超声与碱对污泥水解酸化效率的研究

韦新东，刘丞轩，崔玉波，孙红杰，马君文

1 吉林建筑大学 市政与环境工程学院,长春 130118 2 大连民族大学 环境与资源学院,大连 116600

0 引言

近年来,我国经济水平快速上升,人口不断增长,人们的生活水平和质量也随之提高,同时生活污水排放量迅速增长,污水处理厂的数量规模也逐步提升,使污水处理厂内的剩余污泥产量逐年递增.因此,如何有效处理剩余污泥以及如何进行资源化利用都面临着巨大的挑战.研究表明,污泥的厌氧消化可以有效减少剩余污泥量并很好地实现资源化利用.而超声、碱预处理是提高污泥厌氧消化效率的无害方法受到人们广泛关注.

单独碱预处理技术可以通过改变剩余污泥细胞的渗透压分解污泥,使细胞内有机物溶出,同时也能有效地破碎细胞壁与胞外聚合物.李震等[1]人研究发现,在pH=12处理2 h后,VFAs浓度是对照组的1.85倍,乙酸含量高达76.1 %,相应的污泥厌氧发酵产甲烷量为105.6 mL/(g VS),较对照组提升31 %.但是单独的碱预处理会一定程度上抑制生物的降解性,张少辉等[2]人研究认为,碱处理会释放抑制分子,分子内反应会生成难降解化合物且碱单独预处理时,碱的投加量很大,不适合剩余污泥资源化利用.

超声预处理是一种新兴的、可以有效破碎污泥的技术方法.徐贵华等[3]人研究认为,超声单独预处理可以显著加强剩余污泥厌氧消化效能,提高COD和VFA等的产量,并证实了超声预处理是通过空化破碎产生的剪切力破坏污泥絮体以及细胞壁.赵庆良等[4]人研究认为,在超声声能密度为0.8 W/mL和1.5 W/mL作用30 min后,污泥的溶解性COD是原泥的4.7倍和6.0倍.因此,本文主要考虑超声+碱解组合预处理方式,也有学者对此进行研究.徐慧敏等[5]人研究认为,超声联合碱解组合预处理,对污泥的有机质溶解和破解的效果比单独超声和单独碱解作用之和的效果还要更好.张婧伟等[6]人研究认为,超声与碱组合预处理可以在较低的声能密度和pH条件下更好地破坏污泥絮体,增加蛋白质、多糖、腐殖质和VFA等的释放.

大量实验研究表明,超声、碱预处理可以有效破解污泥,溶出污泥内大量有机物,提高水解酸化效率,增加挥发性脂肪酸、COD的产量.在前期研究基础上,大多是在污泥含水率98 %左右水解酸化,剩余污泥容积较大,对于实际生产存在不足.因此,本研究选择脱水污泥,通过改变其含水率到91 %左右进行水解酸化,减小了污泥体积,为实际生产提供参考.本研究采用超声声能密度3.562 5 W/mL,超声时间10 min,并通过加入10 % 氢氧化钠溶液调节污泥pH值至10的预处理方式.之后采用碱+超声组合处理、单独碱处理、单独超声处理3种处理方式与原泥对比,在相同实验条件下分批采样,测定其在不同处理方式下水解酸化产物中的COD、VFA、氨氮、磷酸盐、总氮、总磷的变化情况,从而验证最优的预处理方式以及最优的水解酸化时间.

1 材料与方法

1.1 实验装置

1.1.1 污泥来源及性质

污泥取自辽宁省大连市某污水处理厂污泥脱水间,脱水污泥取回后称重、烘干、马弗炉灼烧测量其含水率、VS.测得该污水厂脱水污泥含水率为83 %,VS=737.66 mg/g.

1.1.2 超声装置

超声装置为探头式超声波反应器,由超声波发生器(电源)、换能器组件与隔音箱组成,中间由专用电缆相连.超声频率在20 kHz ～25 kHz,超声功率为950 W,探头直径10 mm,处理量30 mL ～300 mL,功率比1 %～90 %.

1.1.3 水解酸化反应器

500 mL磨口锥形瓶盖子加封口膜密封置于恒温水浴振荡器中,设置水温37 ℃进行水解酸化.

1.2 实验方法

采用碱+超声组合处理、单独碱处理、单独超声处理3种处理方式与原泥对比,验证最佳的预处理方式.3种处理方式同时进行,在37 ℃恒温水浴振荡器中水解酸化5 d,每隔24 h取样检测一次,考察不同处理方式下水解酸化产物中的COD，VFA、氨氮、磷酸盐、总氮、总磷的变化情况.

1.2.1 超声预处理污泥水解酸化

称量40 g 83 %含水率的脱水污泥,加入40 mL蒸馏水调整其含水率至91 %.调整超声装置输出功率,然后将污泥样品固定在升降台,抬高升降台将探头置于液面下1.5 cm.超声预处理完的污泥样品加蒸馏水稀释至含水率98 %后倒入500 mL磨口锥形瓶密封,置于恒温水浴振荡器中37 ℃进行5 d的水解酸化,每隔24 h取样检测一次.

1.2.2 碱预处理污泥水解酸化

称量40 g 83 %含水率的脱水污泥,加入40 mL蒸馏水调整其含水率至91 %,再用10 %氢氧化钠溶液将泥水混合物pH调至10.加蒸馏水稀释至含水率98 %后倒入500 mL磨口锥形瓶密封,置于恒温水浴振荡器中37 ℃进行5 d的水解酸化,每隔24 h取样检测一次.

1.2.3 碱+超声预处理污泥水解酸化

本实验采用先碱解后超声的处理方式,称量40 g 83 %含水率的脱水污泥,加入40 mL蒸馏水调整其含水率至91 %,再用10 %氢氧化钠溶液将泥水混合物pH调至10,将污泥样品放置于超声升降台后调整升降台高度,使超声探头位于液面下1.5 cm,设置超声声能密度与超声时间并开始超声.超声完成后将碱+超声组合预处理的污泥样品加入蒸馏水稀释至含水率98 %,倒入500 mL磨口锥形瓶密封,置于恒温水浴振荡器中37 ℃进行5 d的水解酸化,每隔24 h取样检测一次.

1.2.4 测定方法

化学需氧量(COD)：重铬酸钾法;挥发性脂肪酸(VFA)：蒸馏法;氨氮：纳氏试剂法;磷酸盐：磷钼蓝法;总氮：过硫酸钾消解-硫酸肼还原法;总磷：过硫酸钾消解-钼锑抗法.

2 结果与分析

本研究主要控制污泥超声时间为10 min,超声声能密度3.562 5 W/mL,对同一批污泥同时进行碱加超声、单独碱、单独超声3种预处理方式与原泥对比,分别考察5 d水解酸化过程中污泥水解酸化液中COD,VFA等重要指标的检测.

测定污泥COD 的5 d变化情况如图1所示.从图1中可以看出,碱+超声组合的预处理方式COD含量与水解酸化时间呈反比,预处理完未经过水解酸化的污泥COD含量达到峰值;污泥经过单独超声的预处理方式后COD含量变化趋势与碱解+超声组合预处理方式相似,也是在处理后未经过水解酸化到达峰值;而单独超声的预处理方式COD变化趋势较为平缓,呈现先增长再下降的变化规律,其COD含量在水解酸化第2 d到达峰值;而不经过任何处理的原泥效果较差,其COD含量在第3 d到达峰值随后平缓下降.由此可见,碱+超声的组合预处理方式对污泥水解酸化释放COD的效果最好,之后为单独碱解,单独超声,原泥.其中对于单独碱解的处理方式效果强于单独超声的处理效果,原因可能是污泥含固率较高,导致超声在污泥中传播受阻,使得污泥中COD产出效果不理想,单独碱解通过搅拌可以达到较为理想的细胞破碎效果,进而使COD产量相对单独超声高.碱+超声预处理方式COD的峰值分别是单独碱解,单独超声,原泥峰值的1.97倍、3.21倍、9.85倍. 因此,对污泥水解酸化过程中COD含量促进效率最高的处理方式为碱+超声组合预处理,其次是单独碱解,单独超声.

图1 COD 5 d变化情况Fig.1 5-day change of COD

测定污泥VFA 的5 d变化情况如图2所示.从图2中可以看出碱+超声的预处理方式VFA含量明显最高,在水解酸化1 d后迅速增长,随后又稍许减少,在第4 d增长达到峰值.在水解酸化时间相同的情况下,碱+超声组合预处理方式效果最好,之后是单独碱解,单独超声,原泥,原因同样是因为污泥浓度太大导致污泥呈现粘稠状,超声在介质中传播受阻,不能起到很好的空化破碎效果.碱+超声预处理方式的VFA峰值分别是单独碱解、单独超声、原泥峰值的2.33倍、3.63倍、5倍.因此,对污泥水解酸化过程中VFA含量促进效率最高的处理方式为碱+超声组合预处理,其次是单独碱解,单独超声.

图2 VFA 5 d变化情况Fig.2 5-day change of VFA

测定污泥氨氮的5 d变化情况如图3所示.从图3中可以看出,剩余污泥在预处理后经过1 d时间的水解酸化产生了大量氨氮.这是因为超声与碱预处理后细胞破碎,细胞内大量有机氮在细胞外转化为氨氮.又因厌氧条件下细胞增殖少,只有少量氮会转化为细胞物质,所以上清液中氨氮浓度较高.因此,氨氮的量可以间接反映不同处理方式对污泥水解酸化过程中NH4+-N含量促进效率.依然是碱+超声组合处理方式对氨氮的产量影响最大,之后是单独碱解,单独超声.

图3 NH4+-N 5d变化情况Fig.3 NH4+-N 5-day change

测定污泥总氮的5 d变化情况如图4所示,处理完未经过水解酸化的总氮含量相比同时期氨氮含量,不同处理方式相差很大.此时的总氮含量大部分为细胞内溶出的有机氮,所以第0天的总氮含量可以直接反映出不同的预处理方式对污泥水解酸化过程中TN含量促进效率,依次是碱+超声组合处理,单独碱解,单独超声.

图4 TN 5d变化情况Fig.4 TN 5-day change

磷酸盐与总磷变化趋势大致相同,P不仅是很多有机化合的组成成分,还能以各种方式参与生命体的代谢和活动.最普遍是以核糖核酸(RNA)、脱氧核糖核酸(DNA)等形式广泛出现. 测定污泥磷酸盐,总磷的5 d变化情况如图5,图6所示.

图5 PO43--P 5d变化情况Fig.5 PO43--P 5-day change

图6 TP 5d变化情况Fig.6 TP 5-day change

从图5，图6中可以看出,二者含量以及变化趋势大致相同,经过1 d的水解酸化迅速增长到达峰值,随后平缓下降.污水生物除磷经过吸磷储存在污泥中,在通过排泥去除,因此污泥中磷含量较高.所以第0天总磷含量的多少可以反映出不同处理方式对污泥的破碎效果,与前面研究结果一致,碱+超声组合预处理方式对污泥破解效果最好,其次是单独碱解,单独超声.

3 结论

(1) 碱+超声组合预处理的方式对剩余污泥的水解酸化促进效果最明显,COD峰值分别是单独碱,单独超声,原泥峰值的2.33倍、3.63倍、5倍;VFA峰值分别是单独碱,单独超声,原泥峰值的2.33倍、3.63倍、5倍.可见,碱加超声组合预处理方式对促进污泥水解酸化效果最佳.

(2) 不同的处理方式对污泥的水解酸化上清液中NH4+-N,TN含量的影响较为明显.在5 d的水解酸化过程中碱+超声组合预处理的污泥上清液NH4+-N,TN含量最高,其次是单独碱解,单独超声.NH4+-N峰值分别是单独碱,单独超声,原泥峰值的2.33倍、3.63倍、5倍; TN峰值分别是单独碱,单独超声,原泥峰值的2.57倍、1.96倍、1.69倍.可见,碱加超声组合预处理方式对促进污泥水解酸化效果最佳.

(3) 不同的处理方式,对污泥的水解酸化上清液中PO43--P,TP含量的影响不大.在5 d的水解酸化过程中,第0天还未进行水解酸化时,碱+超声组合预处理与单独碱解预处理的污泥上清液PO43--P,TP含量相差不大,其次是单独超声,原泥.但水解酸化1 d后,原泥中PO43--P和TP的含量迅速增加,可见,3种预处理方式对磷含量变化的影响很小.

(4) 单独超声的处理方式对剩余污泥的破碎效果不如单独碱解的处理方式,原因在于污泥浓度大,使污泥处于粘稠状态,不利于超声在介质中的传播,导致超声效果不理想;而单独加碱通过搅拌可以使氢氧化钠对污泥作用均匀,从而达到良好的破碎效果.

(5) 综上可知,碱+超声组合预处理方式对污泥水解酸化的促进效率最高,其次是单独碱解和单独超声.