化學(xué)強化初沉污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷潛力研究

肖麗君, 馬向偉， 王永生， 都的箭， 吳 晴， 熊蒂程

(1.空軍研究院工程設(shè)計研究所， 北京 100000； 2.北京首都開發(fā)股份有限公司， 北京 100068)

隨著循環(huán)經(jīng)濟理念的提出，探究高效節(jié)能的污水處理模式勢在必行。我國傳統(tǒng)的城鎮(zhèn)污水處理廠由于工藝限制，大量的有機物質(zhì)需在二級生物處理單元進行去除，這不僅增加了二級生物處理單元的負(fù)荷，而且提高了污水處理廠運行成本。同時，傳統(tǒng)污泥厭氧消化系統(tǒng)存在有機物降解率低及甲烷產(chǎn)量不足的問題。研究表明[1]，污水中含有大量有機物，含有大量化學(xué)能，適于厭氧消化產(chǎn)能。因此，對污水處理廠進水中的有機物進行截留，不僅可以降低二級生物處理單元的運行負(fù)荷還可以通過厭氧消化產(chǎn)甲烷實現(xiàn)能量回收，具有較大的經(jīng)濟效益。本試驗采用CEPT對污水處理廠進水中的非溶解性有機物進行截留，然后通過厭氧消化的方法對CEPT截留下來的化學(xué)強化初沉污泥進行能量回收。由于進水水質(zhì)、混凝劑種類和混凝條件不同，化學(xué)強化初沉污泥中的組分差異較大，其厭氧消化效果在國內(nèi)外尚未形成統(tǒng)一的觀點。有學(xué)者認(rèn)為[2-8]，化學(xué)強化初沉污泥厭氧消化效果較普通初沉污泥好，適宜厭氧消化產(chǎn)能；有學(xué)者認(rèn)為[9-10]，化學(xué)強化初沉污泥厭氧消化效果較普通初沉污泥差，混凝劑對污泥的厭氧消化過程有抑制作用。但相關(guān)研究結(jié)果表明[3，9]鐵鹽混凝劑較其他混凝劑厭氧消化效果好同時鐵鹽價格低。因此，本試驗采用三氯化鐵作為混凝劑，針對特定水質(zhì)，通過中溫、高溫厭氧消化試驗確定適宜化學(xué)強化初沉污泥的混凝劑投加量及處理工藝。

1 實驗裝置、材料與方法

1.1 試驗裝置

本試驗反應(yīng)器采用的厭氧消化裝置是瑞典Bioprocess Control公司生產(chǎn)AMPTSⅡ(Automatic Methane Potential Test System)。該厭氧消化反應(yīng)器是針對物料產(chǎn)甲烷潛力(BMP)開發(fā)的專用設(shè)備，具有很高的精密性和穩(wěn)定性。該系統(tǒng)主要包括：水浴加熱單元、厭氧消化瓶(內(nèi)置攪拌裝置)、堿液吸收瓶(吸收CO2等)、濕式氣體計量單元(計量甲烷氣體體積)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。試驗原理簡圖如圖1所示。

圖1 AMPTSⅡ系統(tǒng)原理圖

1.2 試驗材料

試驗所用接種厭氧消化污泥和普通初沉污泥分別取自青島市海泊河污水處理廠厭氧消化池和初沉池，化學(xué)強化初沉污泥在實驗室通過化學(xué)一級強化處理產(chǎn)生。取海泊河污水處理廠格柵間出水，投加一定量(20，30，40 mg·L-1Fe3+)的FeCl3，以300 r·min-1快速攪拌1 min，60 r·min-1慢速攪拌3 min，靜置沉淀40 min后采用虹吸法除去上清液，從而獲得化學(xué)強化初沉污泥。厭氧消化試驗開始前對化學(xué)強化初沉污泥進行一定的重力濃縮，使污泥含固率在5%左右。中溫厭氧消化試驗和高溫厭氧消化試驗所用污泥的主要性質(zhì)分別如表1和表2所示。

表1 中溫厭氧消化試驗用污泥的主要性質(zhì)

表2 高溫厭氧消化試驗用污泥的主要性質(zhì)

1.3 試驗方法

1.3.1 接種厭氧消化污泥的馴化

試驗開始前在中溫(35 ℃)、高溫(55 ℃)厭氧條件下對試驗所用接種厭氧消化污泥進行馴化，以使微生物種群適應(yīng)新的溫度環(huán)境，同時降低消化污泥中原有的有機質(zhì)含量，避免對厭氧消化結(jié)果產(chǎn)生干擾。當(dāng)厭氧消化污泥產(chǎn)甲烷速率低于10 mL·d-1時結(jié)束馴化。

1.3.2 厭氧消化試驗

將化學(xué)強化初沉污泥與接種厭氧消化污泥按一定比例(VSS比為1∶2)混合后裝入?yún)捬跸到y(tǒng)中(650 mL)，混合污泥總體積控制為400 mL，在35 ℃，55 ℃條件下進行厭氧消化試驗。試驗開始前向厭氧消化系統(tǒng)中通氮氣2 min以保證嚴(yán)格的厭氧環(huán)境。試驗采用機械間歇性攪拌，攪拌和間歇時間均為60 s，待產(chǎn)甲烷量穩(wěn)定后結(jié)束試驗。每組試驗設(shè)3組平行樣本，取平均值作為最終結(jié)果。

1.3.3 指標(biāo)測定及方法

TS和VSS采用重量法[11]進行測定；甲烷產(chǎn)量采用碧普進行在線監(jiān)測。

2 結(jié)果分析

2.1 中溫厭氧消化化學(xué)強化初沉污泥產(chǎn)甲烷效果

圖2為試驗污泥單位VSS累積產(chǎn)甲烷量。由圖可知，化學(xué)強化初沉污泥單位VSS累積產(chǎn)甲烷量較普通初沉污泥高。其中，化學(xué)強化初沉污泥30 mg·L-1Fe3+組單位VSS累積產(chǎn)甲烷量最高，達397.6 mL·g-1VSS，較普通初沉污泥提高了51.1%。可能是因為化學(xué)強化初沉污泥中含有一定量Fe3+，由于Fe3+是參與厭氧消化反應(yīng)主要酶的活性中心組分，添加適量的Fe3+能增加酶的活性[12]，同時Fe還是厭氧微生物體內(nèi)細(xì)胞色素和細(xì)胞色素氧化酶的主要成分[13]。因此，化學(xué)強化初沉污泥較普通初沉污泥產(chǎn)甲烷量高。

圖2 污泥厭氧消化單位VSS累積產(chǎn)甲烷量

隨著CEPT三氯化鐵投加量的增加，化學(xué)強化初沉污泥單位VSS累積產(chǎn)甲烷量降低，化學(xué)強化初沉污泥40 mg·L-1Fe3+組單位VSS累積產(chǎn)甲烷量較30 mg·L-1Fe3+組降低了8.9%，主要是因為化學(xué)強化初沉污泥中Fe含量過高，不僅會對產(chǎn)甲烷菌的活性產(chǎn)生抑制，也會抑制水解酸化菌和產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌的生長[14]，因此，必須控制CEPT三氯化鐵的投加量。

圖3為化學(xué)強化初沉污泥的逐日產(chǎn)甲烷量。由圖可知，化學(xué)強化初沉污泥逐日產(chǎn)甲烷量變化趨勢大致相同，產(chǎn)甲烷量均為先上升后下降。在反應(yīng)周期前2～3天，由于厭氧消化系統(tǒng)中易降解有機物較充足，系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)甲烷菌將其快速降解為沼氣[15]，因此，甲烷產(chǎn)量出現(xiàn)明顯的高峰。在反應(yīng)周期的第3至第7天，系統(tǒng)中易降解有機物被完全利用，系統(tǒng)日產(chǎn)甲烷量開始下降。由于化學(xué)一級強化截留了大量的易降解有機物，因此，化學(xué)強化初沉污泥較普通初沉污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷量高；化學(xué)強化初沉污泥產(chǎn)氣高峰較普通初沉污泥慢，這是因為化學(xué)一級強化形成的絮體包裹了部分有機質(zhì)，有機質(zhì)釋放需要時間，使得在同樣負(fù)荷條件下，厭氧消化初期產(chǎn)氣量較普通初沉污泥少，與明磊[2]的研究結(jié)果相同。

圖3 污泥厭氧消化逐日產(chǎn)甲烷量

2.2 中溫條件下化學(xué)強化初沉污泥有機物降解情況分析

為了進一步探究化學(xué)強化初沉污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷量較普通初沉污泥高的原因，研究了中溫厭氧消化條件下SCOD、溶解性碳水化合物、溶解性蛋白質(zhì)厭氧消化前后的含量和降解率，分別如圖4～圖6所示。

圖4 厭氧消化前后SCOD濃度及降解率

圖5 厭氧消化前后溶解性碳水化合物濃度及降解率

圖6 厭氧消化前后溶解性蛋白質(zhì)濃度及降解率

由圖4、圖5、圖6可知，普通初沉污泥和化學(xué)強化初沉污泥SCOD降解率和溶解性碳水化合物降解率相差不大均在90%左右，在SCOD和溶解性碳水化合物降解率基本相同的情況下，普通初沉污泥和化學(xué)強化初沉污泥溶解性蛋白質(zhì)降解率存在較大的差異。其中，化學(xué)強化初沉污泥30 mg·L-1Fe3+組最高，達75.7%，較普通初沉污泥提高了26.9%，化學(xué)強化初沉污泥20 mg·L-1Fe3+組,40 mg·L-1Fe3+組溶解性蛋白質(zhì)降解率分別為69.3%，50.4%，較普通初沉污泥分別提高了20.5%，1.6%。因此，化學(xué)強化初沉污泥中鐵鹽的存在促進了污泥中溶解性蛋白質(zhì)的降解，導(dǎo)致化學(xué)強化初沉污泥產(chǎn)甲烷量提高；當(dāng)化學(xué)一級強化三氯化鐵投加量為40 mg·L-1Fe3+時，SCOD、溶解性碳水化合物和溶解性蛋白質(zhì)降解率均降低。因此，過量的鐵鹽不利于污泥厭氧消化過程中有機物質(zhì)的降解。

2.3 高溫厭氧消化化學(xué)強化初沉污泥產(chǎn)甲烷效果

圖7為試驗污泥在高溫厭氧消化條件下單位VSS累積產(chǎn)甲烷量。由圖可知，化學(xué)強化初沉污泥較普通初沉污泥單位VSS累積產(chǎn)甲烷量明顯增加，其中化學(xué)強化初沉污泥20 mg·L-1Fe3+組單位VSS累積產(chǎn)甲烷量最高，達350.93 mL·g-1VSS，較普通初沉污泥提高了25.3%。可能是因為化學(xué)一級強化截留了大量有機物，為污泥厭氧消化提供了豐富的基質(zhì)，使污泥C/N維持在合適的范圍之內(nèi)；隨著CEPT三氯化鐵投加量的增加，化學(xué)強化初沉污泥單位VSS累積甲烷產(chǎn)量有降低的趨勢，其中化學(xué)強化初沉污泥40 mg·L-1Fe3+組單位VSS累積產(chǎn)甲烷量較20 mg·L-1Fe3+組降低了10.5%，與中溫厭氧消化具有相似的結(jié)果。

圖7 污泥厭氧消化單位VSS累積產(chǎn)甲烷量

2.4 中高溫厭氧消化性能對比

2.4.1 中高溫厭氧消化產(chǎn)甲烷量對比

圖8為中溫和高溫厭氧消化條件下試驗污泥單位VSS累積總甲烷產(chǎn)量對比。由圖可知，普通初沉污泥在中溫和高溫厭氧消化條件下單位VSS累積總甲烷產(chǎn)量差異并不明顯，高溫厭氧消化條件下較中溫厭氧消化條件高，符合傳統(tǒng)污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷結(jié)果，與張辰[16]等的研究結(jié)果一致。主要是因為普通初沉污泥中含有大量的微生物，高溫條件有利于微生物破胞，有機物溶出，提高了有機物降解率。因此，高溫厭氧消化單位VSS累積甲烷產(chǎn)量較中溫厭氧消化高。

圖8 污泥單位VSS總甲烷產(chǎn)量

化學(xué)強化初沉污泥中溫厭氧消化條件下單位VSS累積產(chǎn)甲烷量明顯高于高溫厭氧消化。其中，化學(xué)強化初沉污泥20 mg·L-1Fe3+組,30 mg·L-1Fe3+組,40 mg·L-1Fe3+組中溫厭氧消化條件下單位VSS累積產(chǎn)甲烷量較高溫厭氧消化分別高13.4%，24.8%，15.3%，與傳統(tǒng)中高溫厭氧消化產(chǎn)甲烷量不一致。主要是因為CEPT截留的主要是懸浮性基質(zhì)，微生物含量較少，因此高溫厭氧消化在這方面優(yōu)勢不明顯。其次，產(chǎn)甲烷菌對環(huán)境溫度和pH值的變化十分敏感[17]，由于化學(xué)強化初沉污泥在高溫厭氧消化條件下的水解速率和水解產(chǎn)酸程度較中溫厭氧消化條件高，會引起厭氧消化系統(tǒng)pH值的降低。產(chǎn)甲烷菌對環(huán)境pH值的變化十分敏感，是高溫厭氧消化產(chǎn)甲烷效果較差的重要原因。

2.4.2 中高溫厭氧消化污泥減量化程度對比

圖9為中溫和高溫厭氧消化條件下試驗污泥的VSS降解率。由圖可知，高溫厭氧消化條件下，普通初沉污泥VSS降解率較中溫厭氧消化條件高，這與張辰[13]等的研究結(jié)果一致；化學(xué)強化初沉污泥高溫厭氧消化VSS降解率較中溫厭氧消化低，其中化學(xué)強化初沉污泥30 mg·L-1Fe3+組高溫厭氧消化條件下的VSS降解率較中溫厭氧消化條件下降低了11.6%，與普通初沉污泥對比結(jié)果存在差異?？赡苁且驗榛炷齽┰诟邷貐捬跸瘲l件下的水解程度較中溫厭氧消化條件高，使厭氧消化系統(tǒng)的pH值降低，由于產(chǎn)甲烷菌適宜中性和偏堿性條件[18]，因此，化學(xué)強化初沉污泥高溫厭氧消化VSS降解率較中溫厭氧消化低。

圖9 中溫高溫厭氧消化VSS降解率

綜合以上結(jié)論可知，化學(xué)強化初沉污泥在中溫厭氧消化條件下，具有產(chǎn)甲烷量高、污泥減量化程度好的特點。因此，化學(xué)強化初沉污泥適宜采用中溫厭氧消化方式進行能量回收。

3 結(jié)論

(1)中溫厭氧消化試驗結(jié)果表明：化學(xué)強化初沉污泥30 mg·L-1Fe3+組單位VSS累積產(chǎn)甲烷量最高，達397.63 mL·g-1VSS，較普通初沉污泥高51.1%；混凝劑的存在促進了化學(xué)強化初沉污泥中溶解性蛋白質(zhì)的降解是化學(xué)強化初沉污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷量較普通初沉污泥高的重要原因。

(2)高溫厭氧消化試驗結(jié)果表明：化學(xué)強化初沉污泥20 mg·L-1Fe3+組單位VSS累積產(chǎn)甲烷量最高，達350.93 mL·g-1VSS，較普通初沉污泥提高25.3%。

(3)中高溫厭氧消化對比試驗結(jié)果表明：中溫厭氧消化條件下，化學(xué)強化初沉污泥單位VSS累積產(chǎn)甲烷量明顯高于高溫厭氧消化，化學(xué)強化初沉污泥30 mg·L-1Fe3+組中溫厭氧消化單位VSS累積產(chǎn)甲烷量較高溫厭氧消化高24.8%；中溫厭氧消化條件下化學(xué)強化初沉污泥VSS降解率較高溫條件高。其中，化學(xué)強化初沉污泥30 mg·L-1Fe3+組中溫厭氧消化VSS降解率較高溫厭氧消化提高了11.6%，化學(xué)強化初沉污泥適宜采用中溫厭氧消化工藝。