1 引言

　　隨著城市污水處理廠數(shù)量的增加和處理效率的不斷提高，污水廠污泥產(chǎn)量也隨之迅猛增長.截止到2010年底，全國城鎮(zhèn)污水處理廠數(shù)量達(dá)2496座，建成投運的城鎮(zhèn)污水處理廠日處理能力已達(dá)1.25億m3，含水率為80%的濕污泥產(chǎn)量超過2000萬t，其中，60%是典型生物工藝處理后的有機(jī)污泥.厭氧消化可有效減少污泥體積、降低含水率、消滅病菌，同時產(chǎn)生可利用生物質(zhì)氣體，滿足減量化、無害化和資源化的污泥處理處置原則.厭氧消化時，污泥在微生物作用下主要經(jīng)歷水解、產(chǎn)酸、產(chǎn)甲烷3個階段.傳統(tǒng)的厭氧消化存在消化速率低、停留時間長、處理效率低等特點(王治軍等，2005)，因為水解階段是厭氧消化過程的速度控制步驟，污泥大部分的有機(jī)物存在于微生物細(xì)胞內(nèi)，微生物半剛性細(xì)胞壁的保護(hù)作用使得其他微生物所分泌的水解酶對這部分有機(jī)物進(jìn)行水解的速率低，而厭氧消化的第一步水解階段的緩慢進(jìn)行影響了整個厭氧消化進(jìn)程.因此，要對污泥進(jìn)行強(qiáng)化預(yù)處理以破除污泥細(xì)胞壁的保護(hù)，釋放其中的有機(jī)物，進(jìn)而可達(dá)到提高污泥厭氧消化速度及性能的目的.

　　未經(jīng)任何預(yù)處理的污泥厭氧消化的生物降解率低，且對病原微生物的滅活作用不明顯.熱解可有效提高污泥的厭氧消化性能和微生物降解率.其中，高溫(130~210 ℃)、短時(15~60 min)預(yù)處理是一種常用的預(yù)處理方法，對污泥破壞程度大，但高溫作業(yè)缺點甚多，如能耗大、對設(shè)備要求高、操作運行危險等;低溫(50~100 ℃)熱解也是一種提升產(chǎn)氣及有機(jī)物降解性能的有效方式.低溫處理對污泥的破壞程度雖不如高溫處理，但有研究人員采用長時間(3~10 h)的處理也能達(dá)到不錯的破胞效果，而長時間的預(yù)處理同樣會大大增加污泥熱解裝置體積，使能耗劇增.權(quán)衡利弊，在實際工程中，低溫短時水熱預(yù)處理將更適合推廣，因此，該預(yù)處理方式對厭氧消化性能的提高更值得深入研究.

　　基于此，本文以低溫短時水熱預(yù)處理后的城市污水處理廠初沉污泥和混合污泥(剩余污泥+初沉污泥)為研究對象，在實驗室進(jìn)行高溫厭氧消化試驗研究.通過對不同類型的污泥在相同預(yù)處理(90 ℃、30 min)及高溫厭氧消化((55±1)℃，HRT=20 d)條件下的研究，分析低溫短時水熱預(yù)處理污泥的高溫厭氧消化的產(chǎn)氣狀況、有機(jī)物分解率及其穩(wěn)定性等特性.

　　2 材料與方法

　　2.1 污泥

　　接種污泥取自西安市鄧家村污水處理廠厭氧消化后的污泥均質(zhì)池，其pH為7.1，總固體(TS)為29.3 g · L-1，揮發(fā)性固體(VS)為12.6 g · L-1.原始污泥取自西安市第四污水處理廠初沉池(作為試驗用初沉污泥)和二沉池(剩余污泥)，試驗用的混合污泥由初沉污泥與剩余污泥經(jīng)沉降24 h后按體積比1∶1混合獲得.

　　根據(jù)前期對低溫短時水熱預(yù)處理條件的研究結(jié)果，當(dāng)90 ℃、處理時間達(dá)到30 min后，細(xì)胞破裂比例大幅提高，SCOD/TCOD和產(chǎn)氣量也顯著增加，因此，選擇90 ℃、30 min為污泥低溫短時水熱預(yù)處理條件.混合污泥和初沉污泥經(jīng)低溫短時水熱預(yù)處理后，加水稀釋到總固體TS為35 g · L-1左右作為高溫厭氧消化試驗用泥(基質(zhì))，于4 ℃冰箱保存待用.原始污泥與基質(zhì)特性如表 1所示.

表 1 原始污泥與基質(zhì)特性

　　2.2 試驗裝置

　　污泥厭氧消化采用完全混合式反應(yīng)器(Completely Stirred Tank Reactors，CSTRs)，試驗裝置如圖 1所示.反應(yīng)器總?cè)莘e為5 L，有效容積為4 L.進(jìn)泥的投加與消化液的排出由時間控制器控制投料-排液蠕動泵(BT100-2J，保定蘭格)完成，每天進(jìn)泥排泥各1次，每次200 mL;循環(huán)加熱裝置控制消化罐內(nèi)溫度為(55±1)℃，循環(huán)加熱裝置為外循環(huán)溫控水浴加熱，采用冷卻泵外循環(huán)保持進(jìn)泥槽溫度為4 ℃，進(jìn)泥槽和各消化罐采用機(jī)械攪拌方式進(jìn)行連續(xù)攪拌.產(chǎn)氣量經(jīng)氣液分離裝置后用濕式氣體流量計測定.

 

　　圖 1 試驗裝置示意圖

　　兩種不同類型的污泥分別在兩個相同的反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行，R1為混合污泥，R2為初沉污泥.反應(yīng)器啟動成功后分別進(jìn)行HRT=20 d的高溫((55±1)℃)厭氧消化試驗.

　　2.3 測試項目與分析方法

　　pH采用雷磁PHs-3C pH計測定;TS、VS、SS、VSS采用稱重法測定;碳水化合物采用苯酚-硫酸比 色法測定，以葡萄糖為標(biāo)準(zhǔn)樣品(Sponza，2002);蛋白質(zhì)采用Folin-酚法，以牛血清蛋白為標(biāo)準(zhǔn)蛋白(Sawasaki et al., 2002);VFA采用氣相色譜法(BEIFEN Corp.3420A)測定，F(xiàn)ID檢測器、BB-WAX123-7033毛細(xì)柱(30 m×0.25 mm×0.15 mm)，進(jìn)樣口溫度150 ℃，柱箱溫度230 ℃，檢測器溫度250 ℃;氣體組分(H2、N2、CH4、CO2)采用氣相色譜法(BEIFEN Corp.3420A)測定，TCD檢測器、TDX-01填充柱，進(jìn)樣口溫度130 ℃，柱箱溫度140 ℃，檢測器溫度150 ℃;H2S采用美國PE600氣相色譜儀測定，F(xiàn)PD檢測器、PoraPakQ填充柱，柱箱溫度120 ℃，檢測器溫度350 ℃;氣量由濕式氣體流量計(LML-2)測定;其他指標(biāo)測定參考《水和廢水監(jiān)測分析方法(第4版)》(國家環(huán)境保護(hù)局，2002).

　　3 結(jié)果

　　3.1 反應(yīng)器運行

　　試驗是利用已經(jīng)運行穩(wěn)定的高溫厭氧消化反應(yīng)器開展的，直接投加預(yù)處理后的基質(zhì)，每日進(jìn)、排泥各一次(200 mL)，保持反應(yīng)器在HRT=20 d條件下運行.18 d后日產(chǎn)氣量達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，系統(tǒng)啟動成功，系統(tǒng)運行穩(wěn)定狀態(tài)達(dá)120 d以上.圖 2所示為反應(yīng)器運行階段的日產(chǎn)氣量、消化液pH及VS情況，可看出R1和R2兩個反應(yīng)器的日產(chǎn)氣量均在穩(wěn)定范圍內(nèi)波動，pH穩(wěn)定在7.6~8.0之間，消化液VS也較穩(wěn)定，說明反應(yīng)器已處于穩(wěn)定運行狀態(tài).

 

　　圖 2 R1、R2運行階段的日產(chǎn)氣量、pH及VS變化

　　表 2為穩(wěn)定狀態(tài)下各反應(yīng)器的產(chǎn)氣狀況.從表 2可明顯看出，在HRT=20 d的條件下，不管是日產(chǎn)氣量、產(chǎn)氣速率，還是投加單位質(zhì)量VS的產(chǎn)氣量，初沉污泥(R2)的數(shù)值均高于混合污泥(R1)，這與污泥類型有較大關(guān)系.R2為未經(jīng)降解的初沉污泥，其中含有大量的易被微生物利用的有機(jī)物，而R1中有一半的污泥是經(jīng)過生物降解的剩余污泥，因此，R2的VS投加產(chǎn)氣量要高于R1.各反應(yīng)器的CH4含量均在70%左右，H2S含量則在0.003%~0.025%之間.

　　表 2 不同基質(zhì)的產(chǎn)氣狀況

　　3.2 消化液特性

　　消化液的pH、堿度、氨氮及VFA濃度是表征厭氧反應(yīng)器是否穩(wěn)定運行的重要指標(biāo).厭氧微生物可在pH=4.0~8.5內(nèi)發(fā)揮作用(Hwang et al., 2004)，由于試驗系統(tǒng)具有一定的緩沖能力，當(dāng)反應(yīng)器運行出現(xiàn)較大波動時，pH有時也只會出現(xiàn)較小范圍的波動(Bprönsson et al., 2000).在測定pH的同時，結(jié)合堿度、氨氮、VFA等則可較準(zhǔn)確地判斷出反應(yīng)器的運行狀況，同時，消化液VFA濃度越低則說明其生物降解進(jìn)行的越徹底.表 3和表 4所列數(shù)據(jù)為反應(yīng)器運行穩(wěn)定后R1、R2消化液的各種指標(biāo)及去除率情況.

　　表 3 R1、R2的消化液特性

　　表 4 R1、R2的消化液降解情況

　　從表 3可以看出，各反應(yīng)器pH均在7.8左右.厭氧消化過程中，NH+4-N濃度和堿度過高會對厭氧微生物產(chǎn)生抑制作)，高溫消化時NH+4-N濃度超過2000 mg · L-1會導(dǎo)致VFA積累和產(chǎn)甲烷活性降).本試驗過程中NH+4-N濃度均維持在1000 mg · L-1以下，即在反應(yīng)器運行過程中沒有發(fā)生NH+4-N抑制.研究表明，消化液堿度(以CaCO3計)在1000~5000 mg · L-1之間時厭氧反應(yīng)可以穩(wěn)定進(jìn))，R1、R2消化液堿度在3400~3650 mg · L-1之間，說明反應(yīng)器在穩(wěn)定范圍內(nèi)運行.

　　厭氧消化的主要目的是降低污泥的有機(jī)物含量，穩(wěn)定污泥的同時獲得資源性氣體.混合和初沉污泥經(jīng)低溫短時水熱預(yù)處理再高溫厭氧消化后主要有機(jī)物的去除率見表 4.從表中數(shù)據(jù)可看出，R2的有機(jī)物去除率普遍高于R1.與同類研究對比，嚴(yán)媛媛等(2012)用VS/TS小于0.5的混合污泥經(jīng)100 ℃、30 min預(yù)處理再高溫消化后的VS去除率為34%，董濱等(2013)通過對VS/TS=0.54的剩余污泥經(jīng)90 ℃、20 min預(yù)處理后，發(fā)現(xiàn)VS去除率為33%，本試驗中混合污泥的VS去除率為38.9%.針對初沉污泥，本試驗VS去除率為45.8%，與王素春(2013)所研究的未經(jīng)任何預(yù)處理的初沉污泥經(jīng)同條件的高溫厭氧消化后的結(jié)果相比要高出18.5%，說明低溫短時水熱預(yù)處理可有效提高污泥的高溫厭氧消化性能.

　　3.3 VFA特性

　　消化液測定的揮發(fā)性脂肪酸為C2~C6，包括乙酸、丙酸、異丁酸、正丁酸、異戊酸、正戊酸、異己酸.表 5為各基質(zhì)與消化液VFA各組分濃度情況.由表可知，消化過程中消耗了大部分的VFA，消化液中VFA濃度均小于300 mg · L-1，說明基質(zhì)消化較徹底(朱明權(quán)等，1997).進(jìn)泥組分的VFA濃度大小為C2>C3>C4>C5>C6，且異酸鹽濃度大于正酸鹽.該結(jié)果與韓蕓等(2007)和Wang 等(1999)的報道相符.

　　表 5 消化液中VFA濃度

　　4 討論

　　4.1 國內(nèi)外污泥泥質(zhì)及消化效果比較

　　污泥中有機(jī)物含量的多少是影響污泥厭氧消化工藝的直接因素之一.不同地區(qū)由于氣候、環(huán)境、生活習(xí)慣不同使得不同城市的污水和污泥性質(zhì)會有較大差異，尤其是其有機(jī)物含量.表 6列出了國內(nèi)外一些污水處理廠的污泥泥質(zhì)(VS/TS)及經(jīng)預(yù)處理消化后VS的去除率情況.從表 6可以看出，研究者采用的熱解預(yù)處理條件不同，預(yù)處理溫度在70~170 ℃內(nèi)變化，時間在20 min~9 h范圍內(nèi)變化.一般來說，溫度越低所需預(yù)處理時間越長，低溫處理數(shù)小時可達(dá)到高溫短時預(yù)處理的效果，100 ℃以上的預(yù)處理效果明顯，但屬于高溫高壓操作，處理成本增大，對設(shè)備的要求提高.與國外相比較，國內(nèi)污泥的VS/TS比值較低(普遍低于60%)，無機(jī)物含量高，可生物降解的有機(jī)物含量則相對較少，這可能是造成國內(nèi)厭氧消化產(chǎn)氣量低、有機(jī)物去除率低的主要原因之一.

　　表 6 部分國內(nèi)外污泥熱解預(yù)處理研究結(jié)果

　　4.2 COD物料平衡

　　COD的物料平衡計算可以了解厭氧污泥反應(yīng)器內(nèi)的固態(tài)、溶解態(tài)(溶解性蛋白質(zhì)、碳水化合物、VFA等有機(jī)物)、氣態(tài)(CH4)之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，其表述污泥減量化效果更直觀.為進(jìn)行準(zhǔn)確分析，將原始污泥(預(yù)處理前)、基質(zhì)(預(yù)處理后)及消化液中有機(jī)物的存在形式分為固態(tài)、溶解態(tài)和氣態(tài)3大類進(jìn)行污泥厭氧消化物料平衡計算，均以COD來計.以投入量為100%算，按照公式(1)~(7)的計算方法得出R1和R2的COD物料平衡關(guān)系(表 7).

 

　　表 7所示為R1、R2的COD物料平衡關(guān)系，各消化液COD的回收率在100%左右，誤差小于10%.預(yù)處理可明顯增加污泥中溶解態(tài)有機(jī)物含量，R1和R2分別比原始污泥增加了4.1和2.1倍.預(yù)處理和高溫厭氧消化過程均可大大降低污泥中的固態(tài)物質(zhì)含量，R1和R2中的固態(tài)物質(zhì)分別由原始污泥的96.6%和94.6%降到55.4%和46.3%;消化液中溶解態(tài)物質(zhì)分別為7.6%和6.5%;投入COD的甲烷轉(zhuǎn)化率為39.0%和40.3%.原始污泥中固態(tài)物質(zhì)實現(xiàn)不同程度的轉(zhuǎn)化，達(dá)到了污泥減量化目的.具體參見污水寶商城資料或http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　5 結(jié)論

　　將混合污泥與初沉污泥分別經(jīng)低溫短時(90 ℃、30 min)水熱預(yù)處理后作為基質(zhì)，TS維持在35 g · L-1左右，進(jìn)行高溫((55±1)℃)厭氧消化研究，得出以下結(jié)論：

　　1)預(yù)處理后的混合污泥與初沉污泥經(jīng)HRT=20 d的高溫厭氧消化后，其產(chǎn)氣速率分別是(312.0±37.5)mL · L-1 · d-1和(365.0±30.0)mL · L-1 · d-1; 投加單位VS的產(chǎn)氣量分別為(343.00±9.86)mL · g-1和(365.00±7.61)mL · g-1，VS去除率分別為38.9%和45.8%.與國外數(shù)據(jù)相比，導(dǎo)致我國污泥厭氧消化降解效率較低的原因與污泥泥質(zhì)中有機(jī)物含量少(VS/TS比值低)有關(guān).

　　2)COD物料平衡計算結(jié)果表明，R1和R2進(jìn)泥中有33.6%和43.9%的固體有機(jī)物被分解轉(zhuǎn)化，可以達(dá)到污泥減量化目的;兩個反應(yīng)器所產(chǎn)生物氣中CH4含量均達(dá)70%左右.

　　3)初沉污泥(R2)的有機(jī)物去除率總體上高于混合污泥(R1)，初沉污泥的TCOD去除率高出混合污泥21%，VS去除率高出混合污泥15%.