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Radiation hysics and Chemistry 120 (2016) 49–55

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Radiation Physics and Chemistry

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采用gamma;射线及改性粉煤灰（CFA）联合处理方法提高污泥破解性能

Yulin Xiang a,n, Lipeng Wang b, Yurong Jiao a

a College of Chemistry and Chemical Engineering, Yulin University, Yulin 719000, Shaanxi Province, China

b Zhou Enlai School of Government, NanKai University, TianJin 300072, China

重点内容

• 研究了gamma;射线与改性CFA对剩余污泥的影响
• 联合处理可提高泥饼孔隙率
• 联合处理是一种有效的分解剩余污泥的方法

a r t i c l e i n f o

Article history:

Received 23 October 2015 Received in revised form 26 November 2015

Accepted 30 November 2015

Available online 2 December2015

关键词

污泥解体

剩余污泥

gamma;射线

改性粉煤灰

摘要

为了提高和加速剩余污泥的分解能力, 基于剩余污泥的物理化学性质，对gamma;射线照射和煤灰处理的单个和二者结合对剩余污泥解体性能的影响进行了研究。为了提高和加速剩余污泥的破解效率，根据剩余污泥的理化性质，研究了gamma;射线辐照和改性粉煤灰单独处理及联合处理对破解剩余污泥的影响。

通过UV /VIS光谱和SEM图像的手段检测剩余污泥成分的变化. 结果表明，在有粉煤灰的存在下，gamma;射线照射有效的提高了剩余污泥的分解性能。在所有照射污泥样品中出现了从250纳米到290纳米的新频带。SEM图像显示出经过综合处理的污泥，其细胞表面遭到破坏。随着改性CFA的剂量从0g/ml增加到0.2g/ml和辐照剂量从0kGy增加到10kGy，来自污泥上清液的可溶性碳水化合物和蛋白质明显增加，即从0kGy增加到10kGy。污泥SRF和滤波器泥饼含水量明显下降，且渗透过滤速度也变快。因此，通过gamma;射线照射和改性粉煤灰预处理是分解剩余污泥的是一种有效的方法。

1.简介

在污水处理过程中, 大量产生的剩余污泥已被列入有害物质（Low和Chase，1999）。 一旦控制系统失效，剩余污泥中的有害物质不仅会给人类带来环境污染，而且还会带来意外灾害（Wang等，2014）。剩余污泥的管理一直是一个世界性难题。 目前，对剩余污泥的厌氧、好氧消化处理已广泛应用于大、小型污水处理厂。 但在剩余污泥中难以降解的惰性生物材料，严重制约了污泥的消化率。

为了提高污泥消化率，加快惰性生物材料的分解，已有用电子束红外辐射(Jean et al., 2015), gamma;射线照射 (Chu et al., 2011), 机械粉碎 (Monika and Justyna, 2014), 超声波技术 (Sahinkaya and Sevimli, 2013), 和微波-辐射 (Tyagi and Lo, 2013) 等的研究。 最近，这些技术的组合工艺已经引起了很多学者的关注, 如微波-过氧化氢 (Wang et al., 2015), 超声波-酸 (Sahinkaya, 2015), 物理化学预处理方法 (Tyagi and Lo, 2011) 等。

因为可破坏有机污染物的结构、可令病原体失活。电子束辐射的预处理时间也相对较短 对于污泥和废水处理，gamma;射线和电子束照射已被公认为是一种有效的技术。(Chu et al., 2011; Wang and Wang, 2007).。据报道，该技术已被用来分解许多在活性污泥 (Kim et al., 2009) 和消毒废水中 (Tahri et al., 2010)难降解的物质.。粉煤灰（CFA） 产生于煤发电厂，是一种具有较高CaO、MgO、铝硅酸盐和硅酸盐含量的固体废物 。CFA可以作为改良污泥活性的稳定剂用于杀死病原体、降低重金属，, aCFA预处理后，污泥解体明显得到改进 (Xu et al., 2012). 目前尚没有关于使用gamma;射线辐照系统和将改性粉煤灰作为调调理剂用于提高污泥破解效率的研究报道。

为了提高剩余污泥的分解能力, 本实验研究gamma;射线辐射和改性CFA处理单个因素和联合因素对污泥分解能力的影响。其目的是通过化学分析方法，UV/VIS光谱和SEM图像监测剩余污泥的成分变化，获得更好的SCOD，可溶性蛋白，可溶性糖的过滤阻力渗透性能。

2.材料和方法

2.1材料的收集和准备

剩余污泥样品来自玉林的玉阳污水处理的二沉池。污泥样品的PH值为7.7-9.6。初始污泥样品的水分含量大约为981.5%。污泥解体前，将样品的PH用NAOH调节至11，样品的水分含量通过倒掉上清液或用超纯水稀释至99%（wt/wt)。含水量99%样品的总化学需氧量（TCOD）浓度约为7997 mg/L，而可溶性化学需氧量（SCOD）约67mg/L。

CFA来自于陕西大保当镇，中国化工原料CFA成分见本文表1.硝酸为CFA的阳离子改性剂。改性条件如下：硝酸浓度4 mol/L；CFA与硝酸浓度比例为 1:4，浸泡时间4 h；搅拌速度80转。过滤后，CFA在1005 ℃烘箱中干燥4 h，然后粉碎过筛（孔径100的网孔）得到了改性CFA。

2.2 实验步骤和过程

为了探讨改性CFA和gamma;-射线照射对剩余污泥性能的影响，进行以下三个实验：同时使用改性CFA /gamma;射线照射，单独使用gamma;射线照射和单独使用改性CFA。首先，将300ml备用剩余污泥放在一个500ml的玻璃瓶。加入预定量的改性CFA（0至0.4g/ml），搅拌至充分混合，用0-20kGy的钴60照射（速率70Gy/min）。样品在照射过程中360°旋转。最后，在用于分析前将样品水浴冷却至室温（约25°C）。

2.3.分析

将预处理污泥在0.04Mpa真空压力下用布氏漏斗过滤（直径9cm）。过滤能力取决于过滤比阻（SRF）。

其中SRF代表过滤比阻。代表滤液粘度，。代表单位体积滤液泥饼的重量。b代表滤液放电曲线的斜率curve,(t/V vs. V)，。A代表过滤面积。P代表过滤压力， Pa。（Chen etal.,2010)。在过滤过程中，为了确定泥饼的水分，产生的污泥饼在100℃下干燥，滤液用紫外线-可见光光度计测定（WFZUV-2100PC)。

COD和SCOD采用标准方法测定(APHA/AWWA/WEF,2005)。可溶性碳水化合物（SC）和可溶性蛋白质（SP）的测定分别通过苯酚硫酸法和Lowry法完成（Dubois et al., 1956),。为了比较不同方法下剩余污泥的解体性能，解体效率（DE）用下列公式计算。(Ganesh etal.,2013)。

其中代表初始剩余污泥的SCOD,mg/l；阿

代表处理后的剩余污泥的SCOD， mg/l；

代表初始剩余污泥的TOD，mg/l；

为了测定污泥沉降性能，将污泥样品放入100ml的容器内，在120min内，每10min测定一次上清液的体积。剩余污泥的处理前后结构的变化通过扫描型电子显微镜监测。菌落形成单位（CFU）—代表培养菌落的活性，在36℃下孵化48h，用牛肉膏蛋白胨琼脂平板计算。实验用水为超纯水。每种化学用品都为分析级试剂。为了最大限度减小系统误差，每次实验进行三次测量并取平均值作为结果。

1. 结果和讨论

3.1 污泥上清液UV/VIS光谱的演变

经gamma;射线照射和改性CFA处理后，对剩余污泥上清液进行UV/VIS光谱测量，结果见图1. 可以发现，在所有被辐射的样品中出现了一种250nm-290nm的新频带。这种结果同之前的研究的“污泥中胞外聚合物在gamma;射线照射下解体”这一现象相似(Xie et al., 2014) 。众所周知，核酸和蛋白质都是微生物的重要组成成分，纯核酸和蛋白质的吸收峰值处于260纳米至280纳米波长范围间，这反映了污泥细胞发生了解体。核酸和蛋白质释放到解体污泥中。由污泥上清液的UV/VIS光谱图可以推断出，gamma;射线照射可以破坏污泥絮凝体结构，并使其中的核酸，蛋白质等物质释放至上清液中，同时污泥细胞和絮凝体中将有更多的束缚水被释放出来。因此，剩余污泥的可生物降解性和脱水性能都将得到提升。此外，随着核酸和蛋白质的释放，在处理过程中可能会产生少量挥发性芳香族化合物，Lu的研究表明，CFA可优先吸收挥发性芳香族化合物，因此这种挥发性芳香族化合物将不会释放到大气中去(Lu et al., 2014) 。图1同时也说明了，吸收峰随着剂量的增加而增加，增长速率首先迅速从0kGy增至10kGy，而后缓慢的从10kGy增至20kGy。在同样的辐射条件下，随着CFA剂量从0增至0.35g/ml，吸收峰值先升高后降低。当改性CFA为0.2g/ml时，吸收峰值达到最大值（见图1）。吸收量和CFA剂量较高，会导致更高的成本以及更大的污泥体积。因此，吸收速率和改性CFA的剂量应分别规定为10kGy和0.2g/ml。

表 1

CFA原料的化学组成成分

组分 C SiO2 Al2O3 Fe2O3 TiO2 CaO MgO K2O Na2O SO3 含量（%） 3.42 44.85 27.72 12.72 1.06 3.08 0.97 1.21 0.46 0.48

图1. 不同剂量下的辐射污泥上清液UV/VIS光谱图（改性CFA剂量：a:0；b:0.05g/ml;c:0.2g/ml;d:0.35g/ml）.

3.2 不同处理方案下剩余污泥的解体性能

为了比较改性CFA和gamma;射线对剩余污泥解体性能的效用，进行一下三个实验：在gamma;射线吸收剂量分别为0，10和10kGy下，单独使用 改性CFA；单独使用伽马射线辐射；改性CFA/gamma;射线辐射共用处理。在加入CFA剂量分别为0.2，0和0.2g/ml下，单独使用改性CFA，单独使用伽马射线辐射，改性CFA/gamma;射线共用处理。

如图二所示，SCOD,DE,SP和SC的值随着时间延长而增长。在同样的处理时间下，使用gamma;射线和改性CFA处理的污泥解体效率最高，随之的是单独使用gamma;射线辐射，污泥解体效率最低的是单独使用改性CFA。当溶液被照射时，将产生·OH，·H，等中间体。这些自由基具有很高的反应活性，在分解污泥细胞以及灭活细菌中 起着重要的作用(Chu et al., 2011). 。在碱性条件下（污泥PH为11），自由基的作用效用更加显著（Xie et al., 2014) 。CFA是一种良好的污泥处理调节器。Chen et al. (2010) 指出，由于可以显著改善比表面积和吸收性能，经过酸/碱改性的CFA对污泥解体具有极好的调理作用。此外，虽然辐射的部分能量被改性CFA吸收，但酸改性的CFA可以被很好的激活(Wei et al., 2011) ,在污泥处理过程中可获得更明显的效率。因此，借助于改性CFA显著的吸收性能，在gamma;射线辐射下剩余污泥的解体性能将得到显著提升（Chen et al., 2010). 。

3.3. 污泥过滤脱水性能的变化

新鲜剩余污泥的SRF约为，其脱水性能极不乐观。为了提高污泥性能，

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