以上海某生活汙水廠濃縮汙泥為研究對象，以泥餅含水率和毛細吸水時間(CST) 為評價指標，系統對比研究了芬頓(Fenton)、超聲波－聚合硫酸鐵(PFS) 、十二烷基磺酸鈉(SDS)－氫氧化鈉(NaOH) 、溶菌酶和蛋白酶K共5種汙泥調理方法對汙泥脫水性能的強化效果。研究結果表明: 5種調理方式中 Fenton調理的脫水效果最好，調理後汙泥泥餅含水率和CST分別為64.8%、43.3s，但其產生的強酸性廢水和汙泥可能會影響後續的處理處置; 技術經濟綜合分析發現，超聲波-PFS 聯合調理是相對最優的汙泥調理方式，超聲波作用時間為30s，PFS投加量為15.0mg/g時，汙泥的泥餅含水率可達到70.51%；蛋白酶K的調理效果明顯優於溶菌酶; 然而，研究發現SDS-NaOH聯合調理會導致汙泥脫水性能惡化。
剩餘汙泥高含水率是限制其後續處理與處置的重要因素，如何有效降低汙泥含水率是汙泥處理的關鍵環節。為了強化汙泥的脫水性能，各種物理、化學或生物調理方法應運而生，包括熱處理、酸鹼處理、超聲處理、氧化劑處理以及生物酶處理等，主要通過破壞汙泥多孔性的膠羽結構，促使汙泥表面的部分胞外聚合物( EPS) 和汙泥溶胞釋放大量多聚物進入液相，有利於汙泥表面吸附水、結合水向間隙水和自由水的轉化，例如 Fenton調理、超聲波調理、生物酶調理等; 另外，通過加入調理劑調節汙泥中多聚物的含量，維持合理的陽離子濃度和離子比例，使汙泥顆粒脫穩聚集、增大汙泥絮體，創造出有利於汙泥脫水的環境條件，例如無機/有機高分子混凝劑、微生物絮凝劑和表面活性劑等。然而，當前的研究主要針對某一種具體技術，而且研究結論尚存在分歧，並缺乏對已有常用技術的系統評定。
本研究在調研國內外研究現狀的基礎上，選擇Fenton 調理、超聲波-PFS 聯合調理、十二烷基磺酸鈉(SDS) -NaOH 聯合調理、溶菌酶調理、蛋白酶K調理共5種調理方式進行汙泥預處理，以泥餅含水率和毛細吸水時間(CST)作為評價汙泥脫水性能的指標，對以上5種調理方式的顯著影響因素進行優化，並系統評定了各方式對汙水廠汙泥脫水性能的強化效果、應用條件及經濟成本等特點，以期為汙水處理廠汙泥預處理技術選擇提供參考。
一、實驗部分
1、實驗汙泥
實驗所用汙泥取自上海市閔行水處理運營有限公司產生的濃縮汙泥，取回後立即放入4 ℃冰箱中儲存。實驗汙泥的基本性質如表1所示。
2、調理方法
分別量取 50mL汙泥樣品，對其先後進行不同方式的調理( 表 2) 。其中，Fenton調理和SDS-NaOH 聯合調理實驗將汙泥樣品置於磁力攪拌機上攪拌1h，超聲波-PFS 聯合調理實驗時超聲波頻率為40kHz，溶菌酶調理和蛋白酶K調理實驗將汙泥樣品恆溫水浴並攪拌1h，取出後進行汙泥泥餅含水率和CST的測定。
3、汙泥指標測定
泥餅含水率的測定: 將30mL待測汙泥倒入布氏漏斗，在-0.1MPa 恆壓下真空抽濾，30s內無濾液滴落即認為抽濾脫水完成，採用 CJ/T 221—2005《城市汙水處理廠汙檢驗方法》測定脫水泥餅的含水率。CST的測定: 取10mL待測汙泥，採用毛細吸水時間測試儀(DFC-10A 型) 測定CST。
二、結果與討論
1、Fenton調理對汙泥脫水性能的影響
（1）Fe2+投加量對汙泥脫水性能的影響
一般認為Fenton試劑氧化的最佳pH為2～4，本實驗中調節汙泥pH為3。30%H2O2投加量為30.0mg/g時，Fe2+投加量對汙泥脫水性能的影響如圖1a所示。隨著Fe2+投加量的增加，泥餅含水率和CST均先減小後增加，Fe2+投加量為 30.0mg/g時，泥餅含水率和CST達到最小值，分別為65.4%和33.3s。Fe2+離子在Fenton反應中作為催化劑促進·OH的產生，·OH具有強氧化性，能夠破解汙泥絮體、胞外聚合物(EPS) 和細胞的結構，氧化分解 EPS等有機物，促進細胞內部水和結合水的釋放，改善汙泥脫水性能。同時，Fe2+被氧化生成的 Fe3+可以通過生成磷酸鐵沉澱及 Fe3+水解聚合沉澱產物進一步強化汙泥脫水性能。
Fe2+投加量過高時，會和有機物競爭·OH，且Fe3+也能與H2O2 發生反應，從而削弱Fenton試劑的氧化效果，不利於汙泥脫水性能的提升。
（2）H2O2投加量對汙泥脫水性能的影響
圖1b是Fe2+投加量為30.0mg/g 時，H2O2投加量對汙泥脫水性能的影響。H2O2投加量(以30%H2O2計)為30.0mg/g時，泥餅含水率和 CST 均達到最小值，分別為64.8%和43.3s。反應體系中 H2O2投加量增大，使得OH·的產生速率和產生量增大，氧化效率提高，但過量的H2O2會與·OH反應生成氧化性較弱的HO2·，也會導致H2O2分解及·OH自身反應，使·OH濃度下降，影響Fenton調理效果。
2、超聲波-PFS聯合調理對汙泥脫水性能的影響
（1）PFS投加量對汙泥脫水性能的影響
圖2a所示為超聲波作用時間30s時，不同PFS投加量下的汙泥脫水性能。汙泥泥餅含水率和CST均隨PFS投加量的增加而減小，表明PFS的聯用有利於汙泥脫水性能的進一步提升。PFS 投加量為15.0mg/g時，汙泥泥餅含水率下降至70.51%，CST下降至最小值123.9s。而PFS投加量繼續增加對汙泥脫水性能的提升作用趨於飽和。PFS能水解生成多核絡合物等產物，對汙泥中的膠體顆粒起到電中和、吸附架橋和網捕卷掃等作用，使膠粒脫穩聚沉並釋放吸附水，提高汙泥脫水性能。PFS投加量過大時反而產生膠體保護作用，使汙泥聚沉速率降低。
綜合考慮強化效果、經濟成本等因素，認為本實驗汙泥條件下PFS最佳投加量為15.0mg/g。
（2）超聲波作用時間對汙泥脫水性能的影響
PFS投加量為15.0mg/g 時，超聲波作用時間對汙泥脫水性能的影響如圖2b所示。泥餅含水率和CST均在超聲波作用時間為30s時達到最小值，分別為70.51%、123.9s。相關研究表明，超聲波的空化、水力剪切作用能破壞汙泥菌膠團及細胞結構，釋放部分結合水，同時超聲波產生的局部發熱、界面破穩和振動作用都能加速固液分離，與PFS的聯用則進一步強化汙泥沉降性能。但過長的超聲波作用時間可能會導致汙泥顆粒被過度分解，汙泥黏度增大，汙泥脫水性能反而下降，不利於後續處理。
3、表面活性劑(SDS)－鹼(NaOH)聯合調理對汙泥脫水性能的影響
（1）表面活性劑( SDS) 投加量對汙泥脫水性能的影響
SDS-NaOH聯合調理時，NaOH投加量為0.5g/g的條件下，不同SDS投加量對汙泥脫水性能的影響如圖3a所示。汙泥的泥餅含水率隨SDS投加量的增加而減小，但均大於未經調理汙泥的泥餅含水率(82.06%)，且不同SDS投加量下CST均大於儀器顯示範圍(999s)，表明投加SDS後汙泥脫水性能出現惡化。分析認為: 陰離子表面活性劑SDS與同樣帶負電荷的汙泥顆粒之間存在靜電斥力，使SDS無法很好地吸附於汙泥顆粒表面，也使汙泥絮體處於不穩定懸浮狀態，同時SDS的兩親結構和增溶作用使得EPS脫落並溶解於水中，導致包裹於汙泥絮體中的顆粒被釋放，使汙泥絮凝、過濾性能變差，CST值較大。而隨著SDS投加量的增加，汙泥表面張力降低，且更多EPS脫落並溶解，使汙泥結合水和間隙水減少，泥餅含水率有所下降。
（2）pH對汙泥脫水性能的影響
SDS投加量為0.20g/g時，pH對汙泥脫水性能的影響如圖3b所示。可知：汙泥脫水性能在酸性條件下較好，在鹼性條件下顯著惡化，最優pH為3，這與洪晨等的研究結果相似。相關研究也表明，酸性條件能促進EPS水解，減弱汙泥表面電荷，促進結合水釋放和汙泥絮體進一步絮凝，從而提高汙泥脫水性能。
4、生物酶調理對汙泥脫水性能的影響
根據相關研究，本實驗選擇溶菌酶和蛋白酶K 調理的反應溫度分別為37，55℃。pH=6.5時，溶菌酶和蛋白酶K投加量對汙泥脫水性能的影響分別如圖4a、b所示。可知：兩種酶作用下，汙泥泥餅含水率和CST均隨酶投加量的增加而先減小後趨於穩定。由圖4a可知: 溶菌酶的最佳投加量為3.0mg/g，此時泥餅含水率和CST分別下降至74.34%、250.6s，溶菌酶投加量進一步提高至6.0mg/g 時，汙泥泥餅含水率回升至75.24%，CST則進一步下降至238.7s，表明溶菌酶對汙泥脫水性能提升的效果趨於穩定。
由圖4b可知: 蛋白酶K調理時，汙泥泥餅含水率和CST 在蛋白酶K投加量為 0.5mg/g時達到最低值，分別為66.57%、88.1s，而繼續增加蛋白酶K投加量，汙泥脫水性能不再有明顯上升。
溶菌酶的等電點在11左右，在汙泥溶液中帶正電荷，能與呈電負性的汙泥膠體顆粒相互作用而促進微生物細胞壁水解，釋放結合水。但溶菌酶減弱了EPS與微生物間的黏附作用，破壞汙泥絮體結構，使汙泥沉降性能下降，汙泥CST相對偏大。使用蛋白酶調理汙泥時，蛋白酶能夠催化裂解細胞結構，並水解細胞釋放出的及汙泥中原有的蛋白質，因而其對汙泥脫水性能的強化作用優於溶菌酶。實驗結果表明，過量的酶並不能提高汙泥脫水性能，可能是由於酶促反應在此底物汙泥濃度下達到“飽和”。
5、不同調理方法強化汙水廠汙泥脫水性能的綜合比較
圖5對比了各調理方法在最優條件下所得汙泥的泥餅含水率和 CST。可知: 各調理方法能不同程度地降低汙泥的泥餅含水率和 CST，提高汙泥的脫水性能。Fenton調理的效果最為突出，泥餅含水率下降17.26百分點，CST下降520.6s，其次依次是蛋白酶K 調理、超聲波-PFS 聯合調理、SDS-NaOH 聯合調理和溶菌酶調理。其中，SDS-NaOH聯合調理的最優pH 均為3，NaOH的協同作用反而使汙泥脫水性能惡化。溶菌酶調理和蛋白酶 K 調理效果對比表明蛋白酶K更能促進汙泥中水分的脫除，可能是由於蛋白酶K不僅能促進汙泥中微生物細胞結構的水解，還能水解汙泥中原有的和細胞破解後釋放的有機物質。
表3總結了本研究涉及的5種汙泥調理方法的脫水機理、應用條件、調理效果及應用特點，並根據市場價格計算各方法的經濟成本。可知: Fenton調理每噸幹汙泥的費用最低，其次是超聲波-PFS 聯合調理，費用最高的是SDS-NaOH聯合調理。雖然溶菌酶和蛋白酶K的投加量相對較少，但其單價高導致每噸幹汙泥的處理費用較高，後續研究可以考慮探討酶與混凝劑聯合使用對汙泥脫水性能和經濟成本的影響。
超聲波-PFS 聯合調理的反應條件較溫和且反應時間僅30s，有利於汙泥處理和汙水處理的銜接，同時超聲波的協同作用能減少PFS的投加量，相應經濟成本較低。因此可認為超聲波-PFS 聯合調理是最適合汙水處理廠的汙泥調理方式。
三、結論
1）本研究選用的5種汙泥調理方式中，Fenton調理對汙泥脫水性能的改善效果最好，pH=3，Fe2+和H2O2（以30%H2O2計）的投加量均為30.0mg/g時，汙泥泥餅含水率和CST分別為 64.8%、43.3s，且經濟成本最低，但其強酸性條件可能會對設備運行和汙泥後續處理處置和資源化利用帶來困難。
2）技術經濟綜合分析認為: 超聲波-PFS聯合調理是相對最優的汙泥調理方式，超聲波作用時間30s，PFS投加量為15.0mg/g 時，汙泥的泥餅含水率平均為70.51%。
3）SDS-NaOH 聯合調理後汙泥的脫水性能發生惡化，原因可能在於鹼性條件下汙泥中過量的EPS難以溶解。而在強酸性條件(pH=3)下，汙泥脫水性能有所提升。與投加表面活性劑相比，pH 的變化對汙泥脫水性能的影響更明顯。
4）兩組酶處理中，蛋白酶K比溶菌酶更有利於汙泥脫水性能的提升，可能歸因於蛋白酶K能促進細胞壁中和細胞破碎後所釋放蛋白質的水解。
安徽天海環保公司集環境諮詢、環保新技術研發、環保設備生產、環保工程設計和環保工程施工為一站式總承包服務,公司擁有施工勞務資質、企業安全生產許可證、建築機電安裝工程專業承包三級資質、環保工程專業承包三級資質，並已獲得了ISO9001質量管理體系認證證書。
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