污泥聯(lián)合不同有機質(zhì)對厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的影響

李 驥 延

(重慶育才中學(xué)，重慶　400050)

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污泥聯(lián)合不同有機質(zhì)對厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的影響

李 驥 延

(重慶育才中學(xué)，重慶400050)

研究了城市有機垃圾的三種主要成分(碳水化合物，蛋白質(zhì)，脂質(zhì))與市政污泥聯(lián)合厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的過程，試驗結(jié)果表明，蛋白類有機質(zhì)能大幅提高厭氧發(fā)酵效率，其后期產(chǎn)酸量達(dá)到14.52 g/L，揮發(fā)酸產(chǎn)率43.47%，分別比污泥單獨厭氧發(fā)酵提高218%和59%；污泥聯(lián)合脂質(zhì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸量最低，僅為單獨厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸量的39%。

聯(lián)合厭氧發(fā)酵，揮發(fā)性脂肪酸，污泥，碳源

0　引言

在現(xiàn)有的污泥處理技術(shù)中，厭氧發(fā)酵是最環(huán)保、資源利用率最高的處理方法[1]。然而污泥單獨厭氧發(fā)酵存在效率低下，且沼液中COD過高較難處理的問題。厭氧發(fā)酵中間產(chǎn)物——揮發(fā)性脂肪酸(VFA)，其經(jīng)濟(jì)性能高于甲烷，且最適合作為污水廠脫氮除磷工藝的碳源[2]，因此一些國內(nèi)外研究人員考慮將厭氧發(fā)酵沼液回流作為污水反硝化除磷工藝碳源，并已取得一定進(jìn)展[3，4]。

目前國內(nèi)外研究厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的目的主要是作為脫氮除磷外加碳源，并認(rèn)為其中丙酸成分對反硝化效果最佳[5]。其中堿性厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸效果最好，因為堿性發(fā)酵環(huán)境能抑制產(chǎn)甲烷并促進(jìn)揮發(fā)酸的生成[6，7]。除了對污泥單獨厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸進(jìn)行研究外，常見的還有對餐廚垃圾、秸稈等城市有機垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸進(jìn)行研究[8，9]。

然而上述研究領(lǐng)域中還存在一些問題，如污泥單獨厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸效率較低，餐廚垃圾等單獨厭氧發(fā)酵有機負(fù)荷太高會導(dǎo)致發(fā)酵反應(yīng)終止[10]等，而在研究各類市政有機垃圾聯(lián)合污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸時，因各地有機垃圾成分不同，導(dǎo)致不同地區(qū)研究結(jié)果有偏差，使研究成果不具有普適性。因此本文從本質(zhì)出發(fā)，研究市政垃圾中主要的三種有機成分：蛋白質(zhì)、碳水化合物和脂肪聯(lián)合污泥厭氧發(fā)酵對產(chǎn)酸的影響。試驗采用添加單一的蛋白類、碳水化合物類和脂類有機質(zhì)分別與市政污泥進(jìn)行聯(lián)合厭氧發(fā)酵的方法對比研究產(chǎn)酸過程及產(chǎn)酸效果，將添加不同有機質(zhì)對產(chǎn)酸量的影響作為主要指標(biāo)，并通過研究基質(zhì)降解率、厭氧發(fā)酵環(huán)境變化等因素分析影響產(chǎn)酸量變化的機理，分析聯(lián)合厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸作脫氮除磷碳源的可行性。

1　材料與方法

1.1材料

試驗用污泥采集自重慶市白含污水處理廠(日處理量1.1萬t)的污泥濃縮池中，其初始特征參數(shù)如表1所示。聯(lián)合厭氧發(fā)酵的有機添加劑分別選取一水葡萄糖(C6H12O6·H2O，分析純)、蛋白胨和三硬脂酸甘油酯(一種天然油脂，主要從動物脂肪提取得到，分析純)，三者分別代表碳水化合物類、蛋白類以及脂肪類有機成分。

表1　污泥初始特征參數(shù)

1.2測試方法及儀器

本試驗采用的主要測試方法及測量儀器如表2所示。

表2　測試方法或測量儀器[11]

1.3試驗方案

試驗分如下4組：

1)原污泥試驗組：采用間歇反應(yīng)形式，取12個相同規(guī)格的250 mL錐形瓶，各倒入150 mL同樣的剩余活性污泥。在污泥液面下通氮氣3 min后蓋上瓶塞，充分搖勻后密封儲存于室內(nèi)環(huán)境(20 ℃)培養(yǎng)20 d。分別在密封后第1，2，3，4，5，6，8，10，12，14，17，20天時取出其中一個錐形瓶，提取混合培養(yǎng)液于離心機中以10 000 rpm離心30 min，隨后將上清液通過0.45 μm纖維濾紙過濾并測定濾出液中SCOD、磷酸鹽、氨氮、揮發(fā)酸、pH、溶解性蛋白/溶解性多糖/脂肪等參數(shù)值。

2)污泥-蛋白質(zhì)、污泥-葡萄糖和污泥-脂質(zhì)聯(lián)合厭氧發(fā)酵試驗組分別加入100 mL污泥以及和污泥相同VS含量的蛋白胨(33.4 g/L蛋白胨溶液50 mL)、葡萄糖(33.4 g/L葡萄糖溶液50 mL)、硬脂酸甘油三酯(1.67 g+50 mL蒸餾水)進(jìn)行厭氧發(fā)酵。其余的步驟同上。

2　試驗結(jié)果與分析

2.1聯(lián)合厭氧發(fā)酵對產(chǎn)酸量及產(chǎn)酸轉(zhuǎn)化率的影響

反應(yīng)液中揮發(fā)酸濃度隨時間變化趨勢如圖1所示。可以看出厭氧發(fā)酵初期，原污泥組、加脂質(zhì)組產(chǎn)酸量較低，而加糖組及加蛋白組產(chǎn)酸量很高，說明蛋白質(zhì)和多糖較易被產(chǎn)酸菌利用，且反應(yīng)初期甲烷菌產(chǎn)甲烷速度較低，消耗揮發(fā)酸速率遠(yuǎn)低于揮發(fā)酸生成速率，因此初期揮發(fā)酸含量很高。而加脂質(zhì)組產(chǎn)酸最低，甚至低于原污泥組，這是因為長鏈硬脂酸甘油酯水解產(chǎn)生的長鏈脂肪酸對產(chǎn)酸反應(yīng)有抑制作用。第12天～第20天蛋白組的產(chǎn)酸量直線上升，是由于反應(yīng)器中的高氨氮濃度抑制了產(chǎn)甲烷反應(yīng)，并與揮發(fā)酸結(jié)合提高了產(chǎn)酸系統(tǒng)緩沖性，因此導(dǎo)致了反應(yīng)器中揮發(fā)酸的積累。其余三組揮發(fā)酸含量隨培養(yǎng)時間推移而逐漸趨于穩(wěn)定，說明產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷兩者達(dá)到平衡狀態(tài)。由于需利用的沼液為產(chǎn)甲烷后的廢棄沼液，需取自厭氧發(fā)酵后期，因此從第20天的產(chǎn)酸情況看，蛋白質(zhì)組產(chǎn)酸量最高，達(dá)到14.52 g/L，相比污泥單獨厭氧發(fā)酵最終產(chǎn)酸量4.56 g/L提高了218%。而加糖和脂質(zhì)組后期產(chǎn)酸量分別為3.96 g/L和1.8 g/L，均比污泥單獨厭氧發(fā)酵(4.56 g/L)還低。前者是因為添加碳水化合物類有機質(zhì)提高了反應(yīng)基質(zhì)的C/N比，提高了產(chǎn)甲烷量，從而增加了揮發(fā)酸的消耗，因此揮發(fā)酸含量隨時間推移逐漸減少；后者是因為脂質(zhì)水解產(chǎn)生的長鏈脂肪酸抑制了揮發(fā)酸的生成，因此反應(yīng)過程中揮發(fā)酸產(chǎn)量一直較低。

相對于揮發(fā)酸產(chǎn)量，揮發(fā)酸產(chǎn)率(指投加單位VS所產(chǎn)生的揮發(fā)酸量)和轉(zhuǎn)化率(指每消耗單位VS所產(chǎn)生的揮發(fā)酸量)能更好地反映聯(lián)合厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸效率和底物利用率[12]。

表3　揮發(fā)酸產(chǎn)率及轉(zhuǎn)化率

從表3看出，在不抑制產(chǎn)甲烷的情況下，加蛋白組揮發(fā)酸產(chǎn)率最高，脂質(zhì)組最低；原污泥和加蛋白組揮發(fā)酸轉(zhuǎn)化率較高。加蛋白組產(chǎn)率和轉(zhuǎn)化率高的原因是同樣底物濃度的情況下?lián)]發(fā)酸產(chǎn)量高，而原污泥轉(zhuǎn)化率高的原因是可利用的VS含量低所至。加脂質(zhì)組由于受長鏈脂肪酸水解的抑制，各指標(biāo)均較低。原污泥組揮發(fā)酸轉(zhuǎn)化率高的原因同樣是去除VS含量少，即基質(zhì)利用率不高造成的。因此綜合來看，蛋白質(zhì)作為聯(lián)合厭氧發(fā)酵基質(zhì)的揮發(fā)酸產(chǎn)率和轉(zhuǎn)化率最高。

2.2聯(lián)合厭氧發(fā)酵基質(zhì)降解速率對產(chǎn)酸的影響

基質(zhì)降解速率反映了產(chǎn)酸細(xì)菌的底物利用率，對產(chǎn)酸量有直接影響。一般認(rèn)為蛋白質(zhì)、碳水化合物和脂質(zhì)降解速率有明顯不同。圖2為各試驗組中蛋白質(zhì)、碳水化合物和脂質(zhì)隨培養(yǎng)時間推移的濃度變化趨勢。

厭氧發(fā)酵涉及的厭氧細(xì)菌和反應(yīng)過程種類繁多，但其總體遵循一級反應(yīng)動力學(xué)模型。根據(jù)添加蛋白/碳水化合物/脂質(zhì)組的蛋白/碳水化合物/脂質(zhì)濃度變化可求得三者的降解速率。由于添加的蛋白、多糖轉(zhuǎn)化為溶解性蛋白、多糖的速率較快，一般為反應(yīng)初期1 d～2 d，因此以可溶性碳水化合物/蛋白的濃度變化表示總碳水化合物/蛋白的濃度。

采用SPSS軟件對一級反應(yīng)動力學(xué)模型進(jìn)行非線性回歸，求得蛋白、碳水化合物、脂質(zhì)的基質(zhì)降解速率分別為：0.559 d-1，0.684 d-1，0.328 d-1。因此基質(zhì)降解速率從快到慢依次為：碳水化合物>蛋白>脂質(zhì)。根據(jù)物料守恒原理，基質(zhì)降解速率很大程度上也表示揮發(fā)酸生成速率，然而加糖組產(chǎn)酸量后期甚至比原污泥組還低，說明高C/N碳源更能促進(jìn)產(chǎn)甲烷效率，加速揮發(fā)酸的消耗。

2.3聯(lián)合厭氧發(fā)酵對pH的影響

pH是影響厭氧發(fā)酵效率的重要因素，如pH過低或過高會影響厭氧細(xì)菌的活性。試驗測得pH變化如圖3所示。

從圖3看出，原污泥組pH一直保持中性，變化幅度不大，而其他三組反應(yīng)器由于初期有機負(fù)荷較高均呈現(xiàn)不同程度的酸化。加糖組酸化最嚴(yán)重，最低時pH達(dá)到了3.8，主要由于加糖組底物C/N高導(dǎo)致厭氧發(fā)酵反應(yīng)液緩沖性能不足造成的初期酸化現(xiàn)象[13]；第8天后，由于高C/N促進(jìn)產(chǎn)甲烷，即加快了揮發(fā)酸的消耗，因此加糖組pH顯著上升。加蛋白組雖然揮發(fā)酸含量高，且變化幅度巨大，呈現(xiàn)先減后增的趨勢，但pH變化不明顯且較高，主要原因是加蛋白組在厭氧發(fā)酵過程中產(chǎn)生了大量氨氮，與揮發(fā)酸結(jié)合從而提高了反應(yīng)液的緩沖性。加脂質(zhì)組在反應(yīng)初期也出現(xiàn)了酸化現(xiàn)象，但生成的揮發(fā)酸含量卻不高，因此pH低主要是由于脂肪水解產(chǎn)生的長鏈脂肪酸呈酸性造成的。

厭氧發(fā)酵過程中，氨氮和磷酸鹽濃度是評價厭氧環(huán)境的重要指標(biāo)。試驗測得氨氮、磷酸鹽變化趨勢如圖4所示。

從圖4看出，由于蛋白質(zhì)分解最終產(chǎn)生大量氨氮，因此加蛋白組氨氮比其他反應(yīng)組高出很多。加蛋白組氨氮在10 d～12 d達(dá)到最大值，隨后有所下降，說明反應(yīng)器中蛋白質(zhì)基本分解完畢，同時細(xì)菌新陳代謝消耗部分氨氮所致。

污泥絮體中的磷主要分布于胞外聚合物(EPS)中，少量分布在細(xì)菌的細(xì)胞膜和遺傳物質(zhì)內(nèi)。從圖4中看出，加糖組磷酸鹽含量較高，加脂質(zhì)組和加蛋白組磷酸鹽含量相似，原污泥組最低，說明碳水化合物類碳源有利聚磷菌進(jìn)行厭氧釋磷。從第3天開始，各組中磷酸鹽濃度趨于穩(wěn)定，說明污泥細(xì)胞水解階段基本結(jié)束，新的厭氧細(xì)菌經(jīng)過對數(shù)生長期后，核酸的合成已停止，對磷的需求量降低。

2.5聯(lián)合厭氧發(fā)酵沼液作脫氮除磷碳源的可行性分析

聯(lián)合厭氧發(fā)酵后期，沼液中COD成分主要為揮發(fā)酸和少量有機底物，兩者均可作為反硝化菌和聚磷菌生長碳源。根據(jù)化學(xué)計量，去除1g N需要4 g COD，去除1 g P需要8 g～15 g COD。XiaoLing Li等人采用COD(t-N-P)指標(biāo)表示污泥產(chǎn)生的SCOD去除污泥中溶解性N，P元素所需消耗的COD后余下的SCOD含量[7]。一般來說，若聯(lián)合厭氧發(fā)酵的市政垃圾中氮磷含量均較高，適合吹脫法+鳥糞石結(jié)晶法對沼液脫氮除磷[14]；氮含量較多適合吹脫法預(yù)處理；若兩者含量不高或COD(t-N-P)很高則可直接將沼液回流做脫氮除磷碳源。各反應(yīng)組SCOD變化及SCOD(t-N-P)值如圖5所示。

從圖5看出，加蛋白組SCOD含量最高，其次為加糖組、加脂質(zhì)組和原污泥組；添加同樣質(zhì)量脂質(zhì)但測得SCOD含量少是由于重鉻酸鉀法測COD不能完全氧化脂肪烴造成的。各試驗組COD(t-N-P)值從大到小的排列為：加碳水化合物/蛋白組>加脂質(zhì)組>原污泥組，其中原污泥組COD(t-N-P)<0，說明污泥單獨厭氧發(fā)酵沼液不足以為污水處理工藝提供碳源；而脂質(zhì)組由于反應(yīng)后期仍有些許脂質(zhì)未被降解消化，因此COD值較高，若回流利用會對污水處理系統(tǒng)的生物造成毒性。因此認(rèn)為碳水化合物或蛋白與污泥聯(lián)合厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸較適合作為污水脫氮除磷碳源，加脂質(zhì)和污泥單獨厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸不適合作為污水脫氮除磷碳源。

3　結(jié)語

1)本試驗研究了厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸基質(zhì)降解速率的大小，得到降解速率從大到小依次為：碳水化合物>蛋白質(zhì)>脂質(zhì)。

2)厭氧發(fā)酵后期加蛋白組揮發(fā)酸產(chǎn)量及產(chǎn)率最高，分別達(dá)到14.52 g/L,43.47%，在投加同樣VS條件下分別比污泥單獨厭氧發(fā)酵提高了218%和59%；而加脂質(zhì)組產(chǎn)酸量最低，僅為單獨厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸量的39%。

3)綜上所述，加蛋白組產(chǎn)酸效果最好，主要由于低C/N反應(yīng)基質(zhì)下產(chǎn)生的高氨氮厭氧環(huán)境對產(chǎn)酸的緩沖性高，且對產(chǎn)甲烷有一定抑制作用造成的。

4)碳水化合物或蛋白類有機質(zhì)與污泥聯(lián)合厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的沼液較適合作污水脫氮除磷碳源，而添加脂質(zhì)或污泥單獨厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的沼液不適合作脫氮除磷碳源。

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Enhancing Volatile Fatty Acid by anaerobic digestion using municipal sludge combined with multiple organics

Li Jiyan

(ChongqingYucaiMiddleSchool,Chongqing400050,China)

This paper studied the process of three main organic components(carbohydrates, proteins, lipids) anaerobic digestion with municipal sludge to inhancing Volatile Fatty Acid(VFA) product. According to the text, VFA achieves maximum production when anaerobic digestion combined with protein, the maximum yield reaches 14.52 g/L and 43.47% productivity, increasing 218% and 59% respectively compared to sludge solo anaerobic digestion. Sludge combined with lipid produce only 39% yield of VFA compared to sludge solo anaerobic digestion.

combined anaerobic digestion, Volatile Fatty Acid, municipal sludge, carbon source

1009-6825(2016)08-0215-03

2016-01-09

李驥延(1998- )，女，高中生

X705

A