污泥是在处理工业废水和生活污水过程中产生的固体悬浮物。随着社会的进步和工业的发展，工业废水和生活污水的排放量每年都在不断地增加，剩余污泥的产量也随之提升。2010 年环境状况公报显示，全国各类废水排放总量为617.3亿t〔1〕，产生的湿污泥总量约为2 660万t〔2〕。工业废水和生活污水处理过程中产生的污泥不仅含水率高、体积庞大，而且含有有机物、重金属以及致病微生物等有毒有害物质，若处置不当很容易对生态环境和人体健康造成危害〔3, 4〕。目前，对污泥处置的目标是实现减量、稳定、无害以及资源化。污泥处理处置过程中的减量过程是污泥处理工艺中的重要环节，不仅决定了污泥处理的成本，而且决定了污泥具体的处理方式和最终去向。为减小污泥体积，便于运输和后处理，常采用预处理方法，改变污泥组分和性质，提高其脱水性能。
近年来，许多污水处理厂采用投加聚合氯化铝(PAC)、聚丙烯酰胺(PAM)等絮凝剂的方法对污泥进行预处理〔5〕，但投加絮凝剂通常会造成二次污染且有一定毒性。γ辐照技术作为一种高级氧化技术，因具有适用范围广、反应速度快、不产生二次污染等特点，受到人们的广泛关注〔6, 7, 8, 9〕。本研究采用60Co γ射线辐照预处理城市污水处理厂剩余污泥，通过污泥比阻、SCOD、氨氮以及紫外-可见光谱的变化，研究了辐照剂量、污泥pH以及曝气处理对污泥脱水性能的影响，并对其变化的原因进行了探讨。
1 实验材料与方法
1.1 仪器与试剂
仪器：5B-3C 型COD快速测定仪、5B-6D型氨氮快速测定仪，兰州连华环保科技有限公司;UV-2550紫外分光光度仪，日本岛津;pHS-3C 型pH计，上海仪电科学仪器股份有限公司;TDL80-2B离心机，上海安亭科学仪器厂;FA1004B电子天平，上海佑科仪器仪表有限公司;DZF-6201型真空干燥箱，上海精宏实验设备有限公司;UP-10A超纯水机，南京前沿仪器设备有限公司。
试剂：实验所用试剂均为分析纯。
1.2 污泥来源及辐照处理
实验所用污泥样品为南京江心洲污水处理厂的剩余污泥，用量为100 mL/次。污泥含水率约为85%,pH为6.68,污泥(原泥)比阻为5.864×1011 m/kg,属不易脱水污泥〔10〕。γ射线源为南京航空航天大学辐照中心的60Co放射源，活度为1.48×1016 Bq,剂量率为0.75 kGy/h。
1.3 实验方法
1.3.1 pH影响实验
取10组污泥样品，用1 mol/L的H2SO4溶液与10 g/L的NaOH溶液调节其pH分别为2.10、2.95、4.08、4.97、5.96、7.05、8.08、8.98、9.97、10.97,另取1组保持原始pH.分别取样100 mL密封于样品瓶中，恒定辐照剂量为7.5 kGy,辐照时长为10 h,考察pH对污泥脱水性能的影响。所有操作均在室温下进行。
1.3.2 不同辐照剂量和曝气处理影响实验
调制污泥pH为一定值，将污泥分为2组，一组进行辐照处理，另一组进行12 h曝气处理后再进行辐照处理。分别取样100 mL于样品瓶中，各建立空白组和不同辐照剂量组，考察辐照剂量和曝气处理对污泥脱水性能的影响。辐照剂量分别为1.5、3.0、4.5、6.0、7.5 kGy,对应的辐照时长分别为2、4、6、8、10 h.所有操作均在室温下进行。
1.4 分析指标和分析方法
采用pH计测量样品的pH.将污泥样品于 3 500 r/min下离心30 min,取其上清液分别用COD快速测定仪、氨氮快速测定仪和紫外分光光度仪进行SCOD、氨氮和紫外-可见光谱的测定。表征污泥脱水性能的综合性指标主要是污泥比阻，污泥比阻代表单位质量的污泥在一定压力下过滤时在单位过滤面积上的阻力。污泥比阻越小，表明污泥脱水性能越好。污泥比阻的测量采用定压过滤的方法。在定压过滤时，过滤时间(t)/滤液体积(V)与滤液体积(V)成线性关系。污泥比阻(r)测定方程〔10〕：
式中：r——污泥比阻，m/kg;
P——过滤压力，N/m2;
A——过滤面积，m2;
μ——滤液黏度，N·g/m2;
c——单位体积的滤液在过滤介质上截留的干 固体质量，kg/m3;
b——直线t/V～V的斜率。
2 结果与讨论
2.1 γ辐照处理中pH对污泥脱水性能的影响
γ辐照处理中pH对污泥脱水性能的影响如图 1所示。
图 1 γ辐照处理中pH对污泥脱水性能的影响
由图 1可知，在相同的辐照剂量下，初始pH对污泥的脱水性能有重要影响。在酸性条件下，随着pH的升高，污泥比阻逐渐降低，污泥脱水性能随之改善;在碱性条件下，随着pH的升高，污泥比阻逐渐升高，污泥脱水性能随之变差。当pH为7左右时，经辐照处理的污泥比阻最低，污泥脱水性能最佳。
2.2 辐照剂量和曝气处理对污泥脱水性能的影响
在污泥pH为7.08的条件下，考察了辐照剂量和曝气处理对污泥脱水性能的影响，结果见图 2。
图 2 γ辐照剂量和曝气处理对污泥脱水性能的影响
由图 2可知，随着辐照剂量的增大，污泥比阻逐渐变小，污泥脱水性能随之改善。单纯辐照条件下，当辐照剂量为7.5 kGy时，污泥比阻为4.485×1011 m/kg,较污泥初始比阻下降23.5%,表明污泥脱水性能得到显着改善。污泥经辐照处理后，其生物和理化特性发生了改变。γ射线与污泥中的水分子作用可产生活性自由基，其可破坏污泥絮体，使污泥固相中大分子物质分解，并且由于γ射线的直接作用导致污泥中微生物死亡，释放出内部结合水，从而改善了污泥脱水性能。
由图 2还可以看出，相同辐照剂量下，曝气处理的污泥比阻要小于未曝气处理的污泥比阻，说明γ辐照联合曝气预处理污泥能进一步改善污泥的脱水性能。其原因可能是通过曝气处理，增加了污泥中的含氧量，氧气联合辐照作用，可加强对中间产物的氧化作用。污泥水相中的溶解氧能迅速与辐照过程中产生的H·和eaq-作用，发生如下反应〔11〕：
生成的O2- 和HO2· 会进一步和污泥组分发生反应，从而提高了污泥脱水性能。而在未辐照处理条件下，曝气处理的污泥比阻明显高于未曝气处理的污泥比阻(原始污泥),说明仅进行曝气处理，会使污泥脱水性能恶化。这可能是由于曝气处理一方面起到搅拌均质的作用，使泥水充分混合，另一方面能为污泥供氧，而含有过量氧的污泥会发生自氧化，使泥质变得松散，其最终的结果是污泥脱水性能变差。
2.3 辐照剂量对SCOD的影响
取曝气组和未曝气组不同辐照剂量下的污泥上清液测定其SCOD,结果如图 3所示。
图 3 辐照剂量对SCOD的影响
由图 3可知，污泥SCOD随辐照剂量的增加而增加，曝气组污泥原始SCOD为60 mg/L,经7.5 kGy辐照后，污泥SCOD增至837.5 mg/L;未曝气组污泥原始SCOD为50 mg/L,经7.5 kGy辐照后，污泥SCOD增至987.5 mg/L.污泥SCOD升高可能是由于γ射线与污泥中水分子作用生成的活性自由基(H2O→HO·+H·+eaq-)与污泥组分作用，使有机物被分解，微生物细胞结构被破坏，大量可溶性有机物溶解于污泥水相中，而且辐照剂量越大，组分分解越多。未进行辐照处理的空白组中，由于好氧微生物的存在，曝气处理使污泥SCOD有所升高。在相同辐照剂量下，曝气组污泥SCOD低于未曝气组污泥SCOD,可能是由于辐照处理前的曝气过程中，污泥中微生物的代谢降解了部分溶解性有机物;此外，经曝气后污泥中氧含量增加，氧气联合辐照作用，加强了对溶解性有机物的氧化作用，进一步降低了污泥水相中溶解性有机物的含量。
2.4 辐照剂量对氨氮的影响
取曝气组和未曝气组不同辐照剂量下的污泥上清液测定其氨氮含量，结果如图 4所示。
图 4 辐照剂量对氨氮的影响
由图 4可知，氨氮含量的变化趋势与污泥SCOD的变化趋势一致，随辐照剂量的增加而增加。未曝气组污泥原始氨氮为42.8 mg/L,经7.5 kGy辐照后，污泥氨氮增至335.2 mg/L;曝气组污泥原始氨氮为26.2 mg/L,经7.5 kGy辐照后，增至139.1 mg/L.污泥氨氮含量增大是由于γ射线与污泥中水分子作用生成的活性自由基与污泥组分作用，将污泥中含氮化合物分解成氨氮溶解于污泥水相中，辐照剂量越大，含氮化合物分解越多，污泥氨氮含量越高。在相同辐照剂量下，曝气组污泥氨氮含量低于未曝气组污泥氨氮含量，可能是由于辐照处理前的曝气过程中，污泥中微生物的代谢降解了部分氨氮;此外，经曝气后污泥中含氧量增加，氧气联合辐照作用，加强了对氨氮的氧化作用，进一步降低了污泥水相中氨氮含量。
2.5 UV-vis光谱分析
取曝气组和未曝气组污泥不同辐照剂量下的上清液进行紫外-可见光谱扫描，结果如图 5所示。
图 5 不同辐照剂量下污泥上清液的紫外-可见光谱
由图 5可知，与未辐照污泥样品(0 kGy)相比，各辐照剂量下的污泥上清液在250～300 nm范围内均出现新的吸收带，由于此范围内蛋白质(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)具有较强烈的吸收，因此可以推断，在辐照处理中，γ射线与污泥微生物发生作用，破坏了微生物细胞结构，使蛋白质和核酸等物质释放到污泥水相中。随着辐照剂量的增加，污泥上清液的吸光度增大。对比图 5(a)与图 5(b)可知，在250～300 nm范围内，曝气组污泥上清液的吸光度大于未曝气组污泥，这是由于曝气增加了污泥中的氧含量，在辐照处理中产生O2- 和HO2· ,进一步破坏了污泥中微生物细胞结构，使更多的蛋白质和核酸等物质释放到污泥水相中。
2.6 污泥比阻的反应动力学分析
对未曝气处理和曝气处理的污泥比阻随辐照时间变化的数据采用一级反应动力学进行拟合，结果如表 1所示。
由表 1可知，未曝气处理和曝气处理的污泥经辐照后，其污泥比阻与辐照时间之间具有较高的相关性，说明污泥比阻的变化服从一级反应动力学方程。曝气组污泥的反应速率常数大于未曝气组污泥，这是由于曝气处理后，污泥中的氧含量增加，氧气联合辐照作用，加强了对污泥组分的氧化作用。。
3 结论
(1)初始pH对γ辐照预处理污泥有重要的影响，在相同辐照剂量下，当pH为7左右时，污泥比阻最低，污泥脱水性能最佳。
(2)未曝气组和曝气组不同辐照剂量下污泥比阻的变化表明：随着辐照剂量的增大，污泥比阻降低，污泥脱水性能随之改善;经过曝气处理，能进一步提升污泥脱水性能。
(3)经γ辐照处理后，污泥絮体和有机物被分解，微生物细胞结构被破坏，增加了污泥中可溶性有机组分和氨氮含量。
(4)γ辐照联合曝气预处理污泥，在改善污泥脱水性能的同时，能提高污泥资源化利用的可能性。
