連續(xù)流剩余污泥的先酸后堿調節(jié)對污泥水解特性的影響研究

苑宏英，楊召峰，李 琦，王宏斌

（天津城建大學a.環(huán)境與市政工程學院；b.天津市水質科學與技術重點實驗室；c.基礎設施防護和環(huán)境綠色生物技術國際聯(lián)合研究中心，天津300384）

近年來，我國城鎮(zhèn)污水處理廠的建設規(guī)模不斷擴大，使得污水處理能力逐年上升，但隨之也產(chǎn)生了大量的剩余污泥，到2016年年底，全年累計處理污水量達448.8億m3[1]，與之相對應的污泥年產(chǎn)量已超過3 500 萬t（以含水率80%計）.在2009年，郭廣慧等[2]表明：我國污水處理廠產(chǎn)生的污泥中有機質的平均含量為280 g/kg，且城市污泥的總氮（TN）和總磷（TP）含量呈逐漸增加的趨勢. 同時，2011年，劉蕾等[3]系統(tǒng)性地指出：有機質是污水處理廠剩余污泥的主要成分，我國污水處理廠剩余污泥中的有機質含量高達50%～70%.

污泥中的有機物大部分是微生物的細胞物質，難以為厭氧微生物所利用，因此會造成污泥停留時間長（20～30 d）、消化池容積大等問題[4]，最終限制了污泥的厭氧消化處理.而且在2011年，TYAGI V.K 等人提到：剩余污泥中胞外聚合物（EPS）和微生物阻礙了污泥的水解[5].于是，如何破壞污泥的EPS、微生物細胞壁，改善污泥的水解及脫水性能，促進有機質的釋放，是污泥后續(xù)處理及資源化利用的前提.

酸-堿預處理污泥，通過抑制細胞活性和破壞污泥絮體結構，使細胞間的間隙水釋放，改善污泥的脫水性能，并使污泥中微生物的胞外聚合物（EPS）和細胞壁溶解，釋放出胞內物質，有利于其水解及再利用[6-7].然而，課題組前期研究多是針對酸堿單獨調節(jié)污泥，因此本實驗主要研究連續(xù)流剩余污泥的酸堿調節(jié)，以期指導工程實踐.

1 材料與方法

1.1 實驗裝置與方法

（1）連續(xù)流污泥反應器. 連續(xù)流污泥預處理反應器其規(guī)格為：長2 m，寬0.8 m，高0.6 m.I～IV 號池屬于第一個酸處理階段的反應池，控制的反應條件相同，各池容積也相同，每個反應池有效容積為0.4×0.4×0.5（80 L），內設攪拌槳使剩余污泥與酸（或堿）均勻接觸，為保證處理效果，每個反應池均配有數(shù)顯攪拌器對污泥進行恒速攪拌；V～VIII 號池屬于第二個堿處理階段的反應池，各池容積相同，每個反應池的有效容積為0.4×0.4×0.18（28.8 L），也設有攪拌槳；IX 和X 分別是第一個和第二個沉淀池.每個反應池均設有取樣口，取樣前將廊道的污泥混合均勻. 依照課題組前期研究，在酸堿分別調節(jié)的第四天，污泥水解效果最顯著[4]，因此該實驗樣品，每日取一次，八天一個周期.連續(xù)流污泥預處理反應器的平面圖見圖1.

該裝置為敞開式，反應器中剩余污泥的溫度為環(huán)境溫度.實驗連續(xù)運行時，I～IV 號池所控制的條件相同，V～VIII 號池控制的條件相同，剩余污泥通過蠕動泵連續(xù)不斷地注入I 號池，流量為10 L/h.污泥經(jīng)過I～IV 號（即停留時間4 d）的酸階段調節(jié)處理后進入第一個沉淀池IX，在IX 號池靜沉一天后，沉淀后的濃縮污泥利用蠕動泵從IX 號池底部抽出后注入V 號池，進入堿調解階段.在V～VIII 號池繼續(xù)反應4 d，最后污泥進入第二個沉淀池（X 號反應池），沉淀一天后，沉淀的污泥收集后用于進一步處理.

圖1 實驗裝置平面

（2）實驗方法.分別考查10～15 ℃和25～35 ℃環(huán)境條件下，先酸后堿聯(lián)合處理（以下稱酸-堿處理）剩余污泥水解性能的變化.許德超[8-9]等人表示，高溫會使污泥產(chǎn)生難降解的有毒物質，本實驗用到常溫來代替高溫的情況，方便易行.經(jīng)前期課題組實驗研究發(fā)現(xiàn)：pH=3.0 條件下氮、磷的釋放量達到最大；pH=10.0 條件下有機質釋放量最大[10-13].研究中酸、堿處理分別選擇pH=3.0 的溶液（30%的HCl 溶液）和pH=10.0 的溶液（20%的NaOH 溶液）進行調節(jié).

每個周期取樣8 次，分析整理8 d 所測數(shù)據(jù)，將對應的各反應池，每日數(shù)據(jù)平均后進行分析.取樣測定時，從8 個處理池中分別取污泥樣本100 mL，經(jīng)離心后取出上清液測定蛋白質、碳水化合物及COD 的含量.

1.2 污泥來源與性質

試驗所用剩余污泥來自天津市某污水處理廠（采用A2O 工藝）二沉池回流污泥井，污泥的初始特性見表1.

表1 實驗用泥的初始特性

1.3 測定方法

（1）碳水化合物采用蒽酮法進行測定[14].

（2）蛋白質采用Folin-酚法進行測定[15-16].

（3）有機質釋放率按如下公式計算

式中：A0、Af為處理前后污泥樣品離心液的有機質濃度；As 為污泥樣中總的有機質濃度；V0、Vf為污泥樣品離心液的體積；Vs 為污泥樣體積.

（4）其他測試項目均參照《城市污水處理廠污泥檢驗方法》和《城市污水水質檢驗方法標準》進行測定.其中，pH 值使用PHS-3C 型pH 計，用玻璃電極法測得；COD 使用HACH DR 1010 和DRB200 消解儀，采用重鉻酸鉀法測得；消解后含水率利用SFY-20A 鹵素快速水分測定儀測得.

2 結果與討論

2.1 SPN、SPS 和SCOD 的釋放量變化情況

連續(xù)流反應器中剩余污泥在10～15 ℃和25～35 ℃的溫度條件下SPN、SPS 及SCOD 釋放規(guī)律見圖2.

圖2 顯示：不同溫度下，無論酸調節(jié)或堿調節(jié)，隨著停留時間的延長，SPN、SPS 及SCOD 的釋放逐漸增加.溫度條件在25～35 ℃下，三種有機質在從酸性階段到堿性階段的變化過程中，釋放量在不斷地升高，尤其在酸性轉為堿性階段時，三種有機質釋放量都有大幅度上升.在酸處理階段，三種有機質的釋放量增加緩慢.其中，SPS 和SCOD 釋放量規(guī)律相似，在酸處理階段第二天達到最大值，分別為12.54、150.47 mg/g VS，而最低釋放量分別為10.85、130.23 mg/g VS. 在堿性階段SPN、SPS、SCOD 三種有機質釋放量比酸階段高2～3 倍，最大釋放量分別為179.00、28.07、336.86 mg/g VS，這與其他研究者的結論相同[17-21]. SPN 釋放量在堿處理階段第三天達到峰值，SPS 和SCOD 的釋放量在堿處理階段的第一天就達到最大值.在堿階段的第二天，SPS 和SCOD 釋放量變化趨勢趨于平緩，其中SPS 的最高和最低釋放量為28.07、26.80 mg/g VS，SCOD的最高和最低釋放量分別為336.86、321.45 mg/g VS，王賀飛[22-24]等同樣得出相似的結論.

圖2 不同溫度下三種有機質的釋放量

溫度在10～15 ℃下，SPN、SPS、SCOD 釋放量均在上升，但變化較25～35 ℃時緩和.堿階段的釋放量增幅高于酸階段，最大釋放量都出現(xiàn)在最后一天，分別為：65.51、12.26、168.30 mg/g VS.

2.2 SPN、SPS 和SCOD 的釋放率變化情況

每日從反應器中取樣后，取一定體積的樣品離心使固液分離，并記錄離心后溶液的體積，隨后測定樣品和離心液中SPN、SPS 和SCOD 的濃度，根據(jù)污泥經(jīng)酸、堿處理前后污泥體積、濃度計算物質釋放率.

連續(xù)流反應器中剩余污泥的SPN、SPS 及SCOD的釋放率變化情況見圖3.

圖3 不同溫度下三種有機質的釋放規(guī)律

由圖3 可知，溫度升高有利于SPN、SPS 及SCOD的釋放，10～15 ℃時，三個檢測指標的最大釋放率在5%～9%，25～35 ℃最大釋放率在12%～20%，是10～15℃條件下的2.5 倍左右.10～15 ℃時，酸階段的SPN、SPS 及SCOD 釋放率保持在比較低的范圍，進入堿階段后，隨著停留時間延長，釋放率也一直在增大，并在第八天達到最大釋放率，分別為4.93%、8.84%、7.93%，這與袁光環(huán)等[22，25-26]的研究基本一致；25～35 ℃下，酸階段的SPN、SPS 及SCOD 釋放率較低溫時高，進入堿階段后迅速達到最大釋放率，分別為12.8%、19.3%、14.47%，說明高溫條件下藥劑與污泥的作用速率大大提高，有利于提高有機質的釋放效率.

溫度和酸-堿處理對污泥中有機質的釋放都有較大的影響，可能的原因：一是溫度升高，微生物細胞受熱膨脹，細胞內的物質更容易快速被釋放出來；二是在酸階段進入堿階段的有機質增長，可能堿性對產(chǎn)甲烷菌的抑制效果比酸性好，使得有機質轉化的可能性降低，所以堿性條件更有利于污泥的水解，Lin[27]等人得到同樣的結論；三是堿性條件破壞污泥絮體結構的效果比酸性條件好，堿性更易使細胞的間隙水釋放，并使微生物的胞外聚合物（EPS）和細胞壁溶解，釋放出有機質，而且EPS 會隨著pH 值升高而增加.

經(jīng)計算，試驗所用剩余污泥中蛋白質和碳水化合物分別占總COD 的45.0%～57.3%和6.2%～10.2%，可以看出，蛋白質是剩余污泥的主要組成部分，可以最大程度地促進污泥水解，其中的蛋白質釋放對污泥資源化利用有重要的意義.

3 結 論

連續(xù)流剩余污泥的先酸后堿調節(jié)可以最大程度地促進污泥水解并使其中的蛋白質釋放出來，對污泥資源化有著重要的意義.

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)：溫度升高有利于有剩余污泥里的有機質釋放；相較于10～15 ℃溫度條件，在25～35 ℃溫度下，堿處理階段比酸處理階段更有利于SPN、SPS和SCOD 的釋放，最大釋放量分別為179.00、28.07、336.86 mg/g VS，釋放率分別為12.8%、19.3%、14.47%.并且隨著溫度的升高，污泥的水解速度加快.