剩余污泥破解是污泥减量化和资源化的重要手段之一, 可作为污泥厌氧消化的预处理手段, 提高污泥厌氧消化处理的效率^[1].目前常见的剩余污泥破解方法有超声空化、搅拌球磨、喷射撞击、热解处理等^[2-3].

爆炸能够在短时间内产生强烈的冲击波、气泡脉动、部分空化等一系列物理化学效应^[4], 冲击波对细菌有灭活作用^[5], 高温和氧化剂对有机大分子有降解作用^[6]; 同时, 高含水率(98 %以上)的剩余污泥是流动态液体, 所含的菌胶团是大量细菌单体由细胞外聚合物粘连而成的松散状絮状物, 在一定的作用力下即可被破坏^[7], 因此爆炸可能是一种有效的剩余污泥破解方法.

Chen等采用爆炸法处理剩余污泥, 表明爆炸冲击波破解了菌胶团, 并释放出其中的结晶水, 从而提高了污泥的脱水效果^[8].刘越等研究了蒸汽爆破对脱水污泥溶解性和厌氧消化性能的影响, 表明1MPa条件下, 汽爆污泥液相中, 可溶性糖等指标的浓度较原污泥均有较大提高, 厌氧消化产气产甲烷同样增幅明显, 并且压强升高可进一步改善污泥的溶解性和厌氧消化性能^[9].然而, 对于多条件下爆炸破解剩余污泥的详细破解效果, 却鲜见文献报道.

为探索爆炸冲击波对剩余污泥的破解效果, 以化学需氧量(chemical oxygen demand, COD)、肽聚糖和蛋白质及污泥粒径分布(中位粒径, D50)为评价指标, 研究不同炸药种类、装药量以及污泥质量浓度(mixed liquid suspended solids, MLSS)对破解效果的影响, 其结论可为后续的剩余污泥爆炸破解研究提供参考.

研究所用的剩余污泥取自沈阳市沈水湾污水处理厂污泥脱水车间, 污泥中位粒径(D50)为71.34 μm.本研究采用MLSS来表征污泥浓度.实验时根据需要配置成不同质量浓度的混合液(20, 30, 40, 50 g·L^-1).实验使用RDX和TNT两种炸药, 通过专用压药机(SHP33-30, 合肥海德数控液压设备有限公司)将炸药粉末压制成10 g与70 g两种规格的药柱.

研究用爆炸装置由某大学爆炸试验场提供, 其示意图如图 1所示.爆炸容器高为1 m, 直径为1.2 m.容器中心悬挂体积为2 L的液态污泥, 污泥袋中部放入炸药及引爆装置.

图 1(Fig. 1)

图 1 爆炸实验装置 Fig.1 Device of the explosion experiment

实验时首先在不同装药量(10, 70 g)下, 采用TNT和RDX对20 g·L^-1的污泥进行爆炸破解, 考察不同炸药种类及装药量下污泥破解的效果; 然后在同一装药量(70 g)下, 采用TNT和RDX对不同质量浓度的污泥(20, 30, 40, 50 g·L^-1)进行爆炸破解, 考察不同炸药种类及MLSS时污泥破解的效果.爆炸破解之后, 测量破解液中的COD、肽聚糖、蛋白质及污泥粒径分布, 用以综合评价破解效果.为消除炸药本身爆炸对测量的影响, 进行了不同装药量(10, 70 g)的TNT和RDX爆炸空白实验.

COD的测定采用重铬酸钾法^[10]、肽聚糖采用D-葡萄糖胺测定法^[11]、蛋白质采用福林酚试剂法^[12].测定处理前后污泥中各浓度指标(COD、肽聚糖、蛋白质)的值之后, 可以得到各指标处理后的值相对于其处理前的值的增长率.对于破解前后的污泥粒径分布, 采用激光粒度分析仪(Bettersize 2000, 丹东百特科技有限公司)测定.

针对20 g·L^-1的剩余污泥, 在不同的RDX和TNT装药量下, 进行对比实验, COD、肽聚糖和蛋白质的结果如表 1所示.

表 1(Table 1)

表 1 炸药种类及装药量对破解的影响 Table 1 Influence of explosive type and dosage on disintegration 装药量 ρ(COD)/(mg·L-1)及其增长率/% ρ(肽聚糖)/(mg·L-1)及其增长率/% ρ(蛋白质)/(mg·L-1)及其增长率/% g RDX TNT RDX TNT RDX TNT 0 2 218 — 2 218 — 11.7 — 11.7 — 557 — 557 — 10 5 932 167.4 2 885 30.1 25 113.7 19 62.4 782 40.4 638 14.5 70 9 536 329.9 4 520 103.8 32 173.5 28 139.3 1 071 92.3 856 53.7

表 1 炸药种类及装药量对破解的影响 Table 1 Influence of explosive type and dosage on disintegration

由表 1可以看出, 经RDX破解后, COD浓度的变化最为显著, 而相同装药量的TNT破解后, COD浓度只有RDX破解后的50 %左右.这是因为, 本研究中RDX和TNT的压药密度分别为1 780, 1 530 kg·m^-3, , 此时两者的爆热分别为6 318, 4 573 kJ·kg^-1, 所以RDX爆炸时释放的能量比TNT更多, 对污泥中的菌胶团和细菌的冲击力更强, 溶出物的COD也就更高.两种炸药破解后, 肽聚糖和蛋白质浓度的变化较为接近.

污泥粒径是反映破解效果的直观指标.图 2给出了RDX和TNT分别在10 g和70 g装药量下, 破解前后的污泥粒径分布情况.由图 2可以看出, 10 g RDX爆炸破解后, D50达到32.448 μm, 70 g破解后, D50为24.382 μm; 10 g TNT破解后, D50达到39.693 μm, 而70 g破解后, D50为23.792 μm.相比较来说, 装药量越大, 则爆炸冲击波的能量越大, 从而冲击力也就越大, 破解污泥中的菌胶团的破解效果越明显; 而在相同装药量下, RDX与TNT破解后的中位粒径相差不大.

图 2(Fig. 2)

图 2 破解处理前后的粒径分布 Fig.2 Particle size distribution before and after disintegration

一般球菌直径在0.5~1 μm之间, 而杆菌一般长1~3 μm、宽0.5~1 μm^[13], 污泥原样中粒径小于5 μm的体积分数不足0.5 %.10 g RDX与10 g TNT爆炸破解之后, 破解液中粒径小于5 μm的体积分数分别达到2.94 %和1.06 %, 可以推测, 破解单个菌体的效率RDX相对较高, 而TNT的破解效率相对较差; 70 g RDX与70 g TNT爆炸破解之后, 破解液中粒径小于5 μm的体积分数分别达到8.64 %和7.15 %, 说明装药量的提高带来的冲击波能量加强, 对于单个菌体破解效率的提高所起作用不大.

使用70 g的RDX药柱, 对MLSS分别为20, 30, 40, 50 g·L^-1的剩余污泥进行破解, 破解前后COD、肽聚糖和蛋白质的浓度及增长率如图 3所示.

图 3(Fig. 3)

图 3 RDX(70 g)对不同MLSS污泥的破解效果 Fig.3 Disintegration effect of RDX (70 g) on sludge with different MLSS (a)—COD; (b)—肽聚糖; (c)—蛋白质.

由图 3a可以看出, 破解后COD的浓度随MLSS的增加而增大.MLSS质量浓度为20~50 g·L^-1的剩余污泥中, COD质量浓度分别为2 210, 3 316, 4 422, 5 527 mg·L^-1, 经70 g RDX爆炸破解之后, 破解液中COD质量浓度依次达到9 410, 15 917, 23 437, 27 635 mg·L^-1.但从增长率来看, MLSS质量浓度为50 g·L^-1的剩余污泥破解后, COD增长了400 %, 而40 g/L的破解液中可以达到430 %.图 3b和图 3c中肽聚糖和蛋白质展现出与COD类似的趋势.

浓度检测指标增长率呈现先升后降的趋势, 其原因可能是, 当MLSS较低时, 污泥中菌胶团的尺度比较小、且比较分散, 因此对爆炸冲击波能量的吸收效率不高, 细胞破碎和胞内物质的释放效率较低; 而当MLSS较高时, 较大尺度的菌胶团可能会被爆炸冲击波瞬间打散成微菌胶团和细菌单体, 并且冲击的能量不足以继续促使细胞破碎和胞内物质释放, 导致污泥破解效率的增加程度放缓.此外, 爆炸能产生瞬时高温高压的爆轰气体, 其冲击波不仅能破解污泥中的微生物, 同时在污泥混合液中还能产生较强的空化气泡^[14], 空化气泡的产生数目、破灭时释放的能量的传递与吸收情况, 很可能会受到污泥中固液两相比例(与MLSS直接相关)的影响, 如此, 便可能存在一个合适的MLSS质量浓度范围, 使得爆炸产生的空化气泡数量较多、且破灭释放的能量被菌胶团和细菌吸收较充分, 从而表现出优于过高或过低MLSS质量浓度的破解效果.

图 4为70 g RDX爆炸破解不同MLSS质量浓度的剩余污泥后的粒径分布情况.由图 4可以看出, 20~50 g·L^-1的破解液中, D50分别达到22.854, 20.473, 27.927, 25.165 μm, 相差不大均值约24 μm, MLSS的变化对其影响不大.

图 4(Fig. 4)

图 4 RDX(70 g)破解不同MLSS污泥的粒径分布 Fig.4 Particle size distribution of different MLSS sludge disintegraed by RDX(70 g)

使用70 g的TNT药柱, 对MLSS质量浓度分别为20, 30, 40, 50 g·L^-1的剩余污泥进行破解, 破解前后COD、肽聚糖和蛋白质的质量浓度及增长率如图 5所示.

图 5(Fig. 5)

图 5 TNT(70 g)对不同MLSS污泥的破解效果 Fig.5 Disintegration effect of TNT(70g) on different MLSS sludge (a)—COD; (b)—肽聚糖; (c)—蛋白质.

由图 5a可以看出, 40 g·L^-1之前, 破解后COD的质量浓度随着MLSS质量浓度的增大而增加, 在40 g·L^-1的破解液中, COD的增长率为230 %, 而50 g·L^-1中陡降至150 %, COD的破解效率明显降低, 可能是达到了70 g TNT炸药破解极限的缘故.由图 5b可以看出, 在不同MLSS质量浓度的破解液中, 肽聚糖质量浓度分别为17.6, 28.5, 50.4, 66.5 mg·L^-1, 呈增长趋势; 但肽聚糖的增长率在MLSS质量浓度为20~40 g·L^-1时增长较快, 而在50 g·L^-1时并没有下降, 而是继续有小幅增长, 说明MLSS质量浓度增加到50 g·L^-1时, 被破解的细胞比率仍在上升.由图 5c可以看出, 随着MLSS质量浓度的升高, 破解液中蛋白质质量浓度呈上升趋势, 但增长率先升后降, 与COD的变化趋势类似.

图 6为70 g TNT爆炸破解不同MLSS质量浓度的污泥后的粒径分布情况, 20~50 g·L^-1的破解液中, D50分别达到20.473, 24.054, 23.161, 27.041 μm, 相差不大，均值约24 μm.70 g TNT爆炸破解20~50 g·L^-1的污泥之后, 污泥破解液中污泥颗粒小于5 μm的体积分数分别达到7.15 %, 6.39 %, 6.35 %, 5.28 %.从粒径分析可以看出, TNT和RDX对不同浓度的剩余污泥液破解效果比较接近.

图 6(Fig. 6)

图 6 TNT(70 g)破解不同MLSS污泥的粒径分布 Fig.6 Particle size distribution of different MLSS sludge disintegraed by TNT(70 g)

1) 无论是TNT还是RDX, 其爆炸冲击波对剩余污泥均具有明显破解效果.在同一MLSS质量浓度下, 装药量越大, 破解效果越好, 破解液中COD、蛋白质、肽聚糖质量浓度均明显增长, 污泥中位粒径明显下降.就COD和蛋白质的结果来看, 10 g RDX的破解效果与70 g TNT的破解效果相近.

2) 在相同装药量(70 g)的条件下, 随着污泥MLSS质量浓度的增加, 破解液中的COD, 肽聚糖和蛋白质都随之增多, 但是从增长率来看, 爆炸冲击波的破解效果不会随着MLSS的增加而线性增加, 多数情况下, 在40 g·L^-1时达到最高点后呈下降趋势.根据中位粒径的数据可以看出, 在同一装药量(70 g)下, 无论是RDX还是TNT, 爆炸冲击波只能把中位粒径从71 μm左右减小到24 μm左右.所以装药量对粒径存在一定影响, 而MLSS对粒径的影响不大.