堿預處理剩余污泥厭氧水解產酸的優化研究[1]_填料
導讀:：堿預處理具有操作簡單、方便。采用剩余污泥開發碳源。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污泥水解產酸的影響。
關鍵詞：堿預處理，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生的大量剩余污泥處理和處置;二是運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外學者的研究重點。
剩余污泥水解過程中產生的大量的揮發性脂肪酸(VFAs)[1-4]，可作為化工原料用于發酵工業生產各種高附加值產品，也可為低C/N城市污水提供碳源。采用剩余污泥開發碳源，使得污泥在城市污水處理廠內部進行循環利用，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，實現污泥的資源化、穩定化和減量化。但污泥很難僅通過微生物作用厭氧水解產酸，這是由于污泥細胞的細胞壁半剛性結構，只有通過預處理手段[5-7]破壞細胞壁，才能使細胞內大量溶解性有機質釋放填料，提高污泥的水解速率，最終提高污泥的厭氧消化產酸的量。與其它預處理方法相比，堿預處理具有操作簡單、方便，處理效果好等優點[8,9]。本研究采用堿預處理方法考察不同濃度的污泥對厭氧產酸效果的影響，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污泥水解產酸的影響，以期為低碳氮比城市污泥提供有效碳源并實現污泥的資源化利用。
1材料與方法
1.1底物污泥
試驗用泥取自鄭州市五龍口污水處理廠的回流泵房和脫水機房。試驗用泥每周取一次，取回的污泥在4℃下保存備用。脫水機房取出的脫水污泥，在試驗中根據試驗需要用蒸餾水稀釋至所需濃度。
1.2試驗方法
試驗共分兩個部分，一是污泥濃度對堿預處理剩余污泥水解產酸的影響;二是填料對堿預處理剩余污泥水解產酸的影響。
1.2.1污泥的堿預處理
用6mol/L的NaOH將污泥的pH調到12(±0.1)，并使其pH值在緩慢攪拌下穩定5min，得到的污泥混合液在室溫下(25-30℃)保存20h以強化堿處理的效果。經過20h預處理的剩余污泥，在反應開始前再利用6mol/L的NaOH調節pH為10(±0.1)，劉曉玲[10]等研究發現pH為10的條件下，可顯著改善污泥預處理產酸效率，并能維持穩定產酸量會計范文。在本試驗主要研究污泥經過堿預處理在反應中不調節pH時的產酸情況。
1.2.2污泥濃度對污泥水解產酸的影響
試驗裝置有效容積為2L，設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。通過對比不同污泥濃度，研究污泥濃度對剩余污泥水解產酸的影響。
表1 每組試驗剩余泥的特征
Tab.1 Characters of waste activated sludgein each groups
|
#FormatImgID_0# 編號 項目 |
第1 |
第2組 |
第3組 |
第4組 |
第5組 |
第6組 |
|
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填料對污泥水解產酸的影響
試驗裝置有效容積為12L，控制反應器內底物停留時間為4d，設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。通過對比無填料、球型填料及組合填料的產酸情況，研究填料對剩余污泥水解產酸的影響。由于反應器底部設有攪拌裝置，填料采用懸掛的方式安裝在反應器內。
1.3分析方法
TCOD、SCOD采用重鉻酸鉀標準方法測定;pH值采用pHS-3C精密pH計(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含量較高標在測量之前需要預處理填料，先在4000rpm離心20min之后用0.45μm的濾膜抽濾，處理后的水樣根據國標法測定各項指標。
2試驗結果與討論
2.1無接種物的堿預處理剩余污泥水解產酸
為檢驗堿預處理剩余污泥對污泥水解產酸的影響，本節試驗選取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，直接進行厭氧發酵，用未經過堿預處理的剩余污泥作對照試驗。此時反應器內溫度控制在32℃左右。從圖1中可以看出，經過堿預處理的剩余污泥VFAs產量最大值為450mg/L要大于未經堿預處理的剩余污泥產酸量的最大值118mg/L。該試驗果表明剩余污泥在無任何接種物的情況下可成功實現厭氧水解產酸，而且無需經過啟動階段，不需要任何接種物，使得污泥水解產酸更加簡便。
圖1堿預處理剩余污泥對VFAs的影響
Fig.1 Influence of VFAs production by alkalipretreatment
堿預處理后的剩余污泥，可實現無接種物的污泥水解酸化，是由于堿預處理可破壞剩余污泥難溶的外部結構，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污泥濃度對污泥水解產VFAs的影響
試驗用泥采用脫水機房取出的脫水污泥根據需要配制成的泥水混合物以及從回流泵房取出的未經脫水的剩余污泥，通過對比試驗研究哪種濃度的污泥最適合成為本次試驗條件下的水解產酸底物。圖2是不同濃度的污泥在厭氧水解產酸過程中VFAs產量的變化曲線。
圖2 各反應器中VFAs隨時間的變化
Fig.2 Change of VFAs production with time
如圖2顯示，不同濃度的剩余污泥經過堿預處理后，在水解反應器中反應一段時間內隨時間的增大而增大，之后隨著時間波動。每組反應分別在第5d、3d、4d、6d、6d、12d時，VFAs的濃度達到最大值，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，污泥濃度對剩余污泥產酸有促進作用，但污泥濃度過高時也會抑制水解反應的進行。在第6組試驗中污泥濃度為216g/L，厭氧發酵呈現出抑制狀態，反應進行到第第12天產酸量才達到最大值10520mg/L并且小于第5組所達到的最大值。每組反應后期填料，VFAs的含量隨時間的延長而減少。在第5組試驗中此時污泥的含固率為14.8%要大于吳一平[11]試驗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酸的最佳污泥濃度，不僅僅要考慮污泥水解產酸的最大值，還要考慮污泥水解產酸達到最大值所需的時間及可分離出酸化液的量。由于剩余污泥SS含量較大，將水解產酸后的水解產物直接作為碳源投加入脫氮除磷體系中，勢必會影響出水中SS含量。可通過離心分離的方法，將富含VFAs的酸化液和未能分解的剩余污泥有機物或無機質分離，得到可作為碳源利用的酸化液。
表2 每組試驗污泥水解詳情
Tab.2Details for sludge hydrolysis by eachgroup test
|
產酸的最大值(mg/L) |
可分離出酸化液的百分比(%) |
達到產酸量最大值所需的時間(d) |
污泥水解后可分離出每升酸化液含VFAs量的最大值（mg） |
|
|
第1組 |
450 |
93.8 |
5 |
421.9 |
|
第2組 |
2820 |
62.5 |
3 |
1762.5 |
|
第3組 |
6900 |
59.4 |
4 |
4096.9 |
|
第4組 |
8160 |
31.3 |
6 |
2550.0 |
|
第5組 |
11460 |
25.0 |
6 |
2865.0 |
|
第6組 |
10520 |
4.0 |
12 |
420.8 |
從表2中可看出第3組試驗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。此污泥濃度下達到最大值所需的時間為4d，雖然略長于第2組試驗中的3d，但可分出單位酸化液所含VFAs的遠遠大于第2組的最大含量1762.5mg會計。
綜合這三種因素，選定第3組試驗中的污泥濃度即88-90mg/L為本試驗中的最佳污泥濃度，并控制反應器內底物停留時間為4d。
2.4填料對污泥水解產VFAs的影響
剩余污泥在無任何接種物及外加營養物質的條件下，直接進行厭氧發酵能夠實現穩定的水解產生效果。圖3是添加不同填料及未添加填料情況下污泥水解產酸的變化曲線。從圖中可看出，添加填料的污泥水解產酸效果要明顯大于未添加填料時的產酸效果。該試驗結果表明堿處理后的剩余污泥水解產酸是主要依靠生物反應，與苑紅英[12]得到的結果一致。填料通過其特殊的物理結構，具有較大的比表面積，能過提高污泥水解反應器內單位微生物含量，從而提高污泥水解產酸的效果。
在未放置填料的污泥水解產酸的量維持在4991mg/L左右低于在反應瓶中得到的最大產量6900mg/L，這可能是由于在半連續運行的狀態下，污泥水解產酸的效果受到每日進泥排泥的沖擊，降低了反應器內單位水解產酸菌的量，最終導致在未放置填料的反應器內水解產酸量降低。
圖3填料對污泥水解產酸的影響
Fig.3 Change of VFAs production with filler
通過對比兩種填料的水解產酸的量的變化，組合填料平均水解產酸量在6879mg/L左右大于球形填料的平均產酸量5984mg/L。可知組合填料更有利于污泥的水解產酸，組合填料中的纖維束結構填料，利于污泥水解產酸菌的附著、生長和富集，降低了每日進泥排泥對反應器內微生物的影響，最終提高了產酸量。
3結論
經過堿預處理成功實現了在無接種物和外加營養物條件下污泥的厭氧水解產酸。堿預處理不但能夠從剩余污泥中篩選出水解產酸菌，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胞，將不溶性細胞物質轉化為溶解性物質。
(1)污泥濃度對產酸效果具有重要的影響。污泥濃度過低時(14g/L)，VFAs的產量較低并且得到最大值所需的時間也較長(需要5d);污泥濃度適中時(37-177g/L)，VFAs的產量隨污泥濃度的增加而增加，相應的達到最大值所需的時間也相應延長(3-6d);污泥濃度過高時(233 g/L)，即降低了VFAs的產量也延長了達到最大值所需的時間(12d)。
(2)根據污泥水解產酸的量、可分離出酸化液的量及達到最大值所需的時間，三個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，達到最大值所需的時間為4d。
(3)填料的設置可有效的增加剩余污泥水解產酸量，并縮短反應器達到穩定運行的時間，組合填料的產酸效果優于球形填料。
參考文獻
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