高溫好氧強(qiáng)化污泥厭氧消化的最佳曝氣量

房 平,唐安平,賀慧妮

(西安工程大學(xué) 環(huán)境化學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710048)

0 引 言

隨著全國城鎮(zhèn)污水處理規(guī)模的增大,污泥產(chǎn)量快速提升,污泥的處理、處置問題已經(jīng)成為目前亟待解決的環(huán)境問題. 污泥厭氧消化是城市污泥比較有效的一種處理方式,具有減少污泥體積,削減病原菌微生物,改善污泥性能,產(chǎn)生沼氣等優(yōu)點(diǎn)[1]. 污泥絮體主要是由微生物細(xì)胞以及胞外聚合物組成,而胞外聚合物主要包括蛋白質(zhì),碳水化合物,核酸和腐殖酸類物質(zhì)[2]. 然而,在處理污泥的過程中,污泥絮體中的大分子有機(jī)物很難水解,水解階段是厭氧消化過程中的限速階段,水解速率通常較為緩慢,導(dǎo)致厭氧消化速率較慢. 為了縮減厭氧消化的反應(yīng)周期,提升甲烷產(chǎn)量,近年來,研究者通過超聲波、臭氧以及熱水解預(yù)處理和化學(xué)方法等預(yù)處理手段強(qiáng)化污泥厭氧消化[3-4].

熱水解[5]預(yù)處理可以有效改善污泥的水解限速的問題,促進(jìn)污泥中有機(jī)物的釋放,以提高厭氧消化反應(yīng)速率，增大產(chǎn)甲烷率. 研究發(fā)現(xiàn)熱水解預(yù)處理可以加速污泥的水解速率,污泥中難以降解的固體有機(jī)物轉(zhuǎn)化為易生化降解的有機(jī)物小分子,進(jìn)而縮短污泥停留時間,以此來增強(qiáng)厭氧消化效果[6-8]. 然而,另一方面,隨著熱水解的溫度升高,會有難以生化降解的中間產(chǎn)物生成,在一定程度上抑制厭氧消化效果. 另外,微波預(yù)處理也能有效破碎污泥,釋放污泥胞外聚合物和微生物胞內(nèi)蛋白質(zhì)、多糖等溶解性有機(jī)物，有助于強(qiáng)化污泥厭氧消化性能. 然而,微波—厭氧消化工藝對于揮發(fā)性有機(jī)物的去除效果并不好[9]. 針對熱水解與微波預(yù)處理的不足,程潔紅等[10]研究表明，在高溫好氧預(yù)處理—厭氧消化系統(tǒng)中污泥的揮發(fā)性固體有機(jī)物去除率能在 22 d時達(dá)到污泥穩(wěn)定化要求的40%以上，其高溫好氧預(yù)處理—厭氧消化工藝甲烷產(chǎn)量最高為496 m L/g,高于中溫厭氧消化工藝．所以,高溫好氧預(yù)處理可以有效增強(qiáng)厭氧消化產(chǎn)甲烷率,有研究發(fā)現(xiàn)含固率是5%,預(yù)處理溫度為55 ℃,反應(yīng)時間為2 d時,強(qiáng)化厭氧消化效果較好[1].

然而,很少有人研究高溫好氧預(yù)處理過程中,不同曝氣量的工況下,高溫好氧預(yù)處理強(qiáng)化厭氧消化效果.所以,本實(shí)驗(yàn)主要以曝氣量為因變量,與原泥組進(jìn)行對比,考察預(yù)處理效果最好及產(chǎn)氣量最高的最佳曝氣量. 并且,在強(qiáng)化厭氧消化效果的基礎(chǔ)上，考察了TAD-MAD過程中對腸球菌的削減效果.

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 污泥來源

試驗(yàn)所用原泥取自西安市某污水處理廠的脫水污泥,接種泥采用該廠厭氧消化后污泥,污水處理工藝為A2O. 所取污泥取回立即保存至4 ℃冰箱,實(shí)驗(yàn)之前污泥經(jīng)1 mm篩網(wǎng)過濾,污泥質(zhì)量濃度稀釋至80 000 mg/L,開始進(jìn)行高溫好氧預(yù)處理實(shí)驗(yàn).

1.2 試驗(yàn)裝置與方法

試驗(yàn)裝置如圖1所示．高溫好氧預(yù)處理裝置(有效容積為1 L)可攪拌和控溫. 反應(yīng)器外層有循環(huán)水浴加熱,反應(yīng)器內(nèi)壁有曝氣管,底部裝有曝氣盤,外部裝有空氣加熱箱,整體管路連接蠕動泵.循環(huán)連續(xù)2 d使用. 污泥中溫厭氧試驗(yàn)采用產(chǎn)甲烷活性測試系統(tǒng)AMPTSⅡ(瑞典產(chǎn)),采用容積為0.65 L的血清瓶進(jìn)行厭氧發(fā)酵,有效容積0.4 L,反應(yīng)器采用水浴加熱并配有攪拌裝置,攪拌速度為80 r/min,水浴溫度37 ℃. 高溫好氧反應(yīng)器每個批次進(jìn)泥1 L,反應(yīng)溫度55 ℃,反應(yīng)時間2 d,曝氣量分為3組,分別為15 L/min(工況1),20 L/min(工況2),25 L/min(工況3)3個工況,過程中因蒸汽蒸發(fā),水分散失嚴(yán)重,補(bǔ)去離子水以保持恒容.3組不同工況預(yù)處理后,按揮發(fā)性固體有機(jī)物中基質(zhì)與接種的質(zhì)量比為3∶1的比例加入接種泥,進(jìn)行25～30 d的中溫厭氧消化,每組樣品3個平行.

1.3 污泥檢測

污泥處理過程中有4個取樣點(diǎn)，分別為原泥，預(yù)處理后(3組工況)厭氧前、厭氧后.污泥干重(TS)、揮發(fā)性固體有機(jī)物(VS)、堿度,氨氮按標(biāo)準(zhǔn)方法[11]測定;溶解性有機(jī)物(SCOD)采用DR2800HACH分光光度計(jì)測定;糖類、蛋白質(zhì)分別采用Dubois法[12]和Lowry法[13]測定;污泥經(jīng)8 000 r/min離心3 0min后吸取上清液過0.45 μm醋酸纖維膜,濾液用來測定SCOD、溶解性蛋白質(zhì)和多糖;三維熒光光譜分析用熒光分光光度儀檢測.

1.4 腸球菌的培養(yǎng)與計(jì)數(shù)

腸球菌的濃度分析主要采用濾膜法測定[14],用滅菌移液吸管吸取污泥樣品5 mL,緩慢加入45 mL滅菌磷酸鹽(PBS)緩沖液至50 mL的離心管中,振蕩試管使其混合均勻,將菌液稀釋至原來的10，102,103,104,105,106,107倍. 根據(jù)腸球菌群落的生長結(jié)果(最佳生長結(jié)果30～300 個菌株),每個取樣點(diǎn)選擇3個合適的稀釋梯度,每個稀釋梯度取3個平行樣本．將稀釋菌液用孔徑0.45 μm醋酸纖維濾膜過濾,將濾膜截留面朝上貼附在滅菌濾膜腸球菌培養(yǎng)基上,平板倒置在生化培養(yǎng)箱中,38 ℃恒溫培養(yǎng)48 h,計(jì)數(shù)最佳梯度的三個平行樣的菌落數(shù),取3個平行樣的菌落數(shù)平均值作為最終結(jié)果,根據(jù)稀釋倍數(shù)計(jì)算樣品中腸球菌的豐度,并取其log值后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 理化指標(biāo)分析

圖 2 高溫好氧消化預(yù)處理過程氧化還原電位Fig.2 Oxidation-reduction potential in thermophilic aerobic digestion pretreatment process

圖2為3種不同曝氣量下高溫好氧消化預(yù)處理過程中的氧化還原電位(ORP)的變化.ORP值在-300 mV以下時,表示反應(yīng)器內(nèi)絕對厭氧,而ORP在-200～-100 mV時,反應(yīng)器內(nèi)是微缺氧狀態(tài). ORP大于-100 mV時,反應(yīng)器內(nèi)為微好氧狀態(tài). 從圖2可以看出,曝氣量為15 L/min時,ORP值在35 h以后才上升至-200 mV以上,戴雅等[15]研究發(fā)現(xiàn), ORP達(dá)到-200 mV以上,即可滿足污泥微生物的需氧量. 然而,反應(yīng)器3種工況在第一天幾乎都不能達(dá)到-200 mV以上,24 h以后,工況2與工況3逐漸上升至-200 mV以上,反應(yīng)器內(nèi)變?yōu)槲⑷毖醐h(huán)境,適宜好氧菌生長,如嗜熱菌[16]. 反應(yīng)器運(yùn)行初期,污泥濃度及有機(jī)物含量均很高,氧氣的利用率較低,微生物的好氧呼吸受到抑制,ORP較低. 反應(yīng)器運(yùn)行1 d之后,需氧量逐漸下降,而供氧量并沒有減少,好氧菌逐漸占據(jù)優(yōu)勢,所以O(shè)RP逐漸上升,反應(yīng)器中處于微好氧環(huán)境.

高溫好氧預(yù)處理—厭氧消化過程中,對VS的去除率是評價污泥穩(wěn)定化效果的重要指標(biāo). TS,VS的削減效果如圖3所示,分析3種工況下,高溫好氧預(yù)處理前/后對VS的削減效果,3組工況的削減率分別達(dá)到41.51%,37.53%,32.44%.美國EPA規(guī)定對VS的削減率達(dá)到38%即可認(rèn)定污泥達(dá)到穩(wěn)定化要求. 因此3種工況下的預(yù)處理均能達(dá)到穩(wěn)定. 脫水污泥中含有大量的微生物,嗜熱菌比較適應(yīng)高溫條件,并且可以吸收污泥中的部分有機(jī)物,使得有機(jī)物含量迅速降低.在高溫好氧消化過程中,固相有機(jī)物轉(zhuǎn)化為液相有機(jī)物,大分子轉(zhuǎn)化為小分子,從而提高后續(xù)的污泥厭氧消化過程中的水解速率. 而在厭氧消化過程中,原泥組與高溫好氧組在厭氧前/后,VS的削減率分別為22.23%,20.18%,19.32%,24.23%. 相比較而言,去除效果差異并不大,第3組工況下的VS去除率較高的原因也有可能是曝氣量較高,一些揮發(fā)性有機(jī)物散失嚴(yán)重.

圖 3 污泥質(zhì)量濃度變化趨勢 圖 4 溶解性有機(jī)質(zhì)的變化趨勢 Fig.3 The change trend of sludge concentration Fig.4 The change trend of dissolved organic matter

圖4是預(yù)處理強(qiáng)化厭氧消化過程中有機(jī)質(zhì)的變化情況.由圖4發(fā)現(xiàn),高溫好氧預(yù)處理后,SCOD的含量大幅度增加,3組工況的預(yù)處理前/后的SCOD的增長率分別為-13.83%,49.04%,45.42%;蛋白質(zhì)的增長率分別為40.00%,45%.00%,54.00%;多糖并未有較大增長．其中工況2預(yù)處理前/后SCOD、溶解性蛋白質(zhì)、溶解性多糖增長率最高.眾所周知,溶解性有機(jī)大分子是厭氧消化過程中微生物利用的重要物質(zhì),供厭氧產(chǎn)酸菌,產(chǎn)甲烷菌利用[17]. 高溫好氧預(yù)處理對溶解性有機(jī)物的促進(jìn)作用可以間接增強(qiáng)污泥厭氧消化速率.

圖5為三維熒光光譜測試結(jié)果,其中溶解性有機(jī)物分為5個區(qū)域[18]：Ⅰ區(qū)(EM0～330 nm;EX 0～250 nm)和Ⅱ區(qū)(EM 330～380 nm;EX 0～250 nm)是芳香類蛋白,Ⅲ區(qū)(EM 380～540 nm;EX 0～250 nm)富里酸類物質(zhì),Ⅳ區(qū)(EM 0～380 nm;EX 250～340 nm)為溶解類微生物副產(chǎn)物類物質(zhì),Ⅴ區(qū)(EM 380～540 nm;EX 250～340 nm)為腐殖酸.

(a) 原泥 (b) 工況1

(c) 工況2 (d) 工況3圖 5 三維熒光光譜分析Fig.5 Three-dimensional fluorescence spectroscopy analysis

由圖5可知,高溫好氧預(yù)處理前/后主要是Ⅰ區(qū),Ⅱ區(qū),Ⅳ區(qū)熒光強(qiáng)度變強(qiáng),所以在高溫好氧預(yù)處理后,有大量的溶解性蛋白質(zhì)以及水解酶和微生物代謝副產(chǎn)物等物質(zhì)生成. 對比原泥與3組工況下的熒光值發(fā)現(xiàn),有機(jī)質(zhì)的含量增加,并且工況2的熒光值最亮,熒光范圍也比較大,說明在預(yù)處理過程中,體系內(nèi)存在有機(jī)質(zhì)種類之間的相互轉(zhuǎn)化,并且溶解性有機(jī)質(zhì)以及小分子有機(jī)質(zhì)的增長率較高[19].根據(jù)圖像結(jié)果分析,有大量的芳香類蛋白質(zhì)以及腐殖酸生成,并且有微生物的代謝產(chǎn)物,水解酶等物質(zhì)生成,供厭氧微生物利用,加速污泥水解,從而增強(qiáng)產(chǎn)甲烷效果,強(qiáng)化厭氧消化效果.

本研究將累計(jì)產(chǎn)甲烷量歸一化為單位進(jìn)料VS的累計(jì)產(chǎn)甲烷量. 從圖6可知,工況2,3的預(yù)處理組的后續(xù)厭氧消化過程中產(chǎn)甲烷量明顯優(yōu)于原泥組. 工況2的產(chǎn)氣量相比于原泥組增長了28.73%. 然而,工況1的產(chǎn)甲烷量卻低于原泥組,原因是工況1的曝氣量不足,嗜熱菌不能大量生長,且SCOD以及溶解性蛋白質(zhì)相比于原泥都較低,并且據(jù)圖5三維熒光色譜結(jié)果分析,工況1預(yù)處理后的熒光范圍相比原泥強(qiáng)度范圍并未增大,所以相比于原泥,工況1的微生物副產(chǎn)物類物質(zhì)如蛋白質(zhì)水解酶以及一些有機(jī)酸類物質(zhì)都較少. 所以在厭氧消化過程中,微生物可以利用的有機(jī)質(zhì)含量較少,導(dǎo)致產(chǎn)氣量較低. 所以,綜上所述,以反應(yīng)時間為2 d時,溫度為55 ℃為基本條件,曝氣量在20 L/min時,溶解性有機(jī)質(zhì)的含量最高,產(chǎn)氣量最高，強(qiáng)化厭氧消化效果最好.

圖 6 單位進(jìn)料產(chǎn)甲烷量 圖 7 腸球菌計(jì)數(shù)分析 Fig.6 Methane production of unit feed production Fig.7 Enterococcus count analysis

2.2 腸球菌數(shù)量分析

如圖7所示,3組工況預(yù)處理前后的腸球菌削減率分別為39.34%,51.42%,37.84%.而在3組預(yù)處理強(qiáng)化厭氧消化過程中,原泥組以及工況1，2，3組的腸球菌削減率分別為55.80%,37.19%,41.33%,41.79%,工況2的預(yù)處理前/后,腸球菌的削減率最高．在高溫好氧預(yù)處理過程中,由于反應(yīng)器溫度較高,以及曝氣量較大,體系內(nèi)處于微好氧狀態(tài),腸球菌生長環(huán)境較差,有少量的腸球菌不能適應(yīng)外部環(huán)境而死亡,在后續(xù)的厭氧消化過程的水解階段,反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生大量的揮發(fā)性有機(jī)酸，對腸球菌有毒害作用,所以腸球菌的數(shù)量在厭氧消化過程中大量減少. 綜上所述,工況2對腸球菌的削減效果較優(yōu)于其他2組預(yù)處理.

3 結(jié) 論

(1) 在進(jìn)泥濃度為80 g/L的條件下,高溫好氧消化工藝的反應(yīng)時間2 d,反應(yīng)溫度55 ℃時，最佳曝氣量為20 L/min; 工況2組預(yù)處理前/后的SCOD的增長率最大,達(dá)到45.04%.

(2) 從產(chǎn)氣量結(jié)果來看,對比三維熒光光譜分析,工況2組的產(chǎn)甲烷量最高,相比于原泥組增長了28.73%.

(3) 高溫好氧預(yù)處理強(qiáng)化污泥厭氧消化可以有效去除腸球菌,其中工況2預(yù)處理前/后的削減效果最佳,削減率達(dá)到51.42%.并且,在后續(xù)的厭氧消化過程中工況2組TAD-MAD過程相比于原泥，腸球菌的削減率達(dá)到41.33%.