唐　治， 尹小波， 周　正， 耿宇聰， 鄧雅月， 李　強

(1. 農業(yè)部沼氣科學研究所， 成都　610041； 2.農業(yè)部農村可再生能源開發(fā)利用重點實驗室， 成都　610041)

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預處理和菌種馴化對剩余污泥連續(xù)厭氧消化的影響

唐治1,2， 尹小波1,2， 周正1，2， 耿宇聰1,2， 鄧雅月1,2， 李強1,2

(1. 農業(yè)部沼氣科學研究所， 成都610041； 2.農業(yè)部農村可再生能源開發(fā)利用重點實驗室， 成都610041)

為了提高剩余污泥厭氧消化的轉化效率，文章探討堿/超聲聯(lián)合預處理和菌種馴化對污泥厭氧連續(xù)消化的影響。實驗結果表明：堿/超聲聯(lián)合預處理可以提高污泥的可生化性，污泥的SCOD增加了9742.9 mg·L-1，在后續(xù)的厭氧消化中甲烷產量提高20%；與原始菌種相比，馴化菌種可提高產甲烷量6%；污泥連續(xù)厭氧消化的最適有機負荷可達到2.3 kgVS·m-3d-1，水力停留時間縮短為20 d。

污泥； 堿/超聲聯(lián)合預處理； 菌種馴化； 連續(xù)厭氧消化

污泥厭氧消化因其具有減量化、能耗低、污泥穩(wěn)定性好、產生生物氣等優(yōu)點而頗具前景[1]。然而，剩余污泥可降解性差又是制約其厭氧消化的瓶頸問題[2]。近年來，人們采用熱解法、堿處理法、臭氧法、超聲波法、酶促法等對污泥進行預處理，可加速污泥中有機質的水解反應，提高污泥厭氧消化效率[3]。從操作方便、設施簡單、高效率、低能耗等角度考慮，堿解和超聲波等方法具有較好的應用前景[1]。沈勁鋒[4]等人研究表明，批式實驗中，經過超聲處理后污泥產氣可提高25%。目前，國內的研究主要集中于超聲、堿解處理污泥[5-8]，而對后續(xù)污泥進行連續(xù)厭氧消化的影響報道還比較少。

在厭氧消化過程中加入一定量的微生物作為接種物是實現(xiàn)加快厭氧消化啟動、提高甲烷產量的重要措施，而接種物的選擇與馴化情況對厭氧發(fā)酵過程起到至關重要的作用[9-10]。因此，選擇一種適合于特定原料發(fā)酵的接種物至關重要。

鑒于此，文章以剩余污泥為底物，進行連續(xù)厭氧消化，探討了超聲/堿聯(lián)合預處理和菌種馴化對污泥連續(xù)厭氧消化的影響，為污泥規(guī)模化處理提供理論參考。

1　實驗部分

1.1污泥和菌種性質

污泥取自天津市某污水處理廠的脫水污泥，污泥在使用前其固含率從20%稀釋到8%。污泥的基本性質見表1。

實驗所采用的原始菌種取自某污水處理廠厭氧罐出水，以纖維素為底物進行馴化得到馴化菌種，馴化菌種中甲烷菌計數(shù)為1.4×107個·mL-1，總菌計數(shù)為5.1×108個·mL-1。原始菌種和馴化菌種的基本性質見表1。

表1　污泥和菌種性質　(%)

以0.04 g·g-1TS的投加量投加生石灰進行堿處理，充分攪拌，處理24 h后，將混合液放入超聲反應器(工作容積為2 L，配備兩個75 W超聲探頭在其底部產生20 kHz超聲)進行超聲處理，處理時間為1 h[1]。

1.3菌種馴化實驗

以原始菌種作為接種物，將濾紙作為馴化底物，并逐漸增加負荷，馴化得到可以高效降解纖維素的馴化菌種。

1.4厭氧消化實驗

連續(xù)厭氧消化實驗在2500 mL的發(fā)酵瓶中進行，有效發(fā)酵體積為2000 mL。初始負荷為1.3 kgVS·m-3d-1，產氣穩(wěn)定后，逐步提升負荷至系統(tǒng)出現(xiàn)崩潰，實驗分組設計見表2。

表2　厭氧消化實驗組設計

1.5測試方法

TS和VS采用重量法；COD 采用微波密封消解，重鉻酸鉀法測定；甲烷含量測定采用氣相色譜法(Agilent micro GC490)，載氣為高純氮氣，10 m PPV#BR色譜柱,進樣器100℃，柱溫50℃，載氣壓力80 kPa，進樣體積5 mL。

揮發(fā)性脂肪酸(VFAs以下簡稱揮發(fā)酸)濃度測定采用氣相色譜法(上分GC112A)，載氣為高純氮氣，1.5 m GDX103+5%磷酸色譜柱，柱溫160℃，進樣器溫度210℃，檢測器溫度230℃，進樣體積2 μL。

1）唐孝祥教授在《近代嶺南建筑美學研究》( 2002)一文中首次提出“文化地域性格”一詞；而后在中國建筑工業(yè)出版社刊出的《嶺南近代建筑文化與美學》（2010）與《建筑美學十五講》（2017）中指出，嶺南建筑的文化地域性格包括三個主要層面：地域技術特征、社會時代精神、人文藝術品格。

2　結果與討論

2.1堿/超聲聯(lián)合預處理對污泥溶解性的影響

表3　堿/超聲對污泥性質影響　(mg·L-1)

2.2有機負荷對污泥連續(xù)厭氧消化過程中日產甲烷量的影響

從圖1中可以看出，接入菌種10天后日產甲烷量開始趨于穩(wěn)定。在實驗前期(0～20 d)時，反應器的有機負荷較低，為1.3 kgVS·m-3d-1，此負荷下預處理和菌種對污泥產甲烷的影響不明顯。

在實驗中期(21～40 d)，隨著有機負荷由1.3 kgVS·m-3d-1增加至2.3 kgVS·m-3d-1，水力停留時間由33 d減少到20 d 。馴化菌種-預處理污泥組(A*)，馴化菌種-原始污泥組(A)，原始菌種-預處理污泥組(B*)，原始菌種-原始污泥組(B)各組日平均產甲烷量分別由287.9 mL，267.3 mL，271.8 mL，228.7 mL增加至466.6 mL，336.6 mL，439.1 mL，314.4 mL，此時整個系統(tǒng)運行較為穩(wěn)定。

在實驗后期(41～70 d)，繼續(xù)增大有機負荷，各實驗組日產甲烷量出現(xiàn)波動；當有機負荷增加至4.9 kgVS·m-3d-1，水力停留時間縮短至9.9 d時，各實驗組日產甲烷量大幅度減少，高負荷造成厭氧消化系統(tǒng)的崩潰。

從圖2可以看出，隨著有機負荷從1.3～4.9 kgVS·m-3d-1以30%的幅度增加，馴化菌種-預處理污泥組(A*)日平均產甲烷量增加幅度分別為28.1%，26.5%，13.5%，6.1%，-58.8%；馴化菌種-原始污泥組(A)日平均產甲烷量增加幅度分別為12.7%，10.5%，15.3%，-12.0%，-33.8%；原始菌種-預處理污泥組(B*)日平均產甲烷量增加幅度分別為27.3%，26.9%，16.0%，-1.3%，-54.6%；原始菌種-原始污泥組(B)日平均產甲烷量增加幅度分別為22.7%，12.1%，16.4%，-9.5%，-33.5%。由此也可以得出，此實驗的最佳有機負荷為2.3 kgVS·m-3d-1，此時水力停留時間為20 d。

圖1　污泥連續(xù)厭氧消化過程中日產甲烷量變化

上述結果表明:在實驗前期，負荷較小，增大負荷，提供了充足的有機物，菌種得到充足的原料進行生長代謝，所以各實驗組的日平均產甲烷量會隨著有機負荷的增加而增加。但當有機負荷超過最佳負荷后，水力停留時間小于功能菌種進行繁殖生長的時長，這樣會造成功能菌種的流失，從而影響了菌種對污泥中有機物利用效率及利用程度，所以在高負荷階段，日平均產甲烷量持續(xù)降低。劉春紅[11]的研究表明，污泥停留時間20 d的能量產出/能量投入，高于污泥停留時間為27 d和16 d的能量產出/能量投入，這也說明20 d是污泥厭氧消化的最適水力停留時間。

從圖2還可以看出，在發(fā)酵體系正常穩(wěn)定運行階段(有機負荷≤2.3 kgVS·m-3d-1)，同等底物條件下，接種馴化菌種的實驗組均比接種原始菌種的實驗組的日平均產甲烷量高;當?shù)孜餅轭A處理后的污泥時，在3種有機負荷條件下，馴化菌種-預處理污泥組(A*)比原始菌種-預處理污泥組(B*)日平均產甲烷量分別高了6.0%，6.7%，6.3%；當?shù)孜餅樵嘉勰鄷r，在3種有機負荷條件下，馴化菌種-原始污泥組(A)比原始菌種-原始污泥組(B)日平均產甲烷量分別高了16.9%，7.4%，7.1%。而接種同一菌種，預處理污泥比原污泥日平均產甲烷量高。馴化菌種-預處理污泥組(A*)日平均產甲烷量比馴化菌種-原始污泥組(A)高了7.7%，22.5%，38.6%；原始菌種-預處理污泥組(B*)日平均產甲烷量比原始菌種-原始污泥組(B)分別高了18.9%，23.3%，39.6%。而Braguglia[12]等采用頻率 24 kHz，功率 255 W 的超聲波對剩余活性污泥進行預處理后進行厭氧消化，發(fā)現(xiàn) VS去除率提高 19%，總產氣量提高 26%。實驗中，堿/超聲聯(lián)合處理在最適條件下可以提高產甲烷量38.6%或39.6%，這說明堿/超聲聯(lián)合處理效果優(yōu)于超聲單獨處理的效果。

圖2　日平均產甲烷量變化

2.3有機負荷對污泥連續(xù)厭氧消化過程中氨氮和VFAs的影響

氨氮和揮發(fā)酸分別為微生物的生長提供氮源和碳源，又作為系統(tǒng)的緩沖劑，調節(jié)pH值，維持微生物生長的生理環(huán)境[13-15]。

圖3顯示，實驗前期各實驗組氨氮濃度較為穩(wěn)定，并隨有機負荷的提高而增加。有機負荷為1.3 kgVS·m-3d-1時，馴化菌種-預處理污泥組(A*)，馴化菌種-原始污泥組(A)，原始菌種-預處理污泥組(B*)，原始菌種-原始污泥組(B)氨氮值分別為913.8 mg·L-1，845.2 mg·L-1，581.1 mg·L-1，533.7 mg·L-1。當有機負荷提高至2.9 kgVS·m-3d-1時，各實驗組氨氮值達到最大值，分別為1013.5 mg·L-1，985.3 mg·L-1，802.4 mg·L-1，734.7 mg·L-1。繼續(xù)提高有機負荷，氨氮反而降低，分析認為是由于高負荷條件下，水力停留時間過短，厭氧消化功能菌種的流失高于其自身生長速率，造成其總量減少，從而有機物轉化利用效率降低，有機物中的氮沒有轉化成無機氮；從而也導致了氨氮的降低。在胡峰平[16]的研究中，氨氮濃度超過2000 mg·L-1會對中溫厭氧消化過程產生抑制作用，在本實驗中，各實驗組中氨氮濃度最高僅為1013.5 mg·L-1，因此，氨氮濃度并不是導致實驗后期厭氧消化系統(tǒng)崩潰的因素。

圖3　污泥連續(xù)厭氧消化過程中氨氮濃度變化

圖4顯示，各實驗組在每個負荷階段下的揮發(fā)酸濃度比較穩(wěn)定，維持在0～50 mg·L-1。這是由于污泥自身特征決定。污泥是一種難降解物質，楊潔[17]研究發(fā)現(xiàn)當污泥停留時間大于等于8 d時，有機物的水解速率、產酸速率和產甲烷速率基本相當，并且在此階段消化出泥中SCOD維持在900 mg·L-1左右，TVFA的濃度在165～200.74 mg·L-1范圍內，此條件能使有機物的甲烷化過程得到實現(xiàn)，在厭氧發(fā)酵過程中，水解階段是限制污泥進行高效厭氧轉化的限速步驟。所以，在本實驗中，產生的揮發(fā)酸很快被產甲烷菌利用，未出現(xiàn)酸積累的現(xiàn)象。

圖4　污泥連續(xù)厭氧消化過程中VFAs變化

2.4有機負荷對污泥連續(xù)厭氧消化中單位VS產甲烷率的影響

從圖5可以看出，在實驗前期，各實驗組對污泥中有機物的利用轉化效率隨著有機負荷的增加而增加。當有機負荷增加至1.7 kgVS·m-3d-1，水力停留時間為25 d，各實驗組的單位VS產甲烷量達到最大值，馴化菌種-預處理污泥組(A*)，馴化菌種-原始污泥組(A)，原始菌種-預處理污泥組(B*)，原始菌種-原始污泥組(B)分別為99.7 mL·g-1VS，83.2 mL·g-1VS，93.8 mL·g-1VS，77.9 mL·g-1VS。繼續(xù)增加有機負荷至2.3 kgVS·m-3d-1，水力停留時間縮短至20 d，馴化菌種-預處理污泥組(A*),馴化菌種-原始污泥組(A)，原始菌種-預處理污泥組(B*)，原始菌種-原始污泥組(B)各組單位VS產甲烷量較之上個負荷略微下降，分別下降了2.8%，5.3%，2.4%，1.9%。而繼續(xù)增加有機負荷至2.9 kgVS·m-3d-1，水力停留時間縮短至15 d，各實驗組單位VS產氣率呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，較之上個負荷分別下降了13.2%，17.4%，11.3%，23.2%污泥中的有機物的轉化效率降低。綜合考慮，有機負荷2.3 kgVS·m-3d-1，水力停留時間20 d是本實驗中污泥的厭氧發(fā)酵產沼氣的最適條件。張曉紅[18]研究表明，厭氧消化系統(tǒng)工作溫度為 35℃±1℃，消化時間為 20 d，污泥中有機物分解率為 50%～65%，平均分解單位VS產甲烷率達到了0.49～0.77 mL·g-1VS。

圖5　污泥連續(xù)厭氧消化實驗過程中單位VS產甲烷率變化

3　結論

(1)堿/超聲預處理可以提高剩余污泥的可生化性，單位VS產甲烷量提高20.0%～20.4%。

(2)菌種馴化會對污泥厭氧消化產沼氣的轉化效率有影響。在實驗中，纖維素馴化的菌種對污泥的轉化利用率更高，單位VS產甲烷量提高6.3%～6.7%。

(3)在污泥厭氧連續(xù)發(fā)酵中，最佳有機負荷為2.3 KgVS·m-3d-1，最適水力停留時間為20 d。

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Effect of Pretreatment and Inoculums Domesticating on Continuous Anaerobic Digestion of Waste Sludge /

TANG Zhi1,2， YIN Xiao-bo1,2， ZHOU Zheng1,2， GENG Yu-cong1,2, DENG Ya-yue1,2， LI Qiang1,2/

(1.Biogas Institute of Ministry of Agriculture，Chengdu 610041，China； 2.Key Laboratory of Development and Application of Rural Renewable Energy, Ministry of Agriculture，Chengdu 610041，China)

In order to improve the anaerobic digestion efficiency of sludge, the effect of alkaline and ultrasonic pretreatment and inoculums domesticating on continuous anaerobic digestion of waste activated sludge were studied in this paper. It is demonstrated that the optimum organic load of sludge anaerobic digestion was 2.3 kgVS·m-3d-1, and that of hydraulic retention time was 20 d. Alkaline and ultrasonic pretreatment could improve the biodegradability of the sludge, increasing the SCOD of the sludge by 9742.9 mg·L-1and the yield of methane by 20%. The domesticated strain could increase the amount of methane production by 6% comparing with the original strain.

sewage sludge; alkaline pretreatment; ultrasonic pretreatment; inoculums domesticating; continuous anaerobic digestion

2016-07-04

項目來源： 公益性行業(yè)(農業(yè))科研專項經費(201303101-2A)

唐 治(1990-)，男，碩士，主要研究生活污泥厭氧消化，E-mail：270600479@qq.com

李 強，E-mail：liqiang03@caas.cn

S216.4; X705

A

1000-1166(2016)05-0012-04