碱预处理剩余污泥厌氧水解产酸的优化研究[1]_填料
导读:：碱预处理具有操作简单、方便。采用剩余污泥开发碳源。以选取碱处理剩余污泥的最佳污泥浓度。并通过添加填料观察填料对污泥水解产酸的影响。
关键词：碱预处理，剩余污泥，污泥浓度，填料
我国城市污水处理厂主要采用生物法处理污水，目前采用生物法脱氮除磷主要遇到两大难题。一是生物法处理污水过程中产生的大量剩余污泥处理和处置;二是运行中的污水处理厂普遍存在碳源不足而造成脱氮除磷效率欠佳，而投加碳源又增加了污水厂的运行成本。因此如何将这两大难题有效解决成为了近几年来国内外学者的研究重点。
剩余污泥水解过程中产生的大量的挥发性脂肪酸(VFAs)[1-4]，可作为化工原料用于发酵工业生产各种高附加值产品，也可为低C/N城市污水提供碳源。采用剩余污泥开发碳源，使得污泥在城市污水处理厂内部进行循环利用，不仅降低了因投加碳源造成的成本，而且能在一定程度上解决污泥的处置问题，实现污泥的资源化、稳定化和减量化。但污泥很难仅通过微生物作用厌氧水解产酸，这是由于污泥细胞的细胞壁半刚性结构，只有通过预处理手段[5-7]破坏细胞壁，才能使细胞内大量溶解性有机质释放填料，提高污泥的水解速率，最终提高污泥的厌氧消化产酸的量。与其它预处理方法相比，碱预处理具有操作简单、方便，处理效果好等优点[8,9]。本研究采用碱预处理方法考察不同浓度的污泥对厌氧产酸效果的影响，以选取碱处理剩余污泥的最佳污泥浓度，并通过添加填料观察填料对污泥水解产酸的影响，以期为低碳氮比城市污泥提供有效碳源并实现污泥的资源化利用。
1材料与方法
1.1底物污泥
试验用泥取自郑州市五龙口污水处理厂的回流泵房和脱水机房。试验用泥每周取一次，取回的污泥在4℃下保存备用。脱水机房取出的脱水污泥，在试验中根据试验需要用蒸馏水稀释至所需浓度。
1.2试验方法
试验共分两个部分，一是污泥浓度对碱预处理剩余污泥水解产酸的影响;二是填料对碱预处理剩余污泥水解产酸的影响。
1.2.1污泥的碱预处理
用6mol/L的NaOH将污泥的pH调到12(±0.1)，并使其pH值在缓慢搅拌下稳定5min，得到的污泥混合液在室温下(25-30℃)保存20h以强化碱处理的效果。经过20h预处理的剩余污泥，在反应开始前再利用6mol/L的NaOH调节pH为10(±0.1)，刘晓玲[10]等研究发现pH为10的条件下，可显著改善污泥预处理产酸效率，并能维持稳定产酸量会计范文。在本试验主要研究污泥经过碱预处理在反应中不调节pH时的产酸情况。
1.2.2污泥浓度对污泥水解产酸的影响
试验装置有效容积为2L，设有搅拌装置搅拌速度为60-80r/min，温控装置控制温度在32℃左右。通过对比不同污泥浓度，研究污泥浓度对剩余污泥水解产酸的影响。
表1 每组试验剩余泥的特征
Tab.1 Characters of waste activated sludgein each groups
|
#FormatImgID_0# 编号 项目 |
第1 |
第2组 |
第3组 |
第4组 |
第5组 |
第6组 |
|
TS c/mg·L-1 |
14 |
37 |
88 |
147 |
177 |
233 |
|
VFAs |
32 |
38 |
54 |
90 |
124 |
154 |
|
TCOD c/mg·L-1 |
5198 |
22600 |
41300 |
57700 |
76000 |
98800 |
|
SCOD c/mg·L-1 |
32 |
60 |
88 |
109 |
131 |
174 |
|
pH |
7.01 |
7.03 |
6.97 |
6.97 |
7.00 |
6.98 |
1.2.3填料对污泥水解产酸的影响
试验装置有效容积为12L，控制反应器内底物停留时间为4d，设有搅拌装置搅拌速度为60-80r/min，温控装置控制温度在32℃左右。通过对比无填料、球型填料及组合填料的产酸情况，研究填料对剩余污泥水解产酸的影响。由于反应器底部设有搅拌装置，填料采用悬挂的方式安装在反应器内。
1.3分析方法
TCOD、SCOD采用重铬酸钾标准方法测定;pH值采用pHS-3C精密pH计(上海雷磁仪器厂)测定。TS、含水率采用重量法;VFAs采用蒸馏法。其中测量SCOD和VFAs由于SS含量较高标在测量之前需要预处理填料，先在4000rpm离心20min之后用0.45μm的滤膜抽滤，处理后的水样根据国标法测定各项指标。
2试验结果与讨论
2.1无接种物的碱预处理剩余污泥水解产酸
为检验碱预处理剩余污泥对污泥水解产酸的影响，本节试验选取TS为14g/L左右的污泥为底物污泥，详见表1中第1组。剩余污泥在无任何接种物的情况下，直接进行厌氧发酵，用未经过碱预处理的剩余污泥作对照试验。此时反应器内温度控制在32℃左右。从图1中可以看出，经过碱预处理的剩余污泥VFAs产量最大值为450mg/L要大于未经碱预处理的剩余污泥产酸量的最大值118mg/L。该试验果表明剩余污泥在无任何接种物的情况下可成功实现厌氧水解产酸，而且无需经过启动阶段，不需要任何接种物，使得污泥水解产酸更加简便。
图1碱预处理剩余污泥对VFAs的影响
Fig.1 Influence of VFAs production by alkalipretreatment
碱预处理后的剩余污泥，可实现无接种物的污泥水解酸化，是由于碱预处理可破坏剩余污泥难溶的外部结构，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污泥浓度对污泥水解产VFAs的影响
试验用泥采用脱水机房取出的脱水污泥根据需要配制成的泥水混合物以及从回流泵房取出的未经脱水的剩余污泥，通过对比试验研究哪种浓度的污泥最适合成为本次试验条件下的水解产酸底物。图2是不同浓度的污泥在厌氧水解产酸过程中VFAs产量的变化曲线。
图2 各反应器中VFAs随时间的变化
Fig.2 Change of VFAs production with time
如图2显示，不同浓度的剩余污泥经过碱预处理后，在水解反应器中反应一段时间内随时间的增大而增大，之后随着时间波动。每组反应分别在第5d、3d、4d、6d、6d、12d时，VFAs的浓度达到最大值，分别为450.0mg/L、2820.0 mg/L、6900.0 mg/L、8160.0 mg/L、11460.0 mg/L、10520.0 mg/L。由此可见，污泥浓度对剩余污泥产酸有促进作用，但污泥浓度过高时也会抑制水解反应的进行。在第6组试验中污泥浓度为216g/L，厌氧发酵呈现出抑制状态，反应进行到第第12天产酸量才达到最大值10520mg/L并且小于第5组所达到的最大值。每组反应后期填料，VFAs的含量随时间的延长而减少。在第5组试验中此时污泥的含固率为14.8%要大于吴一平[11]试验中初沉污泥的最佳固体含量2.13%。
2.3选取最佳的污泥浓度
选取剩余污泥水解产酸的最佳污泥浓度，不仅仅要考虑污泥水解产酸的最大值，还要考虑污泥水解产酸达到最大值所需的时间及可分离出酸化液的量。由于剩余污泥SS含量较大，将水解产酸后的水解产物直接作为碳源投加入脱氮除磷体系中，势必会影响出水中SS含量。可通过离心分离的方法，将富含VFAs的酸化液和未能分解的剩余污泥有机物或无机质分离，得到可作为碳源利用的酸化液。
表2 每组试验污泥水解详情
Tab.2Details for sludge hydrolysis by eachgroup test
|
产酸的最大值(mg/L) |
可分离出酸化液的百分比(%) |
达到产酸量最大值所需的时间(d) |
污泥水解后可分离出每升酸化液含VFAs量的最大值（mg） |
|
|
第1组 |
450 |
93.8 |
5 |
421.9 |
|
第2组 |
2820 |
62.5 |
3 |
1762.5 |
|
第3组 |
6900 |
59.4 |
4 |
4096.9 |
|
第4组 |
8160 |
31.3 |
6 |
2550.0 |
|
第5组 |
11460 |
25.0 |
6 |
2865.0 |
|
第6组 |
10520 |
4.0 |
12 |
420.8 |
从表2中可看出第3组试验中剩余污泥水解后可分离出每升酸化液含VFAs量最大，最大值为4096.9mg。此污泥浓度下达到最大值所需的时间为4d，虽然略长于第2组试验中的3d，但可分出单位酸化液所含VFAs的远远大于第2组的最大含量1762.5mg会计。
综合这三种因素，选定第3组试验中的污泥浓度即88-90mg/L为本试验中的最佳污泥浓度，并控制反应器内底物停留时间为4d。
2.4填料对污泥水解产VFAs的影响
剩余污泥在无任何接种物及外加营养物质的条件下，直接进行厌氧发酵能够实现稳定的水解产生效果。图3是添加不同填料及未添加填料情况下污泥水解产酸的变化曲线。从图中可看出，添加填料的污泥水解产酸效果要明显大于未添加填料时的产酸效果。该试验结果表明碱处理后的剩余污泥水解产酸是主要依靠生物反应，与苑红英[12]得到的结果一致。填料通过其特殊的物理结构，具有较大的比表面积，能过提高污泥水解反应器内单位微生物含量，从而提高污泥水解产酸的效果。
在未放置填料的污泥水解产酸的量维持在4991mg/L左右低于在反应瓶中得到的最大产量6900mg/L，这可能是由于在半连续运行的状态下，污泥水解产酸的效果受到每日进泥排泥的冲击，降低了反应器内单位水解产酸菌的量，最终导致在未放置填料的反应器内水解产酸量降低。
图3填料对污泥水解产酸的影响
Fig.3 Change of VFAs production with filler
通过对比两种填料的水解产酸的量的变化，组合填料平均水解产酸量在6879mg/L左右大于球形填料的平均产酸量5984mg/L。可知组合填料更有利于污泥的水解产酸，组合填料中的纤维束结构填料，利于污泥水解产酸菌的附着、生长和富集，降低了每日进泥排泥对反应器内微生物的影响，最终提高了产酸量。
3结论
经过碱预处理成功实现了在无接种物和外加营养物条件下污泥的厌氧水解产酸。碱预处理不但能够从剩余污泥中筛选出水解产酸菌，还能抑制或杀死大部分的甲烷菌，而且可以破坏污泥中微生物细胞，将不溶性细胞物质转化为溶解性物质。
(1)污泥浓度对产酸效果具有重要的影响。污泥浓度过低时(14g/L)，VFAs的产量较低并且得到最大值所需的时间也较长(需要5d);污泥浓度适中时(37-177g/L)，VFAs的产量随污泥浓度的增加而增加，相应的达到最大值所需的时间也相应延长(3-6d);污泥浓度过高时(233 g/L)，即降低了VFAs的产量也延长了达到最大值所需的时间(12d)。
(2)根据污泥水解产酸的量、可分离出酸化液的量及达到最大值所需的时间，三个因素综合选定最佳污泥浓度88-90mg/L，水解后可分离出每升酸化液含VFAs的值为4096.9mg，达到最大值所需的时间为4d。
(3)填料的设置可有效的增加剩余污泥水解产酸量，并缩短反应器达到稳定运行的时间，组合填料的产酸效果优于球形填料。
参考文献
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