饮用水处理污泥再利用中天然有机物的去除： 溶解有机物的作用外文翻译资料

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题 目 饮用水处理污泥再利用中天然有机物的去除

饮用水处理污泥再利用中天然有机物的去除：

溶解有机物的作用

Zhiwei Zhou, Yanling Yang , Xing Li, Siyang Ji, Hao Zhang, Shuai Wang, Qingping Zeng, Xinghang Han

摘要：为了阐明饮用水处理污泥（DWTS）中溶解的有机物在去除DWTS再利用过程中的天然有机物（NOM）的作用，用25 KHz的频率在不同特定的能量下溶解有机物以调查。通过对DWTS在声处理中是否添加溶解有机物对再利用中天然有机物去除的凝聚性能进行评估，在凝结水中有机物分馏的效果已经确定。此研究结果可以在设计DWTS再循环进程中提供有用的启示以避免有机物的富集。我们的研究结果表明通过可溶性化学需氧量（SCOD）和蛋白质的低释放，DWTS会被破坏，这将使在37.87-1212.1KWh/kg TS特定能量下凝结水水质恶化。通过在151.5KWh/kg TS特定能量下不添加溶解性有机物对进行声处理的DWTS再循环，获得NOM去除的最佳凝聚性能。将进行声处理的DWTS再循环可以增加弱疏水性有机酸、亲水物质以及lt;3 kDa的小部分的潜在富集，这个富集风险可以通过排出溶解性有机物减小。荧光特性分析表明：当不添加溶解性有机物时再循环声处理后的DWTS时，类腐殖质物质的去除被限制了，而类蛋白质物质的去除增加了，同时降低了类蛋白质物质的潜在富集。

关键词：凝结、饮用水处理污泥、潜在富集、天然有机物、有机溶解、循环利用、超声

1.引言

饮用水处理污泥（DWTS）是水处理厂产生的副产物，主要由无定型的Fe/Al氢氧化物组成，通常在絮凝-沉淀或浮选法过程中产生，因为使用了以Fe、Al为基本成分的絮凝剂。水处理的残渣的主要成分是滤池反冲洗水内的DWTS和固体。Okuda等[1]在报道中声称全球生产的固体残渣可达10000吨每天，其中欧洲国家包括爱尔兰、德国、荷兰、英国和葡萄牙占了10.38%，美国和中国台湾分别占了72.6%和0.003%[2]。增加的水处理废弃物的产生加上处理方法的环境限制，导致其再利用的研究增加，这是实现总废弃物减少和再利用的重要途径。在提高凝固时对磁种、微砂、硅藻土和再利用的DWTS的作用有普遍的认识。在对饮用水、再生水及景观水的处理中磁种及微砂协助絮凝已经被广泛接受到可选择的技术中以加强分离[3-8]。但是，由于再利用的DWTS内复杂成分的潜在的副作用，饮用水处理中再利用的DWTS的应用受到一定限制。再循环过程中影响水体质量的主要争论点位于来自DWTS细胞内外有机物的释放[9]；因此，有效的有机物的溶解是DWTS循环过程的关键。

已经研究出几种污泥溶解的方法，包括热力学的、化学的、声-机械解体以及化学与声-机械学方法的组合[10-15]。超声可以引起一系列浓缩和稀疏的周期，这也形成了气泡。成千上万的气泡内爆使周围的温度高达5000℃，压力达至100MPa，且产生自由基，例如OH、HO₂和O[16]。高机械剪切力、自由基的反应以及电子的热击穿的协同作用可以导致有机物溶解、微生物细胞的损坏以及有毒化合物的氧化[16]。

在先前的研究里[9，17]，我们已经提出将超声作为再利用DWTS凝结过程的预处理。我们观察发现超声可以有效地溶解细胞内外的有机物，而此也通过可溶解化学需氧量（SCOD）、蛋白质、多糖的释放以及类腐殖质、类蛋白物质荧光强度的增强被证实。同时，我们发现相比于不添加可溶有机物，加入含有有机物且超声处理的DWTS后凝结水的水质恶化。我们假定溶解性有机物对DWTS循环过程的凝结性能有不利的影响。但是，根据Liu等[18]报告表明：胞外聚合物（EPS），其主要含有糖类、蛋白质及腐殖质物质，且由于其与生物絮凝剂有相同的性能故其能在污泥聚合过程中扮演关键的角色。研究人员指出松弛结合的EPS总是在污泥聚合中表现积极的效果，正如负作用能量所表明的那样。此外，Yuan等[19]假定EPS中巨大芽胞杆菌TF10分泌的多糖表现出高的絮凝能力，然而蛋白质没有絮凝能力，这与Takeda等[20]的发现冲突，其表明从EPS的诺卡氏菌中提取的蛋白质确实具有絮凝能力。此外，Wen等[21]发现添加Al³ 可以以增加单剂量来改善絮凝及促使活性污泥法中浊度的去除，但其会破坏活性污泥的沉降。就我们所了解的，来源于DWTS的胞内外有机物的在DWTS絮凝性能上的效果尚未被研究，且其在DWTS循环过程中对天然有机物（NOM）去除的效果尚未清楚。

另一方面，我们先前的研究结果[9]在波长为245nm（UV254）演示了凝结水中残余的溶解性有机碳（DOC）以及残余的UV，不管使用多少超声剂量，不添加溶解性有机物的循环DWTS的发生率要低于添加溶解性有机物的。但是，这些参数不能深刻解释NOM的作用及分布。普通的NOM性能有分子量分布（MW）、疏水性及荧光性[22]。通常，低分子量的NOM更亲水且生物不稳定，而高分子量的NOM更芬芳且疏水，有高的吸附能力[23]。在饮用水处理的传统凝结步骤中，NOM中亲水的、低分子量（LMV）的、类蛋白混合物似乎比那些疏水的、高分子量（HMV）的、类腐殖质混合物更不易有效去除，而在凝结步骤之后，低分子量的、亲水的、类蛋白的NOM在残余的有机物中更占优势[22-24]。在我们先前对FBWW的回收利用以增强两个低浊度水源水凝结的研究中[25]，我们观察到回收利用的FBMM内的高有机物浓度及增加的低MW分数并没有增强UV254以及DOC的去除。考虑到回收利用主要由絮凝产生，疏水性的酸可以被进一步排除。弱疏水性酸和亲水部分的去除可以通过回收利用主要由电荷中和形成的微粒来增强。此外，回收利用FBWW可以有效改善类腐殖物质的去除速率，但类蛋白物质则对去除产生抵抗。

当前，几乎没有对DWTS循环过程中NOM去除性能的研究，且对凝结水中有机物去除的效果也需要进一步研究。在此研究中，为了阐明DWTS循环过程中NOM去除中溶解性有机物的作用，在25kHz下进行了一个调查来溶解胞内外有机物。在循环过程中是否溶解有机物的凝结性能尤其是NOM的去除，通过UV250和DOC的去除被评估。XAD-4、-8树脂吸附、超滤、3D-EEM荧光光谱学被用来分馏NOM。

2.材料和方法

2.1.实验中使用的原水和DWTS

实验中使用的原DWTS样品从一水处理厂（中国，北京）收集，该厂日处理水1,500,000m³，且通过凝结、絮凝、沉降和砂滤过程处理原水。氧化铝与氯化铝被用来做为絮凝剂。含有明矾与三价铁的污泥放置在沉淀池中，并被排放至浓缩机。DWTS样品被立刻转移到实验室且在4℃储存。在每个实验之前，将污泥样品回温至室温。所有的实验在取样后的一星期内进行。如表1所示，原DWTS的性能如下所示：总固体量（TS）、挥发性悬浮固体颗粒（VSS）、总化学需氧量（TCOD）、原DWTS浓度，分别是1.10 plusmn; 0.12 g /L 、 0.26 plusmn; 0.03 g /L 、423.29 plusmn; 15.91 m g /L，SCOD和原DWTS上层清液中的蛋白质分别是15.36 plusmn; 1.71 mg /L 和

表1 原水和原DWTS主要物化特性

注意：SD为平均标准偏差；许多测量值（n）：温度与pH，n=5；TS、VSS、TCOD、sCOD、蛋白质，n=10。

4.75 plusmn; 0.84 m g /L。一个低的23.64%的VSS/TS表明主要的无机组成。原DWTS的SCOD/TCOD为3.63%，表明COD的一小部分与可溶相相联系。原和超声处理后DWTS上层清液的多糖不被考虑，因为其被检测到处于很低的水平。

从同一水处理厂收集的原水作为原DWTS样品。原水主要的物化性能如下所示（见表1）：pH为8.21 plusmn; 0.12、浊度为0.774 plusmn; 0.241 NTU、UV₂₅₄为0.039 plusmn; 0.009 cm^-1、DOC为6.003 plusmn; 1.212 mg/L。普通具体的UV吸光度计算为100*UV₂₅₄/DOC的浓度为0.75L/mg m，表明NOM通常富集在亲水和低分子量的成分，且通过传统的凝结方法很难清除[26]。

2.2.超声波降解法实验

一个在固定频率25kHz、标称输出功率1500W运行的调查用反应器被用来溶解来自DWTS的细胞内外有机物。100ml原DWTS样品放置在双层的、有套的玻璃容器中，通过100W到400W18mm直径的尖端输出能量，使其承受持续不断的超声照射，在20min的超声波降解下，与303.0-1212.1 kW h/kg TS的比能相一致。超声波降解的时间（分别为2.5，5，7.5，10和15min）也要顾及到1W/ml的能量密度，与37.87-303.1 kW h/kg TS的比能相一致。在每一次超声波降解实验中，都要将样品用磁力搅拌器在250rpm下混合。原DWTS体积保持在100ml不变，而温度和pH不受限制。比能（Es）定义为（Eq.（1））超声波（P）与时间（t）的积除以样品体积（V）与总固体量的初始浓度（TS_O）的积：

（1）

2.3.DWTS循环过程中是否添加溶解性有机物的凝结程序

凝结实验在装备着50mm（L）*40mm（W）矩形刀片叶轮的六联搅拌器上进行。同时进行一系列悬浮物体分离试验以确定絮凝剂（FeCl₃）的最佳剂量以及原DWTS的循环比。凝结絮凝程序如下所示：350rpm（G=449s^-1），0.5min；300rpm（G=367s^-1），1min，加入FeCl₃；120rpm（G=106s^-1），1min，加入再利用的DWTS（20-100ml，相当于2-10%循环比）；50rpm（G=33s^-1），15min，静置沉淀，20min。将收集静置后样品的上层清液，测量其浊度、UV₂₅₄吸光度和DOC。

另一系列悬浮物体分离试验旨在调查溶解性有机物的影响。当再利用并进行声处理的DWTS没有溶解性有机物时，原DWTS首先接触调查用反应器，在预先决定好的环境中收集超声过的DWTS，且留出24h的静置沉淀时间，之后将每个超声过后的DWTS的上层清液排出，并保持一定厚的DWTS作为固定因素（排出的上层清液和污泥与水混合物的体积比为0.6875）。随后，将相同体积的去离子水作为排出的上层清液加入到浓缩的DWTS中保

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