剩余污泥蒸汽爆破处理工艺优化

doi:10.11894/iwt.2018-0533

剩余污泥蒸汽爆破处理工艺优化

宁欣强^,, 潘倩, 黄燕, 任俊韬, 何崇豪, 张俊秋, 唐棠

Optimization of steam explosion treatment process of waste activated sludge

Ning Xinqiang^,, Pan Qian, Huang Yan, Ren Juntao, He Chonghao, Zhang Junqiu, Tang Tang

收稿日期: 2019-02-22

基金资助:

国家自然科学基金青年科学基金资助项目.  51608339
宜宾市科技局科技自主创新专项.  2017ZSF008-1
四川理工学院人才引进项目.  2015RC37
四川省大学生创新创业训练计划项目.  201610622011

Received: 2019-02-22

Fund supported:

作者简介 About authors

宁欣强(1984-),博士,讲师电话:0813-5505758,E-mail:ningxinqiang@126.com , E-mail：ningxinqiang@126.com

摘要

以溶解性COD（SCOD）为指标，对剩余污泥蒸汽爆破（汽爆）处理工艺进行优化研究。基于单因素试验，采用响应面法确定了汽爆处理最优工艺条件：汽爆压力1.50 MPa，维压时间245 s，污泥含水率40%。在此条件下，SCOD实际测定值为（71.86±1.15）g/kg，与未蒸汽爆破污泥样品相比，SCOD提高了482.33%。SCOD响应面分析模型预测值为72.25 g/kg，模型预测值与实际测定值接近，建立的模型具有实际指导意义。

关键词： 剩余污泥 ; 蒸汽爆破 ; 响应面法 ; 溶解性COD

Abstract

The optimization research on the steam explosion treatment process of waste activated sludge has been implemented, using soluble COD(SCOD) as an index. Based on single factor tests, the optimal process conditions of steam explosion treatment have been ascertained by response surface method, as follows:steam explosion pressure 1.50 MPa, dwell time 245 s, and sludge water content rate 40%. Under these conditions, the actual measured value of SCOD is (71.86±1.15) g/kg. Compared with the sludge sample which was not subjected to steam explosion, its SCOD is improved by 482.33%. The predicted value of SCOD response surface analysis model is 72.25 g/kg, the predicted value of the model is close to the actual measured value, indicating that the established model has practical and guiding significance.

Keywords： waste activated sludge ; steam explosion ; response surface method ; soluble COD

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本文引用格式

宁欣强, 潘倩, 黄燕, 任俊韬, 何崇豪, 张俊秋, 唐棠. 剩余污泥蒸汽爆破处理工艺优化. 工业水处理[J], 2019, 39(6): 18-21 doi:10.11894/iwt.2018-0533

Ning Xinqiang. Optimization of steam explosion treatment process of waste activated sludge. Industrial Water Treatment[J], 2019, 39(6): 18-21 doi:10.11894/iwt.2018-0533

基于活性污泥工艺的污水生物处理技术是我国现阶段城市污水处理的主流技术，其产生的大量剩余污泥已成为污水处理行业亟待解决的关键问题之一^〔1-2〕。剩余污泥成分复杂，有机物含量丰富，且含有重金属及其他病原微生物，若未得到有效处理处置，会对生态环境造成较大危害。如何对剩余污泥中丰富的有机质进行利用是实现其资源化的关键^〔3〕。剩余污泥中的有机质一部分以胞外聚合物的形式附着于微生物细胞表面，大部分则储存于污泥微生物细胞内。由于剩余污泥的絮体结构以及污泥微生物细胞壁的保护作用，大部分可溶性有机物难以被释放并利用，使其资源化利用受到限制^〔4-5〕。

常见的剩余污泥处理技术主要有热处理、超声波、化学试剂预处理等^〔6-8〕。蒸汽爆破（简称“汽爆”）技术主要应用于木质纤维素资源预处理，近年来开始应用于污泥处理。该技术通过将渗入污泥絮体以及污泥微生物细胞中的高压蒸汽分子瞬间释放，破坏其絮体以及细胞结构，造成细胞中有机质溢出，从而提高剩余污泥资源化利用率^〔9〕。蒸汽爆破处理作为一种新型剩余污泥处理技术，具有污泥微生物细胞破壁效率高、能耗相对较低等优势^〔10〕。目前，对剩余污泥汽爆处理工艺参数的优化研究尚未见报道。本研究基于响应面法对影响剩余污泥汽爆处理过程的主要影响因素汽爆压力、维压时间以及污泥含水率进行了分析，建立了剩余污泥汽爆处理工艺数学模型，确定了最佳汽爆工艺参数，以期在较低成本下获得较高的溶解性有机质含量。该研究可为蒸汽爆破处理技术应用于剩余污泥处理提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用剩余污泥取自重庆市某城镇剩余污泥资源化处理中心，污泥含固率（TS）为27.62%，有机质（VS/TS）为62.54%，pH为7.35，TCOD为152.55 g/kg，SCOD为12.34 g/kg，TN为1.76 g/kg，NH₃-N为0.83 g/kg。文中单位g/kg均指g/kgTS（单位干重污泥样品中某成分的量）。

1.2 试验装置

蒸汽爆破装置为河南省鹤壁正道生物能源有限公司生产的QBS-200型蒸汽爆破机。其工作压力为3.0 MPa，加热功率55 kW，汽爆仓容积0.5 L。汽爆过程采用气弹技术，可以在0.01 s内完成压力释放。

1.3 试验方法

1.3.1 单因素及响应面试验

称取相同批次的剩余污泥，自然风干后测其含水率。基于测定的含水率将污泥制成不同含水率（18%、27%、36%、45%、54%、63%、72%）样品。对各样品在不同的汽爆压力（1.1、1.3、1.5、1.7、1.9、2.1、2.3、2.5、2.7 MPa）和不同的汽爆维压时间（30、60、120、180、240、300 s）下进行汽爆处理。分别收集不同处理条件下处理后的污泥样品，在测定物料含固率的同时，经离心后测定上清液中的SCOD。以单位干重（TS）污泥样品中SCOD表征污泥中有机物释放情况。

在单因素试验基础上，根据中心组合试验设计原理，以SCOD（Y）为响应值，以汽爆压力、维压时间、物料含水率为自变量，设计3因素3水平响应面试验。各因素水平见表1。

表1 响应面试验因素及水平

因素	编码	水平
因素	编码	1	0	-1
汽爆压力/MPa	X₁	1.7	1.5	1.3
维压时间/s	X₂	270	240	210
含水率/%	X₃	55	45	35

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1.3.2 分析方法

TS及VS采用重量法测定；SCOD采用快速消解-重铬酸钾比色法测定；NH₃-N采用纳氏试剂分光光度法测定；TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定。

1.4 数据分析

响应面试验采用Design-Expert V8.0.6软件进行分析和作图。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 汽爆压力对污泥SCOD的影响

控制污泥样品含水率为45%，汽爆维压时间为240 s，考察汽爆压力对污泥样品SCOD的影响，结果如图1所示。

图1

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图1 汽爆压力对污泥SCOD的影响

由图1可知，随着汽爆压力的增加，污泥SCOD逐渐增大，当汽爆压力为1.5 MPa时，SCOD达到最大；继续增加汽爆压力，SCOD有所减少并基本维持不变。汽爆处理后污泥SCOD的产生主要是由于污泥絮体结构被破坏，细胞内的蛋白质、碳水化合物、脂类等胞内高分子物质大量溶出成为溶解性物质，导致SCOD增加^〔11〕。但是汽爆压力过高，可能会造成SCOD部分组分分解，从而导致SCOD减少。确定较佳的汽爆压力为1.5 MPa。

2.1.2 维压时间对污泥SCOD的影响

控制污泥样品含水率为45%，汽爆压力为2.0 MPa，考察汽爆维压时间对污泥样品SCOD的影响，结果如图2所示。

图2

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图2 维压时间对污泥SCOD的影响

由图2可知，随着维压时间的增加，污泥SCOD逐步增高，当维压时间为240 s时，SCOD达到最大；继续增加维压时间，SCOD有所减少。维压时间越长，絮体结构被破坏得越彻底；但时间过长，不仅会浪费能源，可能还会引起部分溶解性小分子物质重新缩合^〔12〕，从而降低了SCOD。确定较佳的维压时间为240 s。

2.1.3 污泥含水率对污泥SCOD的影响

控制汽爆压力为2.0 MPa，汽爆维压时间为240 s，考察含水率对污泥样品SCOD的影响，结果如图3所示。

图3

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图3 污泥含水率对污泥SCOD的影响

由图3可以看出，随着污泥含水率的增加，污泥SCOD逐渐增大。污泥含水率不同，污泥汽爆处理前发生的润胀程度不同，从而影响汽爆过程高压蒸汽渗入到污泥絮体结构内部^〔13〕。尽管通过加大水合作用，可以提高SCOD，但含水率过高可能会影响高温高压蒸汽的热传导效率以及爆破处理效果，使SCOD降低。确定较佳的污泥含水率为45%。

2.2 响应面试验结果

2.2.1 多元二次回归模型的建立及方差分析

响应面试验方案及结果如表2所示。

表2 响应面试验设计方案及结果

试验编号	因素			SCOD/（g·kg^-1）
试验编号	X₁	X₂	X₃	SCOD/（g·kg^-1）
1	1	0	-1	61.36
2	0	-1	-1	56.01
3	1	-1	0	48.16
4	-1	-1	0	46.05
5	0	0	0	72.25
6	0	1	-1	66.23
7	1	0	1	61.34
8	0	1	1	57.97
9	-1	0	-1	59.40
10	0	0	0	71.25
11	-1	1	0	55.05
12	0	-1	1	48.59
13	-1	0	1	56.71
14	1	1	0	49.31
15	0	0	0	70.35

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采用Design-Expert V8.0.6软件对表2试验数据进行二次多项式回归分析，得到回归模型方程：

模型的方差分析如表3所示。

表3 回归方程方差分析

来源	平方和	均方	F值	p值
模型	987.91	109.77	11.69	0.007 3
X₁	11.12	11.12	1.19	0.324 2
X₂	445.85	445.85	47.48	0.001 0
X₃	6.57	6.57	0.7	0.441 0
X₁X₂	15.39	15.39	1.64	0.256 6
X₁X₃	1.79	1.79	0.19	0.680 9
X₂X₃	0.18	0.18	0.019	0.895 9
X₁²	338.21	338.21	36.02	0.001 8
X₂²	538.42	538.42	57.34	0.000 6
X₃²	14.97	14.97	1.59	0.262 5
残差	46.95	9.39
失拟项	45.14	15.05	16.66	0.057 2
纯误差	1.81	0.9

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F值与p值反映了模型中各控制因素的显著性，F值越大，p值越小，则相关性越显著。由表2可知，所得回归模型的F值为11.69，p值为0.007 3，说明所建立模型极显著，表明与实际情况拟合度好。失拟项p值为0.057 2>0.05，说明残差均由随机误差引起，对试验干扰小。模型的决定系数R²=0.954 6，表明该回归方程可以解释95.46%的试验响应值SCOD的变化^〔14〕。模型变异系数CV为5.22% < 10%，说明模型能很好地反映真实的试验值，即试验可信度和精度较高。回归方程中各因素的显著性分析结果表明，X₂对SCOD的线性效应极为显著，X₁²、X₂²对SCOD的曲面效应极显著。

2.2.2 响应面及等高线分析

不同因素对污泥SCOD影响的响应面曲线图和等高线图如图4所示。

图4

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图4 不同因素对污泥SCOD影响的响应面图和等高线图

由图4可知，汽爆压力、维压时间、含水率和SCOD呈抛物线关系。3个响应面全部为开口向下的凸形曲面，在区域范围内，其存在最大值（Y的最大值）。响应面曲线梯度可以直观反映各因素对SCOD的影响，曲线越陡，则表示该因素对SCOD影响越明显^〔15〕。由图4可知，维压时间对SCOD影响最大，并且各因素之间存在一定交互作用。

2.2.3 最优汽爆条件的预测及验证

通过对得到的回归方程进行求解，得到污泥SCOD最大预测值为72.25 g/kg，相应的汽爆处理条件：汽爆压力1.50 MPa，维压时间224.82 s，污泥含水率39.19%。考虑试验条件的可操作性，将预测的最优条件进行修正，即汽爆压力1.50 MPa，维压时间225 s，污泥含水率40%。在上述条件下进行3次平行试验，污泥SCOD为（71.86±1.15）g/kg。实际测定值与理论预测值相比较，可证实得到的回归模型有效。

3 结论

采用蒸汽爆破工艺对剩余污泥进行处理，结合单因素试验结果，通过响应面法建立了基于汽爆压力、维压时间、污泥含水率的污泥SCOD回归模型。方差分析结果表明，模型显著，在整个回归区域有较强的拟合度，可信度和精确度较高。采用Design- Expect V8.0.6软件对汽爆工艺条件进行优化，调整后的最优工艺条件：汽爆压力1.50 MPa，维压时间225 s，含水率40%。在此条件下，污泥SCOD实测值为（71.86±1.15）g/kg，约为未经蒸汽爆破处理的污泥SCOD的5.8倍，SCOD模型预测值为72.25 g/kg。实际测定值与模型预测值接近，表明建立的模型具有实际指导意义。

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