连续流剩余污泥的先酸后碱调节对污泥水解特性的影响研究

苑宏英，杨召峰，李 琦，王宏斌

（天津城建大学a.环境与市政工程学院；b.天津市水质科学与技术重点实验室；c.基础设施防护和环境绿色生物技术国际联合研究中心，天津300384）

近年来，我国城镇污水处理厂的建设规模不断扩大，使得污水处理能力逐年上升，但随之也产生了大量的剩余污泥，到2016年年底，全年累计处理污水量达448.8亿m3[1]，与之相对应的污泥年产量已超过3 500 万t（以含水率80%计）.在2009年，郭广慧等[2]表明：我国污水处理厂产生的污泥中有机质的平均含量为280 g/kg，且城市污泥的总氮（TN）和总磷（TP）含量呈逐渐增加的趋势. 同时，2011年，刘蕾等[3]系统性地指出：有机质是污水处理厂剩余污泥的主要成分，我国污水处理厂剩余污泥中的有机质含量高达50%～70%.

污泥中的有机物大部分是微生物的细胞物质，难以为厌氧微生物所利用，因此会造成污泥停留时间长（20～30 d）、消化池容积大等问题[4]，最终限制了污泥的厌氧消化处理.而且在2011年，TYAGI V.K 等人提到：剩余污泥中胞外聚合物（EPS）和微生物阻碍了污泥的水解[5].于是，如何破坏污泥的EPS、微生物细胞壁，改善污泥的水解及脱水性能，促进有机质的释放，是污泥后续处理及资源化利用的前提.

酸-碱预处理污泥，通过抑制细胞活性和破坏污泥絮体结构，使细胞间的间隙水释放，改善污泥的脱水性能，并使污泥中微生物的胞外聚合物（EPS）和细胞壁溶解，释放出胞内物质，有利于其水解及再利用[6-7].然而，课题组前期研究多是针对酸碱单独调节污泥，因此本实验主要研究连续流剩余污泥的酸碱调节，以期指导工程实践.

1 材料与方法

1.1 实验装置与方法

（1）连续流污泥反应器. 连续流污泥预处理反应器其规格为：长2 m，宽0.8 m，高0.6 m.I～IV 号池属于第一个酸处理阶段的反应池，控制的反应条件相同，各池容积也相同，每个反应池有效容积为0.4×0.4×0.5（80 L），内设搅拌桨使剩余污泥与酸（或碱）均匀接触，为保证处理效果，每个反应池均配有数显搅拌器对污泥进行恒速搅拌；V～VIII 号池属于第二个碱处理阶段的反应池，各池容积相同，每个反应池的有效容积为0.4×0.4×0.18（28.8 L），也设有搅拌桨；IX 和X 分别是第一个和第二个沉淀池.每个反应池均设有取样口，取样前将廊道的污泥混合均匀. 依照课题组前期研究，在酸碱分别调节的第四天，污泥水解效果最显著[4]，因此该实验样品，每日取一次，八天一个周期.连续流污泥预处理反应器的平面图见图1.

该装置为敞开式，反应器中剩余污泥的温度为环境温度.实验连续运行时，I～IV 号池所控制的条件相同，V～VIII 号池控制的条件相同，剩余污泥通过蠕动泵连续不断地注入I 号池，流量为10 L/h.污泥经过I～IV 号（即停留时间4 d）的酸阶段调节处理后进入第一个沉淀池IX，在IX 号池静沉一天后，沉淀后的浓缩污泥利用蠕动泵从IX 号池底部抽出后注入V 号池，进入碱调解阶段.在V～VIII 号池继续反应4 d，最后污泥进入第二个沉淀池（X 号反应池），沉淀一天后，沉淀的污泥收集后用于进一步处理.

图1 实验装置平面

（2）实验方法.分别考查10～15 ℃和25～35 ℃环境条件下，先酸后碱联合处理（以下称酸-碱处理）剩余污泥水解性能的变化.许德超[8-9]等人表示，高温会使污泥产生难降解的有毒物质，本实验用到常温来代替高温的情况，方便易行.经前期课题组实验研究发现：pH=3.0 条件下氮、磷的释放量达到最大；pH=10.0 条件下有机质释放量最大[10-13].研究中酸、碱处理分别选择pH=3.0 的溶液（30%的HCl 溶液）和pH=10.0 的溶液（20%的NaOH 溶液）进行调节.

每个周期取样8 次，分析整理8 d 所测数据，将对应的各反应池，每日数据平均后进行分析.取样测定时，从8 个处理池中分别取污泥样本100 mL，经离心后取出上清液测定蛋白质、碳水化合物及COD 的含量.

1.2 污泥来源与性质

试验所用剩余污泥来自天津市某污水处理厂（采用A2O 工艺）二沉池回流污泥井，污泥的初始特性见表1.

表1 实验用泥的初始特性

1.3 测定方法

（1）碳水化合物采用蒽酮法进行测定[14].

（2）蛋白质采用Folin-酚法进行测定[15-16].

（3）有机质释放率按如下公式计算

式中：A0、Af为处理前后污泥样品离心液的有机质浓度；As 为污泥样中总的有机质浓度；V0、Vf为污泥样品离心液的体积；Vs 为污泥样体积.

（4）其他测试项目均参照《城市污水处理厂污泥检验方法》和《城市污水水质检验方法标准》进行测定.其中，pH 值使用PHS-3C 型pH 计，用玻璃电极法测得；COD 使用HACH DR 1010 和DRB200 消解仪，采用重铬酸钾法测得；消解后含水率利用SFY-20A 卤素快速水分测定仪测得.

2 结果与讨论

2.1 SPN、SPS 和SCOD 的释放量变化情况

连续流反应器中剩余污泥在10～15 ℃和25～35 ℃的温度条件下SPN、SPS 及SCOD 释放规律见图2.

图2 显示：不同温度下，无论酸调节或碱调节，随着停留时间的延长，SPN、SPS 及SCOD 的释放逐渐增加.温度条件在25～35 ℃下，三种有机质在从酸性阶段到碱性阶段的变化过程中，释放量在不断地升高，尤其在酸性转为碱性阶段时，三种有机质释放量都有大幅度上升.在酸处理阶段，三种有机质的释放量增加缓慢.其中，SPS 和SCOD 释放量规律相似，在酸处理阶段第二天达到最大值，分别为12.54、150.47 mg/g VS，而最低释放量分别为10.85、130.23 mg/g VS. 在碱性阶段SPN、SPS、SCOD 三种有机质释放量比酸阶段高2～3 倍，最大释放量分别为179.00、28.07、336.86 mg/g VS，这与其他研究者的结论相同[17-21]. SPN 释放量在碱处理阶段第三天达到峰值，SPS 和SCOD 的释放量在碱处理阶段的第一天就达到最大值.在碱阶段的第二天，SPS 和SCOD 释放量变化趋势趋于平缓，其中SPS 的最高和最低释放量为28.07、26.80 mg/g VS，SCOD的最高和最低释放量分别为336.86、321.45 mg/g VS，王贺飞[22-24]等同样得出相似的结论.

图2 不同温度下三种有机质的释放量

温度在10～15 ℃下，SPN、SPS、SCOD 释放量均在上升，但变化较25～35 ℃时缓和.碱阶段的释放量增幅高于酸阶段，最大释放量都出现在最后一天，分别为：65.51、12.26、168.30 mg/g VS.

2.2 SPN、SPS 和SCOD 的释放率变化情况

每日从反应器中取样后，取一定体积的样品离心使固液分离，并记录离心后溶液的体积，随后测定样品和离心液中SPN、SPS 和SCOD 的浓度，根据污泥经酸、碱处理前后污泥体积、浓度计算物质释放率.

连续流反应器中剩余污泥的SPN、SPS 及SCOD的释放率变化情况见图3.

图3 不同温度下三种有机质的释放规律

由图3 可知，温度升高有利于SPN、SPS 及SCOD的释放，10～15 ℃时，三个检测指标的最大释放率在5%～9%，25～35 ℃最大释放率在12%～20%，是10～15℃条件下的2.5 倍左右.10～15 ℃时，酸阶段的SPN、SPS 及SCOD 释放率保持在比较低的范围，进入碱阶段后，随着停留时间延长，释放率也一直在增大，并在第八天达到最大释放率，分别为4.93%、8.84%、7.93%，这与袁光环等[22，25-26]的研究基本一致；25～35 ℃下，酸阶段的SPN、SPS 及SCOD 释放率较低温时高，进入碱阶段后迅速达到最大释放率，分别为12.8%、19.3%、14.47%，说明高温条件下药剂与污泥的作用速率大大提高，有利于提高有机质的释放效率.

温度和酸-碱处理对污泥中有机质的释放都有较大的影响，可能的原因：一是温度升高，微生物细胞受热膨胀，细胞内的物质更容易快速被释放出来；二是在酸阶段进入碱阶段的有机质增长，可能碱性对产甲烷菌的抑制效果比酸性好，使得有机质转化的可能性降低，所以碱性条件更有利于污泥的水解，Lin[27]等人得到同样的结论；三是碱性条件破坏污泥絮体结构的效果比酸性条件好，碱性更易使细胞的间隙水释放，并使微生物的胞外聚合物（EPS）和细胞壁溶解，释放出有机质，而且EPS 会随着pH 值升高而增加.

经计算，试验所用剩余污泥中蛋白质和碳水化合物分别占总COD 的45.0%～57.3%和6.2%～10.2%，可以看出，蛋白质是剩余污泥的主要组成部分，可以最大程度地促进污泥水解，其中的蛋白质释放对污泥资源化利用有重要的意义.

3 结 论

连续流剩余污泥的先酸后碱调节可以最大程度地促进污泥水解并使其中的蛋白质释放出来，对污泥资源化有着重要的意义.

经研究发现：温度升高有利于有剩余污泥里的有机质释放；相较于10～15 ℃温度条件，在25～35 ℃温度下，碱处理阶段比酸处理阶段更有利于SPN、SPS和SCOD 的释放，最大释放量分别为179.00、28.07、336.86 mg/g VS，释放率分别为12.8%、19.3%、14.47%.并且随着温度的升高，污泥的水解速度加快.