化学强化初沉污泥厌氧消化产甲烷潜力研究

肖丽君, 马向伟， 王永生， 都的箭， 吴 晴， 熊蒂程

(1.空军研究院工程设计研究所， 北京 100000； 2.北京首都开发股份有限公司， 北京 100068)

随着循环经济理念的提出，探究高效节能的污水处理模式势在必行。我国传统的城镇污水处理厂由于工艺限制，大量的有机物质需在二级生物处理单元进行去除，这不仅增加了二级生物处理单元的负荷，而且提高了污水处理厂运行成本。同时，传统污泥厌氧消化系统存在有机物降解率低及甲烷产量不足的问题。研究表明[1]，污水中含有大量有机物，含有大量化学能，适于厌氧消化产能。因此，对污水处理厂进水中的有机物进行截留，不仅可以降低二级生物处理单元的运行负荷还可以通过厌氧消化产甲烷实现能量回收，具有较大的经济效益。本试验采用CEPT对污水处理厂进水中的非溶解性有机物进行截留，然后通过厌氧消化的方法对CEPT截留下来的化学强化初沉污泥进行能量回收。由于进水水质、混凝剂种类和混凝条件不同，化学强化初沉污泥中的组分差异较大，其厌氧消化效果在国内外尚未形成统一的观点。有学者认为[2-8]，化学强化初沉污泥厌氧消化效果较普通初沉污泥好，适宜厌氧消化产能；有学者认为[9-10]，化学强化初沉污泥厌氧消化效果较普通初沉污泥差，混凝剂对污泥的厌氧消化过程有抑制作用。但相关研究结果表明[3，9]铁盐混凝剂较其他混凝剂厌氧消化效果好同时铁盐价格低。因此，本试验采用三氯化铁作为混凝剂，针对特定水质，通过中温、高温厌氧消化试验确定适宜化学强化初沉污泥的混凝剂投加量及处理工艺。

1 实验装置、材料与方法

1.1 试验装置

本试验反应器采用的厌氧消化装置是瑞典Bioprocess Control公司生产AMPTSⅡ(Automatic Methane Potential Test System)。该厌氧消化反应器是针对物料产甲烷潜力(BMP)开发的专用设备，具有很高的精密性和稳定性。该系统主要包括：水浴加热单元、厌氧消化瓶(内置搅拌装置)、碱液吸收瓶(吸收CO2等)、湿式气体计量单元(计量甲烷气体体积)、数据采集系统等。试验原理简图如图1所示。

图1 AMPTSⅡ系统原理图

1.2 试验材料

试验所用接种厌氧消化污泥和普通初沉污泥分别取自青岛市海泊河污水处理厂厌氧消化池和初沉池，化学强化初沉污泥在实验室通过化学一级强化处理产生。取海泊河污水处理厂格栅间出水，投加一定量(20，30，40 mg·L-1Fe3+)的FeCl3，以300 r·min-1快速搅拌1 min，60 r·min-1慢速搅拌3 min，静置沉淀40 min后采用虹吸法除去上清液，从而获得化学强化初沉污泥。厌氧消化试验开始前对化学强化初沉污泥进行一定的重力浓缩，使污泥含固率在5%左右。中温厌氧消化试验和高温厌氧消化试验所用污泥的主要性质分别如表1和表2所示。

表1 中温厌氧消化试验用污泥的主要性质

表2 高温厌氧消化试验用污泥的主要性质

1.3 试验方法

1.3.1 接种厌氧消化污泥的驯化

试验开始前在中温(35 ℃)、高温(55 ℃)厌氧条件下对试验所用接种厌氧消化污泥进行驯化，以使微生物种群适应新的温度环境，同时降低消化污泥中原有的有机质含量，避免对厌氧消化结果产生干扰。当厌氧消化污泥产甲烷速率低于10 mL·d-1时结束驯化。

1.3.2 厌氧消化试验

将化学强化初沉污泥与接种厌氧消化污泥按一定比例(VSS比为1∶2)混合后装入厌氧消化系统中(650 mL)，混合污泥总体积控制为400 mL，在35 ℃，55 ℃条件下进行厌氧消化试验。试验开始前向厌氧消化系统中通氮气2 min以保证严格的厌氧环境。试验采用机械间歇性搅拌，搅拌和间歇时间均为60 s，待产甲烷量稳定后结束试验。每组试验设3组平行样本，取平均值作为最终结果。

1.3.3 指标测定及方法

TS和VSS采用重量法[11]进行测定；甲烷产量采用碧普进行在线监测。

2 结果分析

2.1 中温厌氧消化化学强化初沉污泥产甲烷效果

图2为试验污泥单位VSS累积产甲烷量。由图可知，化学强化初沉污泥单位VSS累积产甲烷量较普通初沉污泥高。其中，化学强化初沉污泥30 mg·L-1Fe3+组单位VSS累积产甲烷量最高，达397.6 mL·g-1VSS，较普通初沉污泥提高了51.1%。可能是因为化学强化初沉污泥中含有一定量Fe3+，由于Fe3+是参与厌氧消化反应主要酶的活性中心组分，添加适量的Fe3+能增加酶的活性[12]，同时Fe还是厌氧微生物体内细胞色素和细胞色素氧化酶的主要成分[13]。因此，化学强化初沉污泥较普通初沉污泥产甲烷量高。

图2 污泥厌氧消化单位VSS累积产甲烷量

随着CEPT三氯化铁投加量的增加，化学强化初沉污泥单位VSS累积产甲烷量降低，化学强化初沉污泥40 mg·L-1Fe3+组单位VSS累积产甲烷量较30 mg·L-1Fe3+组降低了8.9%，主要是因为化学强化初沉污泥中Fe含量过高，不仅会对产甲烷菌的活性产生抑制，也会抑制水解酸化菌和产氢产乙酸菌的生长[14]，因此，必须控制CEPT三氯化铁的投加量。

图3为化学强化初沉污泥的逐日产甲烷量。由图可知，化学强化初沉污泥逐日产甲烷量变化趋势大致相同，产甲烷量均为先上升后下降。在反应周期前2～3天，由于厌氧消化系统中易降解有机物较充足，系统内产甲烷菌将其快速降解为沼气[15]，因此，甲烷产量出现明显的高峰。在反应周期的第3至第7天，系统中易降解有机物被完全利用，系统日产甲烷量开始下降。由于化学一级强化截留了大量的易降解有机物，因此，化学强化初沉污泥较普通初沉污泥厌氧消化产甲烷量高；化学强化初沉污泥产气高峰较普通初沉污泥慢，这是因为化学一级强化形成的絮体包裹了部分有机质，有机质释放需要时间，使得在同样负荷条件下，厌氧消化初期产气量较普通初沉污泥少，与明磊[2]的研究结果相同。

图3 污泥厌氧消化逐日产甲烷量

2.2 中温条件下化学强化初沉污泥有机物降解情况分析

为了进一步探究化学强化初沉污泥厌氧消化产甲烷量较普通初沉污泥高的原因，研究了中温厌氧消化条件下SCOD、溶解性碳水化合物、溶解性蛋白质厌氧消化前后的含量和降解率，分别如图4～图6所示。

图4 厌氧消化前后SCOD浓度及降解率

图5 厌氧消化前后溶解性碳水化合物浓度及降解率

图6 厌氧消化前后溶解性蛋白质浓度及降解率

由图4、图5、图6可知，普通初沉污泥和化学强化初沉污泥SCOD降解率和溶解性碳水化合物降解率相差不大均在90%左右，在SCOD和溶解性碳水化合物降解率基本相同的情况下，普通初沉污泥和化学强化初沉污泥溶解性蛋白质降解率存在较大的差异。其中，化学强化初沉污泥30 mg·L-1Fe3+组最高，达75.7%，较普通初沉污泥提高了26.9%，化学强化初沉污泥20 mg·L-1Fe3+组,40 mg·L-1Fe3+组溶解性蛋白质降解率分别为69.3%，50.4%，较普通初沉污泥分别提高了20.5%，1.6%。因此，化学强化初沉污泥中铁盐的存在促进了污泥中溶解性蛋白质的降解，导致化学强化初沉污泥产甲烷量提高；当化学一级强化三氯化铁投加量为40 mg·L-1Fe3+时，SCOD、溶解性碳水化合物和溶解性蛋白质降解率均降低。因此，过量的铁盐不利于污泥厌氧消化过程中有机物质的降解。

2.3 高温厌氧消化化学强化初沉污泥产甲烷效果

图7为试验污泥在高温厌氧消化条件下单位VSS累积产甲烷量。由图可知，化学强化初沉污泥较普通初沉污泥单位VSS累积产甲烷量明显增加，其中化学强化初沉污泥20 mg·L-1Fe3+组单位VSS累积产甲烷量最高，达350.93 mL·g-1VSS，较普通初沉污泥提高了25.3%。可能是因为化学一级强化截留了大量有机物，为污泥厌氧消化提供了丰富的基质，使污泥C/N维持在合适的范围之内；随着CEPT三氯化铁投加量的增加，化学强化初沉污泥单位VSS累积甲烷产量有降低的趋势，其中化学强化初沉污泥40 mg·L-1Fe3+组单位VSS累积产甲烷量较20 mg·L-1Fe3+组降低了10.5%，与中温厌氧消化具有相似的结果。

图7 污泥厌氧消化单位VSS累积产甲烷量

2.4 中高温厌氧消化性能对比

2.4.1 中高温厌氧消化产甲烷量对比

图8为中温和高温厌氧消化条件下试验污泥单位VSS累积总甲烷产量对比。由图可知，普通初沉污泥在中温和高温厌氧消化条件下单位VSS累积总甲烷产量差异并不明显，高温厌氧消化条件下较中温厌氧消化条件高，符合传统污泥厌氧消化产甲烷结果，与张辰[16]等的研究结果一致。主要是因为普通初沉污泥中含有大量的微生物，高温条件有利于微生物破胞，有机物溶出，提高了有机物降解率。因此，高温厌氧消化单位VSS累积甲烷产量较中温厌氧消化高。

图8 污泥单位VSS总甲烷产量

化学强化初沉污泥中温厌氧消化条件下单位VSS累积产甲烷量明显高于高温厌氧消化。其中，化学强化初沉污泥20 mg·L-1Fe3+组,30 mg·L-1Fe3+组,40 mg·L-1Fe3+组中温厌氧消化条件下单位VSS累积产甲烷量较高温厌氧消化分别高13.4%，24.8%，15.3%，与传统中高温厌氧消化产甲烷量不一致。主要是因为CEPT截留的主要是悬浮性基质，微生物含量较少，因此高温厌氧消化在这方面优势不明显。其次，产甲烷菌对环境温度和pH值的变化十分敏感[17]，由于化学强化初沉污泥在高温厌氧消化条件下的水解速率和水解产酸程度较中温厌氧消化条件高，会引起厌氧消化系统pH值的降低。产甲烷菌对环境pH值的变化十分敏感，是高温厌氧消化产甲烷效果较差的重要原因。

2.4.2 中高温厌氧消化污泥减量化程度对比

图9为中温和高温厌氧消化条件下试验污泥的VSS降解率。由图可知，高温厌氧消化条件下，普通初沉污泥VSS降解率较中温厌氧消化条件高，这与张辰[13]等的研究结果一致；化学强化初沉污泥高温厌氧消化VSS降解率较中温厌氧消化低，其中化学强化初沉污泥30 mg·L-1Fe3+组高温厌氧消化条件下的VSS降解率较中温厌氧消化条件下降低了11.6%，与普通初沉污泥对比结果存在差异。可能是因为混凝剂在高温厌氧消化条件下的水解程度较中温厌氧消化条件高，使厌氧消化系统的pH值降低，由于产甲烷菌适宜中性和偏碱性条件[18]，因此，化学强化初沉污泥高温厌氧消化VSS降解率较中温厌氧消化低。

图9 中温高温厌氧消化VSS降解率

综合以上结论可知，化学强化初沉污泥在中温厌氧消化条件下，具有产甲烷量高、污泥减量化程度好的特点。因此，化学强化初沉污泥适宜采用中温厌氧消化方式进行能量回收。

3 结论

(1)中温厌氧消化试验结果表明：化学强化初沉污泥30 mg·L-1Fe3+组单位VSS累积产甲烷量最高，达397.63 mL·g-1VSS，较普通初沉污泥高51.1%；混凝剂的存在促进了化学强化初沉污泥中溶解性蛋白质的降解是化学强化初沉污泥厌氧消化产甲烷量较普通初沉污泥高的重要原因。

(2)高温厌氧消化试验结果表明：化学强化初沉污泥20 mg·L-1Fe3+组单位VSS累积产甲烷量最高，达350.93 mL·g-1VSS，较普通初沉污泥提高25.3%。

(3)中高温厌氧消化对比试验结果表明：中温厌氧消化条件下，化学强化初沉污泥单位VSS累积产甲烷量明显高于高温厌氧消化，化学强化初沉污泥30 mg·L-1Fe3+组中温厌氧消化单位VSS累积产甲烷量较高温厌氧消化高24.8%；中温厌氧消化条件下化学强化初沉污泥VSS降解率较高温条件高。其中，化学强化初沉污泥30 mg·L-1Fe3+组中温厌氧消化VSS降解率较高温厌氧消化提高了11.6%，化学强化初沉污泥适宜采用中温厌氧消化工艺。