Ca(OH)2預(yù)處理對污泥厭氧消化的影響

楊 源

(上海巴安水務(wù)股份有限公司，上海 201716)

厭氧消化技術(shù)可以有效回收有機廢棄物中的能源，在工程應(yīng)用中非常廣泛[1]。厭氧消化分為水解、酸化、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸和產(chǎn)甲烷四個階段[2]，在水解階段復(fù)雜難溶性大分子有機物(例如多糖、蛋白質(zhì)和脂肪等)在微生物細胞外水解酶的作用下被分解為可溶性的小分子有機物單體或二聚體，但是水解階段非常緩慢，因此是厭氧消化的限速步驟[3-4]。為了加速厭氧消化的水解階段，常用的預(yù)處理方法有用機械處理、熱處理、臭氧處理、超聲處理和加堿處理等手段對污泥進行預(yù)處理[5]。

在眾多的預(yù)處理方法中，加堿預(yù)處理具有操作簡單、效果明顯的優(yōu)點。羅娟等[6]采用NaOH預(yù)處理甘蔗葉，將預(yù)處理后的甘蔗葉與豬糞、牛糞混合厭氧消化，實驗結(jié)果表明NaOH預(yù)處理可以提高產(chǎn)甲烷效率。楊朝勇等[7]采用NaOH預(yù)處理過的玉米秸稈和超聲預(yù)處理過的污泥為發(fā)酵原料，實現(xiàn)了產(chǎn)甲烷量的提升。然而現(xiàn)階段的研究大都聚焦在加NaOH預(yù)處理纖維素含量較高的發(fā)酵原料，比如水稻秸稈、玉米秸稈等，這是因為加堿預(yù)處理能夠破壞秸稈的官能團，從而打開纖維素、半纖維素和木質(zhì)素之間的酯鍵，提高厭氧消化的產(chǎn)甲烷效率。但是在實際應(yīng)用中，NaOH因為其價格高而不被廣泛應(yīng)用，而且加堿預(yù)處理污泥的研究報道也較少，因此本文研究了以Ca(OH)2為堿預(yù)處理添加劑，探究其對污泥的預(yù)處理效果；并將預(yù)處理后的污泥進行厭氧消化實驗，探究預(yù)處理對累計產(chǎn)甲烷效率的影響。

1 實 驗

1.1 實驗材料

氫氧化鈣(Ca(OH)2，純度≥99.0%)，濃鹽酸、濃硫酸、考馬斯亮藍G、苯酚、納氏試劑、鹽酸羥胺、硫酸亞鐵銨等均為分析純，污泥取自上海某污水處理廠二沉池，接種污泥取自實驗室厭氧消化罐的發(fā)酵液。污泥和接種污泥的各項參數(shù)如表1所示。

表1 污泥和接種污泥的主要特性參數(shù)

1.2 Ca(OH)2預(yù)處理實驗

取4個500 mL玻璃燒杯，編號1、2、3和4。每個燒杯中加入300 g污泥，然后2號燒杯中加入1 g Ca(OH)2，3號燒杯中加入3 g Ca(OH)2，4號燒杯中加入6 g Ca(OH)2，1號燒杯作為對照。用玻璃棒攪拌每個燒杯2 min，使得藥劑均勻分布在污泥中，然后在0 h、1 h、3 h、5 h與7 h的時間點取樣測量溶解性多糖、溶解性蛋白與sCOD的濃度。在預(yù)處理實驗過程中對4個燒杯中的污泥每隔20 min攪拌1 min，保證藥劑完全混合在污泥中。

1.3 厭氧消化實驗

Ca(OH)2預(yù)處理實驗完成后，取4個厭氧消化發(fā)酵罐(500 mL)，編號1、2、3和4。于每個預(yù)處理實驗的燒杯中取出100 g污泥加入至對應(yīng)編號的發(fā)酵罐中，然后每個發(fā)酵罐中加入接種污泥200 g；分別連接好每套沼氣收集裝置氣管，然后檢查發(fā)酵裝置的氣密性良好后將裝置置于恒溫水浴(37±1) ℃中厭氧消化32天。

1.4 分析方法

總固體含量與揮發(fā)性固體含量采用烘干法[8]；溶解性蛋白采用考馬斯亮藍顯色法[9]，溶解性蛋白采用苯酚-濃硫酸法[10]；sCOD采用重鉻酸鉀微波消解法[8]；測量溶解性有機物濃度的所有樣品都使用0.22 μm親水的聚四氟乙烯針式過濾器過濾。沼氣體積的測量采用排水法，甲烷含量的測量采用氣相色譜法。所有的實驗重復(fù)三次，取三次實驗的平均值作為最終實驗結(jié)果。利用Excel 2016軟件進行實驗數(shù)據(jù)的整理和計算，使用軟件Origin 8.5繪圖。

1.5 產(chǎn)甲烷潛勢動力學(xué)模型

修正的Gompertz模型[11]在擬合厭氧消化產(chǎn)甲烷過程中的應(yīng)用非常廣泛，其模型的相關(guān)參數(shù)可以作為評價厭氧消化效率的依據(jù)，模型的方程式如下：

(1)

式中：B為反應(yīng)器運行至第t天的累積產(chǎn)甲烷量，mL；Rm為最大比產(chǎn)甲烷速率，mL/d；B0為累積產(chǎn)甲烷潛勢，mL；λ為產(chǎn)甲烷遲滯期，天；e=2.7183。

2 結(jié)果與討論

2.1 Ca(OH)2預(yù)處理對水解過程的影響

圖1 Ca(OH)2預(yù)處理對溶解性多糖濃度的影響Fig.1 Effect of Ca(OH)2 pretreatment on soluble polysaccharide concentration

在水解階段，很多不溶性的有機物會轉(zhuǎn)變?yōu)槿芙庑缘挠袡C物，所以本文通過檢測溶解性有機物的濃度以評價預(yù)處理的效果。從圖1可以看出，隨著Ca(OH)2添加量的增大，溶解性多糖濃度不斷增大，結(jié)果說明添加Ca(OH)2能夠提高污泥中溶解性有機物濃度，而對照組中的溶解性多糖濃度基本穩(wěn)定在1600 mg/L。經(jīng)過7h的預(yù)處理實驗，添加6 g Ca(OH)2的污泥中溶解性多糖濃度為2252.4 mg/L，相比對照提高了40.3%，說明添加Ca(OH)2預(yù)處理促進了厭氧消化的水解階段。同時從圖1中可以看出溶解性多糖濃度的增加并不與Ca(OH)2的添加量呈線性關(guān)系，而是正相關(guān)關(guān)系，說明Ca(OH)2的添加量并不是越多越好。而且投加過多的Ca(OH)2會增加成本，同時Ca(OH)2的添加對厭氧消化系統(tǒng)會造成堿性沖擊，不利于后續(xù)厭氧消化過程。

圖2 Ca(OH)2預(yù)處理對溶解性蛋白濃度的影響Fig.2 Effect of Ca(OH)2 pretreatment on soluble protein concentration

如圖2所示，溶解性蛋白濃度在Ca(OH)2預(yù)處理實驗過程中隨著時間的增大而升高，這是因為堿性物質(zhì)促進了細胞中有機質(zhì)的外溢，使得污泥中溶解性蛋白濃度增高。預(yù)處理7 h后，添加6 g Ca(OH)2污泥的溶解性蛋白濃度相比對照提高了15.2%，說明Ca(OH)2預(yù)處理能夠提高污泥中蛋白濃度，為產(chǎn)甲烷提供足夠的反應(yīng)物。

圖3 Ca(OH)2預(yù)處理對sCOD的影響Fig.3 Effect of Ca(OH)2 pretreatment on sCOD concentration

在厭氧消化的過程中，微生物將發(fā)酵液中可溶性的有機物轉(zhuǎn)化為乙酸，然后再轉(zhuǎn)化為甲烷。因此溶解性化學(xué)需氧量濃度(sCOD)是衡量發(fā)酵液中厭氧微生物可利用原料豐富程度的重要參數(shù)。如圖3所示，經(jīng)過添加1 g、3 g和6 g的Ca(OH)2預(yù)處理后sCOD濃度相比對照分別提高了24.7%、34.2%和59.9%，說明Ca(OH)2對污泥有很好的化學(xué)促溶作用，能夠為后續(xù)的產(chǎn)甲烷提供充足的原料。

2.2 Ca(OH)2預(yù)處理對產(chǎn)甲烷的影響

圖4 Ca(OH)2預(yù)處理對厭氧消化產(chǎn)甲烷的影響Fig.4 Effect of Ca(OH)2 pretreatment on methanogenesis in anaerobic digestion

甲烷是一種高效的能源，厭氧消化可以產(chǎn)生甲烷從而回收有機廢棄物中的能源。經(jīng)過32天的厭氧消化實驗后，累計產(chǎn)甲烷的曲線圖如圖4所示。從圖中可以看出厭氧消化前8天，4個發(fā)酵罐的累計產(chǎn)甲烷量并沒有明顯的區(qū)別，但是隨著厭氧消化時間的增大，四個發(fā)酵罐的累計甲烷產(chǎn)量有了明顯的差異。經(jīng)過添加1 g、3 g和6 g的Ca(OH)2預(yù)處理的污泥厭氧消化32天后，累計甲烷產(chǎn)量分別為836.1 mL、965.3 mL和1036.7 mL，相比對照分別提高了20.3%、38.9%和49.2%。說明經(jīng)過Ca(OH)2預(yù)處理可以有效加速厭氧消化水解過程，增大發(fā)酵液中有機物濃度，促進甲烷產(chǎn)量。

通過修正的Gompertz模型得到動力學(xué)參數(shù)如下表2，從表中可以看出隨著Ca(OH)2投加量的增大，累積產(chǎn)甲烷潛勢不斷增高，產(chǎn)甲烷遲滯期也越來越小，說明Ca(OH)2預(yù)處理確實有效加快了厭氧消化過程，并提高了產(chǎn)甲烷效率。

表2 修正的Gompertz 模型對累積產(chǎn)甲烷的擬合結(jié)果

3 結(jié) 論

本文以Ca(OH)2作為污泥的堿預(yù)處理添加劑，設(shè)置了不同的Ca(OH)2的投加量梯度，實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著Ca(OH)2的投加量的增加，污泥中的有機物濃度也隨之增加。將預(yù)處理后的污泥加接種污泥進行厭氧消化，實驗結(jié)束后發(fā)現(xiàn)經(jīng)過Ca(OH)2預(yù)處理污泥實現(xiàn)了累計甲烷產(chǎn)量的升高，說明Ca(OH)2預(yù)處理確實有效加快了厭氧消化的水解過程，并提高了厭氧消化的產(chǎn)甲烷效率。