高铁酸盐氧化破解污泥的影响因素研究

张彦平，韩非，李静，邸松，齐璠静

（河北工业大学土木与交通学院，河北省土木工程技术研究中心，天津300401）

高铁酸盐氧化破解污泥的影响因素研究

张彦平，韩非，李静，邸松，齐璠静

（河北工业大学土木与交通学院，河北省土木工程技术研究中心，天津300401）

采用高铁酸盐溶液氧化破解污泥，研究了高铁酸盐投加量、氧化时间、pH、初始污泥浓度对污泥破解效果的影响。结果表明，高铁酸盐溶液对污泥破解效果较好，当Fe（Ⅵ）投加量为1.0mg/gSS时，比污泥SCOD释放量达到1.14 gSCOD/gMLVSS；碱性条件（pH为8～12）与高初始污泥浓度均有利于污泥的破解，但当污泥质量浓度大于最佳值6 192mg/L时，污泥溶胞比达到最大，为39.7%，比污泥SCOD释放量降低；高铁酸盐溶液破解污泥的最佳反应时间为45min。

高铁酸盐；污泥；污泥减量；氧化

随着污水生物处理技术的普及，剩余污泥产量日益增加，导致污泥处置问题日益严峻，剩余污泥减量技术已经成为污水处理领域中的研究热点〔1〕。在众多的污泥减量技术中，基于增强污泥隐性生长的化学溶胞技术因无需对原有工艺进行改动，操作方式简单，易于管理，而受到广泛关注〔2〕。研究表明〔3-5〕，采用臭氧、氯气、Fenton试剂、过氧化氢、酸碱等化学溶胞技术能有效地破坏污泥细胞结构，实现污泥减量。高铁酸盐作为一种绿色强氧化剂，能有效地破解污泥细胞，释放出的细胞内物质可作为微生物代谢的基质，从而使污泥产量降低。与此同时，高铁酸盐的还原产物铁盐能与磷酸盐结合形成沉淀，可提高污水除磷效果，有助于解决目前污泥减量技术中面临的除磷效果较差的问题。因此，高铁酸盐在污泥减量技术中的应用值得深入研究。本研究对高铁酸盐氧化破解污泥的影响因素进行了深入分析，以期为其在污泥减量技术中的应用提供一定的数据支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验污泥取自天津市某污水处理厂。在实验室采用人工配水将试验污泥于SBR活性污泥系统中培养驯化。高铁酸盐溶液为实验室自制，其他所用化学药品均为国产分析纯。

1.2 试验方法

通过对污泥进行浓缩或稀释，得到一定初始浓度的污泥混合液，然后用清水清洗数次至污泥上清液SCOD接近于0mg/L。分别取200mL上述污泥置于烧杯中，然后于六联搅拌机上以300 r/min的速度进行搅拌，在搅拌过程中投加一定量的高铁酸盐溶液，高铁酸盐投加量以单位干污泥中加入Fe的质量表示，即单位为mgFe/gSS。反应一定时间后，取样测定MLVSS及上清液中的SCOD。比污泥SCOD释放量以γ表示，污泥溶胞比以ξ表示。

式中：ΔSCOD——释放到污泥上清液中的SCOD，mg/L；

ΔMLVSS——被破解的MLVSS，mg/L；

MLVSS0——未经处理污泥混合液中的MLVSS，mg/L。

1.3 测定方法

pH采用pHSJ-4A型精密pH计（天津）测定；SCOD采用5B-3B（V8）型COD快速测定仪（兰州）测定；MLSS、MLVSS采用标准方法测定〔6〕。

2 结果与讨论

2.1 高铁酸盐投加量对污泥破解效果的影响

高铁酸盐投加量是影响污泥破解效果的决定性因素之一，经过高铁酸盐氧化后，污泥絮体结构被破坏，污泥中的微生物细胞被溶解，胞内物质（如蛋白质、核酸、多糖和脂肪等）会释放出来，从而导致污泥固体物质减少，以及污泥上清液SCOD增加。为此，在反应时间为45min条件下，考察了高铁酸盐投加量对ΔMLVSS和ΔSCOD的影响，结果见图1。

图1 高铁酸盐投加量对污泥破解效果的影响

由图1可知，ΔMLVSS随着高铁酸盐投加量的增加先快速增加，而后缓慢增加；而ΔSCOD则随着高铁酸盐投加量的增加先呈线性增加，而后呈线性降低，在高铁酸盐投加量为1.0mgFe/gSS时达到高峰。这表明随着高铁酸盐投加量的增加，越来越多的污泥固体物质被氧化，污泥不断地从固相向液相转化，使得ΔMLVSS与释放到液相中的有机物质ΔSCOD快速增加。由于高铁酸盐的强氧化作用不具选择性，当其投加量低时，混合液中溶出的有机物质较少，此时高铁酸盐对污泥的氧化作用占主导；随着投药量的增加，溶出的有机质不断增加，高铁酸盐对有机质的矿化速率逐渐大于有机质的溶出速率，从而使得ΔMLVSS缓慢上升，而液相中ΔSCOD出现峰值后下降。当高铁酸盐投加量为1.0mgFe/gSS时，溶出的有机质ΔSCOD为950mg/L，破解的污泥ΔMLVSS为833mg/L，对应的比污泥SCOD释放量γ为1.14 gSCOD/gMLVSS，该值接近于理论值1.4 gSCOD/gMLVSS〔7〕，说明此时高铁酸盐对单位污泥的破解效率达到了最大。考虑到实际应用过程中，污泥细胞破解后可作为二次基质被后续微生物利用，因此污泥破解不应一味追求污泥固体物质的减少，还应充分发挥微生物对污泥减量的贡献，降低药剂成本。因此本研究中，高铁酸盐的最佳投加量为1.0 mgFe/gSS。2.2氧化时间对污泥破解效果的影响

氧化时间可在一定程度上影响高铁酸盐对污泥的破解效果。在高铁酸盐投加量为1.0mgFe/gSS条件下，研究了氧化时间分别为10、20、30、45、60、80、100min时〔反应结束时，加入过量的（1+1）H2SO4终止反应〕污泥的破解效果，结果见图2。

图2 氧化时间对污泥破解效果的影响

由图2可知，ΔMLVSS随着反应时间的延长先快速增加，而后趋于平缓，在反应45min时ΔMLVSS达到最大，为466mg/L；ΔSCOD随着反应时间的延长其变化则分3个阶段，即快速增加阶段（＜30min）、缓慢增加阶段（30～45 min）以及缓慢降低阶段（＞45min）。由于高铁酸盐的氧化性较强，在水溶液中能迅速扩散并与有机物充分接触发生反应，使得前30 min内对污泥的破解速率较快，ΔMLVSS与ΔSCOD均快速增加；随着ΔSCOD增大，越来越多的有机质参与氧化反应被氧化，同时Fe（Ⅵ）由于被消耗而逐渐减少，使得ΔSCOD增加减缓，在反应45 min时ΔSCOD达到最大，为527 mg/L，此时ΔMLVSS也达到最大值；随着反应时间的进一步延长，溶液中Fe（Ⅵ）几乎被消耗殆尽，但由于高铁酸盐溶液中含有残余的ClO-，在ClO-的继续氧化作用下ΔSCOD呈缓慢降低趋势，但此时ClO-对ΔMLVSS的贡献不大。取最佳反应时间为45min。

2.3 pH对污泥破解效果的影响

pH对高铁酸盐的强氧化性和稳定性都有显著的影响，并且不同的污染物质与高铁酸盐反应的最佳pH也不相同。因此，采用（1+5）H2SO4和1mol/L NaOH调节污泥的初始pH分别为2、4、6、8、10、12，在高铁酸盐投加量为1.0 mgFe/gSS，反应时间为45min的条件下，考察了pH对污泥破解效果的影响，结果见图3。

图3 pH对污泥破解效果的影响

由图3可知，ΔMLVSS和ΔSCOD随着pH的改变具有相似的变化规律，在pH=6时均存在一最低值，并且在碱性条件下的值均高于酸性条件。虽然Fe（Ⅵ）的氧化能力随着pH的降低而升高，但其稳定性大幅度降低，当pH＜8时，加入到混合液中的Fe（Ⅵ）在尚未充分发挥其氧化作用时，便已分解为Fe（OH）3，从而导致其自身的有效利用率降低，进而对污泥的破解效果降低。另一方面，由于高铁酸盐溶液中含有残余的ClO-，ClO-的氧化性也随着pH的降低而增强，因而随着pH的进一步降低，ClO-对污泥的破解能力逐步增加，ΔMLVSS和ΔSCOD重新升高，从而使得高铁酸盐溶液在pH=6时存在对污泥破解效果的最低点。而在碱性条件下，虽然Fe（Ⅵ）的氧化能力稍有降低，但其稳定性大大增强，在pH= 12时，对应的ΔMLVSS和ΔSCOD分别达到1 230 mg/L和1 265mg/L，均高于酸性条件下的氧化效果。因此，碱性条件（pH为8～12）有利于高铁酸盐对污泥的破解。

2.4 初始污泥浓度对污泥破解效果的影响

为了研究初始污泥浓度对污泥破解效果的影响，将原污泥经过重力浓缩或稀释后得到MLSS分别为1 993、4 074、6 192、8 081、10 022、11 782 mg/L的污泥。控制高铁酸盐投加量为1.0mgFe/gSS，反应时间为45min，考察了不同初始污泥浓度下污泥的破解效果及污泥溶胞比，结果分别见图4和图5。

图4 初始污泥浓度对污泥破解效果的影响

图5 初始污泥浓度对污泥溶胞比的影响

由图4可知，ΔMLVSS和ΔSCOD均随着初始污泥浓度的增加而升高，但两者速率的变化不同。当初始MLSS由1993mg/L升高到6 192mg/L时，ΔSCOD和ΔMLVSS的增加速率基本相同，比污泥SCOD释放量γ由1.0降低为0.98，降幅不大；但当初始MLSS＞6 192mg/L时，ΔSCOD的增加速率逐渐降低，γ值随之降低，当初始MLSS为11 782mg/L时，γ为0.84，较初始值降低了16%。而图5结果显示，污泥溶胞比ξ在初始MLSS为6 192mg/L时达到最大值，为39.7%，此后随着初始MLSS的增加，ξ值趋于稳定。由此判断，采用高铁酸盐破解污泥的最佳初始MLSS为6 192mg/L左右。初始污泥浓度对污泥破解效果的影响可以从如下方面来解释：（1）随着污泥浓度的增加，污泥中细胞物质与高铁酸盐接触的机会增多，加速了污泥固相向液相的转化，导致污泥溶胞比大幅度增加，ΔSCOD、ΔMLVSS迅速增高；（2）污泥浓度增加后，污泥中释放出来的有机质增多，增加了高铁酸盐与液相中有机质的氧化反应，使得部分ΔSCOD被氧化，比污泥SCOD释放量降低；（3）由于单位污泥的高铁酸盐投加量相等，污泥浓度增加到一定程度后，污泥体系黏度增加，高铁酸盐的扩散阻力增大，单位污泥与高铁酸盐的反应达到一稳定值，污泥的溶胞比达到最大值。本试验中，虽然ΔSCOD和ΔMLVSS均随着初始污泥浓度的增加而持续增加，但MLSS＞6 192mg/L时，污泥溶胞比达到最大值并保持不变，比污泥SCOD释放量降低，因此本试验最佳初始MLSS为6 192mg/L。

3 结论

高铁酸盐氧化破解污泥影响因素研究结果表明：

（1）ΔMLVSS随着高铁酸盐投加量的增加先快速增加，而后趋于缓慢；ΔSCOD则随着高铁酸盐投加量的增加存在一个峰值。在1.0mgFe/gSS的最佳高铁酸盐投加量下，比污泥SCOD释放量γ为1.14 gSCOD/gMLVSS。

（2）ΔMLVSS随着反应时间的延长先快速增加而后趋缓，在反应45min时ΔMLVSS达到最大值，为466mg/L；ΔSCOD随着反应时间的延长呈现快速增加（＜30min）、缓慢增加（30～45min）、缓慢降低（＞45min）3个阶段。综合考虑，取最佳反应时间为45min。

（3）pH对ΔMLVSS和ΔSCOD的影响相似，均在pH=6时存在最低值，并且碱性条件（pH为8～12）下对污泥的破解效果优于酸性条件（pH为2～4）。

（4）ΔMLVSS和ΔSCOD均随着初始污泥浓度的增加而升高，在初始MLSS＞6 192mg/L时，污泥溶胞比ξ达到最大值，比污泥SCOD释放量γ降低。因此，本试验最佳初始MLSS为6 192mg/L。

［1］李鹤超，严红，肖益本.化学解偶联剂污泥减量技术的研究进展［J］.工业水处理，2015，35（1）：9-13.

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［4］Fard M A，Aminzadeh B，TaheriM，etal.MBR excess sludge reduction by combination of electrocoagulation and Fenton oxidation processes［J］.Separation and Purification Technology，2013，120：378-385.

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［6］国家环境保护总局.水与废水监测分析方法［M］.4版.北京：中国环境科学出版社，2002：105-107.

［7］刘天泽.高铁酸盐污泥减量实验研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.

Study on the influential factors ofsludge disruption by ferrate oxidation

Zhang Yanping，Han Fei，Li Jing，DiSong，Qi Fanjing
（SchoolofCivil Engineering and Transportation，HebeiUniversity of Technology，Civil Engineering Technology Research CenterofHebeiProvince，Tianjin 300401，China）

Ferratesolutionoxidationhasbeenused for thedisruptionofsludge.The influencesof ferratedosage，oxidation time，pH and initial sludge concentration on the sludge disruption effectare studied.The experimental results show thatsludge could be effectively oxidized by ferrate solution.When Fe（Ⅵ）dosage is 1.0mg/gSS，the specific sludge release of SCOD reaches 1.14 gSCOD/gMLVSS.Alkaline conditions（pH=8-12）and high initialsludge concentration are both good forsludge disruption.However，when sludgemass concentration ishigher than optimal value 6 192mg/L，the sludge lysis ratio reaches themaximum value 39.7%，and the specific sludge release ofSCOD isdecreased.Theoptimal reaction timeofsludge disruption by ferrate solution is45min.

ferrate；sludge；sludge decrement；oxidation

X705

A

1005-829X（2016）06-0057-04

张彦平（1978—），博士，讲师。电话：022-60435990，E-mail：zyphit@163.com。

2016-02-24（修改稿）

河北省自然科学基金资助项目（E2015202354）；河北省建设科技研究计划项目（2014-235）；河北省高等学校科学技术研究重点项目（ZD2016098）；河北省高等学校科学技术研究青年基金项目（QN2015122）