污泥是在處理工業(yè)廢水和生活污水過程中產(chǎn)生的固體懸浮物。隨著社會的進步和工業(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)境狀況公報顯示，全國各類廢水排放總量為617.3億t〔1〕，產(chǎn)生的濕污泥總量約為2 660萬t〔2〕。工業(yè)廢水和生活污水處理過程中產(chǎn)生的污泥不僅含水率高、體積龐大，而且含有有機物、重金屬以及致病微生物等有毒有害物質，若處置不當很容易對生態(tài)環(huán)境和人體健康造成危害〔3, 4〕。目前，對污泥處置的目標是實現(xiàn)減量、穩(wěn)定、無害以及資源化。污泥處理處置過程中的減量過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，便于運輸和后處理，常采用預處理方法，改變污泥組分和性質，提高其脫水性能。
近年來，許多污水處理廠采用投加聚合氯化鋁(PAC)、聚丙烯酰胺(PAM)等絮凝劑的方法對污泥進行預處理〔5〕，但投加絮凝劑通常會造成二次污染且有一定毒性。γ輻照技術作為一種高級氧化技術，因具有適用范圍廣、反應速度快、不產(chǎn)生二次污染等特點，受到人們的廣泛關注〔6, 7, 8, 9〕。本研究采用60Co γ射線輻照預處理城市污水處理廠剩余污泥，通過污泥比阻、SCOD、氨氮以及紫外-可見光譜的變化，研究了輻照劑量、污泥pH以及曝氣處理對污泥脫水性能的影響，并對其變化的原因進行了探討。
1 實驗材料與方法
1.1 儀器與試劑
儀器：5B-3C 型COD快速測定儀、5B-6D型氨氮快速測定儀，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，上海儀電科學儀器股份有限公司;TDL80-2B離心機，上海安亭科學儀器廠;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，上海精宏實驗設備有限公司;UP-10A超純水機，南京前沿儀器設備有限公司。
試劑：實驗所用試劑均為分析純。
1.2 污泥來源及輻照處理
實驗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 實驗方法
1.3.1 pH影響實驗
取10組污泥樣品，用1 mol/L的H2SO4溶液與10 g/L的NaOH溶液調節(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,輻照時長為10 h,考察pH對污泥脫水性能的影響。所有操作均在室溫下進行。
1.3.2 不同輻照劑量和曝氣處理影響實驗
調制污泥pH為一定值，將污泥分為2組，一組進行輻照處理，另一組進行12 h曝氣處理后再進行輻照處理。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,對應的輻照時長分別為2、4、6、8、10 h.所有操作均在室溫下進行。
1.4 分析指標和分析方法
采用pH計測量樣品的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快速測定儀、氨氮快速測定儀和紫外分光光度儀進行SCOD、氨氮和紫外-可見光譜的測定。表征污泥脫水性能的綜合性指標主要是污泥比阻，污泥比阻代表單位質量的污泥在一定壓力下過濾時在單位過濾面積上的阻力。污泥比阻越小，表明污泥脫水性能越好。污泥比阻的測量采用定壓過濾的方法。在定壓過濾時，過濾時間(t)/濾液體積(V)與濾液體積(V)成線性關系。污泥比阻(r)測定方程〔10〕：
P——過濾壓力，N/m2;
A——過濾面積，m2;
μ——濾液黏度，N·g/m2;
c——單位體積的濾液在過濾介質上截留的干 固體質量，kg/m3;
b——直線t/V～V的斜率。
2 結果與討論
2.1 γ輻照處理中pH對污泥脫水性能的影響
γ輻照處理中pH對污泥脫水性能的影響如圖 1所示。
圖 1 γ輻照處理中pH對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pH為7左右時，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污泥脫水性能的影響，結果見圖 2。
圖 2 γ輻照劑量和曝氣處理對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，當輻照劑量為7.5 kGy時，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分解，并且由于γ射線的直接作用導致污泥中微生物死亡，釋放出內(nèi)部結合水，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，說明γ輻照聯(lián)合曝氣預處理污泥能進一步改善污泥的脫水性能。其原因可能是通過曝氣處理，增加了污泥中的含氧量，氧氣聯(lián)合輻照作用，可加強對中間產(chǎn)物的氧化作用。污泥水相中的溶解氧能迅速與輻照過程中產(chǎn)生的H·和eaq-作用，發(fā)生如下反應〔11〕：
生成的O2- 和HO2· 會進一步和污泥組分發(fā)生反應，從而提高了污泥脫水性能。而在未輻照處理條件下，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),說明僅進行曝氣處理，會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的作用，使泥水充分混合，另一方面能為污泥供氧，而含有過量氧的污泥會發(fā)生自氧化，使泥質變得松散，其最終的結果是污泥脫水性能變差。
2.3 輻照劑量對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定其SCOD,結果如圖 3所示。
圖 3 輻照劑量對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，使有機物被分解，微生物細胞結構被破壞，大量可溶性有機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程中，污泥中微生物的代謝降解了部分溶解性有機物;此外，經(jīng)曝氣后污泥中氧含量增加，氧氣聯(lián)合輻照作用，加強了對溶解性有機物的氧化作用，進一步降低了污泥水相中溶解性有機物的含量。
2.4 輻照劑量對氨氮的影響
取曝氣組和未曝氣組不同輻照劑量下的污泥上清液測定其氨氮含量，結果如圖 4所示。
圖 4 輻照劑量對氨氮的影響
由圖 4可知，氨氮含量的變化趨勢與污泥SCOD的變化趨勢一致，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，加強了對氨氮的氧化作用，進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行紫外-可見光譜掃描，結果如圖 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(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，破壞了微生物細胞結構，使蛋白質和核酸等物質釋放到污泥水相中。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· ,進一步破壞了污泥中微生物細胞結構，使更多的蛋白質和核酸等物質釋放到污泥水相中。
2.6 污泥比阻的反應動力學分析
對未曝氣處理和曝氣處理的污泥比阻隨輻照時間變化的數(shù)據(jù)采用一級反應動力學進行擬合，結果如表 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間之間具有較高的相關性，說明污泥比阻的變化服從一級反應動力學方程。曝氣組污泥的反應速率常數(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，加強了對污泥組分的氧化作用。具體參見http://www.northcarolinalenders.com更多相關技術文檔。
3 結論
(1)初始pH對γ輻照預處理污泥有重要的影響，在相同輻照劑量下，當pH為7左右時，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)過曝氣處理，能進一步提升污泥脫水性能。
(3)經(jīng)γ輻照處理后，污泥絮體和有機物被分解，微生物細胞結構被破壞，增加了污泥中可溶性有機組分和氨氮含量。
(4)γ輻照聯(lián)合曝氣預處理污泥，在改善污泥脫水性能的同時，能提高污泥資源化利用的可能性。
