有机质和固含量对活化过硫酸盐调理污泥的作用效能研究

【摘要】：污泥作为污水处理过程的副产物,一方面由于含有各种有毒有害物质危害环境和人类健康,另一方面由于含水率高影响污泥后续处理处置和资源化利用,因此污泥调理与脱水是污水处理厂中对污泥管理的重要组成部分。本文通过Fe~(2+)活化过硫酸钠联合磷石膏(Fe~(2+)/SPS-PG)复合调理污泥,明晰有机质和固体含量对复合调理的最佳剂量、Fe~(2+)/SPS氧化作用和PG骨架构建体作用的影响,并进一步研究Fe~(2+)/SPS氧化对固相颗粒污泥和液相中胞外聚合物(EPS)的反应差异,解释自由基在固、液相中EPS的氧化降解差异和竞争。通过人工神经网络构建污泥调理预测模型,对比分析BP神经网络(Back Propagation Neural Network,BP)和自组织特征映射网络SOFM+BP网络模型预测污泥调理效果的能力。主要研究结果如下:(1)分别对有机物含量为34.6-43.8%、含固率为2.8-5.9%的系列污泥进行调理优化研究,表面响应法(RSM)优化实验结果表明,在最佳调理效果时,不同有机质污泥的污泥比阻降低率均在98%左右,不同含固率污泥的污泥比阻降低率均在97-98%左右,污泥脱水性能波动受固体含量的影响显著。Fe~(2+)/SPS的氧化作用和PG的骨架构建作用共同影响调理效果,其中高级氧化起主要作用。有机质含量(η_(SOL)为0.088-0.322)比固体含量(η_(SOL)为0.102-0.251)更能影响骨架构建体的有效性η_(SOL)。进一步研究发现,固体含量高的污泥需要较大Fe~(2+):SPS摩尔比,当固体含量为5.9 wt%,其Fe~(2+):SPS摩尔比最大为1.14。复合调理使EPS和紧密结合态EPS的最大降低率分别为85.18%和89.09%,蛋白质(PN)和多糖(PS)的最高降低率分别为90.03%和70.05%,污泥脱水性能得到显著提升。(2)通过Fe~(2+)活化SPS对污泥固、液相中有机物的降解实验发现,原泥滤液(RF)中PN、PS的最大降解率分别为89.5%和27.9%。颗粒污泥(GS)中PN和PS的降解动力学分为快速反应阶段和慢速反应阶段,其中第一阶段符合假一级降解过程。GS中PN、PS的最大降解率分别为90.1%和79.0%。进一步分析发现,RS中PN、PS的降解率和降解速率均小于GS;液相RF中PN降解速率大于固相GS,说明RS中原泥滤液的存在会消耗部分SO_4~-·,影响SO_4~-·对固相中EPS的降解。进一步计算发现,22.6%的SPS用于氧化液相RF中的有机物,说明液相中溶解性有机物的存在影响活化SPS对固相EPS的降解。对于氧化降解后,GS的溶液、氧化和固相中PN、PS的质量平衡,GS的固相(松散附着EPS+紧密黏附EPS,LB-EPS+TB-EPS)中PN降低率(86.7%)高于PS(73.0%),而溶液(黏液层EPS,S-EPS)中的PN降低率(61.1%)略低于PS(69.7%);固相中PN、PS的降低率高于溶液。(3)通过比较BP和SOFM+BP网络模型的预测值与实验值的相对误差值发现,污泥样品经过SOFM网络聚类后,样本数据间的误差减小,SOFM+BP网络模型预测的精确度更高。同时说明了在构建BP神经网络模型前,对不同性质的污泥进行聚类分析是非常必要的。基于S-P复合调理不同性质污泥,确定Fe~(2+)/SPS氧化与PG骨架构建体的作用效能,为不同性质污泥的复合调理策略的选择提供参考,构建SOFM+BP网络预测模型,为污泥调理效果的预测提供新思路,具有一定的理论指导意义。