唐　治， 尹小波， 周　正， 耿宇聰， 鄧雅月， 李　強(qiáng)

(1. 農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所， 成都　610041； 2.農(nóng)業(yè)部農(nóng)村可再生能源開(kāi)發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都　610041)

?

預(yù)處理和菌種馴化對(duì)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(qiáng)1,2

(1. 農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所， 成都610041； 2.農(nóng)業(yè)部農(nóng)村可再生能源開(kāi)發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都610041)

為了提高剩余污泥厭氧消化的轉(zhuǎn)化效率，文章探討堿/超聲聯(lián)合預(yù)處理和菌種馴化對(duì)污泥厭氧連續(xù)消化的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：堿/超聲聯(lián)合預(yù)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(chǎn)量提高20%；與原始菌種相比，馴化菌種可提高產(chǎn)甲烷量6%；污泥連續(xù)厭氧消化的最適有機(jī)負(fù)荷可達(dá)到2.3 kgVS·m-3d-1，水力停留時(shí)間縮短為20 d。

污泥； 堿/超聲聯(lián)合預(yù)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(chǎn)生生物氣等優(yōu)點(diǎn)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(wèn)題[2]。近年來(lái)，人們采用熱解法、堿處理法、臭氧法、超聲波法、酶促法等對(duì)污泥進(jìn)行預(yù)處理，可加速污泥中有機(jī)質(zhì)的水解反應(yīng)，提高污泥厭氧消化效率[3]。從操作方便、設(shè)施簡(jiǎn)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(yīng)用前景[1]。沈勁鋒[4]等人研究表明，批式實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)過(guò)超聲處理后污泥產(chǎn)氣可提高25%。目前，國(guó)內(nèi)的研究主要集中于超聲、堿解處理污泥[5-8]，而對(duì)后續(xù)污泥進(jìn)行連續(xù)厭氧消化的影響報(bào)道還比較少。

在厭氧消化過(guò)程中加入一定量的微生物作為接種物是實(shí)現(xiàn)加快厭氧消化啟動(dòng)、提高甲烷產(chǎn)量的重要措施，而接種物的選擇與馴化情況對(duì)厭氧發(fā)酵過(guò)程起到至關(guān)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(guān)重要。

鑒于此，文章以剩余污泥為底物，進(jìn)行連續(xù)厭氧消化，探討了超聲/堿聯(lián)合預(yù)處理和菌種馴化對(duì)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(shí)驗(yàn)部分

1.1污泥和菌種性質(zhì)

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(zhì)見(jiàn)表1。

實(shí)驗(yàn)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(jìn)行馴化得到馴化菌種，馴化菌種中甲烷菌計(jì)數(shù)為1.4×107個(gè)·mL-1，總菌計(jì)數(shù)為5.1×108個(gè)·mL-1。原始菌種和馴化菌種的基本性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1　污泥和菌種性質(zhì)　(%)

以0.04 g·g-1TS的投加量投加生石灰進(jìn)行堿處理，充分?jǐn)嚢?，處?4 h后，將混合液放入超聲反應(yīng)器(工作容積為2 L，配備兩個(gè)75 W超聲探頭在其底部產(chǎn)生20 kHz超聲)進(jìn)行超聲處理，處理時(shí)間為1 h[1]。

1.3菌種馴化實(shí)驗(yàn)

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(fù)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(shí)驗(yàn)

連續(xù)厭氧消化實(shí)驗(yàn)在2500 mL的發(fā)酵瓶中進(jìn)行，有效發(fā)酵體積為2000 mL。初始負(fù)荷為1.3 kgVS·m-3d-1，產(chǎn)氣穩(wěn)定后，逐步提升負(fù)荷至系統(tǒng)出現(xiàn)崩潰，實(shí)驗(yàn)分組設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。

表2　厭氧消化實(shí)驗(yàn)組設(shè)計(jì)

1.5測(cè)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(cè)定；甲烷含量測(cè)定采用氣相色譜法(Agilent micro GC490)，載氣為高純氮?dú)猓?0 m PPV#BR色譜柱,進(jìn)樣器100℃，柱溫50℃，載氣壓力80 kPa，進(jìn)樣體積5 mL。

揮發(fā)性脂肪酸(VFAs以下簡(jiǎn)稱揮發(fā)酸)濃度測(cè)定采用氣相色譜法(上分GC112A)，載氣為高純氮?dú)猓?.5 m GDX103+5%磷酸色譜柱，柱溫160℃，進(jìn)樣器溫度210℃，檢測(cè)器溫度230℃，進(jìn)樣體積2 μL。

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

2　結(jié)果與討論

2.1堿/超聲聯(lián)合預(yù)處理對(duì)污泥溶解性的影響

表3　堿/超聲對(duì)污泥性質(zhì)影響　(mg·L-1)

2.2有機(jī)負(fù)荷對(duì)污泥連續(xù)厭氧消化過(guò)程中日產(chǎn)甲烷量的影響

從圖1中可以看出，接入菌種10天后日產(chǎn)甲烷量開(kāi)始趨于穩(wěn)定。在實(shí)驗(yàn)前期(0～20 d)時(shí)，反應(yīng)器的有機(jī)負(fù)荷較低，為1.3 kgVS·m-3d-1，此負(fù)荷下預(yù)處理和菌種對(duì)污泥產(chǎn)甲烷的影響不明顯。

在實(shí)驗(yàn)中期(21～40 d)，隨著有機(jī)負(fù)荷由1.3 kgVS·m-3d-1增加至2.3 kgVS·m-3d-1，水力停留時(shí)間由33 d減少到20 d 。馴化菌種-預(yù)處理污泥組(A*)，馴化菌種-原始污泥組(A)，原始菌種-預(yù)處理污泥組(B*)，原始菌種-原始污泥組(B)各組日平均產(chǎn)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(shí)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行較為穩(wěn)定。

在實(shí)驗(yàn)后期(41～70 d)，繼續(xù)增大有機(jī)負(fù)荷，各實(shí)驗(yàn)組日產(chǎn)甲烷量出現(xiàn)波動(dòng)；當(dāng)有機(jī)負(fù)荷增加至4.9 kgVS·m-3d-1，水力停留時(shí)間縮短至9.9 d時(shí)，各實(shí)驗(yàn)組日產(chǎn)甲烷量大幅度減少，高負(fù)荷造成厭氧消化系統(tǒng)的崩潰。

從圖2可以看出，隨著有機(jī)負(fù)荷從1.3～4.9 kgVS·m-3d-1以30%的幅度增加，馴化菌種-預(yù)處理污泥組(A*)日平均產(chǎn)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(chǎn)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(yù)處理污泥組(B*)日平均產(chǎn)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(chǎn)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(shí)驗(yàn)的最佳有機(jī)負(fù)荷為2.3 kgVS·m-3d-1，此時(shí)水力停留時(shí)間為20 d。

圖1　污泥連續(xù)厭氧消化過(guò)程中日產(chǎn)甲烷量變化

上述結(jié)果表明:在實(shí)驗(yàn)前期，負(fù)荷較小，增大負(fù)荷，提供了充足的有機(jī)物，菌種得到充足的原料進(jìn)行生長(zhǎng)代謝，所以各實(shí)驗(yàn)組的日平均產(chǎn)甲烷量會(huì)隨著有機(jī)負(fù)荷的增加而增加。但當(dāng)有機(jī)負(fù)荷超過(guò)最佳負(fù)荷后，水力停留時(shí)間小于功能菌種進(jìn)行繁殖生長(zhǎng)的時(shí)長(zhǎng)，這樣會(huì)造成功能菌種的流失，從而影響了菌種對(duì)污泥中有機(jī)物利用效率及利用程度，所以在高負(fù)荷階段，日平均產(chǎn)甲烷量持續(xù)降低。劉春紅[11]的研究表明，污泥停留時(shí)間20 d的能量產(chǎn)出/能量投入，高于污泥停留時(shí)間為27 d和16 d的能量產(chǎn)出/能量投入，這也說(shuō)明20 d是污泥厭氧消化的最適水力停留時(shí)間。

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

圖2　日平均產(chǎn)甲烷量變化

2.3有機(jī)負(fù)荷對(duì)污泥連續(xù)厭氧消化過(guò)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(zhǎng)提供氮源和碳源，又作為系統(tǒng)的緩沖劑，調(diào)節(jié)pH值，維持微生物生長(zhǎng)的生理環(huán)境[13-15]。

圖3顯示，實(shí)驗(yàn)前期各實(shí)驗(yàn)組氨氮濃度較為穩(wěn)定，并隨有機(jī)負(fù)荷的提高而增加。有機(jī)負(fù)荷為1.3 kgVS·m-3d-1時(shí)，馴化菌種-預(yù)處理污泥組(A*)，馴化菌種-原始污泥組(A)，原始菌種-預(yù)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(dāng)有機(jī)負(fù)荷提高至2.9 kgVS·m-3d-1時(shí)，各實(shí)驗(yàn)組氨氮值達(dá)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(jī)負(fù)荷，氨氮反而降低，分析認(rèn)為是由于高負(fù)荷條件下，水力停留時(shí)間過(guò)短，厭氧消化功能菌種的流失高于其自身生長(zhǎng)速率，造成其總量減少，從而有機(jī)物轉(zhuǎn)化利用效率降低，有機(jī)物中的氮沒(méi)有轉(zhuǎn)化成無(wú)機(jī)氮；從而也導(dǎo)致了氨氮的降低。在胡峰平[16]的研究中，氨氮濃度超過(guò)2000 mg·L-1會(huì)對(duì)中溫厭氧消化過(guò)程產(chǎn)生抑制作用，在本實(shí)驗(yàn)中，各實(shí)驗(yàn)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(dǎo)致實(shí)驗(yàn)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(guò)程中氨氮濃度變化

圖4顯示，各實(shí)驗(yàn)組在每個(gè)負(fù)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(zhì)，楊潔[17]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)污泥停留時(shí)間大于等于8 d時(shí)，有機(jī)物的水解速率、產(chǎn)酸速率和產(chǎn)甲烷速率基本相當(dāng)，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(nèi)，此條件能使有機(jī)物的甲烷化過(guò)程得到實(shí)現(xiàn)，在厭氧發(fā)酵過(guò)程中，水解階段是限制污泥進(jìn)行高效厭氧轉(zhuǎn)化的限速步驟。所以，在本實(shí)驗(yàn)中，產(chǎn)生的揮發(fā)酸很快被產(chǎn)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(guò)程中VFAs變化

2.4有機(jī)負(fù)荷對(duì)污泥連續(xù)厭氧消化中單位VS產(chǎn)甲烷率的影響

從圖5可以看出，在實(shí)驗(yàn)前期，各實(shí)驗(yàn)組對(duì)污泥中有機(jī)物的利用轉(zhuǎn)化效率隨著有機(jī)負(fù)荷的增加而增加。當(dāng)有機(jī)負(fù)荷增加至1.7 kgVS·m-3d-1，水力停留時(shí)間為25 d，各實(shí)驗(yàn)組的單位VS產(chǎn)甲烷量達(dá)到最大值，馴化菌種-預(yù)處理污泥組(A*)，馴化菌種-原始污泥組(A)，原始菌種-預(yù)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(jī)負(fù)荷至2.3 kgVS·m-3d-1，水力停留時(shí)間縮短至20 d，馴化菌種-預(yù)處理污泥組(A*),馴化菌種-原始污泥組(A)，原始菌種-預(yù)處理污泥組(B*)，原始菌種-原始污泥組(B)各組單位VS產(chǎn)甲烷量較之上個(gè)負(fù)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(jī)負(fù)荷至2.9 kgVS·m-3d-1，水力停留時(shí)間縮短至15 d，各實(shí)驗(yàn)組單位VS產(chǎn)氣率呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，較之上個(gè)負(fù)荷分別下降了13.2%，17.4%，11.3%，23.2%污泥中的有機(jī)物的轉(zhuǎn)化效率降低。綜合考慮，有機(jī)負(fù)荷2.3 kgVS·m-3d-1，水力停留時(shí)間20 d是本實(shí)驗(yàn)中污泥的厭氧發(fā)酵產(chǎn)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(shí)間為 20 d，污泥中有機(jī)物分解率為 50%～65%，平均分解單位VS產(chǎn)甲烷率達(dá)到了0.49～0.77 mL·g-1VS。

圖5　污泥連續(xù)厭氧消化實(shí)驗(yàn)過(guò)程中單位VS產(chǎn)甲烷率變化

3　結(jié)論

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

(2)菌種馴化會(huì)對(duì)污泥厭氧消化產(chǎn)沼氣的轉(zhuǎn)化效率有影響。在實(shí)驗(yàn)中，纖維素馴化的菌種對(duì)污泥的轉(zhuǎn)化利用率更高，單位VS產(chǎn)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(jī)負(fù)荷為2.3 KgVS·m-3d-1，最適水力停留時(shí)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(xiàng)目來(lái)源： 公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)(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(qiáng)，E-mail：liqiang03@caas.cn

S216.4; X705

A

1000-1166(2016)05-0012-04