導(dǎo)讀:：堿預(yù)處理具有操作簡單、方便。采用剩余污泥開發(fā)碳源。以選取堿處理剩余污泥的最佳污泥濃度。并通過添加填料觀察填料對(duì)污泥水解產(chǎn)酸的影響。

關(guān)鍵詞：堿預(yù)處理，剩余污泥，污泥濃度，填料

我國城市污水處理廠主要采用生物法處理污水，目前采用生物法脫氮除磷主要遇到兩大難題。一是生物法處理污水過程中產(chǎn)生的大量剩余污泥處理和處置;二是運(yùn)行中的污水處理廠普遍存在碳源不足而造成脫氮除磷效率欠佳，而投加碳源又增加了污水廠的運(yùn)行成本。因此如何將這兩大難題有效解決成為了近幾年來國內(nèi)外學(xué)者的研究重點(diǎn)。

剩余污泥水解過程中產(chǎn)生的大量的揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)[1-4]，可作為化工原料用于發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)各種高附加值產(chǎn)品，也可為低C/N城市污水提供碳源。采用剩余污泥開發(fā)碳源，使得污泥在城市污水處理廠內(nèi)部進(jìn)行循環(huán)利用，不僅降低了因投加碳源造成的成本，而且能在一定程度上解決污泥的處置問題，實(shí)現(xiàn)污泥的資源化、穩(wěn)定化和減量化。但污泥很難僅通過微生物作用厭氧水解產(chǎn)酸，這是由于污泥細(xì)胞的細(xì)胞壁半剛性結(jié)構(gòu)，只有通過預(yù)處理手段[5-7]破壞細(xì)胞壁，才能使細(xì)胞內(nèi)大量溶解性有機(jī)質(zhì)釋放填料，提高污泥的水解速率，最終提高污泥的厭氧消化產(chǎn)酸的量。與其它預(yù)處理方法相比，堿預(yù)處理具有操作簡單、方便，處理效果好等優(yōu)點(diǎn)[8,9]。本研究采用堿預(yù)處理方法考察不同濃度的污泥對(duì)厭氧產(chǎn)酸效果的影響，以選取堿處理剩余污泥的最佳污泥濃度，并通過添加填料觀察填料對(duì)污泥水解產(chǎn)酸的影響，以期為低碳氮比城市污泥提供有效碳源并實(shí)現(xiàn)污泥的資源化利用。

1材料與方法

1.1底物污泥

試驗(yàn)用泥取自鄭州市五龍口污水處理廠的回流泵房和脫水機(jī)房。試驗(yàn)用泥每周取一次，取回的污泥在4℃下保存?zhèn)溆谩Ｃ撍畽C(jī)房取出的脫水污泥，在試驗(yàn)中根據(jù)試驗(yàn)需要用蒸餾水稀釋至所需濃度。

1.2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)共分兩個(gè)部分，一是污泥濃度對(duì)堿預(yù)處理剩余污泥水解產(chǎn)酸的影響;二是填料對(duì)堿預(yù)處理剩余污泥水解產(chǎn)酸的影響。

1.2.1污泥的堿預(yù)處理

用6mol/L的NaOH將污泥的pH調(diào)到12(±0.1)，并使其pH值在緩慢攪拌下穩(wěn)定5min，得到的污泥混合液在室溫下(25-30℃)保存20h以強(qiáng)化堿處理的效果。經(jīng)過20h預(yù)處理的剩余污泥，在反應(yīng)開始前再利用6mol/L的NaOH調(diào)節(jié)pH為10(±0.1)，劉曉玲[10]等研究發(fā)現(xiàn)pH為10的條件下，可顯著改善污泥預(yù)處理產(chǎn)酸效率，并能維持穩(wěn)定產(chǎn)酸量會(huì)計(jì)范文。在本試驗(yàn)主要研究污泥經(jīng)過堿預(yù)處理在反應(yīng)中不調(diào)節(jié)pH時(shí)的產(chǎn)酸情況。

1.2.2污泥濃度對(duì)污泥水解產(chǎn)酸的影響

試驗(yàn)裝置有效容積為2L，設(shè)有攪拌裝置攪拌速度為60-80r/min，溫控裝置控制溫度在32℃左右。通過對(duì)比不同污泥濃度，研究污泥濃度對(duì)剩余污泥水解產(chǎn)酸的影響。

表1 每組試驗(yàn)剩余泥的特征

Tab.1 Characters of waste activated sludgein each groups

1.2.3填料對(duì)污泥水解產(chǎn)酸的影響

試驗(yàn)裝置有效容積為12L，控制反應(yīng)器內(nèi)底物停留時(shí)間為4d，設(shè)有攪拌裝置攪拌速度為60-80r/min，溫控裝置控制溫度在32℃左右。通過對(duì)比無填料、球型填料及組合填料的產(chǎn)酸情況，研究填料對(duì)剩余污泥水解產(chǎn)酸的影響。由于反應(yīng)器底部設(shè)有攪拌裝置，填料采用懸掛的方式安裝在反應(yīng)器內(nèi)。

1.3分析方法

TCOD、SCOD采用重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)方法測定;pH值采用pHS-3C精密pH計(jì)(上海雷磁儀器廠)測定。TS、含水率采用重量法;VFAs采用蒸餾法。其中測量SCOD和VFAs由于SS含量較高標(biāo)在測量之前需要預(yù)處理填料，先在4000rpm離心20min之后用0.45μm的濾膜抽濾，處理后的水樣根據(jù)國標(biāo)法測定各項(xiàng)指標(biāo)。

2試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1無接種物的堿預(yù)處理剩余污泥水解產(chǎn)酸

為檢驗(yàn)堿預(yù)處理剩余污泥對(duì)污泥水解產(chǎn)酸的影響，本節(jié)試驗(yàn)選取TS為14g/L左右的污泥為底物污泥，詳見表1中第1組。剩余污泥在無任何接種物的情況下，直接進(jìn)行厭氧發(fā)酵，用未經(jīng)過堿預(yù)處理的剩余污泥作對(duì)照試驗(yàn)。此時(shí)反應(yīng)器內(nèi)溫度控制在32℃左右。從圖1中可以看出，經(jīng)過堿預(yù)處理的剩余污泥VFAs產(chǎn)量最大值為450mg/L要大于未經(jīng)堿預(yù)處理的剩余污泥產(chǎn)酸量的最大值118mg/L。該試驗(yàn)果表明剩余污泥在無任何接種物的情況下可成功實(shí)現(xiàn)厭氧水解產(chǎn)酸，而且無需經(jīng)過啟動(dòng)階段，不需要任何接種物，使得污泥水解產(chǎn)酸更加簡便。

圖1堿預(yù)處理剩余污泥對(duì)VFAs的影響

Fig.1 Influence of VFAs production by alkalipretreatment

堿預(yù)處理后的剩余污泥，可實(shí)現(xiàn)無接種物的污泥水解酸化，是由于堿預(yù)處理可破壞剩余污泥難溶的外部結(jié)構(gòu)，提高剩余污泥的水解程度。另pH的提高可抑制甲烷菌的活性，使得VFAs得到富集。

2.2污泥濃度對(duì)污泥水解產(chǎn)VFAs的影響

試驗(yàn)用泥采用脫水機(jī)房取出的脫水污泥根據(jù)需要配制成的泥水混合物以及從回流泵房取出的未經(jīng)脫水的剩余污泥，通過對(duì)比試驗(yàn)研究哪種濃度的污泥最適合成為本次試驗(yàn)條件下的水解產(chǎn)酸底物。圖2是不同濃度的污泥在厭氧水解產(chǎn)酸過程中VFAs產(chǎn)量的變化曲線。

圖2 各反應(yīng)器中VFAs隨時(shí)間的變化

Fig.2 Change of VFAs production with time

如圖2顯示，不同濃度的剩余污泥經(jīng)過堿預(yù)處理后，在水解反應(yīng)器中反應(yīng)一段時(shí)間內(nèi)隨時(shí)間的增大而增大，之后隨著時(shí)間波動(dòng)。每組反應(yīng)分別在第5d、3d、4d、6d、6d、12d時(shí)，VFAs的濃度達(dá)到最大值，分別為450.0mg/L、2820.0 mg/L、6900.0 mg/L、8160.0 mg/L、11460.0 mg/L、10520.0 mg/L。由此可見，污泥濃度對(duì)剩余污泥產(chǎn)酸有促進(jìn)作用，但污泥濃度過高時(shí)也會(huì)抑制水解反應(yīng)的進(jìn)行。在第6組試驗(yàn)中污泥濃度為216g/L，厭氧發(fā)酵呈現(xiàn)出抑制狀態(tài)，反應(yīng)進(jìn)行到第第12天產(chǎn)酸量才達(dá)到最大值10520mg/L并且小于第5組所達(dá)到的最大值。每組反應(yīng)后期填料，VFAs的含量隨時(shí)間的延長而減少。在第5組試驗(yàn)中此時(shí)污泥的含固率為14.8%要大于吳一平[11]試驗(yàn)中初沉污泥的最佳固體含量2.13%。

2.3選取最佳的污泥濃度

選取剩余污泥水解產(chǎn)酸的最佳污泥濃度，不僅僅要考慮污泥水解產(chǎn)酸的最大值，還要考慮污泥水解產(chǎn)酸達(dá)到最大值所需的時(shí)間及可分離出酸化液的量。由于剩余污泥SS含量較大，將水解產(chǎn)酸后的水解產(chǎn)物直接作為碳源投加入脫氮除磷體系中，勢必會(huì)影響出水中SS含量�？赏ㄟ^離心分離的方法，將富含VFAs的酸化液和未能分解的剩余污泥有機(jī)物或無機(jī)質(zhì)分離，得到可作為碳源利用的酸化液。

表2 每組試驗(yàn)污泥水解詳情

Tab.2Details for sludge hydrolysis by eachgroup test

從表2中可看出第3組試驗(yàn)中剩余污泥水解后可分離出每升酸化液含VFAs量最大，最大值為4096.9mg。此污泥濃度下達(dá)到最大值所需的時(shí)間為4d，雖然略長于第2組試驗(yàn)中的3d，但可分出單位酸化液所含VFAs的遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于第2組的最大含量1762.5mg會(huì)計(jì)。

綜合這三種因素，選定第3組試驗(yàn)中的污泥濃度即88-90mg/L為本試驗(yàn)中的最佳污泥濃度，并控制反應(yīng)器內(nèi)底物停留時(shí)間為4d。

2.4填料對(duì)污泥水解產(chǎn)VFAs的影響

剩余污泥在無任何接種物及外加營養(yǎng)物質(zhì)的條件下，直接進(jìn)行厭氧發(fā)酵能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的水解產(chǎn)生效果。圖3是添加不同填料及未添加填料情況下污泥水解產(chǎn)酸的變化曲線。從圖中可看出，添加填料的污泥水解產(chǎn)酸效果要明顯大于未添加填料時(shí)的產(chǎn)酸效果。該試驗(yàn)結(jié)果表明堿處理后的剩余污泥水解產(chǎn)酸是主要依靠生物反應(yīng)，與苑紅英[12]得到的結(jié)果一致。填料通過其特殊的物理結(jié)構(gòu)，具有較大的比表面積，能過提高污泥水解反應(yīng)器內(nèi)單位微生物含量，從而提高污泥水解產(chǎn)酸的效果。

在未放置填料的污泥水解產(chǎn)酸的量維持在4991mg/L左右低于在反應(yīng)瓶中得到的最大產(chǎn)量6900mg/L，這可能是由于在半連續(xù)運(yùn)行的狀態(tài)下，污泥水解產(chǎn)酸的效果受到每日進(jìn)泥排泥的沖擊，降低了反應(yīng)器內(nèi)單位水解產(chǎn)酸菌的量，最終導(dǎo)致在未放置填料的反應(yīng)器內(nèi)水解產(chǎn)酸量降低。

圖3填料對(duì)污泥水解產(chǎn)酸的影響

Fig.3 Change of VFAs production with filler

通過對(duì)比兩種填料的水解產(chǎn)酸的量的變化，組合填料平均水解產(chǎn)酸量在6879mg/L左右大于球形填料的平均產(chǎn)酸量5984mg/L�？芍M合填料更有利于污泥的水解產(chǎn)酸，組合填料中的纖維束結(jié)構(gòu)填料，利于污泥水解產(chǎn)酸菌的附著、生長和富集，降低了每日進(jìn)泥排泥對(duì)反應(yīng)器內(nèi)微生物的影響，最終提高了產(chǎn)酸量。

3結(jié)論

經(jīng)過堿預(yù)處理成功實(shí)現(xiàn)了在無接種物和外加營養(yǎng)物條件下污泥的厭氧水解產(chǎn)酸。堿預(yù)處理不但能夠從剩余污泥中篩選出水解產(chǎn)酸菌，還能抑制或殺死大部分的甲烷菌，而且可以破壞污泥中微生物細(xì)胞，將不溶性細(xì)胞物質(zhì)轉(zhuǎn)化為溶解性物質(zhì)。

(1)污泥濃度對(duì)產(chǎn)酸效果具有重要的影響。污泥濃度過低時(shí)(14g/L)，VFAs的產(chǎn)量較低并且得到最大值所需的時(shí)間也較長(需要5d);污泥濃度適中時(shí)(37-177g/L)，VFAs的產(chǎn)量隨污泥濃度的增加而增加，相應(yīng)的達(dá)到最大值所需的時(shí)間也相應(yīng)延長(3-6d);污泥濃度過高時(shí)(233 g/L)，即降低了VFAs的產(chǎn)量也延長了達(dá)到最大值所需的時(shí)間(12d)。

(2)根據(jù)污泥水解產(chǎn)酸的量、可分離出酸化液的量及達(dá)到最大值所需的時(shí)間，三個(gè)因素綜合選定最佳污泥濃度88-90mg/L，水解后可分離出每升酸化液含VFAs的值為4096.9mg，達(dá)到最大值所需的時(shí)間為4d。

(3)填料的設(shè)置可有效的增加剩余污泥水解產(chǎn)酸量，并縮短反應(yīng)器達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行的時(shí)間，組合填料的產(chǎn)酸效果優(yōu)于球形填料。

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