废水处理厂剩余污泥水热减量及改善脱水性能的研究 6页

第35卷第4期环境工程Vol．35No．42017年4月EnvironmentalEngineeringApr．2017*废水处理厂剩余污泥水热减量及改善脱水性能的研究1211111甘雁飞周宁娟张若晨李响薛罡高品张忆楠(1.东华大学环境科学与工程学院，上海201620;2.上海天华建筑设计有限公司，上海200235)摘要:采用水热法处理含有机质较高的食品加工废水处理厂剩余污泥，以期实现污泥减量并改善污泥脱水性能。研究结果表明，水热反应温度和反应时间对污泥减量影响较大，污泥初始含水率对污泥减量影响较小。污泥减量的最佳反应条件为:反应温度为220℃，反应时间为3h，污泥初始含水率为84%;在此条件下，通过物料衡算分析可知，污泥湿重减量达到72.9%，污泥干重减量达到31.2%，污泥VSS降解率达到35.5%，水热反应结束并抽滤脱水后污泥含水率降至59.4%，所得脱水滤液ρ(COD)可达38.2g/L且含有一定氮磷浓度，经测算该脱水滤液回流到废水处理系统时对废水处理负荷无明显影响。水热处理对食品加工废水厂剩余污泥具有显著的减量及改善脱水性能的效能。关键词:食品加工废水;剩余污泥;水热法;减量;脱水性能DOI:10.13205/j．hjgc．201704019STUDYONEXCESSSLUDGEＲEDUCTIONFＲOMWASTEWATEＲTＲEATMENTPLANTANDDEWATEＲINGIMPＲOVEMENTBYHYDＲOTHEＲMALMETHOD1211111GANYan-fei，ZHOUNing-juan，ZHANGＲuo-chen，LIXiang，XUEGang，GAOPin，ZHANGYi-nan(1.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering，DonghuaUniversity，Shanghai201620，China;2.ShanghaiTianhuaArchitecturalDesignCo．，Ltd，Shanghai200235，China)Abstract:Inordertoachievesludgereductionandimprovethepropertyofsludgedewatering，theexcesssludgewithhigherorganicmatter，producedbybiologicaltreatmentoffoodprocessingwastewater，wastreatedbythehydrothermalmethod．Theresultsshowedthathydrothermalreactiontemperatureandreactiontimehavesignificanteffectonthesludgereduction，whileinitialwatercontentofsludgewasmargin．Additionally，theoptimumparametersforsludgereductionwereat220℃，reactiontimeof3hwithinitialwatercontentof84%．Undertheoptimalconditions，frommassbalancepointofview，itshowedthatwetweightreductionofsludgewasabove72.9%，dryweightreductionofsludgewasabove31.2%，sludgeVSSdegradationratereachedupto35.5%，thewatercontentofsludgeafterhydrothermalreactionandfiltrationdehydrationdroppedto59.4%，CODconcentrationinthefiltratewasabout38.2g/L，inaddition，thefiltratealsocontainedacertainconcentrationofnitrogenandphosphorus．However，therewasnosignificanteffectontheloadoffoodprocessingwastewatertreatmentwhenthedehydrationfiltratereturnedtothewastewatertreatmentsystem．Sohydrothermaltreatmentcouldreducesignificantlytheexcesssludgeproducedbybiologicaltreatmentoffoodprocessingwastewater，andimproveitsdehydrationpropertygreatly．Keywords:foodprocessingwastewater;excesssludge;hydrothermalmethod;reduction;dehydrationproperty食品加工废水是一种可生化性较好、容易降解的成为食品加工行业节能减排的重要问题。［2］废水，目前普遍采用厌氧、好氧和物化的组合工艺进常见污泥减量化技术有微生物捕食法、超声［1］。在食品加工废水的处理过程中会产生大［3］［4］［5］行处理波法、湿式氧化法、好氧消化和厌氧消化法、量含有机质较高的剩余污泥，如果直接填埋或焚烧处［6］水热法等，其中，水热法较为适合处理含有机质较理，会造成大量土地资源和能源的浪费，污泥减量已高的污泥。水热法是指在一定的温度(130～250℃)*上海市青年科技英才扬帆计划(15YF1400800);国家自然科学基金及自生压力条件下，将生物质原料转化为水热炭和水［7-8］(51508084)。热液的一种方法，通过水解、脱水、脱羧、聚合和芳收稿日期:2016－09－29构化［9］等一系列反应过程，一方面能显著降低污泥n92环境工程第35卷［10］容积，减少污泥干重，另一方面能破坏污泥胶体结定量滤纸的布氏漏斗中，在真空压力为－0.045MPa的构，降低污泥黏度，同时使污泥中大部分的束缚水转负压下抽滤脱水，当无滤液流出时，即达到脱水终点。化为自由水，从而改善污泥脱水性能，进一步降低污1.4分析方法［11-12］泥含水率和体积。污泥含水率、VSS、TSS测定采用重量法;COD测浙江某食品加工生产企业废水处理量为定采用国标法;NH3－N测定采用纳氏试剂分光光度3700m/d，采取的废水处理工艺为:隔油－气浮－厌法;TN测定采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法;［13］氧－好氧，剩余污泥产生量为3t/d，目前该企业的污TP测定采用钼酸铵分光光度法;采用循环水式多泥处置方式为外运焚烧，成本为500元/t。鉴于该剩用真空泵(SHB-шA，上海豫康科教仪器设备有限公余污泥有机质含量较高，因此本研究采用水热法对其司)抽滤污泥。进行处理，以期实现污泥减量、改善污泥脱水性能和污泥湿重减量率(w1，%)的计算方法见式(1)。有效降低污泥处理处置费用。w1=［(m1－m2)/m1］×100%(1)1实验部分污泥干重减量率(w2，%)的计算方法见式(2)。1.1实验材料w2=［(m3－m4)/m3］×100%(2)实验污泥(以下简称:原污泥)取自浙江省某糖类水热反应结束并抽滤脱水后污泥含水率(α，%)食品加工废水生物处理剩余污泥，呈半固态，黏稠状，的计算方法见式(3)。灰褐色，并测得污泥含水率为84%，挥发性悬浮固体α=［(m2－m4)/m2］×100%(3)(VSS)为0.093g/g，总悬浮固体(TSS)为0.147g/g。式中:m1为原污泥质量，g;m2为水热反应结束并抽分析污泥基本性质后将其放入冰箱4℃冷藏备用。滤脱水后的污泥质量，g;m3为原污泥在105℃下烘1.2实验装置干至恒重的质量，g;m4为水热反应结束并抽滤脱水实验装置为100mL微型自控水热反应釜，内罐后污泥在105℃下烘干至恒重的质量，g。为PPL材质，可耐受300℃的高温。可实现温度、时2结果与讨论间的自动控制，可磁力搅拌，以保证反应体系的充分2.1水热反应参数对污泥减量的影响混合传质。外部为316L不锈钢材质，以保证高压环2.1.1反应温度对污泥减量的影响境的实现。准确称取25g含水率为84%的原污泥于100mL1.3实验方法反应釜中，固定反应时间为3h，按反应温度分别为准确称取25g原污泥放入水热反应釜内罐中进行140，160，180，200，220，240℃于水热反应釜中反应，反应。待达到反应时间后，关闭电源，用自来水冷却反考察不同反应温度对污泥减量的影响，实验结果如应釜至室温。打开反应釜，取出固液混合物并置于装有图1所示。a—污泥质量变化;b—污泥含水率变化。1—原污泥湿重;2—水热并抽滤脱水后污泥湿重;3—原污泥干重;4—水热并抽滤脱水后污泥干重;5—污泥湿重减量率;6—污泥干重减量率;7—水热并抽滤脱水后污泥含水率。图1反应温度对污泥减量的影响Fig．1Effectofreactiontemperatureonreductionofsludgen第4期甘雁飞，等:废水处理厂剩余污泥水热减量及改善脱水性能的研究93［11］由图1a可知:25g原污泥(含4g干重污泥)在有机物水解为小分子有机物，最终使污泥减量并不同反应温度下水热反应，随着反应温度的升高，水且改善了污泥的脱水性能，降低了污泥含水率。综合热并抽滤脱水后所得污泥湿重及干重质量均不断下考虑，选择最佳反应温度为220℃。降，温度升至220℃时，均趋于稳定。2.1.2反应时间对污泥减量的影响由图1b可知:当反应温度为220℃时，污泥湿重准确称取25g含水率为84%的原污泥于减量率为72.7%，污泥干重减量率为32%，水热并抽100mL反应釜中，固定反应温度为220℃，反应时间滤脱水后污泥含水率为60.2%，之后均趋于稳定。分别为0.5，1.5，3，4.5，6，7.5h于水热反应釜中反分析原因可能是随着反应温度的升高，污泥细胞壁破应，考察不同反应时间对污泥减量的影响，实验结果碎，从而破坏了污泥的胶体结构，使污泥中的大分子如图2所示。a—污泥质量变化;b—含水率变化。1—原污泥湿重;2—水热并抽滤脱水后污泥湿重;3—原污泥干重;4—水热并抽滤脱水后污泥干重;5—污泥湿重减量率;6—污泥干重减量率;7—水热并抽滤脱水后污泥含水率。图2反应时间对污泥减量的影响Fig．2Effectofreactiontimeonreductionofsludge由图2a可知:25g原污泥(含4g干重污泥)在及干重质量均无明显变化。不同反应时间进行水热反应，随着反应时间的延长，由图3b可知:随着污泥初始含水率的升高，污水热并抽滤脱水后所得污泥湿重及干重质量均不断泥湿重减量率、污泥干重减量率和水热并抽滤脱水下降，反应至3h后，均趋于稳定。后污泥含水率均无明显变化，分别稳定在72.8%、由图2b可知:当反应时间为3h时，污泥湿重减32%和60%，这说明污泥初始含水率对污泥减量影量率为72.9%，污泥干重减量率为31.2%，水热并抽响不大。但污泥含水率较高时，会消耗大量热能，滤脱水后污泥含水率为59.4%，之后均趋于稳定。因此采用高含固污泥进行水热处理，则可提高生物［15-16］分析原因可能是随着反应时间的延长，污泥中的细胞质能转化效率并且可降低能耗，故直接选择原［14］逐渐分解、破裂，胞内有机质逐渐释放出来，当达污泥的含水率。到分解平衡时，污泥减量程度不再提高。考虑到经济综合分析图1、图2和图3可知，反应温度和反成本，选择最佳反应时间为3h。应时间对污泥减量影响较大，污泥初始含水率对污泥2.1.3污泥初始含水率对污泥减量的影响减量影响较小。确定污泥减量的最佳反应条件为:反准确称取25g原污泥于100mL反应釜中，固定应温度为220℃，反应时间为3h，污泥初始含水率反应温度为220℃，反应时间为3h，污泥初始含水率为84%。分别为84%、86%、88%、90%、92%、94%，考察不同2.2污泥脱水性能变化污泥初始含水率对污泥减量的影响，实验结果如图32.2.1污泥水热处理前后固液分离性能比较所示。图4a为原污泥，未发现固液分离现象，但原污由图3a可知:25g原污泥(含4g干重污泥)在泥经过水热处理后，观察图4b发现，固液分离效不同污泥初始含水率条件下进行水热反应，随着污泥果显著，这说明水热反应改善了污泥固液分离初始含水率的升高，水热并抽滤脱水后所得污泥湿重性能。n94环境工程第35卷a—污泥质量变化;b—含水率变化。1—原污泥湿重;2—水热并抽滤脱水后污泥湿重;3—原污泥干重;4—水热并抽滤脱水后污泥干重;5—污泥湿重减量率;6—污泥干重减量率;7—水热并抽滤脱水后污泥含水率。图3污泥初始含水率对污泥减量的影响Fig．3Effectofinitialwatercontentofsludgeonreductionofsludgea—原污泥;b—水热处理后。a—原污泥;b—原污泥直接抽滤后的污泥;图4污泥水热处理前后固液分离性能比较c—水热处理后的污泥;d—水热并抽滤脱水后的污泥。Fig．4Comparisonofsolid-liquidseparationperformancebefore图5污泥水热处理前后的含水率比较andafterhydrothermalofsewagesludgeFig．5Comparisonofwatercontentofsewagesludgebeforeandafterhydrothermal2.2.2污泥水热处理后的脱水特性如图5所示，原污泥a与经过水热处理后的污泥多糖、脂类及其他胞内高分子物质大量溶出，导致脱在相同抽滤条件下抽滤，测得污泥b的含水率为水滤液COD浓度逐渐增大［17］;加热到220℃后，83.8%，这说明原污泥直接通过抽滤的方式，不能明COD处于下降的趋势，分析原因可能是因为高温高显降低其含水率。而原污泥在减量最佳反应条件下压的环境破坏污泥的胶体结构，使部分有机物发生水水热反应后，测得污泥c的含水率上升为87%，这可［18］解，从而导致COD浓度下降，还有可能是因为污能是因为原污泥中的一部分固相物质在水热反应过泥在加热过程中少量挥发性有机物挥发进入气相或程中发生分解并合成水，从而导致污泥c的含水率升者是部分有机碳水解转化成CO2进入气相导致COD高。原污泥经水热并抽滤脱水处理，测得污泥d的含［19］下降。水率下降为59.4%，这说明水热反应改善了污泥的如图7所示，含水率为84%的原污泥在反应温脱水性能，降低了污泥含水率。度为220℃的条件下，反应时间为0.5～3h时，污泥2.3污泥水热处理后脱水滤液的水质分析水热反应后的滤液COD浓度随反应时间的延长而增如图6所示，含水率为84%的原污泥经过水热大;但当反应至3～6h时，滤液COD浓度随着反应反应3h后所得脱水滤液COD浓度随着反应温度的时间的延长而下降，这可能是因为随着反应时间的延升高而增大，这是因为加热使污泥细胞内的蛋白质、长，液相中有机物发生分解使COD有部分损失;在反n第4期甘雁飞，等:废水处理厂剩余污泥水热减量及改善脱水性能的研究95有文献表明，污泥水热处理后脱水滤液可用于废［20］水处理厂的补充碳源。由实验可知，25g原污泥经过水热处理后可产生约18g滤液。该食品加工生3产企业废水处理量为700m/d，剩余污泥产生量为3t/d，则剩余污泥经过水热反应后产生的脱水滤液约为2.16t/d。当这些滤液全部回流至食品加工废水处理系统时，分析滤液对该食品加工废水处理系统的影响如表1所示。—■—溶解性化学需氧量(SCOD);—●—总化学需氧量(TCOD)。表1污泥水热处理后脱水滤液对食品加工废水处理图6反应温度对污泥水热处理后滤液COD浓度的影响系统的影响Fig．6EffectofreactiontemperatureontheconcentrationofTable1EffectofdewateringfiltrateafterhydrothermalofCODinthefiltrateofsewagesludgeafterhydrothermalsewagesludgeonfoodprocessingwastewatertreatmentsystemmg/L(pH除外)应6h后，滤液COD浓度反而有上升趋势，这可能是水质指标pHρ(SCOD)ρ(TCOD)ρ(NH3－N)ρ(TN)ρ(TP)因为固相污泥中未完全水解的有机物进一步发生水脱水滤液7～838218.5383471336.72769.110.02解转移到液相中，而且转移的有机物浓度比液相中损食品加工废水7～9700080007513015失的COD浓度高。此外观察图7和图8可知:脱水滤液与食品7～970960937913815加工废水混匀ρ(SCOD)≈ρ(TCOD)，这说明滤液中的有机物基本污染物浓度01.37%1.16%5.33%6.15%0为溶解性有机物。增长比例由表1可知:当脱水滤液全部回流至食品加工废+水处理系统时，该废水系统的SCOD、TCOD、NH4－N、TN仅分别增长了1.37%、1.16%、5.33%、6.15%，而TP基本无变化，故该脱水滤液全部回流到食品加工废水处理系统时对其废水处理负荷无明显影响。2.4物料衡算分析在污泥减量的最佳反应条件下，分析物料衡算如图8所示。25g含水率为84%的原污泥(含4g干污—■—溶解性化学需氧量(SCOD);—●—总化学需氧量(TCOD)。泥)在220℃水热反应3h后，有0.2g的气体物质损图7反应时间对污泥水热处理后滤液COD浓度的影响失，剩余24.8g固液混合物经过抽滤脱水，分别得到Fig．7EffectofreactiontimeontheconcentrationofCOD18.0169g滤液和6.7831g含水率为59.4%的脱水inthefiltrateofsewagesludgeafterhydrothermal图8物料衡算分析Fig．8Materialbalanceanalysisn96环境工程第35卷污泥，污泥湿重减量率达到72.9%。然后该脱水污［5］BorowskiS，SzopaJS．Experiencewiththedualdigestionofmunicipalsewagesludge［J］．BioresourceTechnology，2007，98泥在105℃下烘干至恒重后，获得2.7539g水热炭，(6):1199-1207.污泥干重减量达到31.2%。另外测得原污泥的VSS［6］EscalaM，ZumbühlT，KollerC，etal．Hydrothermalcarbonizationasanenergy-efficientalternativetoestablisheddrying为0.093g/g，而经过水热处理后，水热炭的VSS为technologiesforsewagesludge:Afeasibilitystudyonalaboratory0.06g/g，这说明含水率为84%的原污泥在温度为scale［J］．Energy＆Fuels，2013，27(1):454-460.220℃下水热反应3h后，污泥VSS降解率达到了［7］黄维，范同祥．水热碳化法的研究进展［J］．材料导报，2014，28:131-135.35.5%。［8］KumarS，KothariU，KongL，etal．Hydrothermalpretreatmentof3结论switchgrassandcornstoverforproductionofethanolandcarbon1)水热法对含有机质较高的食品加工废水处理microspheres［J］．BiomassandBioenergy，2011，35:956-968.［9］尉士俊，杨冬，时亦飞．水热炭化技术在废弃生物质资源化中厂剩余污泥有显著的减量效果，其中反应温度和反应的应用研究［J］．节能，2015(1):59-61.时间是污泥减量效果的关键影响因素。污泥减量的［10］ZhaoP，ShenY，GeS，etal．Energyrecyclingfromsewagesludgebyproducingsolidbiofuelwithhydrothermalcarbonization［J］．最佳反应条件为:反应温度为220℃，反应时间为EnergyConversionandManagement，2014，78(2):815-821.3h，污泥初始含水率为84%，在此条件下，通过实验［11］NeyensE，BaeyensJ．Areviewofthermalsludgepretreatmentprocessestoimprovedewaterability［J］．JournalofHazardous及物料衡算分析可知，污泥湿重减量达到72.9%，污Materials，2003，98(1/2/3):51-67.泥干重减量达到31.2%，污泥VSS降解率达到［12］荀锐，王伟，乔玮．水热改性污泥的水分布特征与脱水性能研35.5%，水热并抽滤脱水后污泥含水率降至59.4%。究［J］．环境科学，2009，30(3):851-856.［13］国家环境保护总局．水和废水监测分析分析方法［M］．4版．2)在水热反应过程中，随着反应温度的升高和北京:中国环境科学出版社，2002.反应时间的延长，污泥中的大分子有机物水解为溶解［14］荀锐，王伟，乔玮，等．城市污泥处理现状与强化脱水的水热减性的小分子有机物并转移至液相，使得脱水滤液量化技术［J］．环境卫生工程，2008，16(2):28-32.［15］何选明，王春霞，付鹏睿，等．水热技术在生物质转换中的研究COD浓度升高至38.2g/L且含有一定浓度的氮磷，进展［J］．现代化工，2014，34(1):26-29.经分析得知，该脱水滤液回流到食品加工废水处理系［16］吴静，王广启，曹知平，等．“热水解－高温厌氧消化”工艺处理高含固率剩余污泥的中试研究［J］．环境科学，2014，35(9):统对废水处理负荷无显著影响。3461-3465.3)未来需进一步开展污泥水热反应后所得固态产［17］何玉凤，杨凤林，胡绍伟，等．碱处理促进剩余污泥高温水解的物制备燃料和吸附剂材料等高附加值产品，以及液态产试验研究［J］．环境科学，2008，29(8):2260-2265.［18］薛香玉，陈德珍，戴晓虎，等．污泥水热反应产物特性与水热温物制备生物原油及废水处理营养剂等资源化途径研究。度选择［J］．中国电机工程学报，2016，36:1-9.参考文献［19］王治军，王伟．剩余污泥的热水解试验［J］．中国环境科学，2005，25(增刊):56-60.［1］魏源送，郁达伟，曹磊．农副食品加工业高浓度废水的厌氧膜［20］JambaldorjG，TakahashiM，YoshikawaK．Liquidfertilizer生物反应器技术［J］．环境科学，2014，35(4):1613-1622.productionfromsewagesludgebyhydrothermaltreatment［C］//［2］赵庆良，赵赫，林佶侃，等．剩余污泥减量化技术研究进展与发ProceedingsofInternationalSymposiumonEcoTopiaScience．展趋势［J］．给水排水，2005，31(11):106-111.Nagoya，2007:605-608．［3］VaxelaireS，GonzeE，MerlinG，etal．Ｒeductionbysonicationofexcesssludgeproductioninaconventionalactivatedsludgesystem:第一作者:甘雁飞(1992－)，男，硕士，主要研究方向为污泥资源化利Continuousflowandlab-scalereaction［J］．EnvironTechnol，用。ganyanfei930@163．com2008，29(12):1307-1320.通信作者:薛罡，教授，主要研究方向为水污染控制工程。xuegang@［4］KhanY，AndersonGK，ElliottDJ．Wetoxidationofactivateddhu．edu．cnsludge［J］．WaterＲesearch，1999，33(7):1681-1687.櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅(上接第35页)［12］WangQ，DongH，YuH．Developmentofrollingtingasdiffusiontreatment［J］．JournalofPowerSources，2014，254(15):316-electrodeforcarbondioxideelectrochemicalreductiontoproduce322.formateinaqueouselectrolyte［J］．JournalofPowerSources，［15］吴海燕．单线态氧与不饱和化合物的反应及其过氧化物的化学2014，271:278-284.发光研究［D］．无锡:江南大学，2012:1-4．［13］LeTXH，BechelanyM，LacourS，etal．Highremovalefficiencyofdyepollutantsbyelectron-Fentonprocessusingagraphenebased第一作者:赵敏(1989－)，女，硕士，主要研究方向为电化学技术处理cathode［J］．Carbon，2015，94:1003-1011.高盐有机废水。blue_mark0815@163．com［14］ChenJY，LiN，ZhaoL．Three-dimensionalelectrodemicrobial通信作者:董恒(1984－)，女，博士，讲师，主要研究方向为电化学技fuelcellforhydrogenperoxidesynthesiscoupledtowastewater术。dongheng@nankai．edu．cn