金寶丹　 王淑瑩　 邢立群　 彭永臻

(北京工業(yè)大學北京市水質(zhì)科學與水環(huán)境恢復工程重點實驗室,北京100124)

單過硫酸氫鉀復合鹽對剩余污泥厭氧發(fā)酵的影響

金寶丹 王淑瑩 邢立群 彭永臻

(北京工業(yè)大學北京市水質(zhì)科學與水環(huán)境恢復工程重點實驗室,北京100124)

摘要:為了研究單過硫酸氫鉀復合鹽(PMS)對剩余污泥厭氧發(fā)酵的影響,將不同劑量的PMS投加至剩余污泥厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中,分析污泥溶液化率、污泥分解率、可揮發(fā)性脂肪酸(SCFAs)、蛋白質(zhì)和多糖、水解酶、發(fā)酵污泥毛細吸水時間(CST)及可揮發(fā)性懸浮固體濃度(MVLSS)等指標.研究發(fā)現(xiàn),在污泥中投入適量的PMS能夠有效地促進污泥水解酸化,提高污泥減量率.結果表明,當PMS為0.04～0.08 mg/mg時污泥發(fā)酵性能最佳,水解酸化性能相近.當PMS大于0.08 mg/mg時,污泥發(fā)酵性能下降,且該條件下藥劑消耗成本較高,不利于發(fā)酵系統(tǒng)運行.研究同時發(fā)現(xiàn),PMS能夠顯著提高SCFAs中乙酸的比例,乙酸比例最高可達到75.55%,同時降低丙酸比例,丙酸比例最低可達到0.92%.

關鍵詞:污泥發(fā)酵;水解酸化;可揮發(fā)性脂肪酸;單過硫酸氫鉀復合鹽;污泥減量

碳源短缺和大量剩余污泥難處理是當前城市污水處理廠亟待解決的關鍵問題.統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),城市污水處理廠中剩余污泥處理費用占污水處理廠總費用的25%～60%[1].因此解決污水處理廠碳源短缺及污泥處理處置等問題成為研究的熱點.

剩余污泥中含有大量的蛋白質(zhì)和多糖等有機物質(zhì), 厭氧發(fā)酵能將剩余污泥中的大量有機物質(zhì)釋放到發(fā)酵液中, 進一步轉化為可揮發(fā)性短鏈脂肪酸(SCFAs)[2],而SCFAs是生物處理過程中的優(yōu)質(zhì)碳源[3].污泥厭氧發(fā)酵分為水解、酸化和產(chǎn)甲烷3個階段, 其中水解是污泥發(fā)酵的關鍵階段[4-5].研究發(fā)現(xiàn),通過物理(加熱、超聲等)、化學(表面活性劑、酸、堿等)或生物處理(酶)等方法能夠有效地促進污泥水解[6-9],提高蛋白質(zhì)、多糖等有機物的釋放,然而這些方法均存在能源消耗大、二次污染嚴重、過程控制復雜等問題,使污泥厭氧發(fā)酵受到嚴重抑制.因此環(huán)保、安全、簡單、有效的剩余污泥厭氧發(fā)酵方法是污泥處理的研究熱點.

1材料與方法

1.1污泥來源及試驗裝置

本試驗使用的發(fā)酵污泥來自SBR工藝中試剩余污泥(總體積為8.8 m3,有效體積為 6.2 m3),該污泥在使用前用自來水清洗3次,并濃縮控制污泥濃度.試驗污泥性質(zhì)如表1所示.

試驗反應器材料為有機玻璃,總體積為2.5 L,有效容積為2.0 L,內(nèi)設置轉子及pH探頭,采用磁力攪拌器進行勻速攪拌,轉速為750 r/min,反應溫度為(30±2)℃.該裝置采用密封圈密封,以保證厭氧環(huán)境,同時在裝置頂部設置取樣.

表1　試驗污泥性質(zhì)　mg/L

1.2試驗方法

從SBR工藝中試取得剩余污泥并且進行清洗濃縮,清洗后污泥及水溶液性質(zhì)見表1.將污泥投加至1號～6號反應器中各2 L,并投加PMS，分別為0, 0.02, 0.04, 0.08, 0.23及0.46 mg/mg(即每1 mg污泥中的PMS投入量).控制攪拌速度為750 r/min,在室溫條件(30±2) ℃下進行發(fā)酵試驗,每2 d取樣一次.

1.3分析方法

污泥的溶液化PSCOD是指污泥發(fā)酵過程中從污泥中溶出的有機物占污泥顆粒本身總有機物的比值，污泥分解PDDCOD是指污泥發(fā)酵過程中溶出的有機物污泥占污泥在強堿溶液作用下直接分解產(chǎn)生的有機物的比值，采用比例計算法計算PSCOD和PDDCOD[18-19],即

(1)

(2)

式中,CODs為溶解性COD;CODs0為原始溶液中的溶解性COD;CODp0為污泥原始顆粒COD;CODNaOH為試驗溫度下,采用NaOH 1 mol/L處理剩余污泥24 h后產(chǎn)生的COD.

1.4PMS作用原理

反應公式為

式中,RH為有機物；R為小分子基團.

2結果與討論

2.1污泥水解性能

2.1.1PMS對污泥溶解的影響

污泥溶液化和分解是污泥破碎并釋放可溶性有機物質(zhì)的過程,同時有部分脫氧核糖核酸(DNA)釋放,因此,污泥溶液化及污泥分解能夠從宏觀上表征剩余污泥厭氧發(fā)酵效果,發(fā)酵過程中釋放的DNA在一定程度上可以表征細胞的溶解程度.圖1為不同劑量的PMS對剩余污泥厭氧發(fā)酵過程中污泥溶液化、污泥分解、COD及DNA的影響.

圖1　PMS對剩余污泥厭氧發(fā)酵污泥溶解的影響

由圖1可知,不同劑量的PMS對污泥溶液化、污泥分解及COD具有顯著的影響.分析數(shù)據(jù)可知,PSCOD,PDDCOD及COD具有相似的趨勢,且均隨著PMS先增大后減少.其中當PMS為0.04 mg/mg時,PSCOD,PDDCOD及COD分別為29.75%,37.0%,2 774.44 mg/L；當PMS為0.08 mg/mg時，PSCOD,PDDCOD及COD分別為30.51%,37.99%,2 844.01 mg/L,是未投加PMS實驗組的5～6倍,可見PMS能夠顯著促進污泥溶解,而且PMS為0.04和0.08 mg/mg發(fā)酵系統(tǒng)中污泥溶解效果相近.研究發(fā)現(xiàn)[20],污泥堿性發(fā)酵過程中PSCOD可達到23.2%～53.8%(15～55 ℃),超聲破碎過程中PDDCOD最大可達到22%[21].本研究結果與剩余污泥堿性發(fā)酵及超聲處理相比，PSCOD和PDDCOD略有提高,說明PMS能有效地促進污泥溶液化及分解.這是因為,PMS溶解于水后能夠產(chǎn)生大量高能量、高活性的小分子自由基、活性氧等過氧化氫衍生物,破壞微生物細胞膜的通透性屏障,使細胞內(nèi)容物流失,并且可與核酸中金屬離子如鈣、鐵等結合,自由基作用于核酸的磷酸二酯鍵，而導致其斷裂[11].同時自由基對RNA有類似的破壞作用[22],造成微生物死亡.同時發(fā)現(xiàn),過量的PMS使剩余污泥發(fā)生礦化,降低污泥溶液化率及分解率[23-24],而且氧化劑可能干擾重鉻酸鉀法測量COD,因此當PMS大于0.08 mg/mg時,PSCOD,PDDCOD及COD均有所下降.污泥在溶液化及分解的過程中,DNA隨著細胞質(zhì)的溶出而釋放,如圖1所示,DNA量隨著PMS投加量的增加而增大,說明雖然過量的PMS使污泥礦化,但仍能夠有效地分解部分污泥,并且釋放DNA.

2.1.2PMS對可溶性蛋白質(zhì)和多糖的影響

研究發(fā)現(xiàn)[25-26],剩余污泥中含有大量的胞外聚合物(EPS),而蛋白質(zhì)和多糖是EPS的主要組成部分，總量占EPS的80%左右[27].水解酶將蛋白質(zhì)和多糖分解成氨基酸和單糖等物質(zhì),酸化菌則利用氨基酸和單糖等物質(zhì)生成SCFAs,因此溶解性蛋白質(zhì)和多糖是污泥發(fā)酵產(chǎn)酸的關鍵物質(zhì)[28-29].PMS對污泥厭氧發(fā)酵過程中可溶性蛋白質(zhì)和多糖的影響如圖2所示.

(a) 蛋白質(zhì)

(b) 多糖

由圖2(a)可知,發(fā)酵過程中溶解性蛋白質(zhì)與PSCOD和PDDCOD具有相同的趨勢,隨著PMS先增大后減小,當PMS為0.08 mg/mg時,發(fā)酵過程中可溶性蛋白質(zhì)達到最大(416.71 mg/L),是PMS為0 mg/mg實驗組蛋白質(zhì)釋放量(35.73 mg/L)的11.67倍.然而當PMS投加量大于0.08 mg/mg時,可溶性蛋白質(zhì)釋放量略有降低,當PMS為0.46 mg/mg時,蛋白質(zhì)為374.69 mg/L,但仍是0 mg/mg實驗組的10.49倍.由圖2(b)可知,發(fā)酵過程中多糖釋放量隨著PMS增加而增大,當PMS投加量為0.46 mg/mg時,系統(tǒng)中多糖含量為376.64 mg/L,是PMS為0 mg/mg實驗組蛋白質(zhì)釋放量(21.84 mg/L)的17.25倍.說明PMS能夠促進剩余污泥分解,提高可溶性蛋白質(zhì)和多糖的釋放.同時發(fā)現(xiàn),投加PMS實驗組中多糖與蛋白質(zhì)含量相似,這與堿性發(fā)酵[20]及表面活性劑(十二烷基苯磺酸鈉)污泥發(fā)酵[30]中可溶性蛋白質(zhì)和多糖含量相反.分析原因可能是，過量的PMS能夠氧化蛋白質(zhì)中的酪氨酸和色氨酸[31],進而減少系統(tǒng)中的蛋白質(zhì),所以高濃度PMS發(fā)酵系統(tǒng)中可溶性蛋白質(zhì)濃度降低,導致該系統(tǒng)中可溶性蛋白質(zhì)和多糖含量相似.

2.2污泥酸化性能

2.2.1PMS對SCFAs產(chǎn)量的影響

SCFAs是污泥厭氧發(fā)酵過程中的酸化產(chǎn)物,是酸化菌利用水解產(chǎn)物而生成的.PMS釋放大量的活性物質(zhì),改變系統(tǒng)的pH及水解酶活性,而且系統(tǒng)pH及水解酶活性均能影響水解酸化菌的活性,進而影響剩余污泥發(fā)酵系統(tǒng)的水解酸化性能.PMS對剩余污泥厭氧發(fā)酵過程中SCFAs、pH及水解酶的影響如圖3所示.

(a) SCFAs

(b) pH

(c) 水解酶活性

由圖3可知,PMS對SCFAs, pH及水解酶活性具有顯著的影響作用.實驗結果分析發(fā)現(xiàn),SCFAs隨著PMS先增大后降低,且隨著發(fā)酵時間的延長,變化較大,這可能與發(fā)酵系統(tǒng)中酸化基質(zhì)(可溶性蛋白質(zhì)、多糖)以及酸化菌活性有關.研究發(fā)現(xiàn),發(fā)酵至第5天時,PMS為0.04 mg/mg實驗組中SCFAs生成量最大(1 857.36 mg/L)，是PMS 0 mg/mg實驗組SCFAs生成量(64.96 mg/L)的28.59倍.發(fā)酵至第16天時,PMS為0.04 mg/mg實驗組中SCFAs產(chǎn)量迅速降低,但是PMS 0.08 mg/mg實驗組中SCFAs產(chǎn)量達到最大(1 559.13 mg/L)，是0 mg/mg實驗組SCFAs生成量的24倍.該結果表明,PMS為0.04～0.08 mg/mg能夠顯著地提高發(fā)酵系統(tǒng)中SCFAs產(chǎn)量,這是因為當PMS為0.04及0.08 mg/mg時實驗組中含有大量的蛋白質(zhì)及多糖等酸化基質(zhì)(見圖2),而且系統(tǒng)中pH分別為5.948,7.123(見圖3(b)),較適合產(chǎn)酸菌的生長,同時由于PMS能夠有效地抑制產(chǎn)甲烷菌活性[32],降低了SCFAs的消耗,所以該發(fā)酵系統(tǒng)中產(chǎn)生大量的SCFAs積累現(xiàn)象.剩余污泥堿性發(fā)酵產(chǎn)生的SCFAs約為195～312 mg/g (20～55 ℃)[33-35],而本研究中最佳PMS投加量(0.04～0.08 mg/mg)條件下,SCFAs產(chǎn)量約為285.69～222.73 mg/L,可見PMS能夠顯著地促進污泥發(fā)酵產(chǎn)酸.分析結果發(fā)現(xiàn),PMS為0.04及0.08 mg/mg實驗組中SCFAs產(chǎn)量最大值分別在第5天和第16天,分析原因可能是PMS為0.04 mg/mg實驗組中的PMS濃度適中,對水解酸化菌活性的抑制性較低,同時能夠提供大量的蛋白質(zhì)和多糖,所以該條件下SCFAs能夠迅速增加,但是PMS為0.08 mg/mg實驗組中的PMS濃度較大,反應初期抑制耗酸性微生物生長,影響水解酸化菌活性.隨著反應的進行,水解酸化菌逐漸適應發(fā)酵環(huán)境并恢復活性,所以發(fā)酵后期SCFAs產(chǎn)量迅速增加.

由圖3分析可知,PMS為0.23及0.46 mg/mg實驗組中,SCFAs產(chǎn)量明顯低于PMS為0.04 及0.08 mg/mg實驗組,這是因為PMS為0.23及0.46 mg/mg實驗組中過量的PMS溶于水后,產(chǎn)生大量的氧化物質(zhì),使該實驗組中pH(3.96,2.48，見圖3(b))較低,不利于微生物生長,同時由于PMS較強的殺菌破壁功能,導致蛋白質(zhì)和多糖大量的釋放(見圖2),殺死系統(tǒng)中水解產(chǎn)酸菌,所以該實驗組中SCFAs產(chǎn)量明顯小于PMS為0.04及0.08 mg/mg實驗組,但其SCFAs產(chǎn)量仍為PMS為0 mg/mg實驗組的1倍.在PMS為0 及0.02 mg/mg實驗組中,由于較弱的水解能力,酸化基質(zhì)(即蛋白質(zhì)和多糖)較少,所以SCFAs生成量較其他實驗組生成量小.

2.2.2PMS對水解酶活性變化的影響

蛋白質(zhì)和多糖是剩余污泥中的主要成分,α-葡萄糖苷酶破壞麥芽糖內(nèi)的α-1,4糖苷鍵并釋放葡萄糖,蛋白酶則可通過破壞大分子蛋白質(zhì)的肽鏈,達到水解蛋白質(zhì)的目的[16].因此,蛋白酶和α-葡萄糖苷酶可分別將蛋白質(zhì)和多糖水解成可被酸化菌利用的氨基酸和單糖等小分子物質(zhì),所以蛋白酶和α-葡萄糖苷酶在污泥厭氧發(fā)酵過程中起著重要作用.

由圖3(c)可知,PMS對水解酶活性有顯著的影響,隨著PMS先增加后降低.PMS為0.04及0.08 mg/mg系統(tǒng)中的蛋白酶和α-葡萄糖苷酶活性最大,發(fā)酵系統(tǒng)每毫克可揮發(fā)性污泥(mgVSS)中蛋白酶分別為0.197,0.212 EU/mg, α-葡萄糖苷酶分別為6.29×10-5,8.78×10-5EU/mg.該條件下,水解酶大量地分解可溶性蛋白質(zhì)和多糖,為酸化菌提供豐富的酸化底物,產(chǎn)生大量的SCFAs(見圖3(a)).在實驗組中,蛋白酶活性高于α-葡萄糖苷酶活性,這是因為酶與其反應底物同時位于微生物細胞體內(nèi),當反應底物從細胞內(nèi)向細胞外轉移時,相關酶也隨著向外轉移[36],即向外轉移底物越多,相關酶活性就越高.由圖2可知,發(fā)酵液中的蛋白質(zhì)含量顯著高于多糖含量,因此導致蛋白酶活性高于α-葡萄糖苷酶活性.該現(xiàn)象與Cadoret等[37]研究結果一致,Cadoret等發(fā)現(xiàn)在污泥絮體EPS部分含有23%的蛋白酶和5%的α-葡萄糖苷酶,而剩余水解酶則位于球體層內(nèi),溶液中蛋白酶活性遠高于α-葡萄糖苷酶活性.

2.2.3PMS對氨氮及磷酸鹽釋放的影響

(a) NH+4-N

(b) PO3-4-P

2.2.4PMS對污泥發(fā)酵酸成分的影響

污泥厭氧發(fā)酵酸化產(chǎn)物SCFAs包括乙酸、丙酸、異丁酸、正丁酸、異戊酸及正戊酸.研究發(fā)現(xiàn),當SCFAs作為碳源時微生物優(yōu)先利用乙酸、丙酸和丁酸進行生物代謝[39],因此提高SCFAs中乙酸、丙酸或者丁酸的比例也是研究污泥厭氧發(fā)酵的重點,特別是乙酸.圖5為PMS對SCFAs中酸成分的影響.

圖5　PMS對污泥厭氧發(fā)酵過程中SCFAs酸成分的影響

研究發(fā)現(xiàn),微生物是可能影響SCFAs成分的主要因素[40].由圖5可知,PMS對SCFAs成分具有顯著的影響,乙酸為SCFAs中主要短鏈脂肪酸,而且在PMS為0.04～0.046 mg/mg實驗組中其比例遠高于丙酸或其他短鏈酸,這與Wang等[26]報道相似.分析圖5可知,在不同PMS劑量的發(fā)酵實驗組中,乙酸比例具有顯著差別，當PMS投加量為0，0.02，0.04 mg/mg時,乙酸隨著PMS的增加而增大,分別為17.40%,19.84%,75.55%,當PMS為0.08，0.23，0.46 mg/mg時,乙酸比例逐漸降低,分別為61.64%,46.99%,44.95%.文獻[20,41-42]研究發(fā)現(xiàn),在15～55 ℃的堿性發(fā)酵過程中乙酸的積累率為40.7%～36.6%,乙酸比例顯著大于堿性發(fā)酵的乙酸比例,說明PMS能夠顯著提高發(fā)酵系統(tǒng)中乙酸的產(chǎn)量.

由圖5可知,與乙酸相反,當PMS為0，0.02，0.04 mg/mg時,SCFAs中丙酸比例隨著PMS增加而降低,分別為11.29%,2.78%,0.92%；當PMS為0.08,0.23,0.46 mg/mg時,SCFAs中丙酸比例隨著PMS增加而略有升高,分別為3.42%,4.83%,6.38%.研究發(fā)現(xiàn)不同溫度下堿性發(fā)酵過程中丙酸積累率為22.9%～14.9%[20],說明PMS能夠提高丙酸利用率,同時促進丙酸向乙酸的轉化,增大發(fā)酵系統(tǒng)中乙酸所占的比例.分析原因,系統(tǒng)中可能含有大量的硫酸鹽還原菌(SBR),同時SBR與丙酸利用菌相比,對丙酸具有更快的利用率,使SBR能夠將丙酸不完全轉化為乙酸[32],所以發(fā)酵系統(tǒng)中出現(xiàn)高乙酸、低丙酸的現(xiàn)象.

SCFAs中正丁酸和正戊酸比例與丙酸相似,PMS為0.04 mg/mg實驗組中正丁酸和正戊酸最少,分別為1.13%,1.26%,而SCFAs中異丁酸和異戊酸比例差別不明顯.丁酸鹽也能夠被SRB廣泛利用[43],而且微生物更加容易利用直鏈酸(即正丁酸),所以發(fā)酵實驗中,PMS為0.04 mg/mg實驗組中異丁酸含量區(qū)別較小,但是正丁酸含量最低.SCFAs中異戊酸和正戊酸的比例差別原因可能與丁酸相似.在PMS為0及0.02 mg/mg實驗組中發(fā)現(xiàn),異戊酸比例大于乙酸比例,這可能是因為PMS為0，0.02 mg/mg實驗組中少量的PMS溶解于水后產(chǎn)生的高能量、高活性的小分子自由基、活性氧等過氧化氫衍生物不足,剩余污泥不能有效溶解,可溶性蛋白質(zhì)和多糖釋放不充分(見圖2),酸化菌酸化基質(zhì)較少,酸化菌活性不高(見圖3),從而導致酸化菌對長鏈脂肪酸轉化能力較弱,同時微生物優(yōu)先利用直鏈酸,使低濃度PMS發(fā)酵系統(tǒng)中異戊酸的比例高于乙酸比例.通過以上研究發(fā)現(xiàn),PMS不僅能夠提高剩余污泥厭氧發(fā)酵過程中乙酸的含量,同時能夠降低丙酸比例,達到優(yōu)化污泥發(fā)酵產(chǎn)酸的目的.

2.3發(fā)酵污泥性質(zhì)

2.3.1PMS對污泥減量率的影響

污泥含有大量的有機物質(zhì),在污泥厭氧發(fā)酵過程中,水解酸化菌通過對有機物質(zhì)的代謝達到污泥減量的目的,所以剩余污泥減量率與剩余污泥水解酸化效果直接相關.不同PMS對污泥減量率的影響如圖6(a)所示.

由圖6(a)可知,與SCFAs變化相同,當PMS小于0.04 mg/mg時,污泥減量率隨著PMS增加而增大.當PMS為0.04 mg/mg時，實驗組可揮發(fā)性污泥濃度(MLVSS)為6 234 mg/L,污泥減量率約為47.01%；當PMS為0.08 mg/mg時,污泥減量率略有降低,其MLVSS為6 950 mg/L,污泥減量率約為40.98%.分析結果發(fā)現(xiàn),PMS為0.04，0.08 mg/mg實驗組的污泥減量效果遠好于厭氧-好氧工藝的污泥減量效果 (25%～28%)[44-45],略高于堿性條件下污泥減量效果(38.5%)[34],可見PMS能夠顯著提高剩余污泥厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中的污泥減少量.同時研究發(fā)現(xiàn),當PMS為0.23,0.46 mg/mg 時,污泥減量率隨著PMS增大而下降,MLVSS及污泥減量率分別為9 810 mg/L,16.7%和9 910 mg/L,15.8%,且小于0 mg/mg實驗組的MLMLVSS和污泥減量率(9 312 mg/L,20.9%).這可能是因為大劑量的PMS直接殺死微生物,不能達到有效的溶胞作用,污泥溶解化(見圖1)及SCFAs(見圖3)變化均能夠證明大劑量PMS不利于污泥厭氧發(fā)酵,污泥減量效果不顯著.

(a) 可揮發(fā)性污泥濃度

(b) 污泥脫水性

2.3.2PMS對污泥脫水性的影響

污泥脫水性能是污泥處理的重要影響因素,同時也影響發(fā)酵液的使用.污泥脫水性常用毛細吸水時間CST表示.CST越低,表示污泥脫水性好;CST越高,表示污泥脫水性越差,不利于污泥處理及發(fā)酵液利用.圖6(b)為不同濃度PMS對污泥厭氧發(fā)酵污泥脫水性的影響.

由圖6(b)可知,PMS顯著影響發(fā)酵污泥脫水性.隨著PMS增加,CST先增加(PMS 0～0.23 mg/mg)后降低(PMS 0.23～0.46 mg/mg),最大值出現(xiàn)在PMS為0.08～0.23 mg/mg實驗組發(fā)酵末期,CST分別為1 897.5和2 005.6 s.最低值出現(xiàn)在PMS為0 mg/mg的實驗組,CST為 102.5 s.同時發(fā)現(xiàn),相對于PMS 0.04～0.23 mg/mg實驗組中測得的污泥毛細吸水時間,PMS 0.46 mg/mg實驗組中的CST較低,發(fā)酵末期CST約為225.6 s.這與發(fā)酵系統(tǒng)EPS及SCFAs產(chǎn)量相關.分析發(fā)現(xiàn),PMS 0 mg/mg實驗組中由于污泥水解率較低,系統(tǒng)中的EPS及SCFAs含量較低,小分子黏性物質(zhì)較少,所以CST較低.在PMS 0.04～0.23 mg/mg實驗組中,由于EPS及SCFAs相對較多,小分子物質(zhì)較為豐富,所以CST較高，當PMS為0.04 mg/mg時，CST為1 100.9 s.PMS 0.46 mg/mg實驗組中雖然EPS含量較高,但SCFAs產(chǎn)量較低,同時高含量的強氧化物質(zhì)導致系統(tǒng)內(nèi)污泥發(fā)生礦化現(xiàn)象,使該組的CST較低.綜上所述,相對PMS 0.04～0.23 mg/mg實驗組,0.46 mg/mg實驗組污泥脫水性較好.同時也發(fā)現(xiàn),相對NaOH型污泥堿性發(fā)酵[46],PMS型污泥厭氧發(fā)酵不僅能夠獲得較好的污泥減量效果,而且具有相對較好的污泥脫水性,容易實現(xiàn)泥水分離和發(fā)酵液的利用.

2.4污泥厭氧發(fā)酵成本核算

表2為不同劑量PMS對發(fā)酵系統(tǒng)運行成本的影響.由于本次試驗為一次性投加的批次試驗,因此計算成本以單位污泥減量消耗的PMS量及發(fā)酵期間SCFAs最大產(chǎn)出量為基礎.

表2　不同劑量的PMS發(fā)酵系統(tǒng)運行成本核算

注：① SCFAs產(chǎn)出價值按照市場甲醇價格計算,約為3 500元/t;② 發(fā)酵系統(tǒng)可揮發(fā)性污泥濃度(MLVSS)為11 777 mg/L;③ SCFAs最大產(chǎn)出量按照不同系統(tǒng)中在發(fā)酵期間的最大值;④ PMS成本價格按照市場價格計算,約為8 000元/t;⑤ 發(fā)酵成本結余指發(fā)酵系統(tǒng)藥劑成本.

分析結果發(fā)現(xiàn),不同計量的PMS發(fā)酵系統(tǒng)運行成本及運行情況具有顯著的差別,發(fā)酵系統(tǒng)藥劑成本隨著PMS投加量的增大而增加,但是當PMS投加量為0.02～0.08 mg/mg時,發(fā)酵系統(tǒng)運行成本有結余,這是因為在該投加劑量范圍內(nèi)發(fā)酵系統(tǒng)中SCFAs產(chǎn)量隨著PMS增加而增大,SCFAs產(chǎn)出價值能夠抵消藥劑消耗成本,所以發(fā)酵系統(tǒng)運行費用能夠達到平衡.然而當PMS為0.23～0.46 mg/mg時,由于SCFAs產(chǎn)量降低,而藥劑消耗成本增加,SCFAs產(chǎn)出價值不能抵消藥劑投加成本,導致發(fā)酵系統(tǒng)運行成本出現(xiàn)負值.總結發(fā)現(xiàn),投加PMS改善污泥厭氧發(fā)酵性能及提高污泥減量是可行的,而且PMS為0.04 mg/mg時,系統(tǒng)運行情況最佳.

3結論

1) PMS能夠顯著地促進剩余污泥厭氧發(fā)酵的水解,當PMS小于0.08 mg/mg時,污泥的溶液化、污泥分解及可溶性COD隨著PMS增加而增大,但當PMS大于0.08 mg/mg時,污泥水解性降低.

2) 適當濃度PMS能夠提高剩余污泥發(fā)酵產(chǎn)酸能力,而且能夠顯著優(yōu)化產(chǎn)酸類型,提高乙酸比例,最高可達75.55%,并降低丙酸比例,最低為0.92%.由于微生物對PMS的適應性不同,導致PMS為0.08 mg/mg發(fā)酵系統(tǒng)最佳產(chǎn)酸時間較PMS為0.04 mg/mg發(fā)酵系統(tǒng)滯后,其最佳產(chǎn)酸時間分別為5和16 d.

3) 適當濃度的PMS實驗組具有較高的污泥減量率和較好的污泥脫水性.當PMS為0.04和0.08 mg/mg時，污泥減量率分別為47.01%和40.98%，CST分別為1 100.9和1 897.5 s.

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Effect of potassium peroxymonosulfate on waste activated sludge anaerobic fermentation

Jin Baodan Wang Shuying Xing Liqun Peng Yongzhen

(Key Laboratory of Beijing for Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering,Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

Abstract:In order to investigate the effect of potassium peroxymonosulfate (PMS) on the waste activated sludge (WAS) anaerobic fermentation, the PMS of different dose was added into the fermentation systems. Different indicators, such as the WAS solubilization rate, disintegration degree rate, short chain fatty acids(SCFAs), protein, polysaccharide, hydrolase, capillary suction time(CST) of WAS and volatile suspended solid (MLVSS) concentration were analyzed in the anaerobic fermentation process. It is found that the appropriate PMS effectively enhances the WAS hydrolysis acidification function and sludge reduction. The results show that when the PMS is 0.04 to 0.08 mg/mg, the fermentation performance of WAS is the best and they have a similar hydrolytic acidification performance. However, the fermentation performance of WAS is reduced and the reagent cost is increased when the PMS is higher than 0.08 mg/mg. It is not beneficial to the fermentation system operation. At the same time, it is found that the PMS can significantly increase the proportion of acetic acid to the maximum of 75.55%, and decline the proportion of propionic acid to the minimum of 0.92% in SCFAs.

Key words:waste activated sludge fermentation; hydrolytic acidification; short volatile fatty acids; potassium peroxymonosulfate (PMS); sludge reduction

DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.02.032

收稿日期:2015-09-10.

作者簡介:金寶丹(1985—),女,博士生;王淑瑩(聯(lián)系人),女,教授,博士生導師, wsy@bjut.edu.cn.

基金項目:國家水體污染控制與治理科技重大專項資助項目(2015ZX07218001)、第十三屆研究生科技基金資助項目(ykj-2014-10608).

中圖分類號:X703

文獻標志碼:A

文章編號:1001-0505(2016)02-0434-10

引用本文: 金寶丹，王淑瑩，邢立群，等.單過硫酸氫鉀復合鹽對剩余污泥厭氧發(fā)酵的影響[J].東南大學學報(自然科學版),2016,46(2):434-443. DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.02.032.