污泥是在處理工業(yè)廢水和生活污水過(guò)程中產(chǎn)生的固體懸浮物。隨著社會(huì)的進(jìn)步和工業(yè)的發(fā)展，工業(yè)廢水和生活污水的排放量每年都在不斷地增加，剩余污泥的產(chǎn)量也隨之提升。2010 年環(huán)境狀況公報(bào)顯示，全國(guó)各類(lèi)廢水排放總量為617.3億t〔1〕，產(chǎn)生的濕污泥總量約為2 660萬(wàn)t〔2〕。工業(yè)廢水和生活污水處理過(guò)程中產(chǎn)生的污泥不僅含水率高、體積龐大，而且含有有機(jī)物、重金屬以及致病微生物等有毒有害物質(zhì)，若處置不當(dāng)很容易對(duì)生態(tài)環(huán)境和人體健康造成危害〔3, 4〕。目前，對(duì)污泥處置的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)減量、穩(wěn)定、無(wú)害以及資源化。污泥處理處置過(guò)程中的減量過(guò)程是污泥處理工藝中的重要環(huán)節(jié)，不僅決定了污泥處理的成本，而且決定了污泥具體的處理方式和最終去向。為減小污泥體積，便于運(yùn)輸和后處理，常采用預(yù)處理方法，改變污泥組分和性質(zhì)，提高其脫水性能。
近年來(lái)，許多污水處理廠采用投加聚合氯化鋁(PAC)、聚丙烯酰胺(PAM)等絮凝劑的方法對(duì)污泥進(jìn)行預(yù)處理〔5〕，但投加絮凝劑通常會(huì)造成二次污染且有一定毒性。γ輻照技術(shù)作為一種高級(jí)氧化技術(shù)，因具有適用范圍廣、反應(yīng)速度快、不產(chǎn)生二次污染等特點(diǎn)，受到人們的廣泛關(guān)注〔6, 7, 8, 9〕。本研究采用60Co γ射線輻照預(yù)處理城市污水處理廠剩余污泥，通過(guò)污泥比阻、SCOD、氨氮以及紫外-可見(jiàn)光譜的變化，研究了輻照劑量、污泥pH以及曝氣處理對(duì)污泥脫水性能的影響，并對(duì)其變化的原因進(jìn)行了探討。
1 實(shí)驗(yàn)材料與方法
1.1 儀器與試劑
儀器：5B-3C 型COD快速測(cè)定儀、5B-6D型氨氮快速測(cè)定儀，蘭州連華環(huán)�？萍加邢薰�;UV-2550紫外分光光度儀，日本島津;pHS-3C 型pH計(jì)，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司;TDL80-2B離心機(jī)，上海安亭科學(xué)儀器廠;FA1004B電子天平，上海佑科儀器儀表有限公司;DZF-6201型真空干燥箱，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司;UP-10A超純水機(jī)，南京前沿儀器設(shè)備有限公司。
試劑：實(shí)驗(yàn)所用試劑均為分析純。
1.2 污泥來(lái)源及輻照處理
實(shí)驗(yàn)所用污泥樣品為南京江心洲污水處理廠的剩余污泥，用量為100 mL/次。污泥含水率約為85%,pH為6.68,污泥(原泥)比阻為5.864×1011 m/kg,屬不易脫水污泥〔10〕。γ射線源為南京航空航天大學(xué)輻照中心的60Co放射源，活度為1.48×1016 Bq,劑量率為0.75 kGy/h。
1.3 實(shí)驗(yàn)方法
1.3.1 pH影響實(shí)驗(yàn)
取10組污泥樣品，用1 mol/L的H2SO4溶液與10 g/L的NaOH溶液調(diào)節(jié)其pH分別為2.10、2.95、4.08、4.97、5.96、7.05、8.08、8.98、9.97、10.97,另取1組保持原始pH.分別取樣100 mL密封于樣品瓶中，恒定輻照劑量為7.5 kGy,輻照時(shí)長(zhǎng)為10 h,考察pH對(duì)污泥脫水性能的影響。所有操作均在室溫下進(jìn)行。
1.3.2 不同輻照劑量和曝氣處理影響實(shí)驗(yàn)
調(diào)制污泥pH為一定值，將污泥分為2組，一組進(jìn)行輻照處理，另一組進(jìn)行12 h曝氣處理后再進(jìn)行輻照處理。分別取樣100 mL于樣品瓶中，各建立空白組和不同輻照劑量組，考察輻照劑量和曝氣處理對(duì)污泥脫水性能的影響。輻照劑量分別為1.5、3.0、4.5、6.0、7.5 kGy,對(duì)應(yīng)的輻照時(shí)長(zhǎng)分別為2、4、6、8、10 h.所有操作均在室溫下進(jìn)行。
1.4 分析指標(biāo)和分析方法
采用pH計(jì)測(cè)量樣品的pH.將污泥樣品于 3 500 r/min下離心30 min,取其上清液分別用COD快速測(cè)定儀、氨氮快速測(cè)定儀和紫外分光光度儀進(jìn)行SCOD、氨氮和紫外-可見(jiàn)光譜的測(cè)定。表征污泥脫水性能的綜合性指標(biāo)主要是污泥比阻，污泥比阻代表單位質(zhì)量的污泥在一定壓力下過(guò)濾時(shí)在單位過(guò)濾面積上的阻力。污泥比阻越小，表明污泥脫水性能越好。污泥比阻的測(cè)量采用定壓過(guò)濾的方法。在定壓過(guò)濾時(shí)，過(guò)濾時(shí)間(t)/濾液體積(V)與濾液體積(V)成線性關(guān)系。污泥比阻(r)測(cè)定方程〔10〕：
P——過(guò)濾壓力，N/m2;
A——過(guò)濾面積，m2;
μ——濾液黏度，N·g/m2;
c——單位體積的濾液在過(guò)濾介質(zhì)上截留的干 固體質(zhì)量，kg/m3;
b——直線t/V～V的斜率。
2 結(jié)果與討論
2.1 γ輻照處理中pH對(duì)污泥脫水性能的影響
γ輻照處理中pH對(duì)污泥脫水性能的影響如圖 1所示。
圖 1 γ輻照處理中pH對(duì)污泥脫水性能的影響
由圖 1可知，在相同的輻照劑量下，初始pH對(duì)污泥的脫水性能有重要影響。在酸性條件下，隨著pH的升高，污泥比阻逐漸降低，污泥脫水性能隨之改善;在堿性條件下，隨著pH的升高，污泥比阻逐漸升高，污泥脫水性能隨之變差。當(dāng)pH為7左右時(shí)，經(jīng)輻照處理的污泥比阻最低，污泥脫水性能最佳。
2.2 輻照劑量和曝氣處理對(duì)污泥脫水性能的影響
在污泥pH為7.08的條件下，考察了輻照劑量和曝氣處理對(duì)污泥脫水性能的影響，結(jié)果見(jiàn)圖 2。
圖 2 γ輻照劑量和曝氣處理對(duì)污泥脫水性能的影響
由圖 2可知，隨著輻照劑量的增大，污泥比阻逐漸變小，污泥脫水性能隨之改善。單純輻照條件下，當(dāng)輻照劑量為7.5 kGy時(shí)，污泥比阻為4.485×1011 m/kg,較污泥初始比阻下降23.5%,表明污泥脫水性能得到顯著改善。污泥經(jīng)輻照處理后，其生物和理化特性發(fā)生了改變。γ射線與污泥中的水分子作用可產(chǎn)生活性自由基，其可破壞污泥絮體，使污泥固相中大分子物質(zhì)分解，并且由于γ射線的直接作用導(dǎo)致污泥中微生物死亡，釋放出內(nèi)部結(jié)合水，從而改善了污泥脫水性能。
由圖 2還可以看出，相同輻照劑量下，曝氣處理的污泥比阻要小于未曝氣處理的污泥比阻，說(shuō)明γ輻照聯(lián)合曝氣預(yù)處理污泥能進(jìn)一步改善污泥的脫水性能。其原因可能是通過(guò)曝氣處理，增加了污泥中的含氧量，氧氣聯(lián)合輻照作用，可加強(qiáng)對(duì)中間產(chǎn)物的氧化作用。污泥水相中的溶解氧能迅速與輻照過(guò)程中產(chǎn)生的H·和eaq-作用，發(fā)生如下反應(yīng)〔11〕：
生成的O2- 和HO2· 會(huì)進(jìn)一步和污泥組分發(fā)生反應(yīng)，從而提高了污泥脫水性能。而在未輻照處理?xiàng)l件下，曝氣處理的污泥比阻明顯高于未曝氣處理的污泥比阻(原始污泥),說(shuō)明僅進(jìn)行曝氣處理，會(huì)使污泥脫水性能惡化。這可能是由于曝氣處理一方面起到攪拌均質(zhì)的作用，使泥水充分混合，另一方面能為污泥供氧，而含有過(guò)量氧的污泥會(huì)發(fā)生自氧化，使泥質(zhì)變得松散，其最終的結(jié)果是污泥脫水性能變差。
2.3 輻照劑量對(duì)SCOD的影響
取曝氣組和未曝氣組不同輻照劑量下的污泥上清液測(cè)定其SCOD,結(jié)果如圖 3所示。
圖 3 輻照劑量對(duì)SCOD的影響
由圖 3可知，污泥SCOD隨輻照劑量的增加而增加，曝氣組污泥原始SCOD為60 mg/L,經(jīng)7.5 kGy輻照后，污泥SCOD增至837.5 mg/L;未曝氣組污泥原始SCOD為50 mg/L,經(jīng)7.5 kGy輻照后，污泥SCOD增至987.5 mg/L.污泥SCOD升高可能是由于γ射線與污泥中水分子作用生成的活性自由基(H2O→HO·+H·+eaq-)與污泥組分作用，使有機(jī)物被分解，微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)被破壞，大量可溶性有機(jī)物溶解于污泥水相中，而且輻照劑量越大，組分分解越多。未進(jìn)行輻照處理的空白組中，由于好氧微生物的存在，曝氣處理使污泥SCOD有所升高。在相同輻照劑量下，曝氣組污泥SCOD低于未曝氣組污泥SCOD,可能是由于輻照處理前的曝氣過(guò)程中，污泥中微生物的代謝降解了部分溶解性有機(jī)物;此外，經(jīng)曝氣后污泥中氧含量增加，氧氣聯(lián)合輻照作用，加強(qiáng)了對(duì)溶解性有機(jī)物的氧化作用，進(jìn)一步降低了污泥水相中溶解性有機(jī)物的含量。
2.4 輻照劑量對(duì)氨氮的影響
取曝氣組和未曝氣組不同輻照劑量下的污泥上清液測(cè)定其氨氮含量，結(jié)果如圖 4所示。
圖 4 輻照劑量對(duì)氨氮的影響
由圖 4可知，氨氮含量的變化趨勢(shì)與污泥SCOD的變化趨勢(shì)一致，隨輻照劑量的增加而增加。未曝氣組污泥原始氨氮為42.8 mg/L,經(jīng)7.5 kGy輻照后，污泥氨氮增至335.2 mg/L;曝氣組污泥原始氨氮為26.2 mg/L,經(jīng)7.5 kGy輻照后，增至139.1 mg/L.污泥氨氮含量增大是由于γ射線與污泥中水分子作用生成的活性自由基與污泥組分作用，將污泥中含氮化合物分解成氨氮溶解于污泥水相中，輻照劑量越大，含氮化合物分解越多，污泥氨氮含量越高。在相同輻照劑量下，曝氣組污泥氨氮含量低于未曝氣組污泥氨氮含量，可能是由于輻照處理前的曝氣過(guò)程中，污泥中微生物的代謝降解了部分氨氮;此外，經(jīng)曝氣后污泥中含氧量增加，氧氣聯(lián)合輻照作用，加強(qiáng)了對(duì)氨氮的氧化作用，進(jìn)一步降低了污泥水相中氨氮含量。
2.5 UV-vis光譜分析
取曝氣組和未曝氣組污泥不同輻照劑量下的上清液進(jìn)行紫外-可見(jiàn)光譜掃描，結(jié)果如圖 5所示。
圖 5 不同輻照劑量下污泥上清液的紫外-可見(jiàn)光譜
由圖 5可知，與未輻照污泥樣品(0 kGy)相比，各輻照劑量下的污泥上清液在250～300 nm范圍內(nèi)均出現(xiàn)新的吸收帶，由于此范圍內(nèi)蛋白質(zhì)(紫外吸收高峰在260 nm附近)和核酸(紫外吸收高峰在 280 nm附近)具有較強(qiáng)烈的吸收，因此可以推斷，在輻照處理中，γ射線與污泥微生物發(fā)生作用，破壞了微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)，使蛋白質(zhì)和核酸等物質(zhì)釋放到污泥水相中。隨著輻照劑量的增加，污泥上清液的吸光度增大。對(duì)比圖 5(a)與圖 5(b)可知，在250～300 nm范圍內(nèi)，曝氣組污泥上清液的吸光度大于未曝氣組污泥，這是由于曝氣增加了污泥中的氧含量，在輻照處理中產(chǎn)生O2- 和HO2· ,進(jìn)一步破壞了污泥中微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)，使更多的蛋白質(zhì)和核酸等物質(zhì)釋放到污泥水相中。
2.6 污泥比阻的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)分析
對(duì)未曝氣處理和曝氣處理的污泥比阻隨輻照時(shí)間變化的數(shù)據(jù)采用一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行擬合，結(jié)果如表 1所示。
由表 1可知，未曝氣處理和曝氣處理的污泥經(jīng)輻照后，其污泥比阻與輻照時(shí)間之間具有較高的相關(guān)性，說(shuō)明污泥比阻的變化服從一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程。曝氣組污泥的反應(yīng)速率常數(shù)大于未曝氣組污泥，這是由于曝氣處理后，污泥中的氧含量增加，氧氣聯(lián)合輻照作用，加強(qiáng)了對(duì)污泥組分的氧化作用。具體參見(jiàn)http://wlmqsb.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
3 結(jié)論
(1)初始pH對(duì)γ輻照預(yù)處理污泥有重要的影響，在相同輻照劑量下，當(dāng)pH為7左右時(shí)，污泥比阻最低，污泥脫水性能最佳。
(2)未曝氣組和曝氣組不同輻照劑量下污泥比阻的變化表明：隨著輻照劑量的增大，污泥比阻降低，污泥脫水性能隨之改善;經(jīng)過(guò)曝氣處理，能進(jìn)一步提升污泥脫水性能。
(3)經(jīng)γ輻照處理后，污泥絮體和有機(jī)物被分解，微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)被破壞，增加了污泥中可溶性有機(jī)組分和氨氮含量。
(4)γ輻照聯(lián)合曝氣預(yù)處理污泥，在改善污泥脫水性能的同時(shí)，能提高污泥資源化利用的可能性。
