低温-次氯酸钠对污泥减量化及可生化性研究

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2022-0734

摘要/Abstract

摘要：

以市政污泥为研究对象，探究了低温耦合次氯酸钠对污泥的破解效果，以及后续减量化及可生化性的影响。在反应温度为80 ℃、NaClO投加量为166.7 mg/g、反应时间为60 min的实验条件下，破解液中SCOD可以达到13 210 mg/L，COD破解率达到42.54%。破解液中的多糖及蛋白质质量浓度可达到587.3、376.8 mg/L，说明该方法可有效破解污泥，药剂投加成本仅为0.029元/g。污泥SS去除率达到30.71%，可有效减少污泥预处理成本，实现污泥减量化，并缩减污泥后续处置成本。经加热处理后液相中的余氯在1.0 h内可降至0.37 mg/L，破解液的碳氮比由10.04提高到28.97，但BOD₅/SCOD仅为0.282。结合反应过程中TCOD和蛋白质的变化，以及三维荧光光谱表征，推测可能是ClO^-与部分易降解有机物发生矿化反应，导致破解液的可生化性有所降低。研究结果表明该方法对污泥减量化效果显著，药剂投加成本低，可生化性可接受，可为污泥的减量化及资源化利用提供一定参考。

关键词: 剩余污泥, 污泥减量, 可生化性, 低温, 次氯酸钠

Abstract:

Using municipal sludge as the research object， the effect of low temperature coupled sodium hypochlorite on sludge cracking and the impact on reduction and biodegradability were investigated. Under the experimental conditions of reaction temperature of 80 ℃， NaClO dosage of 166.7 mg/g and reaction time of 60 min， SCOD in the cracking solution could reach 13 210 mg/L， and the COD cracking rate reached 42.54%. The mass concentrations of polysaccharide and protein in the cracking solution could reach 587.3 mg/L and 376.8 mg/L， indicating that the method could effectively crack the sludge， and the cost of reagent was only 0.029 Yuan/g. The SS removal rate of sludge reached 30.71%， which can effectively reduce the cost of sludge pretreatment， realize sludge reduction， and reduce the cost of sludge disposal. The residual chlorine in the liquid decreased to 0.37 mg/L in 1.0 h after heating treatment， and the carbon to nitrogen ratio of cracked solution increased from 10.04 to 28.97， but the BOD₅/SCOD was only 0.282. Combined with the changes of TCOD and protein during the reaction， and the three-dimensional fluorescence spectroscopy characterization， it was speculated that the mineralization reaction of ClO^- with some easily degradable organic matter might have led to the reduction of biodegradability of cracked solution. The results showed that the method is effective for sludge reduction， with low cost of reagent and acceptable biodegradability， which can provide some reference for sludge reduction and resource utilization.

Key words: excess sludge, sludge reduction, biodegradability, low temperature, sodium hypochlorite

中图分类号:

刘壮壮, 唐玉朝, 伍昌年, 薛莉娉, 陈园, 蔡丽丽, 刘俊. 低温-次氯酸钠对污泥减量化及可生化性研究[J]. 工业水处理, 2023, 43(4): 105-112.

Zhuangzhuang LIU, Yuchao TANG, Changnian WU, Liping XUE, Yuan CHEN, Lili CAI, Jun LIU. Study of low temperature-sodium hypochlorite on sludge reduction and biodegradability[J]. Industrial Water Treatment, 2023, 43(4): 105-112.

https://www.iwt.cn/CN/Y2023/V43/I4/105

图/表 9

表1 污泥理化特性

Table 1 Physicochemical properties of sludge

项目	数值
含水率/%	93.8±0.35
pH	6.71±0.1
总悬浮固体（TSS）/（g·L^-1）	61.19±1.39
挥发性悬浮固体（VSS）/（g·L^-1）	29.63±0.83
TCOD/（g·L^-1）	48.36±0.74
SCOD/（mg·L^-1）	59.40±11.26
蛋白质/（mg·L^-1）	2.206±1.27
多糖/（mg·L^-1）	2.514±1.06
TN/（mg·L^-1）	5.876±0.35
氨氮/（mg·L^-1）	2.063±0.15
硝态氮/（mg·L^-1）	2.618±0.15
TP/（mg·L^-1）	2.154±0.15

图1 NaClO投加量对污泥的有机物和TN溶出的影响

Fig. 1 Effect of NaClO dosage on organic matter and TN dissolution of sludge

图2 水浴温度及反应时间对液相中余氯的影响

Fig. 2 Effect of water bath temperature and reaction time on residual chlorine in liquid phase

图3 水浴温度和反应时间对污泥溶解性有机物释放效果的影响

Fig. 3 Effects of water bath temperature and reaction time on the release of dissolved organic matter from sludge

图4 不同反应条件下，低温耦合次氯酸钠对剩余污泥减量化的影响

Fig. 4 Effect of low temperature coupled sodium hypochlorite on reduction of residual sludge under different reaction conditions

表2 80 ℃下次氯酸钠投加量对SS去除率的影响

Table 2 Effect of sodium hypochlorite dosage on SS removal rate at 80 ℃

NaClO/（mg·g^-1）	105 ℃烘干污泥/（g·L^-1）	SS去除率/%
0	60.087	4.91
33.3	57.56	8.91
55.6	53.206	15.80
111.1	48.241	23.66
166.7	43.784	30.71
222.2	42.313	33.04

表3 不同预处理方法破解污泥的费用比较

Table 3 Comparison of the cost of different pretreatment methods to crack sludge

预处理方法	药剂投加量	药剂费用	耗电量	SCOD	SS去除率/%
低温耦合次氯酸钠	NaClO 166.7 mg/g	0.026 7元/g	0.140 8元/L（0.002 3元/g）	13 210.0 mg/L（213.06 mg/g）	30.71
高铁酸盐氧化法^〔21〕	Fe⁶⁺40 mg/g	0.036 5元/g	—	1 374.5 mg/L（204.23 mg/g）	20.38
Fenton氧化法^〔22〕	H₂O₂1.1 mL/g+Fe²⁺64 mg/g	0.059 6元/g	0.093 9元/L（0.011 5元/g）	1 726.8 mg/L（212.14 mg/g）	38.57

图5 污泥破解液中碳氮比

Fig. 5 Carbon to nitrogen ratio in sludge cracking solution

图6 污泥水解液中DOM成分的可生化性分析

Fig. 6 Biodegradability analysis of DOM components in sludge hydrolysate

参考文献 26

1	BOUABIDI Z B， EL-NAAS M H， ZHANG Z. Immobilization of microbial cells for the biotreatment of wastewater： a review［J］. Environmental Chemistry Letters， 2019， 17（1）： 241-257. doi:10.1007/s10311-018-0795-7
2	KELESSIDIS A， STASINAKIS A S. Comparative study of the methods used for treatment and final disposal of sewage sludge in European countries［J］. Waste Management， 2012， 32（6）： 1186-1195. doi:10.1016/j.wasman.2012.01.012
3	谢昆，尹静，陈星.中国城市污水处理工程污泥处置技术研究进展［J］.工业水处理，2020，40（7）：18-23. doi:10.11894/iwt.2019-0622
	XIE Kun， YIN Jing， CHEN Xing. Research progress on sludge treatment technology of urban sewage treatment project in China［J］. Industrial Water Treatment， 2020，40（7）：18-23. doi:10.11894/iwt.2019-0622
4	WALCZAK J， ZUBROWSKA-SUDOL M. The rate of denitrification using hydrodynamically disintegrated excess sludge as an organic carbon source［J］. Water Science and Technology， 2018， 77（9）： 2165-2173. doi:10.2166/wst.2018.125
5	刘丽君，周娅琳，阮建明，等. 次氯酸钠消毒剂的分解特性及氯酸盐副产物形成规律探讨［J］. 给水排水， 2019， 45（6）： 54-58.
	LIU Lijun， ZHOU Yalin， RUAN Jianming， et al. Decomposition characteristics and chlorate formation rules of sodium hypochlorite disinfectant［J］. Water & Wastewater Engineering， 2019， 45（6）： 54-58.
6	WEI H， TANG Y， SHOEIB T， et al. Evaluating the effects of the preoxidation of H₂O₂， NaClO， and KMnO₄ and reflocculation on the dewaterability of sewage sludge［J］. Chemosphere， 2019， 234： 942-952. doi:10.1016/j.chemosphere.2019.06.131
7	HAWKINS C L， PATTISON D I， DAVIES M J. Hypochlorite-induced oxidation of amino acids， peptides and proteins［J］. Amino acids， 2003， 25（3）： 259-274. doi:10.1007/s00726-003-0016-x
8	ISHIHARA M， MURAKAMI K， FUKUDA K， et al. Stability of weakly acidic hypochlorous acid solution with microbicidal activity［J］. Biocontrol science， 2017， 22（4）： 223-227. doi:10.4265/bio.22.223
9	郭绍东，李晨曦，黄兴虎，等. 次氯酸钠与亚铁对污泥破解及脱水效果的影响［J］. 环境科学学报， 2021， 41（8）： 3130-3137.
	GUO Shaodong， LI Chenxi， HUANG Xinghu， et al. Effects of sodium hypochlorite and ferrous iron on sludge disintegration and dewatering［J］. Acta Scientiae Circumstantiae， 2021， 41（8）： 3130-3137.
10	孙健，李露，刘海燕，等.余氯对城市污水处理厂生化系统的影响研究［J］.给水排水，2021，57（4）：45-52.
	SUN Jian， LI Lu， LIU Haiyan， et al. Study on the effect of residual chlorine on biochemical system of municipal wastewater treatment plant［J］. Water & Wastewater Engineering， 2021， 57（4）：45-52.
11	AHN Y Y， CHOI J， KIM M， et al. Chloride-mediated enhancement in heat-induced activation of peroxymonosulfate： New reaction pathways for oxidizing radical production［J］. Environmental Science & Technology， 2021， 55（8）： 5382-5392. doi:10.1021/acs.est.0c07964
12	席兆胜，孙井梅，李湘中. 煮沸对自来水中氯仿含量的影响［J］. 中国给水排水， 2006， 22（15）： 47-49. doi:10.3321/j.issn:1000-4602.2006.15.013
	XI Zhaosheng， SUN Jingmei， LI Xiangzhong. Effects of boiling on concentration of chloroform in tap water［J］. China Water & Wastewater， 2006， 22（15）： 47-49. doi:10.3321/j.issn:1000-4602.2006.15.013
13	BARBER W P F. Thermal hydrolysis for sewage treatment： a critical review［J］. Water Research， 2016， 104： 53-71. doi:10.1016/j.watres.2016.07.069
14	WANG R， TANG A P. Influence of the dissolution laws of N， P on the activated sludge by ozone oxidation［J］. Applied Mechanics and Materials， 2013， 295： 1215-1221. doi:10.4028/www.scientific.net/amm.295-298.1215
15	LI Y， HU Y， WANG G， et al. Screening pretreatment methods for sludge disintegration to selectively reclaim carbon source from surplus activated sludge［J］. Chemical Engineering Journal， 2014， 255： 365-371. doi:10.1016/j.cej.2014.06.034
16	YU W， WEN Q， YANG J， et al. Unraveling oxidation behaviors for intracellular and extracellular from different oxidants （HOCl vs. H₂O₂） catalyzed by ferrous iron in waste activated sludge dewatering［J］. Water Research， 2019， 148： 60-69. doi:10.1016/j.watres.2018.10.033
17	SUDHA M， RENU G， SANGEETA G. Mineralization and degradation of 4-nitrophenol using homogeneous Fenton oxidation process［J］. Environmental Engineering Research， 2021， 26（3）：190145.
18	宫常修，蒋建国，杨世辉. 超声波耦合 Fenton 氧化对污泥破解效果的研究［J］. 中国环境科学， 2013， 33（2）： 293-297.
	GONG Changxiu， JIANG Jianguo， YANG Shihui. Effects of Fenton oxidation with ultrasonic coupling on sludge particle size and soluble substances［J］. China Environmental Science， 2013， 33（2）： 293-297.
19	WU Y， JIANG Y， SONG K. Carbon source recovery from waste activated sludge by low-temperature thermal hydrolysis process［J］. Journal of Environmental Engineering， 2020， 146（1）： 04019098. doi:10.1061/(asce)ee.1943-7870.0001631
20	张明霞，李安章，陈猛，等. 异养硝化-好氧反硝化菌脱氮相关酶系及其编码基因的研究进展［J］.生物技术进展，2020，10（1）：40-45.
	ZHANG Mingxia， LI Anzhang， CHEN Meng， et al. Progress on nitrogen removal related enzymes and their coding genes in heterotrophic nitrifying and aerobic denitrifying bacteria［J］. Current Biotechnology， 2020，10（1）：40-45.
21	张彦平，张千，李一兵，等. Fenton氧化对剩余污泥的溶胞效果［J］. 工业水处理，2018，38（1）：20-22. doi:10.11894/1005-829x.2018.38(1).020
	ZHANG Yanping， ZHANG Qian， LI Yibing， et al. Lysis effect of Fenton oxidation on residual sludge［J］. Industrial Water Treatment， 2018，38（1）：20-22. doi:10.11894/1005-829x.2018.38(1).020
	张彦平，呼瑞琪，李一兵，等. 高铁酸盐氧化剩余污泥溶胞减量研究［J］. 中国给水排水，2020，36（15）：59-64. doi:10.11894/1005-829x.2018.38(1).020
	ZHANG Yanping， HU Ruiqi， LI Yibing， et al. Lysis and reduction of excess sludge by ferrate oxidation［J］. China Water & Wastewater， 2020，36（15）：59-64.
23	陈英文，刘明庆，惠祖刚，等. Fenton氧化破解剩余污泥的实验研究［J］. 环境工程学报，2011，5（2）：409-413.
	CHEN Yingwen， LIU Mingqing， HUI Zugang， et al. Experimental study on excess sludge disintegration by Fenton oxidation［J］. Chinese Journal of Environmental Engineering，2011，5（2）：409-413.
24	ZHANG Y， LU G， ZHANG H， et al. Enhancement of nitrogen and phosphorus removal， sludge reduction and microbial community structure in an anaerobic/anoxic/oxic process coupled with composite ferrate solution disintegration［J］. Environmental Research， 2020， 190： 110006. doi:10.1016/j.envres.2020.110006
25	ZHANG L， HUANG Y， LI S， et al. Optimization of nitrogen removal in solid carbon source SND for treatment of low-carbon municipal wastewater with RSM method［J］. Water， 2018， 10（7）： 827. doi:10.3390/w10070827
26	ZHANG Y， ZHANG P， GUO J， et al. Spectroscopic analysis and biodegradation potential study of dissolved organic matters in sewage sludge treated with high-pressure homogenization［J］. Bioresource Technology， 2013， 135： 616-621. doi:10.1016/j.biortech.2012.09.034

[1]	韩雨璇, 倪志娇, 卢洪伟. 添加剂对DBD处理亚甲基蓝模拟废水的影响[J]. 工业水处理, 2025, 45(3): 165-174.
[2]	涂凌波. 半导体行业废水处理工程实例与效果分析[J]. 工业水处理, 2024, 44(9): 188-192.
[3]	杨伟球. 低温热泵蒸发-生化-RO工艺在废水回用中的应用研究[J]. 工业水处理, 2024, 44(8): 200-204.
[4]	王昊龙, 张恩泽, 王梓诚, 赵瑜涵, 南军, 孙彦民, 马爱静, 周立山, 刘丽强, 蔡巷, 段兴宇. Noria-PEI改性PVA载体固定化溶菌酶用于污泥发酵产VFAs研究[J]. 工业水处理, 2024, 44(4): 155-163.
[5]	陈海, 许森飞, 朱焕铮, 张春远, 张涛, 陆洁平, 何仕均. 电子束技术处理垃圾渗滤液研究[J]. 工业水处理, 2024, 44(2): 166-171.
[6]	张群力, 王瀚, 王宝忠, 程煊锐, 张秋月. 氧化钙和木屑预调制污泥的低温干化特性研究[J]. 工业水处理, 2024, 44(11): 99-105.
[7]	王森, 王盈, 张苑茹, 李晨, 董志魁, 陈文慧, 孙福乐, 吉人杰. 壳聚糖改性水热炭对制革生化尾水中Cr（Ⅵ）的去除研究[J]. 工业水处理, 2024, 44(10): 123-132.
[8]	甄娟, 毕永伟, 袁华洁. “双碳”战略下污泥热干化技术对比研究[J]. 工业水处理, 2024, 44(10): 215-221.
[9]	高红龙, 杨文生, 高磊, 刘慧军, 王鑫, 门学旺. 低温三效蒸发工艺中脱硫废水蒸发特性研究[J]. 工业水处理, 2024, 44(1): 132-137.
[10]	陈俊. 全量化工艺处理垃圾填埋场后期及封场渗滤液实例[J]. 工业水处理, 2024, 44(1): 198-206.
[11]	张所新, 张晓东, 于崇涛, 杨鑫, 姜丽娜, 李珂, 王钧, 陈景光, 隋春晓, 周利. 低温低浊度海水淡化高效预处理试验研究[J]. 工业水处理, 2023, 43(9): 174-179.
[12]	王文冬, 王利军, 高晓薇, 刘学燕, 龙元源, 赵佑, 蔡婷婷, 王慧. 北方低温仿自然湿地脱氮除磷强化净化技术应用[J]. 工业水处理, 2023, 43(9): 206-212.
[13]	王文海, 李梅, 王宁, 王洪波, 张伟, 徐冠虎. 高铁酸盐预处理剩余污泥强化厌氧消化研究进展[J]. 工业水处理, 2023, 43(9): 51-58.
[14]	王明. LAT低温常压蒸发技术处理焦化蒸氨废水的工程应用[J]. 工业水处理, 2023, 43(6): 176-181.
[15]	杨宏伟, 邢雷, 史政伟, 杨峻, 白云志. 臭氧-MBBR在精细化工园区污水厂改造中的应用[J]. 工业水处理, 2023, 43(5): 175-180.

选择文件类型/文献管理软件名称

选择包含的内容