热化学预处理方式对污泥水解及厌氧产甲烷性能的影响研究

吴沂晓

(黔南民族师范学院 贵州 都匀 558000)



热化学预处理方式对污泥水解及厌氧产甲烷性能的影响研究

吴沂晓

(黔南民族师范学院 贵州 都匀 558000)

为研究不同热化学条件下预处理污泥后水解效果及厌氧条件下产甲烷的性能，浓度为98%的H2SO4和1N的NaOH作为试剂，将污泥PH值调至1、3、5、7、9、11，并放置于不同温度、不同加热时间条件下处理，研究不同的热化学预处理条件对污泥水解效果的影响，并通过厌氧消化产甲烷潜力(BMP)试验评价其对厌氧消化性能是否有促进作用。结果表明，污泥PH值调至1和11时，加热温度越高、加热时间越长，溶出的有机物含量越高。选取水解效果最好的两组(PH=1，加热温度为100°C，加热时间为1小时及PH=11，加热温度为100°C，加热时间为1小时)进行BMP实验，结果表明，热碱处理没有对甲烷的产生有促进作用，同时强酸热处理对甲烷的产生有明显抑制作用。

污泥；水解；COD；溶解性COD；甲烷产量

传统能源的有限性使得环境友好型资源被逐渐开发与利用，甲烷就是一种常见的生物能源。污泥是由水和污水处理过程所产生的固体沉淀物质[1]，热化学处理污泥并通过厌氧消化反应产生甲烷不仅实现了污泥的减量化和无害化，同时还缓解了人类对传统能源的依赖。污泥中如纤维素等可以作为产生甲烷的原料，但是，纤维素的分子结构导致其利用率十分低下。因此，如何破坏污泥中细胞壁释放有机物是本文的研究重点。通过热化学预处理破碎细胞壁将纤维素胞内蛋白质、糖类等释放出来，使得厌氧消化阶段产生更多甲烷[2-3]。

本研究分别对污泥进行热碱处理、热酸处理，重点考察了不同处理方法对污泥水解效果的影响和经过处理后污泥厌氧消化产甲烷是否有促进效果。

一、实验部分

(一)材料

实验所用污泥来自于英国纽卡斯尔某污水处理厂的脱水污泥。该污水处理厂的进水主要是生活污水。污泥被采集后放置于普通不透明塑料材质中，将含水率调制90%左右，然后将其放置于4°C冰柜中保存待用。

(二)实验方法

热碱处理、热酸处理的条件主要是依据大量文献及实验研究，加上实验室设备的有限性所确定。实验被分为两个阶段：一是水解阶段，二是厌氧消化产甲烷阶段。

水解阶段：这个阶段的实验持续大概30天。每次取150ml污泥作为反应物，浓度为98%的H2SO4和1N的NaOH作为试剂，将污泥PH值调至1、3、5、7、9、11，加热温度包括常温25°C、60°C及100°C，加热时间包括15分钟、30分钟及一小时。处理后的污泥放置于4°C冰柜中保存待用。

厌氧消化阶段：这个阶段的实验持续大概30天。水解阶段处理后的剩余污泥PH值被调至中性7.0，一定量接种物加入普通塑料桶中，密封后放置于37°C水浴中进行7天的反应，并每天按时将塑料桶放气。之后将污泥与接种物的混合液装至160ml玻璃瓶中，氮气吹扫玻璃瓶1分钟后密封，放置于37°C摇床进行厌氧消化产气实验。针管插入玻璃瓶中所产生的气体将针筒推出，以此记录产生气体的体积，定期检测产气量并用气相色谱仪分析所产生气体的成分。

(三)分析项目

水解阶段：PH值、总固体量(TS)、挥发性悬浮固体颗粒(VSS)、总化学需氧量(TCOD)、溶解性化学需氧量(SCOD)、溶解性碳水化合物、溶解性还原糖。

产甲烷阶段：CH4含量、碱度、氨。

二、结果与讨论

(一)热化学预处理方式对纤维素水解效果的影响

表征剩余污泥水解效率的指标是污泥中溶解性有机物含量，如SCOD、溶解性碳水化合物、溶解性还原糖等。SCOD溶出率可整体表征污泥的水解效果，SCOD的变化表明细胞壁中有机物被释放并转移到水相中[4]。如表1，污泥PH值被调至1、3、5、7、9、11，SCOD在强酸与强碱情况下出现最大值，分别是169%与99%，说明在其它条件相同的情况下，酸性、碱性越大，细胞壁中有机物的释放越多。

表1 不同PH条件下预处理前后SCOD变化

表2 不同加热温度条件下预处理前后SCOD变化

表3 不同加热时间条件下预处理前后SCOD变化

因此PH为1和11可作为最佳水解PH值条件，如表2所示，污泥分别在100°C、60°C温度下加热，常温不加热的污泥作为对照组，结果表明，随着加热温度的升高，SCOD变化越大，因此100°C是最有利于污泥中纤维素细胞壁破坏使有机物释放的加热条件。

在PH为1和11可作为最佳水解PH值，加热温度为100°条件下，对污泥进行15分钟、30分钟、60分钟的持续加热。根据SCOD变化率来看1个小时最有利于有机物的释放。因此得出结论，水解阶段最佳条件是PH调至1和11、加热温度为100°、加热时间为1小时，此条件下出现最大SCOD溶出率。

(二)不同方式对污泥厌氧消化产甲烷效率的影响

实验中所有条件设3个平行组，如表4所示，五组样品用不同条件预处理，每周采集三次气体，并用气相色谱仪进行分析。

表4 样品好及所对应预处理条件

图1 不同预处理条件下各组每天产气量

对五组样品进行28天的观察分析，从图1中可以看到生物气的产量，五组样品在反应进行到21天之后，气体的产生开始降低和平稳，表明产气能力开始逐渐减弱直到没有气体产生。仅装有接种物的样品从第一天开始产气量就处于最低，表明接种物的产气能力最低，不足以被作为生物能来使用。当样品经过加酸热处理与加碱热处理后产气量高于接种物，但相比于不调节PH不进行加热处理的条件产气量有所降低，而产气量最高的一组是在不加化学试剂仅加热的条件下。因此用浓度为98%的H2SO4和1N的NaOH作为试剂调节PH对生物气的产量没有起到很好的促进作用，仅加热就能使产气量得到提升。

图2 不同预处理条件下各组累加CH4产气量

在28天的厌氧发酵周期内，各组累积产甲烷量随时间的变化如图2所示。变化趋势线越陡表明甲烷产量越多，经过加酸与加热条件预处理的污泥产甲烷量在四组中处于最低，经过加碱与加热条件预处理的污泥产甲烷量多过加酸组，但产气量均低于空白组即不加化学试剂不加热的情况，尤其在反应进行10天之后差别明显显现出来，因此本实验中加入的化学试剂在抑制着甲烷的产生，加酸组最为明显。

图3 BMP实验后各实验组平均产氨量

和大部分相关研究相比实验结果与预期的相反[5]，因此检测氨的含量来分析是否甲烷的产生被氨所影响。氨通过污泥中含氮物质的降解产生，主要来自于蛋白质和尿素[6]。产甲烷菌对氨的浓度比较敏感，增加的氨可能会对甲烷的产生具有消积影响[7]。大量文献研究了氨的浓度和产甲烷率的关系，结果表明两者呈负相关联系[8]。图中所示，加酸与加热条件下氨的浓度最高，这可能是一个影响的因素。

三、结论

1)水解最优的条件是PH调至1和11、加热温度为100°、加热时间为1小时，因为污泥的SCOD有明显大幅度的提高。

2)污泥经过最优水解条件预处理后进行厌氧消化反应，但没有达到预期的效果。表明用浓度为98%的H2SO4和1N的NaOH作为试剂调节PH再进行高温加热对甲烷的产量没有起到促进作用反而抑制其产生。据研究报道，投入酸碱的种类及投加量对污泥溶解效果影响较大。在相同PH值条件下，H2SO4溶解细胞的效果要好于HCL；2价碱(如Ca(OH)2等)处理效果要比1价碱(NaOH、KOH)低[9]。Torres等将污泥加碱(Ca(OH)2)至浓度为31mmolL-1条件下进行6h碱处理，结果表明，污泥中SCOD增加了11.5%，对预处理污泥进行厌氧消化(SRT=10d)后，1kg VS可使CH4产气量达0.15m3，比未处理污泥提高72%[10]。由此可见，热化学预处理污泥后可以对甲烷产气有促进作用，但是对于化学试剂的不同选择导致最后的产气量差异巨大。

[1]http://baike.baidu.com/link?url=Gn6KJVqcOnUkNF61-9kuaavSMMLCve0Tmm0BotGO1fueY_ioN9qva9TUhswjZSekit02Fqe7pFlw3bEfBe4SzoEk1Gjm0gsq44LJFBspHtO/

[2]贾瑞来，魏源送，刘吉宝.基于微波-过氧化氢-碱预处理的污泥水解影响因素[J].环境科学，2015，36(6):2222-2231.

[3]胡亚冰，张超杰，张辰，等.碱解处理对剩余污泥融胞效果及厌氧消化产气效果[J].四川环境，2009，28(1):1-4.

[4]邱春生，杜广春，骆尚廉，等.预处理方式对剩余污泥水解及厌氧产甲烷性能的影响[J].环境工程，2016，34(3)：133-136.

[5]Gao,R,L.,Yang,Q.,et al.(2009).Effects of Different Pretreatment of Waste Activated Sludge on Methane Production via Anaerobic Digestion.Food Science and Biotechnology,28(1).

[6]Kayhanian,M.,(1999).Ammonia inhibition in high-solids biogasification:an overview and practical solutions.Environ.Technol.20,355-365.

[7]Kayhanian,M.,(1994).Performance of a high-solids anaerobic digestion process under various ammonia concentrations.J.Chem.Tech.Biotechnol.59,349-352.

[8]Koster,I,W.,& Lettinga,G.,(1984).The influence of ammonium-nitrogen on the specific activity of pelletized methanogenic sludge.Agric.Wastes 9,25-216.

[9]李敏，郭静，罗王景，1997.化学前处理-改善城市污水污泥厌氧消化处理的有效途径[j]。城市环境与城市生态，10(4):60-62.

[10]Torres M L,Llorens M D C E.2008.Effect of alkaline pretreatment on anaerobic digestion of solid wastes[J].Waste Management,28:2229-2234.

黔南民族师范学院校级科研项目，项目编号：qnsy2016033，项目名称：都匀市雨花湖湿地公园水体富营养化程度调查与治理对策研究。