熱化學預(yù)處理方式對污泥水解及厭氧產(chǎn)甲烷性能的影響研究

吳沂曉

(黔南民族師范學院 貴州 都勻 558000)

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熱化學預(yù)處理方式對污泥水解及厭氧產(chǎn)甲烷性能的影響研究

吳沂曉

(黔南民族師范學院 貴州 都勻 558000)

為研究不同熱化學條件下預(yù)處理污泥后水解效果及厭氧條件下產(chǎn)甲烷的性能，濃度為98%的H2SO4和1N的NaOH作為試劑，將污泥PH值調(diào)至1、3、5、7、9、11，并放置于不同溫度、不同加熱時間條件下處理，研究不同的熱化學預(yù)處理條件對污泥水解效果的影響，并通過厭氧消化產(chǎn)甲烷潛力(BMP)試驗評價其對厭氧消化性能是否有促進作用。結(jié)果表明，污泥PH值調(diào)至1和11時，加熱溫度越高、加熱時間越長，溶出的有機物含量越高。選取水解效果最好的兩組(PH=1，加熱溫度為100°C，加熱時間為1小時及PH=11，加熱溫度為100°C，加熱時間為1小時)進行BMP實驗，結(jié)果表明，熱堿處理沒有對甲烷的產(chǎn)生有促進作用，同時強酸熱處理對甲烷的產(chǎn)生有明顯抑制作用。

污泥；水解；COD；溶解性COD；甲烷產(chǎn)量

傳統(tǒng)能源的有限性使得環(huán)境友好型資源被逐漸開發(fā)與利用，甲烷就是一種常見的生物能源。污泥是由水和污水處理過程所產(chǎn)生的固體沉淀物質(zhì)[1]，熱化學處理污泥并通過厭氧消化反應(yīng)產(chǎn)生甲烷不僅實現(xiàn)了污泥的減量化和無害化，同時還緩解了人類對傳統(tǒng)能源的依賴。污泥中如纖維素等可以作為產(chǎn)生甲烷的原料，但是，纖維素的分子結(jié)構(gòu)導致其利用率十分低下。因此，如何破壞污泥中細胞壁釋放有機物是本文的研究重點。通過熱化學預(yù)處理破碎細胞壁將纖維素胞內(nèi)蛋白質(zhì)、糖類等釋放出來，使得厭氧消化階段產(chǎn)生更多甲烷[2-3]。

本研究分別對污泥進行熱堿處理、熱酸處理，重點考察了不同處理方法對污泥水解效果的影響和經(jīng)過處理后污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷是否有促進效果。

一、實驗部分

(一)材料

實驗所用污泥來自于英國紐卡斯爾某污水處理廠的脫水污泥。該污水處理廠的進水主要是生活污水。污泥被采集后放置于普通不透明塑料材質(zhì)中，將含水率調(diào)制90%左右，然后將其放置于4°C冰柜中保存待用。

(二)實驗方法

熱堿處理、熱酸處理的條件主要是依據(jù)大量文獻及實驗研究，加上實驗室設(shè)備的有限性所確定。實驗被分為兩個階段：一是水解階段，二是厭氧消化產(chǎn)甲烷階段。

水解階段：這個階段的實驗持續(xù)大概30天。每次取150ml污泥作為反應(yīng)物，濃度為98%的H2SO4和1N的NaOH作為試劑，將污泥PH值調(diào)至1、3、5、7、9、11，加熱溫度包括常溫25°C、60°C及100°C，加熱時間包括15分鐘、30分鐘及一小時。處理后的污泥放置于4°C冰柜中保存待用。

厭氧消化階段：這個階段的實驗持續(xù)大概30天。水解階段處理后的剩余污泥PH值被調(diào)至中性7.0，一定量接種物加入普通塑料桶中，密封后放置于37°C水浴中進行7天的反應(yīng)，并每天按時將塑料桶放氣。之后將污泥與接種物的混合液裝至160ml玻璃瓶中，氮氣吹掃玻璃瓶1分鐘后密封，放置于37°C搖床進行厭氧消化產(chǎn)氣實驗。針管插入玻璃瓶中所產(chǎn)生的氣體將針筒推出，以此記錄產(chǎn)生氣體的體積，定期檢測產(chǎn)氣量并用氣相色譜儀分析所產(chǎn)生氣體的成分。

(三)分析項目

水解階段：PH值、總固體量(TS)、揮發(fā)性懸浮固體顆粒(VSS)、總化學需氧量(TCOD)、溶解性化學需氧量(SCOD)、溶解性碳水化合物、溶解性還原糖。

產(chǎn)甲烷階段：CH4含量、堿度、氨。

二、結(jié)果與討論

(一)熱化學預(yù)處理方式對纖維素水解效果的影響

表征剩余污泥水解效率的指標是污泥中溶解性有機物含量，如SCOD、溶解性碳水化合物、溶解性還原糖等。SCOD溶出率可整體表征污泥的水解效果，SCOD的變化表明細胞壁中有機物被釋放并轉(zhuǎn)移到水相中[4]。如表1，污泥PH值被調(diào)至1、3、5、7、9、11，SCOD在強酸與強堿情況下出現(xiàn)最大值，分別是169%與99%，說明在其它條件相同的情況下，酸性、堿性越大，細胞壁中有機物的釋放越多。

表1 不同PH條件下預(yù)處理前后SCOD變化

表2 不同加熱溫度條件下預(yù)處理前后SCOD變化

表3 不同加熱時間條件下預(yù)處理前后SCOD變化

因此PH為1和11可作為最佳水解PH值條件，如表2所示，污泥分別在100°C、60°C溫度下加熱，常溫不加熱的污泥作為對照組，結(jié)果表明，隨著加熱溫度的升高，SCOD變化越大，因此100°C是最有利于污泥中纖維素細胞壁破壞使有機物釋放的加熱條件。

在PH為1和11可作為最佳水解PH值，加熱溫度為100°條件下，對污泥進行15分鐘、30分鐘、60分鐘的持續(xù)加熱。根據(jù)SCOD變化率來看1個小時最有利于有機物的釋放。因此得出結(jié)論，水解階段最佳條件是PH調(diào)至1和11、加熱溫度為100°、加熱時間為1小時，此條件下出現(xiàn)最大SCOD溶出率。

(二)不同方式對污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷效率的影響

實驗中所有條件設(shè)3個平行組，如表4所示，五組樣品用不同條件預(yù)處理，每周采集三次氣體，并用氣相色譜儀進行分析。

表4 樣品好及所對應(yīng)預(yù)處理條件

圖1 不同預(yù)處理條件下各組每天產(chǎn)氣量

對五組樣品進行28天的觀察分析，從圖1中可以看到生物氣的產(chǎn)量，五組樣品在反應(yīng)進行到21天之后，氣體的產(chǎn)生開始降低和平穩(wěn)，表明產(chǎn)氣能力開始逐漸減弱直到?jīng)]有氣體產(chǎn)生。僅裝有接種物的樣品從第一天開始產(chǎn)氣量就處于最低，表明接種物的產(chǎn)氣能力最低，不足以被作為生物能來使用。當樣品經(jīng)過加酸熱處理與加堿熱處理后產(chǎn)氣量高于接種物，但相比于不調(diào)節(jié)PH不進行加熱處理的條件產(chǎn)氣量有所降低，而產(chǎn)氣量最高的一組是在不加化學試劑僅加熱的條件下。因此用濃度為98%的H2SO4和1N的NaOH作為試劑調(diào)節(jié)PH對生物氣的產(chǎn)量沒有起到很好的促進作用，僅加熱就能使產(chǎn)氣量得到提升。

圖2 不同預(yù)處理條件下各組累加CH4產(chǎn)氣量

在28天的厭氧發(fā)酵周期內(nèi)，各組累積產(chǎn)甲烷量隨時間的變化如圖2所示。變化趨勢線越陡表明甲烷產(chǎn)量越多，經(jīng)過加酸與加熱條件預(yù)處理的污泥產(chǎn)甲烷量在四組中處于最低，經(jīng)過加堿與加熱條件預(yù)處理的污泥產(chǎn)甲烷量多過加酸組，但產(chǎn)氣量均低于空白組即不加化學試劑不加熱的情況，尤其在反應(yīng)進行10天之后差別明顯顯現(xiàn)出來，因此本實驗中加入的化學試劑在抑制著甲烷的產(chǎn)生，加酸組最為明顯。

圖3 BMP實驗后各實驗組平均產(chǎn)氨量

和大部分相關(guān)研究相比實驗結(jié)果與預(yù)期的相反[5]，因此檢測氨的含量來分析是否甲烷的產(chǎn)生被氨所影響。氨通過污泥中含氮物質(zhì)的降解產(chǎn)生，主要來自于蛋白質(zhì)和尿素[6]。產(chǎn)甲烷菌對氨的濃度比較敏感，增加的氨可能會對甲烷的產(chǎn)生具有消積影響[7]。大量文獻研究了氨的濃度和產(chǎn)甲烷率的關(guān)系，結(jié)果表明兩者呈負相關(guān)聯(lián)系[8]。圖中所示，加酸與加熱條件下氨的濃度最高，這可能是一個影響的因素。

三、結(jié)論

1)水解最優(yōu)的條件是PH調(diào)至1和11、加熱溫度為100°、加熱時間為1小時，因為污泥的SCOD有明顯大幅度的提高。

2)污泥經(jīng)過最優(yōu)水解條件預(yù)處理后進行厭氧消化反應(yīng)，但沒有達到預(yù)期的效果。表明用濃度為98%的H2SO4和1N的NaOH作為試劑調(diào)節(jié)PH再進行高溫加熱對甲烷的產(chǎn)量沒有起到促進作用反而抑制其產(chǎn)生。據(jù)研究報道，投入酸堿的種類及投加量對污泥溶解效果影響較大。在相同PH值條件下，H2SO4溶解細胞的效果要好于HCL；2價堿(如Ca(OH)2等)處理效果要比1價堿(NaOH、KOH)低[9]。Torres等將污泥加堿(Ca(OH)2)至濃度為31mmolL-1條件下進行6h堿處理，結(jié)果表明，污泥中SCOD增加了11.5%，對預(yù)處理污泥進行厭氧消化(SRT=10d)后，1kg VS可使CH4產(chǎn)氣量達0.15m3，比未處理污泥提高72%[10]。由此可見，熱化學預(yù)處理污泥后可以對甲烷產(chǎn)氣有促進作用，但是對于化學試劑的不同選擇導致最后的產(chǎn)氣量差異巨大。

[1]http://baike.baidu.com/link?url=Gn6KJVqcOnUkNF61-9kuaavSMMLCve0Tmm0BotGO1fueY_ioN9qva9TUhswjZSekit02Fqe7pFlw3bEfBe4SzoEk1Gjm0gsq44LJFBspHtO/

[2]賈瑞來，魏源送，劉吉寶.基于微波-過氧化氫-堿預(yù)處理的污泥水解影響因素[J].環(huán)境科學，2015，36(6):2222-2231.

[3]胡亞冰，張超杰，張辰，等.堿解處理對剩余污泥融胞效果及厭氧消化產(chǎn)氣效果[J].四川環(huán)境，2009，28(1):1-4.

[4]邱春生，杜廣春，駱尚廉，等.預(yù)處理方式對剩余污泥水解及厭氧產(chǎn)甲烷性能的影響[J].環(huán)境工程，2016，34(3)：133-136.

[5]Gao,R,L.,Yang,Q.,et al.(2009).Effects of Different Pretreatment of Waste Activated Sludge on Methane Production via Anaerobic Digestion.Food Science and Biotechnology,28(1).

[6]Kayhanian,M.,(1999).Ammonia inhibition in high-solids biogasification:an overview and practical solutions.Environ.Technol.20,355-365.

[7]Kayhanian,M.,(1994).Performance of a high-solids anaerobic digestion process under various ammonia concentrations.J.Chem.Tech.Biotechnol.59,349-352.

[8]Koster,I,W.,& Lettinga,G.,(1984).The influence of ammonium-nitrogen on the specific activity of pelletized methanogenic sludge.Agric.Wastes 9,25-216.

[9]李敏，郭靜，羅王景，1997.化學前處理-改善城市污水污泥厭氧消化處理的有效途徑[j]。城市環(huán)境與城市生態(tài)，10(4):60-62.

[10]Torres M L,Llorens M D C E.2008.Effect of alkaline pretreatment on anaerobic digestion of solid wastes[J].Waste Management,28:2229-2234.

黔南民族師范學院校級科研項目，項目編號：qnsy2016033，項目名稱：都勻市雨花湖濕地公園水體富營養(yǎng)化程度調(diào)查與治理對策研究。