次氯酸钠预处理污泥对厌氧消化的影响

王玲玲，孙德栋，任晶晶，董晓丽，马　春，郝　军，薛　芒(大连工业大学轻工与化学工程学院，辽宁大连　116034 )

次氯酸钠预处理污泥对厌氧消化的影响

王玲玲，孙德栋，任晶晶，董晓丽，马春，郝军，薛芒
(大连工业大学轻工与化学工程学院，辽宁大连116034 )

摘要:采用次氯酸钠对污泥进行预处理，考察了预处理对污泥厌氧消化的影响。以原污泥作为对比，研究了经过次氯酸钠预处理后，厌氧消化过程中污泥性质及甲烷产气量等的变化。经次氯酸钠预处理的污泥，在厌氧消化过程中平均日产气速率为34 mL，比未经过预处理的污泥产气速率提高了9.80%;经预处理后污泥厌氧消化总产气量为1 055 mL，比未预处理的多产气122 mL。预处理污泥出现产气量峰值的时间比原泥提前4 d，表明次氯酸钠预处理可以加速厌氧消化速度，缩短污泥停留时间。厌氧消化时SCOD是表示污泥水解增溶程度的参数。实验结果显示，次氯酸钠预处理促进了污泥的水解，厌氧消化过程中，预处理污泥的SCOD浓度高于原泥，最大值为487 mg/L，比原泥中SCOD浓度的峰值大11.62%。

关键词:污泥;次氯酸钠;预处理;厌氧消化

0　引言

随着经济的不断发展，市政污水处理厂的建设规模与处理程度也在不断扩大和提高，产生了大量的剩余污泥并与日俱增，剩余污泥的处理处置费用投资大，甚至高达污水处理厂总运行费用的50%～60%［1］。目前，在可持续发展战略的影响下，无害化、减量化、稳定化、资源化逐渐成为剩余污泥处理的方向发展［2］。厌氧消化是处理剩余污泥较普遍的方法之一，较其他处理方法，厌氧消化具有灭杀病菌、减少污泥体积、促进污泥稳定等优点，同时又能产生沼气，回收能源，但是污泥絮体的复杂结构［3］使得水解酸化阶段速度减慢，这也使得该阶段成为厌氧消化的限速阶段［4-5］，并且剩余污泥中微生物细胞壁阻碍了有机物的释放与利用［6］，进一步减慢了整个进程。目前，该领域学者已经发现并应用了很多方法对污泥进行预处理，使得污泥絮体结构遭到破坏，细胞内含物释放到水相中，加速水解速度。目前污泥厌氧消化预处理方法主要包括物理破碎、热处理、碱处理、超声处理、臭氧氧化以及氯氧化等［7］。次氯酸钠具有较强的氧化性，主要用作消毒剂、杀菌剂和漂白剂，也用于其他行业如食品包装、洗涤剂行业的消毒和杀菌以及小规模供水净化［8］;次氯酸钠价格低廉，如果在实践中得到应用，运行成本将会降低。作者采用次氯酸钠作为预处理剂对污泥进行预处理，研究次氯酸钠对污泥预处理的可行性，以及预处理后污泥的厌氧消化过程中理化性质的改变情况，以期为剩余污泥处置提供新的研究思路。

1　实验

1.1仪器与试剂

仪器:微波消解仪，箱式电炉，紫外分光光度计，便携式pH计，万用电炉，恒温水浴锅。

试剂:次氯酸钠;重铬酸钾，优级纯。

实验所用剩余污泥取自大连市凌水河污水处理厂CAST工艺中经过浓缩后的剩余污泥，污泥质量浓度为8～11 g/L，pH约为7，剩余污泥样品在4℃冰箱中存放。

1.2实验方法

实验采用2个反应器编号分别为1和2，反应器1注入50 mL种泥和450 mL未经预处理的原污泥;反应器2注入50 mL种泥和450 mL经过经预处理的污泥，隔绝空气，进行厌氧消化。每天各抽取50 mL的污泥用于参数测定，并加入50 mL的原泥和预处理污泥，使消化反应器中，始终保持着500 mL的污泥。反应器置于恒温磁力搅拌器上，控制温度为(35±2)℃，保证隔绝空气。产生的气体由导气管导出，经过酸性饱和食盐水收入到集气装置内，采用排水法测定产气量。具体实验装置如图1。气体每日测量，取样后通入N2数分钟，以驱除空气。

SCOD的测定采用微波密封消解法［9］，气体收集采用排水法，TP(总磷)测定采用钼酸盐比色分光光度法［10］，TN(总氮)测定采用微波消解紫外分光光度法［11-12］，pH值测定采用FE20型pH计。

图1　实验装置Fig.1 Experimental facility

2　结果与讨论

2.1预处理后污泥性质的变化

利用次氯酸钠对污泥进行预处理，污泥的理化性质产生了变化，通过实验分析，对比了污泥破解率、SCOD及其他水质参数，得出次氯酸钠的最佳投加量(以次氯酸钠的有效氯计)是14.5 mg/g SS，最佳反应时间为3.5 h。污泥预处理前后的性质变化如表1所示(污泥质量浓度为4 g/L)。

表1　预处理前后污泥性质的变化Tab.1 Characteristics of untreated and pretreated sludge

表1表明，经过预处理后，剩余污泥上清液中SCOD由初始的64 mg/L增加到了368 mg/L，远远高出了未经预处理的污泥的SCOD含量，这是由于次氯酸钠作为消毒剂和漂白剂，它具有较强的氧化作用并呈现弱碱性，这个性质使得次氯酸钠能够破坏污泥的絮体结构，使得胞外聚合物(EPS)水解成为可溶性的小分子物质释放到水相中，使得上清液中SCOD浓度不断上升; TP、TN的质量浓度分别由1.2，33.9 mg/L分别上升到22.6，61.2 mg/L。这是因为在次氯酸钠的作用下，微生物细胞壁被破坏，细胞内有机物质如氮、磷、糖等溶出，使得氮、磷的含量增加;多糖、蛋白质的质量分数分别增加了168%，174%，多聚糖是污泥胞外聚合物EPS中的重要组成部分［13］，经过次氯酸钠的预处理，使得ESP遭到破坏，多聚糖从絮体结构中释放出来溶解到液相中，导致污泥上清液中多糖含量增加;同时微生物细胞壁细胞膜被次氯酸钠破坏，细胞壁镶嵌的和细胞内含的包涵蛋白质在内的有机物进入液相，从而增加了液相中蛋白质的含量［14］。

2.2预处理对厌氧消化过程中产气速率及产气总量的影响

图2所示，对比了原污泥与预处理污泥产气量的变化。由图可知，2组的产气量走势是相同的，均是增加后又缓慢减少。不同的是，预处理后的污泥日产气量明显高于未处理的污泥，而且其高峰期出现在厌氧消化过程的第6天，产气量为99 mL;而未处理污泥高峰期出现在第10天左右，其产气量为83 mL，经预处理后污泥的产气高峰明显提前。这是因为未经过预处理的原污泥水解酸化依然是限速步骤，而经过预处理后，次氯酸钠打破了污泥絮体结构的限制，使细胞内有机物大量释放出来，从而产生大量的气体。这表明经过次氯酸钠的预处理，可以加速厌氧消化的进行速度，缩短污泥停留时间，降低运转能耗。

图2　污泥的日产气量变化Fig.2　Variation of gas production volume per day

图3所示为厌氧消化一个月期间污泥总产气量的变化情况。如图所示，在厌氧消化过程中，未处理污泥总产气量为933 mL，而预处理的污泥产气总量是1 055 mL，比前者高出122 mL，增加了13.1%，这说明污泥经过次氯酸钠的预处理后，污泥结构被打破，细胞内含物释放到溶液中，继续被水解为小分子有机物，被厌氧菌利用，增加了产气量。

图3　污泥总产气量Fig.3 Cumulative gas production vs time

2.3预处理对厌氧消化过程中SCOD的影响

在一定范围内，SCOD可以反映出溶胞水解的程度。由图4可知，2组反应器的SCOD的变化趋势是都是先增后减，这是由于水解过程中，在胞外酶的作用下，不溶性有机物被水解成可溶性有机物［13］，使得SCOD不断积累增加。经过预处理后的污泥的SCOD比未经过预处理的要大，其最大值比未处理时增加了133.5%，后者在厌氧消化过程中，SCOD值增加幅度要较预处理污泥的小。这是由于原泥在厌氧消化过程中微生物的水解速度相对较慢。

图4　厌氧消化过程中SCOD的变化Fig.4　Variation of SCOD in the process of anaerobic digestion

2.4预处理对厌氧消化过程中pH的影响

在厌氧消化过程中，pH是一个非常重要的指示参数，为保证整个过程中各个菌群的正常生理活动，厌氧反应器的pH应该控制在6.5～7.5［14］。pH既对厌氧消化微生物菌群的活性产生很大影响，还能影响到中间代谢产物的毒性，因此，保持pH的稳定对于厌氧消化过程是否能够稳定运行有着重要意义［14］。图5所示，经预处理的污泥的pH较未处理的pH高，但基本保持在合适范围内。从图中可以看出，经预处理的污泥pH下降在6～10 d里低于未处理污泥pH，这是因为在这一阶段污泥破解程度增大，加快了水解酸化的过程。而随着厌氧消化过程的进行，预处理污泥的pH随着增加，且比未处理的高，这是由于厌氧消化过程中碱度增加导致pH升高。

图5　厌氧消化过程中pH的变化Fig.5　Variation of pH in the process of anaerobic digestion

3　结论

(1)污泥经过次氯酸钠预处理后进行厌氧消化，平均日产气速率为34 mL，比未处理的提高了9.8%;经预处理后污泥总产气量为1 055 mL，比未经过预处理的多产气122 mL。经预处理污泥产气量的峰值出现时间比原泥提前4 d。次氯酸钠预处理对污泥厌氧消化有一定的加速作用。

(2)在厌氧消化过程中，经过预处理的污泥SCOD最大值为487 mg/L，比原泥中SCOD的峰值大11.62%。用次氯酸钠对污泥进行预处理，将剩余污泥的胞外聚合物(EPS)分解、将微生物的细胞壁与细胞膜破坏，使细胞内含物释放到液相中。次氯酸钠的预处理加速了污泥水解酸化的速度。

(3)在厌氧消化过程中，pH先降低后逐渐增加，在增加一段时间后，趋于稳定状态，保持在合理范围内。为厌氧菌的生长代谢提供了合适的环境，也为后续厌氧消化创造了有利的条件。

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Effects of sodium hypochlorite pretreatment on anaerobic digestion of sludge

WANG Lingling，SUN Dedong，REN Jingjing，DONG Xiaoli，MA Chun，HAO Jun，XUE Mang
(School of Light Industry and Chemical Engineering，Dalian Polytechnic University，Dalian 116034，China )

Abstract:Pretreatment of excess activated sludge using sodium hypochlorite (NaClO) was conducted to investigate its effect on anaerobic digestion.The characteristics of sludge and methane production before and after pretreatment was analyzed.It showed that average daily rate in anaerobic digestion of excess sludge was 34 mL，which was 9.80% higher than that of without pretreatment.The gas production rate was 1 025 mL in anaerobic digestion after the pretreatment，which was 122 mL more than the other.The time for maximum gas production rate was 4 d earlier than that for the original sludge.This indicates that to pretreat the excess sludge using NaClO can accelerate anaerobic digestion and shorten sludge retention time.SCOD is a parametric representing the degree of hydrolysis and solubilization of sludge in anaerobic digestion.The concentration of SCOD at a maximum of 487 mg/L after treatment was higher than that of sludge without pretreatment，and were about 11.62% higher than that of the untreated.

Key words:sludge sodium hypochlorite; pretreatment;anaerobic digestion

作者简介:王玲玲(1987-)，女，硕士研究生;通信作者:孙德栋(1970-)，男，副教授.

收稿日期:2014-02-16.

文章编号:1674-1404(2015) 03-0183-04

中图分类号:X703.1

文献标志码:A