氯化铁/臭氧组合工艺改善活性污泥性质的研究

袁文兵，吴金苗，刘　亮，王　燕

（1.江苏中圣高科技产业有限公司，江苏南京210009；2.广东万绿环保集团有限公司，广东广州510060）

氯化铁/臭氧组合工艺改善活性污泥性质的研究

袁文兵1，吴金苗2，刘亮2，王燕2

（1.江苏中圣高科技产业有限公司，江苏南京210009；2.广东万绿环保集团有限公司，广东广州510060）

初步研究了臭氧、单独投加氯化铁、先臭氧曝气后投加氯化铁、先投加氯化铁后臭氧曝气对活性污泥的影响，分析了臭氧作用时间、FeCl3浓度及氯化铁/臭氧组合次序对活性污泥性质的影响。研究表明：随着臭氧作用时间的延长，污泥的悬浮固体（TS）、挥发性悬浮固体（VTS）及VTS/TS均逐渐减小，污泥比阻先略微上升后逐渐下降，污泥上清液中的COD增加明显。单独投加氯化铁后，污泥比阻和污泥上清液中的COD均逐渐降低。氯化铁/臭氧组合工艺对污泥的作用效果不同，污泥的TS由低到高的排列顺序为FeCl3/O3＞O3＞O3/FeCl3＞FeCl3；污泥上清液中COD由高到低的排列顺序为O3＞O3/FeCl3＞FeCl3/O3＞FeCl3；污泥比阻由低到高的排列顺序为FeCl3/O3＞O3/FeCl3＞FeCl3＞O3。实验结果表明，FeCl3/O3法在污泥减量化及改善污泥脱水性能方面优于其他方法。

臭氧；氯化铁；活性污泥

随着城市人口的增加及工业化的发展，大量污泥的处理与处置成为污水处理行业亟待解决的问题。目前污泥处理费用很高，占整个污水处理费用的20%～50%〔1〕。同时通过填埋与焚烧最终处置污泥变得越来越困难，这使得污泥减量化日益受到人们的关注〔2〕。臭氧作为强氧化剂广泛用于净水和污水处理，近年来也越来越多地应用于污泥减量化研究中〔3-5〕。H.Yasui等〔6-8〕采用臭氧氧化污泥回流技术，对进水BOD5为550 kg/d的制药废水进行处理，实验持续10个月，基本无剩余污泥产生。药剂凝聚是改善污泥脱水性能的主要方法。投加氯化铁能破坏胶体的稳定性，使细微颗粒凝聚成絮体，进而改善污泥的脱水性能。投加氯化铁虽可以降低污泥比阻、提高滤饼含固率，但也增加了干污泥的产量，给后续干污泥的处理增加了负担。

臭氧氧化法作为常用的溶胞破解技术，因能够有效破坏细胞壁，被认为是前景广阔的污泥破解技术〔9-10〕。利用臭氧氧化技术进行污泥减量化，国内外学者已有大量研究〔2-8，11〕，但臭氧联用无机混凝剂处理剩余污泥的研究鲜有报道。笔者采用臭氧、氯化铁及二者联用以改善污泥脱水性能，研究污泥减量化，得出不同工艺条件下的污泥浓度、溶解性有机物浓度及污泥比阻变化情况，以期为促进污泥减量化提供技术参考。

1　材料与方法

1.1实验材料

实验所用剩余污泥取自青岛市某污水处理厂的污泥浓缩池，该厂采用生物脱氮除磷A/A/O工艺，处理能力为10万t/d。污泥呈黄褐色，pH为6.5～6.9，污泥含水率97.0%，污泥比阻0.988×109s2/g。

实验仪器：ZT型变频臭氧发生器，青岛中通臭氧科技有限公司；HT-EW-201型污泥比阻测定仪，北京华晟高科教学仪器有限公司；SX2-10-13型箱式电阻炉，上海喆钛机械制造有限公司；JH-12型COD恒温加热器，青岛环控设备有限公司。

1.2实验装置

实验装置如图1所示。

图1　臭氧反应装置

臭氧发生器产生的臭氧经过微孔曝气头与反应器中的生污泥发生反应，反应器容积约600 mL，每次反应的污泥体积为400 mL，臭氧投加量为2.035 g/h，尾气用KI溶液吸收。

1.3实验方法

实验过程中分别测定污泥的TS、VTS、污泥比阻和污泥上清液COD，臭氧的测定采用碘量法，其他指标的测定采用标准方法〔12〕。

2　实验结果及讨论

2.1臭氧对污泥性质的影响

研究了臭氧作用时间对生污泥TS、VTS、污泥上清液COD、污泥比阻、污泥滤饼含固率的影响，各参数变化情况如图2～图4所示。

图2　臭氧氧化作用时间对TS、VTS的影响

图3　臭氧氧化作用时间对污泥上清液COD的影响

图4　臭氧氧化作用时间对污泥比阻、滤饼含固率的影响

如图2所示，随着臭氧作用时间的增加，污泥的TS、VTS均逐渐下降。当臭氧氧化时间＜1.5 h时，TS和VTS快速下降，分别减少了39.4%、59.1%。当臭氧氧化时间＞1.5 h时，TS和VTS下降缓慢并趋于稳定。这说明臭氧氧化时间在0～1.5 h内细胞破壁基本完成，大分子有机物也基本被降解，同时污泥中的挥发分快速下降，不可挥发的成分在污泥中不断累积，污泥矿化率增加〔7〕。

图3中，当臭氧氧化时间＜1 h时，COD增加比较迅速，由4 601.4 mg/L增加到6 288.3 mg/L；当氧化反应时间＞1 h时，COD趋于平缓。处理2.5 h后污泥上清液COD由初始的4 601.4 mg/L增加到6 810.9 mg/L，增加48.02%。由此可以看出，臭氧处理后大量细胞质释放出来，污泥上清液中的COD随之升高；当臭氧氧化时间达到一定值时，更多的臭氧用于氧化溶胞产物，使得COD的变化趋于平缓。

由图4可见，臭氧氧化时间＜1 h时污泥比阻略微升高，从 1.107×109s2/g升至 1.162×109s2/g；当臭氧氧化时间＞1 h时，污泥比阻由1.162×109s2/g缓慢下降到0.980×109s2/g。污泥滤饼含固率的变化呈相反趋势，当氧化时间＜1 h时滤饼含固率逐渐下降，由6.35%降至4.77%；当氧化时间＞1 h时，滤饼含固率缓慢增加并趋于平缓，含固率升高到5.73%，仍小于初始值6.35%，究其原因，随着臭氧氧化时间的延长，污泥絮体变得更松散，细胞的细胞壁、细胞膜被破碎，污泥比阻也随之增大，滤饼含固率则相应降低。当臭氧氧化时间大于一定值时，破碎的污泥颗粒可能发生二次凝聚，污泥的平均粒径相应增大，污泥比阻同时降低，滤饼含固率则相应升高〔13〕。

2.2投加氯化铁对污泥性质的影响

投加不同质量浓度的氯化铁，考察其对生污泥滤液COD和污泥脱水性能的影响。实验结果表明，随着氯化铁投加量的增加，污泥上清液的COD下降比较明显。当氯化铁质量浓度达到2 400 mg/L时，上清液的COD从3 906.0 mg/L下降到1 220.0 mg/L，降幅达到68.8%。

通过实验研究污泥比阻、滤饼含固率随氯化铁质量浓度的变化情况。当氯化铁质量浓度为0～600 mg/L时，污泥比阻＞109s2/g，为难过滤污泥。当氯化铁投加量＞2 400 mg/L时，污泥比阻＜0.4×109s2/g，此时为易过滤污泥，污泥比阻由最初的1.1×109s2/g下降到0.35×109s2/g，下降了68%。其原因是铁离子与污泥颗粒、悬浮胶粒发生络合、氧化、还原作用，破坏了微粒的稳定性和亲水性，同时生成的多核羟基络合铁对污泥颗粒起到桥联作用，形成絮体，使污泥比阻减小。随着氯化铁质量浓度的升高，滤饼含固率呈线性增大，当氯化铁质量浓度为2 400 mg/L时，污泥滤饼含固率为11.75%，升高了85.0%，说明投加氯化铁可明显提高污泥滤饼的含固率。

2.3氯化铁与臭氧联用对污泥性质的影响

由2.1可知，臭氧单独作用1.5 h时污泥的性质已明显得到改善。当臭氧作用时间一定，通过改变氯化铁投加量和氯化铁的投加顺序（即氯化铁投加在臭氧曝气之前或臭氧曝气之后），研究二者联合作用对污泥性质的影响，结果如图5、图6所示。

图5　臭氧与氯化铁联用顺序对污泥上清液中COD（a）及污泥浓度（b）的影响

图6　臭氧与氯化铁联用对污泥比阻（a）及污泥滤饼含固率（b）的影响

由图5可见，经2种方法处理后，污泥上清液的COD均有所下降。比较可知经FeCl3/O3法处理后，污泥上清液的COD下降得更为明显。与单因素方法比较，处理后污泥上清液的COD由高到低的排列顺序为O3＞O3/FeCl3＞FeCl3/O3＞FeCl3，说明FeCl3/O3法对COD的去除效果较O3/FeCl3法好，但比单独投加氯化铁要差。

经O3/FeCl3法处理后，污泥的TS缓慢增加，由最初的28.04 g/L增加到29.61 g/L；而经过FeCl3/O3法处理后，污泥的TS略有升高后逐渐下降，当氯化铁投加量为2 400 mg/L时，污泥TS下降到26.17 g/L，降低了6.7%。比较可知，不同方法处理后污泥TS由高到低的排列顺序为 FeCl3＞O3/FeCl3＞O3＞FeCl3/O3，说明在降低污泥浓度方面 FeCl3/O3法优于其他方法。

氯化铁与臭氧联用在改善污泥脱水性能方面效果非常明显。随着氯化铁质量浓度的升高，污泥比阻明显下降，当氯化铁为1 800 mg/L时，2种方法处理后污泥比阻均＜0.4×109s2/g，此时属于易过滤污泥。采用O3/FeCl3处理污泥后，污泥比阻呈线性下降，下降趋势较平缓；当氯化铁质量浓度为2 400 mg/L时，污泥比阻下降到7.2×107s2/g，污泥的脱水性能得到明显改善。采用FeCl3/O3法处理后，污泥比阻先快速下降，后趋于平缓，当氯化铁质量浓度为1 200 mg/L时，污泥比阻减小到6.1×107s2/g，远低于0.4×109s2/g，此时的处理效果与 FeCl3/O3法氯化铁投加量在2 400 mg/L时的相当。与单独处理相比，污泥脱水效果由好到差的方法排列顺序为FeCl3/O3＞O3/FeCl3＞FeCl3＞O3。

臭氧与氯化铁联用处理后的污泥滤饼含固率也随氯化铁的增加而逐渐升高。当氯化铁为600～1 800 mg/L时，污泥滤饼含固率升高较明显，当其质量浓度＞1 800 mg/L时含固率增加比较缓慢。其中，FeCl3/O3法处理效果好于O3/FeCl3法，污泥滤饼含固率由5.38%分别提高到26.42%、22.45%。经不同方法处理后，污泥滤饼含固率由高到低的排列顺序为FeCl3/O3＞O3/FeCl3＞FeCl3＞O3。由此表明：在降低污泥比阻、改善污泥脱水性能、污泥减量化方面FeCl3/O3法均优于其他方法，在实际运用中可以降低污泥的后续处理负担。

3　结论

（1）随着臭氧氧化时间的延长，TS、VTS和VTS/ TS均呈减小趋势，污泥比阻先略微增加后逐渐降低，污泥上清液中的COD升高明显，当臭氧氧化时间达到1.5 h后，生污泥的各项指标趋于稳定。

（2）FeCl3的增加可明显改善污泥的脱水性能，当氯化铁质量浓度达到2 400 mg/L时，污泥由难脱水污泥变为易脱水污泥，污泥上清液的COD降低了68.8%，TS、VTS呈上升趋势，分别增加了10.1%、6.5%。

（3）氯化铁与臭氧联合使用在改善污泥脱水性能方面明显优于单独使用FeCl3。其中FeCl3/O3法在降低污泥浓度及污泥比阻方面优于其他方法。

（4）实验结果表明，FeCl3/O3法在处理活性污泥时效果较好，不仅可实现污泥减量化，同时改善了污泥的脱水性能，降低了后续处理负担。

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Research on the improvement of activated sludge characteristics by the ferric chloride/ozone combined process

Yuan Wenbing1，Wu Jinmiao2，Liu Liang2，Wang Yan2
（1.Jiangsu Zhongsheng High-Technology Industry Co.，Ltd.，Nanjing 210009，China；2.Guangdong Wanlv Environmental Protection Engineering Co.，Ltd.，Guangzhou 510060，China）

The influences of O3，adding FeCl3singly，O3aeration first followed with adding FeCl3，and adding FeCl3first followed with O3aeration have been studied preliminarily.The influences of O3reaction time，FeCl3concentration and combination order of FeCl3/O3on the activated sludge characteristics have been analyzed.The results show that with the prolonging of O3reaction time，the suspended solids（TS），volatile suspended solids（VTS）and VTS/TS are gradually reduced，the sludge specific resistance is increased slightly first，and then declined slowly，but the COD in supernatant is increased significantly.After adding FeCl3singly，the sludge specific resistance and the COD in sludge supernatant are both decreased gradually.The reaction effect of FeCl3/O3combined process on sludge is different.The permutation order of the TS of sludge from low to high is FeCl3/O3＞O3＞O3/FeCl3＞FeCl3.The permulation order of the COD in sludge supernatant from high to low is O3＞O3/FeCl3＞FeCl3/O3＞FeCl3.And the permutation order of the sludge specific resistance from low to high is FeCl3/O3＞O3/FeCl3＞FeCl3＞O3.The results show that the FeCl3/O3method is superior to the other three methods in the aspects of sludge minimizing and sludge dewatering improvement.

ozone；ferric chloride；activated sludge

X703

A

1005-829X（2016）04-0073-04

袁文兵（1978—），工程师。E-mail：wenbing181@163. com。

2016-03-03（修改稿）