超聲與堿預(yù)處理促進(jìn)污泥水解酸化作碳源研究

韋新東，劉丞軒，，崔玉波，孫紅杰，馬君文

（1.吉林建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院，吉林長春 130118；2.大連民族大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，遼寧大連 116600）

1 研究背景與現(xiàn)狀

我國居民生活污水COD濃度低，氮含量相對(duì)較高，這就導(dǎo)致了污水中碳氮比較低，反硝化過程中缺少碳源，降低了污水的脫氮效率。為實(shí)現(xiàn)污水排放達(dá)標(biāo)，污水處理廠通常通過外加碳源（如甲醇、乙酸、葡萄糖等）來解決該問題[1]，這極大增加了污水廠運(yùn)行成本。

污泥處理處置成本較高，達(dá)到1 000～2 000元/t（以干污泥計(jì)），占污水處理廠運(yùn)營成本的20%～50%[2]。有大量的有機(jī)物作為廢水中除氮的碳源，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難被微生物直接利用，需要通過預(yù)處理更密集地釋放出來。

近年來，研究人員通過在溶液中分離污泥殘?jiān)?，將污泥殘?jiān)平?，極大增加了COD含量。破解后的污泥水解酸化后的產(chǎn)物可以作為優(yōu)質(zhì)碳源投加回生物反應(yīng)器，為生物處理廢水提供優(yōu)質(zhì)碳源，提高廢水脫氮效率，確保符合污水排放標(biāo)準(zhǔn)。在活性污泥處理工藝中，剩余污泥中有機(jī)物含量占污泥總產(chǎn)量的40%～60%左右[3]。剩余污泥中的有機(jī)物通過厭氧水解酸化將微生物細(xì)胞中大分子有機(jī)物質(zhì)降解，轉(zhuǎn)化為適合作碳源的小分子有機(jī)物。由于污水處理過程中脫氮菌與除磷菌對(duì)碳源的需求，生活污水中原有的碳源不足難以滿足污水處理中的碳源需求，進(jìn)而導(dǎo)致污水處理工藝出水中的氮磷等物質(zhì)超標(biāo)排放[4]。同時(shí)伴隨外加碳源的投入，傳統(tǒng)污水處理工藝的脫氮除磷效能提升，但污水生物處理產(chǎn)生的剩余污泥產(chǎn)量也隨之大幅增加[5]。剩余污泥主要是由污泥菌膠團(tuán)、無機(jī)物質(zhì)、溶解性污染物等構(gòu)成，其中含有大量的病原微生物、重金屬離子等有毒有害物質(zhì)，因此剩余污泥如果不能妥善處理將會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染[6]。因此，發(fā)展預(yù)處理剩余污泥水解酸化液作為優(yōu)質(zhì)碳源的處理工藝，對(duì)提高生活污水處理效率以及節(jié)約生產(chǎn)成本具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

在工業(yè)迅速發(fā)展和城市人口不斷增長的情況下，城市污水排放量不斷增加，國內(nèi)污水處理廠的規(guī)模以及數(shù)量正在不斷擴(kuò)大。目前，城市污水處理廠數(shù)量已超過2 000個(gè)，在廢水處理工藝過程中，產(chǎn)生的部分污泥回流作為生物反應(yīng)生成，而剩余污泥則要從系統(tǒng)中排出。這些排出的剩余污泥數(shù)量巨大，而且它們含水率高、體積大、易腐、氣味臭，并含有大量有毒物質(zhì)，如重金屬、細(xì)菌等。剩余污泥的正確治理面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

“十三五”期間，中央針對(duì)污水處理廠產(chǎn)生的剩余污泥處理問題專項(xiàng)撥款2 000億元，提高剩余污泥的治理效率。污水處理廠剩余污泥的處理處置將在不斷創(chuàng)新的技術(shù)加持和國家政策的大力推動(dòng)下，迎來廣闊的前景。據(jù)預(yù)測，按照污水有效處理率來推算，2023年的污泥處理市場規(guī)模將達(dá)到867億元左右。

因此，實(shí)現(xiàn)污水資源化利用、有效開發(fā)內(nèi)碳源以實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用不僅使污泥得到有效利用，也可以減少剩余污泥的產(chǎn)生，同時(shí)實(shí)現(xiàn)污泥減量化和資源化，一舉兩得。生物方法由于對(duì)環(huán)境污染小、成本低、可有效實(shí)現(xiàn)污泥資源化而具有更大的發(fā)展前景。但單一的生物方法往往具有去除效率低、作用周期長等局限性，而與具有速效性的化學(xué)法或物理法協(xié)同作用則會(huì)揚(yáng)長避短，在減小環(huán)境污染的同時(shí)提高厭氧發(fā)酵 效率[7]。

2 材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

2.1.1 污泥來源及性質(zhì)

污泥取自遼寧省大連市大開污水處理廠污泥脫水間，脫水污泥取回后稱重、烘干、馬弗爐焙燒測量其含水率、VS。測得大開污水廠脫水污泥含水率為83%、VS=737.66mg/g。

2.2.2 超聲裝置

超聲裝置為探頭式超聲波反應(yīng)器，由超聲波發(fā)生器（電源）、換能器組件與隔音箱組成，中間由專用電纜相連。超聲頻率在20～25kHz，超聲功率為950W，探頭直徑10mm，處理量30～300mL，功率比1%～90%。

2.2.3 水解酸化反應(yīng)器

500mL磨口錐形瓶蓋子加封口膜密封置于恒溫水浴振蕩器中，設(shè)置水溫37℃進(jìn)行水解酸化。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

通過改變超聲時(shí)間（5min、10min、15min）和超聲聲能密度（1.781 25W/mL、3.562 5W/mL、5.347 5W/mL、7.125W/mL）兩個(gè)變量，進(jìn)行10d水解酸化，研究污泥水解酸化液中VFA、COD等重要指標(biāo)的檢測，進(jìn)而選出最優(yōu)污泥超聲聲能密度（3.562 5W/mL）與超聲時(shí)間（10min）。

2.2.1 超聲預(yù)處理污泥水解酸化

稱量40g83%含水率的脫水污泥，加入40mL蒸餾水調(diào)整其含水率至91%，再用10%氫氧化鈉溶液將泥水混合物pH調(diào)至10。調(diào)整超聲裝置輸出功率，然后將污泥樣品固定在升降臺(tái)，抬高升降臺(tái)將探頭置于液面下1.5cm分別超聲5min、10min、15min。超聲預(yù)處理完的污泥樣品加蒸餾水稀釋至含水率98%后倒入500mL磨口錐形瓶密封，置于恒溫水浴振蕩器中37℃進(jìn)行10d的水解酸化，每隔48h取樣檢測一次。

2.2.2 測定方法

化學(xué)需氧量（COD）：重鉻酸鉀法；揮發(fā)性脂肪酸（VFA）：蒸餾法；氨氮：納氏試劑法；磷酸鹽：磷鉬藍(lán)法；總氮：過硫酸鉀消解-硫酸肼還原法；總磷：過硫酸鉀消解-鉬銻抗法；pH：pH快速測定儀。

3 結(jié)果與分析

在超聲聲能密度相同的情況下，隨著超聲時(shí)間的延長，COD、VFA的濃度也相應(yīng)地有所增長，同樣在超聲時(shí)間相同的情況下，隨著超聲聲能密度的增加，COD、VFA的濃度也隨之增加，但增加的程度不大。因此，考慮實(shí)際生產(chǎn)條件，采用3.562 5W/mL聲能密度下超聲10min為最佳超聲條件，并對(duì)該條件下各含量的變化情況具體分析。

圖1表明，組合作用后VFA的峰值提前兩天產(chǎn)生，且5min、10min、15min的峰值分別是原泥的峰值的4.68倍、4.89倍和5.63倍。隨后4～8d有所下降，有可能是揮發(fā)性脂肪酸被微生物利用，利用率＞生成率導(dǎo)致的。

圖1 COD 10d變化情況

圖2表明，COD整體呈下降趨勢，下降的原因可能是污泥濃度太大，微生物利用率＞生成率導(dǎo)致的。5min、10min、15min的峰值分別是原泥的峰值的2.64倍、2.86倍、3.12倍。

圖2 VFA 10d變化情況

圖3表明，剩余污泥在水解酸化過程中會(huì)產(chǎn)生大量的氨氮。這是因?yàn)槌暸c堿預(yù)處理后細(xì)胞破碎，細(xì)胞內(nèi)大量有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為水解酸化中的氨氮，厭氧條件下細(xì)胞增殖少，因此只有少量氮會(huì)轉(zhuǎn)化為細(xì)胞物質(zhì)，所以上清液中氨氮濃度較高。因此氨氮的產(chǎn)生可以間接反映污泥水解酸化的效果。經(jīng)過組合處理后峰值出現(xiàn)比原泥氨氮的峰值提前6d，5min、10min、15min的峰值分別是原泥的峰值的2.34倍、1.91倍、2.09倍。

圖3 NH4+-N 10d變化情況

圖4表明，與原泥相比，經(jīng)過組合處理的污泥總氮濃度極大提高，隨著水解酸化的進(jìn)行，總體處于下降的趨勢。組合處理后的污泥總氮濃度的峰值也比原泥的峰值提前到達(dá)，超聲5min、10min、15min的濃度分別是原泥的1.78倍、1.71倍、1.67倍。

圖4 TN 10d變化情況

磷酸鹽與總磷變化趨勢大致相同，P不僅是很多有機(jī)化合的組成成分，還能以各種方式參與生命體的代謝和活動(dòng)。最普遍是以核糖核酸（RNA）、脫氧核糖核酸（DNA）等形式廣泛出現(xiàn)。圖5～圖6表明，經(jīng)組合處理后的磷酸鹽濃度明顯高于原泥的濃度，這是由于超聲和堿的處理使細(xì)胞壁破碎導(dǎo)致儲(chǔ)存在污泥里的磷都溶進(jìn)上清液使磷酸鹽的含量上升。10d的水解酸化磷酸鹽的總體變化趨勢為下降，應(yīng)該是作為微生物厭氧菌的原料被消耗導(dǎo)致的。經(jīng)組合處理的PO43--P峰值濃度是原泥的1.09倍、1.09倍、1.12倍。

圖5 PO43--P 10d變化情況

圖6 TP 10d變化情況

4 結(jié)論

①脫水污泥經(jīng)超聲和堿預(yù)處理后再進(jìn)行水解酸化，較原泥得到了很大提高。在考慮實(shí)際生產(chǎn)條件下，采用3.562 5W/mL的聲能密度、超聲10min處理后，水解酸化4d得到的上清液適合作優(yōu)質(zhì)碳源。②在超聲時(shí)間相同的條件下，隨著超聲聲能密度的增大，污泥水解酸化產(chǎn)物中COD、VFA的產(chǎn)量也會(huì)增多，但增幅不明顯。③在超聲聲能密度相同的條件下，隨著超聲時(shí)間的增加，污泥水解酸化產(chǎn)物中COD、VFA的產(chǎn)量也會(huì)增多，增幅也較為明顯。