廢棄淀粉乳強(qiáng)化剩余污泥厭氧產(chǎn)酸

熊惠磊，張曉聰，楊海洋，段雙妮，陳選平，施漢昌，4

（1. 北京協(xié)同創(chuàng)新研究院，北京 100094；2. 湘南學(xué)院，湖南 郴州 423099；3. 湖南大自然環(huán)保科技有限公司，湖南 郴州 423099；4．清華大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，北京 100084）

據(jù)統(tǒng)計，2019年全國污水處理廠剩余污泥（含水率80%）產(chǎn)生量已突破6 000萬噸，而且還將以每年5%～8%的速度進(jìn)一步增長。目前我國剩余污泥集中處理方式包括土地利用、焚燒、衛(wèi)生填埋、建材利用和厭氧消化等，其中厭氧消化技術(shù)在剩余污泥資源化利用以及碳中和方面都具有獨特優(yōu)勢。該技術(shù)是利用兼性菌和厭氧菌進(jìn)行厭氧生化反應(yīng)，分解污泥中的有機(jī)物質(zhì)，實現(xiàn)污泥穩(wěn)定化的一種處理工藝。剩余污泥厭氧消化技術(shù)的關(guān)鍵在于如何快速實現(xiàn)微生物細(xì)胞破壁并促進(jìn)胞內(nèi)的大分子有機(jī)物迅速轉(zhuǎn)化成揮發(fā)性有機(jī)酸（VFA）。為此，國內(nèi)外學(xué)者針對剩余污泥厭氧產(chǎn)酸的預(yù)處理方法進(jìn)行了廣泛研究，包括：物理法、化學(xué)法和生物法。其中，生物法因具有環(huán)境友好、受微生物協(xié)同作用等優(yōu)點而備受青睞。

本研究以某淀粉加工廠的廢棄淀粉乳作為外加碳源，通過激發(fā)剩余污泥中各類厭氧微生物的協(xié)同共生，強(qiáng)化剩余污泥的厭氧產(chǎn)酸過程，加速大分子有機(jī)物及其中間產(chǎn)物的降解，為剩余污泥預(yù)處理方式提供新的思路。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

剩余污泥取自北京某市政污水處理廠，廢棄碳源為河北省某淀粉加工廠的廢棄淀粉乳，主要特性見表1。剩余污泥中的有機(jī)物可分為溶解性有機(jī)物和顆粒性有機(jī)物兩類，其中，溶解性有機(jī)物包含揮發(fā)性脂肪酸（VFA）、腐殖酸（HA）、溶解性蛋白質(zhì)（S-P）、溶解性碳水化合物（S-C）和未知溶解性有機(jī)物（U-M）；顆粒性有機(jī)物包括顆粒性碳水化合物（P-C）、顆粒性蛋白質(zhì)（P-P）和顆粒性脂肪（P-L）。

表1 剩余污泥和廢棄碳源的主要特性

1.2 實驗方法

取4支5 L錐形瓶，其中兩支分別加入1.5 L的剩余污泥（空白組），另兩支分別加入相同體積的混合污泥（碳源組），分別放入兩臺臥式恒溫?fù)u床中，在溫度50 ℃、轉(zhuǎn)速170 r/min的條件下振蕩一定時間，取樣后測定各項污泥指標(biāo)。整個過程處于兼氧狀態(tài)。

1.3 分析方法

SCOD、MLSS和MLVSS等指標(biāo)按照《水和廢水監(jiān)測分析方法》進(jìn)行測定；蛋白質(zhì)、腐殖酸、碳水化合物、脂肪和揮發(fā)性脂肪酸的含量，按照文獻(xiàn)［17-19］的方法進(jìn)行測定，并換算成COD。

2 結(jié)果與討論

2.1 廢棄淀粉乳對顆粒性有機(jī)物降解特性的影響

有很多學(xué)者發(fā)現(xiàn)剩余污泥厭氧產(chǎn)酸階段的P-L降解率較低，因此，本小節(jié)重點考察兩組試驗中P-C和P-P的降解情況。

圖1為剩余污泥中P-C質(zhì)量濃度及降解率隨處理時間的變化。由圖1可見，空白組和碳源組中P-C隨處理時間的降解特性一致：處理12 h后，P-C的降解率開始迅速提高，并在24 h時分別達(dá)到37.96%和65.80%；隨著處理時間的進(jìn)一步延長，P-C的降解率增加緩慢，處理48 h后，兩組P-C的降解率分別達(dá)到47.71%和71.75%。

圖1 P-C質(zhì)量濃度及降解率隨處理時間的變化

圖2為剩余污泥中P-P質(zhì)量濃度及降解率隨處理時間的變化。由圖2可見：初始階段，P-P的降解率隨處理時間的延長緩慢增加；當(dāng)處理時間增加至24 h后，P-P降解率迅速增加；進(jìn)一步延長處理時間至48 h時，空白組和碳源組中P-P的降解率分別達(dá)到44.32%和61.05%。

圖2 P-P質(zhì)量濃度及降解率隨處理時間的變化

上述結(jié)果表明，剩余污泥厭氧產(chǎn)酸階段，P-C的降解速率在0～24 h內(nèi)明顯快于P-P，隨著處理時間的延長，蛋白質(zhì)分解菌所獲得的能量逐漸增多，在24～48 h內(nèi)P-P的降解能力迅速提升。與空白組相比較，處理48 h后，碳源組中P-C和P-P的降解率分別提高了24.04和16.73個百分點，可見，外加廢棄碳源有助于剩余污泥中顆粒性有機(jī)物的分解。

2.2 廢棄淀粉乳對溶解性有機(jī)物組成的影響

在厭氧產(chǎn)酸過程中，剩余污泥中的溶解性有機(jī)物分解所產(chǎn)生的VFA可用于反硝化、產(chǎn)氫氣、產(chǎn)甲烷等多種用途，因而深受關(guān)注。但溶解性有機(jī)物組成對VFA產(chǎn)量的影響，卻很少被關(guān)注。

空白組中溶解性有機(jī)物各組分的質(zhì)量濃度及質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨處理時間的變化見圖3。由圖3可見，溶解性有機(jī)物的組成中，U-M質(zhì)量濃度為770～1 100 mg/L，質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，約為40%～60%；目標(biāo)物質(zhì)VFA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅占12%～26%，HA、S-P和S-C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均在12%左右。由此推斷，U-M的積累可能是引起VFA產(chǎn)量下降的原因之一。

圖3 空白組中溶解性有機(jī)物各組分質(zhì)量濃度（a）及質(zhì)量分?jǐn)?shù)（b）隨處理時間的變化

碳源組中溶解性有機(jī)物各組分的質(zhì)量濃度及質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨處理時間的變化見圖4。由圖4可見：加入廢棄淀粉乳后，溶解性有機(jī)物中U-M的質(zhì)量濃度在24 h時達(dá)到最大值，為1 415.40 mg/L，隨后迅速降低；在整個處理期間內(nèi)，VFA的質(zhì)量濃度持續(xù)增加。其原因可能是廢棄淀粉乳分解所產(chǎn)生的能量物質(zhì)有助于微生物對U-M的降解，從而保證了VFA的持續(xù)產(chǎn)生，處理48 h后，其最大產(chǎn)量為3 692.67 mg/L，約占溶解性有機(jī)物的84.39%。由此可見，外加廢棄碳源有助于強(qiáng)化剩余污泥中溶解性有機(jī)物的分解，產(chǎn)生更多的VFA。

圖4 碳源組中溶解性有機(jī)物各組分質(zhì)量濃度（a）及質(zhì)量分?jǐn)?shù)（b）隨處理時間的變化

2.3 廢棄淀粉乳對VFA各組分的影響

剩余污泥厭氧消化所產(chǎn)生的VFA被認(rèn)為是優(yōu)質(zhì)有機(jī)碳源，主要包括乙酸（HAc）、丙酸（HPr）、異丁酸（-HBu）、正丁酸（-HBu）、異戊酸（-HVa）和正戊酸（-HVa）6種短鏈脂肪酸。

空白組中VFA各組分質(zhì)量濃度和質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨處理時間的變化見圖 5。由圖5可見，在空白組水解液的VFA中，HAc是主要的短鏈脂肪酸，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為46%～58%，但由于U-M的積累，VFA的質(zhì)量濃度偏低，導(dǎo)致HAc的質(zhì)量濃度也較低，處理48 h時僅為330.01 mg/L。

圖5 空白組中VFA各組分質(zhì)量濃度（a）和質(zhì)量分?jǐn)?shù)（b）隨處理時間的變化

碳源組中VFA各組分質(zhì)量濃度和質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨處理時間的變化見圖6。

圖6 碳源組中VFA各組分質(zhì)量濃度（a）和質(zhì)量分?jǐn)?shù)（b）隨處理時間的變化

由圖6可見，當(dāng)處理時間大于12 h后，水解液中-HBu的質(zhì)量濃度和質(zhì)量分?jǐn)?shù)迅速超過HAc；隨著處理時間的延長，-HBu和HAc的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為54%～66%和25%～29%；當(dāng)處理時間為48 h時，-HBu和HAc的質(zhì)量濃度分別為2 011.14 mg/L和1 063.30 mg/L。由于-HBu濃度的持續(xù)增加，因此可以認(rèn)為反應(yīng)器處于丁酸型發(fā)酵期。

3 結(jié)論

a）外加廢棄淀粉乳有助于促進(jìn)剩余污泥中顆粒性有機(jī)物的分解。與空白組相比，當(dāng)處理時間為48 h時，碳源組中P-P的降解率從44.32%提高至61.05%，P-C的降解率從47.71%提高到71.75%。

b）厭氧產(chǎn)酸過程中U-M的大量累積對VFA的生成有一定的抑制作用。外加廢棄淀粉乳可促進(jìn)U-M的分解，從而有利于提高VFA在溶解性有機(jī)物中的占比。與空白組相比，處理48 h后，碳源組中VFA在溶解性有機(jī)物中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從26.04%提高到

84.39%。

c）碳源組水解液中VFA主要由-HBu和HAc構(gòu)成，處理時間為12～48 h時，二者的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為54%～66%和25%～29%。由于-HBu占比最高，因此可以認(rèn)為該反應(yīng)屬于丁酸型發(fā)酵。