions were more conducive to disintegrate, floc structure cell rupture, suspended and dissolved organic matter and organic compound.Under acidic hydrothermal treatment condition, it is easier to disintegrate floc structure , rupture cell, dissolve suspended organic matter and hydrolyze organic matter than neutral hydrothermal treatment condition.

Keywords: pH;hydrothermal treatment;municipal sludge


随着我国城市污水处理厂的普及和污水处理效率的不断提高,污水处理厂污泥产量快速增加。“十二五”期间我国的污泥产量以每年246万吨的速度递增,大量的污泥需要处理处置[1-2]。而目前城市污水处理厂污泥含水率普遍高、脱水困难是制约污泥有效处理处置的关键因素之一,如制建材、填埋、堆肥等都要求含水率在 60% 以下[3,4]。脱水污泥再脱水已成为污泥处理处置的关键和难点问题[5]

水热法作为一种有效的污泥预处理方法,不但可以破坏污泥的胶体结构,提高污泥的脱水性能,而且可以使污泥中的有机物水解,改善污泥的厌氧消化性能。污泥在密闭容器内加热、升压,使污泥微生物细胞破碎,破坏胶体结构,降低粘度,表面吸附水、细胞水、毛细水则大量析出,从而有效提高污泥脱水性能。另外,我国主要城市的 14 座污水处理厂污泥中的有机物质平均含量约为 36.63%[5~6],污泥含有大量的有机物,如蛋白质、油脂和脂肪、纤维素、半纤维素和木质素等大分子有机物[7],通过水热处理,大分子有机物大量溶解、水解,从而改善污泥的厌氧消化性能。

沙超[8]等研究了温度对热处理脱水污泥溶解特性的影响,袁文祥[9]研究pH、反应时间对污泥水热处理的SCOD的影响,陈琛[10]探讨了 pH对热处理污泥厌氧发酵产氢的影响。但pH对水热处理污泥脱水效果、有机物水解程度的影响还少见报道,因此,本文在已有研究成果的基础上,采用连续式水热法处理市政污泥,将污泥调节成pH4.0pH7.2pH10.0,分别探讨酸、中性与碱性条件下,水热污泥的过滤效果、污泥液固相基本参数的变化及污泥中有机物的水解程度。

1 污泥水热实验装置与方法

1.1 实验装置

连续式水热实验装置:由高压进料机、热交换器、磁力搅拌器、反应釜、加热器 、电气控制器装置等组成,如图1所示。反应釜升温速率为12℃/min,耐温350℃,耐压12MPa


1-进料漏斗 2-热交换器 3-热交换器 4-磁力搅拌器 5-反应釜 6-加热器 7-电气控制器

图1连续式水热装置示意图

Fig1 Sketch of continuous hydrothermal device

1.2 实验方法

污泥车卸载后放入调质罐,加约0.2体积的水稀释流动化,经螺旋输送机输运到料斗,经高压进料泵打入亚临界反应釜,加热升温至250℃,即打开上卸料阀进入停留罐,停留时间8min左右,压力达到7Mpa,打开下卸料阀压力脉冲排泥到贮罐,取回实验室4500rpm30min固液离心、过滤,得到固相水热渣和液相水热水[11]

取污泥混合物离心后的液相水热水 60mL,密封静置 30 min,然后倒入 150ml分液漏斗,再加入 60mL 二氯甲烷振荡约 5min,然后静置分层,取下层萃取液,再加入 60mL 二氯甲烷振荡约 5min ,静置分层,重复操作 3 次,最后取下层萃取液,N2浓缩至 1mL 左右,密封 4℃保存。

GC-MS分析:气相色谱-质谱联用仪,色谱柱HP-1,载气氦气(高纯),流速 1.0mL/min,分流量 30mL/min,分流比30:1,进样量1μL。初始炉温 50℃保持 2min,以10℃/min 的速度从 50℃升至 280℃,进样口温度250℃,进样量 0.1μL。数据采集采用全屏模式,m/z30-500 的质量扫描范围内采集,溶剂延迟 2minNIST 8.0 质谱数据库分析谱图。

2 结果与讨论

2.1酸碱投加量对泥水混合物pH影响

进料污泥加入 10%H2SO45%NaOH换算成每吨污泥混合物硫酸、NaOH加入量与pH变化关系如图2。从图2可知,将泥水混合物调节至pH=4.0,每吨污泥需要添加 8.73 kgH2SO4;将泥水混合物调节至pH=10.0,每吨污泥需要添加 5.82 kgNaOH

图2 H2SO4和NaOH投加量对泥水混合物pH的影响

Fig2 The influence of H2SO4

and NaOH dosing quantity on the sludge mixture

2.2不同pH水热污泥过滤效果

取三种pH条件水热反应后的泥水混合物,过滤,得到三种不同过滤时间下过滤液的体积。pH对污泥反应混合物过滤液体积及过滤速率的影响见图3pH 4.0条件下的水热泥水混合物的过滤速度明显优于中、碱性(pH 10.0)条件。pH 4.0pH 7.2pH 10.0条件下,前30min过滤速率分别为0.150.090.03ml/min,酸性条件过滤速率比中性、碱性条件分别提高66.7%400%,且酸性条件下水热处理的泥水混合物固液更易分离,泥水界面更明显。

图3-a pH对污泥反应混合物过滤液体积的影响

Fig3-a Influence of pH on after-

reaction sludge mixture filtering volume

图3-b pH对污泥反应混合物过滤速率的影响

Fig3-b Influence of pH on after-reaction sludge mixture filtering rate

2.3 酸性、中性条件下水热污泥固、液相基本参数比较

H2SO4调节至pH=4.0及未添加酸碱的污泥分别进行亚临界水热处理,反应完成后,污泥固液离心分离,所得固相及液相基本性质如表1所示。酸性条件及中性条件下,处理后的污水混合物表现出不同的有机物溶出效果,pH 4.0pH 7.2时液相SCOD分别为28225mg/L8650mg/L,表明酸性条件更有利于污泥细胞的胞内有机物的融出与水解。由于酸性条件下更多的有机氮、脂肪、糖类物质的溶出、水解,使得水热水NH3-N、色度均较中性水热水高,酸性水热污泥液相水的pH升高至5.0,而中性水热污泥液相水pH变化不大。酸性条件下的水热渣干基中的挥发份含量较中性条件下的水热渣干基挥发份含量下降、灰分含量增加,因此,水热渣干基的热值低于中性条件下的水热渣。

表1污泥固液分离液固相基本性质对比(mg/L)

Table 1 Contrastion between basic properties of residue and liquidoid after separation

 

液相

固相

pH

SCOD

(mg/L)

NH3-N

(mg/L)

色度

()

热值(KJ/Kg)

固液比

挥发分

%质量比)

灰分

(%质量比)

固定碳

%质量比)

pH=4.0

5.0

28225

286

192

9462

1:4

25.12

60.26

12.56

pH=7.2

7.0

8650

125

96

13806

1:2

30.28

50.81

16.85


2.4 液相水的 GC-MS分析

对原污泥离心上清液、中性水热水及酸性水热水进行GC-MS分析,图4为上述三种液相水的气相色谱图,其横坐标代表各物质的出峰时间,纵坐标代表的是检测器对各物质的响应,此响应与各物质的含量成一定比列。中性水热水的 GC-MS 成分与未经水热处理的原污泥上清液基本一致,出峰时间都在 25min 前,而酸性水热水的 GC-MS 图谱发生较大变化,保留时间 13-25min 范围内,已没有明显出峰,经查谱图表明有机物经过酸性水热之后,生成了更多的小分子物质,水解更完全。保留时间 25min 后,酸性水热水出现了峰高、峰面积较大的大分子峰,说明经酸性水热处理后,污泥絮体结构内难破解、难释放的低挥发性极大分子有机物溶解到自由水中;加上大量有机物水解成小分子进入水热液相水,因此,酸性水热水的SCOD 远高于中性水热水。

 

 

 

 

 

 

 


图4 GC-MS 对比图

图4  液相水的气相色谱图

Fig.4 liquid phase of GC figure

3 结论

1)污泥pH 4.0时,水热处理后泥水分离效果好于中性条件,此时SCOD 达到 28225 mg/L,远高于原污泥中性水热的 SCOD8650mg/L,而污泥渣热值减少。

2)污泥pH 4.0条件下水热产生的泥水混合物的过滤速度明显优于pH 7.2pH 10.0条件下的水热泥水混合物。相比pH 7.2pH 10.0条件下的水热泥水混合物的过滤速度分别提高66.7%400%,机械脱水性能显著提高,且固液更易分离,界面明显。

3)水热后污泥液相水的GC-MS分析表明,pH4.0条件下水热污泥更有利于絮体结构解体、细胞破裂、悬浮有机物溶解和有机物水解。

参 考 文 献

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[收稿日期]

[基金项目]江苏省环境工程重点实验室开放课题(编号ZX2014005

[作者简介]周海云,男,江西省九江市人,硕士,中级,主要研究方向:水污染控制工程

通讯作者:申哲民,男,教授,博士生导师,主要研究方向:环境化学与水污染控制

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