低壓直流電促進(jìn)污泥好氧消化的性能研究

李　薇，黃殿男，傅金祥，張榮新，艾志生，李婷婷

（1．沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧沈陽110168）（2．沈陽化工研究院有限公司生物技術(shù)研究室，遼寧沈陽110021）

低壓直流電促進(jìn)污泥好氧消化的性能研究

李薇1，黃殿男1，傅金祥1，張榮新1，艾志生1，李婷婷2

（1．沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧沈陽110168）
（2．沈陽化工研究院有限公司生物技術(shù)研究室，遼寧沈陽110021）

為了提高污水廠的剩余污泥好氧消化效率，在剩余污泥好氧消化過程中施加低壓直流電場(chǎng)，研究不同電場(chǎng)條件下污泥中有機(jī)物（以MLSS表征）、總磷和沉降性（以SV表征）變化情況，探討電場(chǎng)對(duì)污泥好氧消化效率的影響。結(jié)果表明：在直流電壓為5 V條件下，間歇通電12 d后，通電1、2、3 h/d組，污泥的MLSS去除率分別達(dá)到39.50%、44.50%、44.75%，與未通電組相比，分別提高了33.90%、50.85%、51.69%。并且研究發(fā)現(xiàn)在1 h/d的電場(chǎng)條件下，一定周期內(nèi)污泥的脫氫酶活性與細(xì)菌總數(shù)高于未通電組。實(shí)驗(yàn)表明低壓直流電對(duì)污泥好氧消化性能有促進(jìn)作用。

剩余污泥；電場(chǎng)；好氧消化；微生物活性

2013年中國(guó)環(huán)境狀況公報(bào)顯示，截至2013年底，全國(guó)城市污水的處理率達(dá)89.21%。隨著污水處理率的不斷提高勢(shì)必導(dǎo)致大量污泥的產(chǎn)生。污泥中通常含有大量的有機(jī)物、重金屬以及致病微生物等有毒有害類物質(zhì)，這類高含水率、高污染的污泥若未經(jīng)妥善處理直接排放將會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染。好氧消化具有基建費(fèi)用低、投資少、運(yùn)行管理方便和環(huán)境友好性等優(yōu)點(diǎn)。但傳統(tǒng)的好氧消化存在生物處理效率低下、消化時(shí)間長(zhǎng)等問題〔1〕。因此，污泥好氧消化的強(qiáng)化技術(shù)成為現(xiàn)今的研究熱點(diǎn)。

電化學(xué)技術(shù)是近年來新興的一種污泥好氧消化強(qiáng)化技術(shù)〔2〕。因其操作簡(jiǎn)單、無需外加藥劑、二次污染小而廣受關(guān)注。電化學(xué)處理污泥過程存在一系列復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)。電化學(xué)方法一方面可以通過陽極氧化產(chǎn)生的羥基自由基將大分子物質(zhì)降解轉(zhuǎn)化為小分子物質(zhì)，利于微生物利用；另一方面低壓弱電流作用還可以通過刺激微生物的生長(zhǎng)代謝以及活性〔3〕，提高有機(jī)物的降解去除效率，促進(jìn)污泥好氧消化。

研究選用低壓直流電場(chǎng)，以沈陽市北部污水處理廠二沉池剩余污泥為研究對(duì)象，通過間歇通電實(shí)現(xiàn)電化學(xué)和好氧消化技術(shù)聯(lián)用，考察不同電場(chǎng)條件下，污泥中懸浮固體（MLSS）、總磷（TP）、污泥沉降比（SV）等參數(shù)的變化，通過上述指標(biāo)表征電化學(xué)對(duì)污泥好氧消化和污泥性質(zhì)的影響。同時(shí)，還考察了污泥體系中微生物數(shù)量及脫氫酶活性等指標(biāo)動(dòng)態(tài)變化，對(duì)電場(chǎng)促進(jìn)污泥好氧消化的機(jī)理進(jìn)行初探。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)材料和儀器

實(shí)驗(yàn)污泥：實(shí)驗(yàn)的剩余污泥取自沈陽市北部污水處理廠回流污泥泵房。污泥pH為6.46，MLSS為（6 500±150）mg/L，SCOD為（110.8±15）mg/L，TP為（11.3±5）mg/L，污泥沉降比為73%，含水率為99%。

實(shí)驗(yàn)藥品：2，3，5-氯化三苯基四氮唑（TTC），上海華藍(lán)化學(xué)科技有限公司；三羥甲基氨基甲烷（Tris），濟(jì)寧匯德化工有限公司；連二亞硫酸鈉（保險(xiǎn)粉），天津市鼎盛鑫化工有限公司；亞硫酸鈉，吳江市益宸精細(xì)化工有限公司；HCl、丙酮、甲醛，天津大沽化工股份有限公司；以上試劑均為分析純。

實(shí)驗(yàn)儀器：RXN-605D-II型雙路穩(wěn)壓直流電源，廣東兆信電子設(shè)備公司；Seveneasy S20型精密pH計(jì)，瑞士TOLEDO公司；HH-4型恒溫水浴鍋，金壇市科興儀器廠；HC-3518型高速離心機(jī)，北京商德通科技有限公司；BSP400型恒溫培養(yǎng)箱，廣州永程實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；SP-752型紫外可見分光光度計(jì)，上海恒平科學(xué)儀器廠。

1.2實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)反應(yīng)器由有機(jī)玻璃制成，容器外徑20 cm，高20 cm，在陽極、陰極各設(shè)1個(gè)取樣口，陰陽極中間設(shè)置2個(gè)采樣口，共計(jì)4個(gè)取樣口。電極選用石墨碳棒（20 cm×3 cm），電極兩端連接RXN-605D-Ⅱ型雙路穩(wěn)壓直流電源。為防止處理過程中污泥分層影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在好氧消化的實(shí)驗(yàn)過程中利用氣體攪拌，常溫下曝氣，曝氣量為1.2 L/（h·L）。實(shí)驗(yàn)污泥體積為4.5 L。實(shí)驗(yàn)裝置示意如圖1所示。

圖1　　實(shí)驗(yàn)裝置示意

1.3實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)過程中選用電壓為5 V的直流電，電壓梯度0.31 V/cm，12 d為一個(gè)實(shí)驗(yàn)周期，分別考察0、1、2、3 h/d的通電時(shí)間，剩余污泥的MLSS、TP、SV、脫氫酶活性和細(xì)菌總數(shù)等指標(biāo)的變化情況，以此考察電場(chǎng)對(duì)剩余污泥好氧消化的影響。

MLSS測(cè)定方法采用重量法測(cè)定；總磷采用鉬銻抗分光光度法測(cè)定；SV測(cè)定時(shí)100 mL量筒取100 mL剩余污泥，靜置30 min后觀察固液界面刻度獲得，每日反應(yīng)器蒸發(fā)的剩余污泥體積加滅菌蒸餾水補(bǔ)充。測(cè)定方法均按照《水和廢水監(jiān)測(cè)方法》（第4版）測(cè)定。

微生物數(shù)量的測(cè)定方法：采用平板計(jì)數(shù)法對(duì)污泥體系中的活菌數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，將用無菌水分別稀釋103～106倍的污泥樣品，接種到內(nèi)有滅菌營(yíng)養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基的平皿中，置于（37±1）℃恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)（24±1）h，取出計(jì)數(shù)。以形成的菌落數(shù)（CFU）表示細(xì)菌數(shù)量。測(cè)定方法按照《中華人民共和國(guó)城鎮(zhèn)建設(shè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》（CJ/T 221—2005）中城市污水處理廠污泥檢驗(yàn)方法測(cè)定。

脫氫酶活性的測(cè)定：根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件，參考國(guó)內(nèi)外TTC-脫氫酶活性檢測(cè)方法測(cè)定污泥脫氫酶活性〔4〕。用2，3，5-氯化三苯基四氮唑（TTC）作為受氫體，將原污泥樣品打碎，經(jīng)生理鹽水洗滌、離心處理3次后，制成污泥實(shí)驗(yàn)樣品，使用Tri-HCl為緩沖溶液，0.36%Na2SO3為脫氧劑，加入0.4%的TTC溶液混合均勻，于（37±1）℃恒溫水浴鍋培養(yǎng)10 min后，以甲醛終止反應(yīng)。加入丙酮做萃取劑，水浴10 min后，在4 000 r/min轉(zhuǎn)速下離心分離，取上清液于485 nm波長(zhǎng)處比色，對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算測(cè)定結(jié)果。

1.4采樣方法及數(shù)據(jù)分析

為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)裝置共設(shè)置4個(gè)取樣口，每天取樣1次，每個(gè)樣點(diǎn)各檢測(cè)指標(biāo)測(cè)試次數(shù)不小于3次，剔除異常值后取平均值作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)果分析。

2　結(jié)果與討論

2.1MLSS去除率的變化

實(shí)驗(yàn)周期為12 d，考察不同通電時(shí)間下MLSS去除率隨時(shí)間的變化情況，如圖2所示。

由圖2可見，MLSS的去除率隨好氧消化時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增大。比較不同實(shí)驗(yàn)組MLSS去除率，發(fā)現(xiàn)通電組在好氧消化后期去除率均明顯高于未通電組。在12 d時(shí)，未通電組MLSS的去除率為29.5%，通電 1、2、3 h/d組 MLSS去除率分別為 39.5%、44.5%、44.75%。與未通電組相比，去除率分別提高了33.90%、50.85%、51.69%。可以看出，經(jīng)直流電作用后，好氧消化污泥中有機(jī)物的降解率提高。

圖2　　好氧消化過程中MLSS去除率變化

2.2污泥脫氫酶活性的變化

污泥的脫氫酶活性作為基質(zhì)脫氫過程中的關(guān)鍵催化劑，其活性水平直接關(guān)系到有機(jī)物降解速率及生物處理的運(yùn)行效果，常用來表征污泥體系內(nèi)活性微生物量及其對(duì)污染物的降解活性〔5〕。研究選用脫氫酶活性作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，考察電場(chǎng)對(duì)污泥好氧消化效率的影響。結(jié)果表明：污泥的脫氫酶活性呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。通電組活性污泥從消化開始到第6天脫氫酶活性由188μg/（L·h）上升到300μg/（L·h），第6天達(dá)到峰值，之后呈下降趨勢(shì)，在消化的第12天下降到122μg/（L·h）。未通電組脫氫酶活性變化幅度較通電組小。其脫氫酶活性由初始188μg/（L·h）上升到248 μg/（L·h），第4天達(dá)到峰值，之后呈下降趨勢(shì)，在消化的第12天下降到158 μg/（L·h）。

由上述脫氫酶變化趨勢(shì)可以看出，在污泥好氧消化初期，脫氫酶活性呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，這是由于初期污泥中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)充足，微生物活性較高。在隨后的消化時(shí)間里，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被逐漸消耗殆盡，脫氫酶活性降低。由上述通電組與未通電組脫氫酶變化可知，在電刺激的條件下，污泥脫氫酶活性高于未通電組，進(jìn)而污泥體系中微生物對(duì)有機(jī)物的代謝去除速率提高，MLSS去除率增大。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得知，在一定實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)，電刺激可以提高污泥好氧消化過程中微生物的活性，提高好氧消化效率〔6〕。

2.3污泥活菌數(shù)的變化

好氧消化過程中污泥體系中細(xì)菌總數(shù)的變化如表1所示。

表1　　好氧消化過程中細(xì)菌總數(shù)變化　CFU/mL

由表1可見，未通電組基本維持恒定，變化幅度不大。整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期微生物的數(shù)量都維持在3.5× 105～4.9×105CFU/mL。而通電組微生物數(shù)量變化較大，從開始到第6天，細(xì)菌總數(shù)由4.8×105CFU/mL上升到1.25×106CFU/mL。從第7天開始呈下降趨勢(shì)，在消化的第12天下降到3.1×105CFU/mL。

通過污泥體系細(xì)菌總數(shù)和脫氫酶活性的變化可以看出，通電組微生物數(shù)量和活性高于未通電組，該實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了低壓直流電條件下，電場(chǎng)可以通過刺激微生物活性，提高微生物對(duì)污泥體系中有機(jī)物的降解代謝速率，加快自身的生長(zhǎng)繁殖速率，實(shí)現(xiàn)污泥體系有機(jī)物徹底降解去除的減量無害目的〔7〕。

2.4TP的變化

實(shí)驗(yàn)過程TP隨時(shí)間的變化情況如圖3所示。

圖3　　好氧消化過程中TP變化

由圖3可見，各個(gè)反應(yīng)組在開始運(yùn)行后，TP呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)。未通電組TP在12 d內(nèi)從11.3 mg/L上升到75.4 mg/L，而通電1 h/d組，TP在12 d內(nèi)從11.3 mg/L上升到64.2 mg/L。通電2、3 h/d 組 TP相差不大，12 d內(nèi)分別上升到 119.9、126.6 mg/L，其TP明顯大于未通電組以及通電時(shí)間為1 h的消化系統(tǒng)。TP變化說明，在污泥好氧消化的過程初期，污泥中的微生物主要進(jìn)行有機(jī)物的分解和少量細(xì)菌的合成代謝，因此TP含量變化幅度較緩，隨著好氧消化的進(jìn)行，微生物在內(nèi)源呼吸階段，使得活性污泥中的微生物自身氧化分解，大量細(xì)菌胞體破解，使得體內(nèi)的含磷物質(zhì)釋放到上清液中。而通電2、3 h/d組TP最大的原因是通電時(shí)間較長(zhǎng)，使得部分微生物溶胞速率加快，磷釋放進(jìn)而導(dǎo)致總磷含量增大。而通電1 h/d組TP最小，說明是通電刺激了微生物的活性，使得微生物利用污泥中的有機(jī)物及釋放的磷進(jìn)行合成代謝。

2.5SV變化

為了研究電場(chǎng)處理后污泥性質(zhì)對(duì)其后續(xù)處理的影響，實(shí)驗(yàn)考察了SV。各反應(yīng)器剩余污泥的SV隨時(shí)間變化情況如圖4所示。

圖4　　好氧消化過程中SV變化

由圖4可見，隨著好氧消化的進(jìn)行，污泥SV呈逐漸降低的趨勢(shì)。通電1 h/d組SV從62%下降到39%，沉降性變好。

對(duì)比不同處理組SV，發(fā)現(xiàn)1 h/d組污泥SV最低，為39%，未通電組SV降低為42%。造成這種現(xiàn)象的原因可能是1 h/d的直流電刺激，促進(jìn)了微生物的酶催化反應(yīng)和細(xì)胞的水解作用，進(jìn)而提高了有機(jī)物的降解〔8〕。而2、3 h/d通電組，SV大于未通電組，可能原因是通電時(shí)間過長(zhǎng)，破壞了污泥的絮凝作用，導(dǎo)致SV變大，不利用后續(xù)污泥脫水。課題組前期研究也發(fā)現(xiàn)一定強(qiáng)度的電壓可對(duì)污泥產(chǎn)生破解溶胞作用〔9〕。因此，從污泥沉降性、好氧消化速率和經(jīng)濟(jì)因素等多方面原因考慮，實(shí)驗(yàn)的最佳通電條件應(yīng)為1 h/d。

3　結(jié)論

（1）經(jīng)適當(dāng)?shù)闹绷麟姶碳?，剩余污泥好氧消化效率顯著提高，消化12 d，通電1、2、3 h/d組，污泥的MLSS去除率分別達(dá)到39.5%、44.5%、44.75%，與未通電組（MLSS去除率為29.5%）相比，分別提高了33.90%、50.85%、51.69%。在相同時(shí)間內(nèi)，經(jīng)過電刺激的污泥能獲得更高的有機(jī)物降解率。

（2）經(jīng)適當(dāng)?shù)闹绷麟姶碳?，有利于剩余污泥的好氧消化。微生物脫氫酶活性提高，活性?xì)菌總數(shù)增加。

（3）經(jīng)適當(dāng)?shù)闹绷麟姶碳?，剩余污泥沉降性變好。通? h/d組污泥SV從73%下降到39%。因此，從經(jīng)濟(jì)、能耗和好氧消化效果考慮，通電1 h/d為最適通電條件。

［1］杜艷.剩余污泥好氧消化的研究［D］.大連工業(yè)大學(xué)，2011.

［2］Gulbin E，Ozlem D，Ayse F.Disintegration of biological sludge：Effect ofozoneoxidationandultrasonictreatmentonaerobicdigestibility［J］. Bioresource Technology，2010，101（21）：1-6.

［3］馬潔，孫西同，劉鑌，等.大腸桿菌在直流電場(chǎng)刺激作用下的生長(zhǎng)機(jī)理研究［J］.化學(xué)通報(bào)，2010（3）：252-256.

［4］宋殿軍.TTC-脫氫酶活性法測(cè)定污水廠污泥活性［J］.黑龍江科技信息，2010（4）：7.

［5］唐寧，柴立元，閔小波，等.厭氧污泥體系脫氫酶活性表征細(xì)菌數(shù)的研究［J］.微生物學(xué)雜志，2005，25（2）：31-34.

［6］王福遠(yuǎn)，苗長(zhǎng)春，劉錚，等.電場(chǎng)對(duì)黃孢原毛平革菌生長(zhǎng)、細(xì)胞通透性及其胞外酶反應(yīng)的影響［J］.過程工程學(xué)報(bào)，2007，7（2）：385-388.

［7］Kim S H，Han H Y，Lee Y J，et al.Effect of electrokinetic remediation on indigenous microbial activity and community within diesel contaminated soil［J］.Science of the Total Environment，2010，408（16）：3162-3168.

［8］周生學(xué)，馬潔.弱直流電場(chǎng)對(duì)枯草芽孢桿菌生長(zhǎng)和代謝活性的作用［J］.應(yīng)用化學(xué)，2012，29（4）：422-427.

［9］傅金祥，王冬，李薇，等.預(yù)堿解-電化學(xué)法污泥破解效果研究［J］.沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014（6）：1120-1127.

Research on the enhancement of sludge aerobic digestion capacity by low-voltage direct electric current

Li Wei1，Huang Diannan1，F(xiàn)u Jinxiang1，Zhang Rongxin1，Ai Zhisheng1，Li Tingting2
（1.School of Municipal and Environmental Engineering，Shenyang Jianzhu University，Shenyang 110168，China；2.Shenyang Chemical Research Institute，Biotechnology Research，Shenyang 110021，China）

In order to enhance the efficiency of aerobic digestion of excess sludge in wastewater treatment plants，the low-voltage direct current field has been exerted in the excess sludge aerobic digestion process.Under different electric field conditions，the changing situation of organic substances（characterized by MLSS），total phosphorus and settlingability（characterized by SV）in sludge，is studied.The effects of electric field on the sludge aerobic digestion efficiency are discussed.The experimental results show that when the direct voltage is 5 V，after it has been electrified for 12 days intermittently，the groups are electrified for 1，2，3 h/d，separately，the MLSS of sludge removing rates reach 39.50%，44.50%，44.75%，respectively.Compared with the group which has not been electrified，thesegroupsare33.90%，50.85%，51.69%higherrespectively.Itisfoundthatwhentheelectricfieldisunder1h/dcondition，dehydrogenase activity and the total number of bacteria in a certain period are higher than that of the group which has not been electrified.The experiments show that the low-voltage direct current has positive effect on sludge aerobic digestion capacity.

excess sewage；electric field；aerobic digestion；microbial activity

X703.1

A

1005-829X（2016）01-0041-04

國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)（2014ZX07202-011）；沈陽建筑大學(xué)青年基金項(xiàng)目（2015110）

李薇（1989—），碩士。E-mail：13940360422@163.com。通訊聯(lián)系人：黃殿男，副教授。E-mail：7nan@163.com。

2015-11-18（修改稿）