江水英 吳聲東

(南昌大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院,江西 南昌 330029)

CaO2對(duì)污泥厭氧消化性能的影響*

江水英 吳聲東

(南昌大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院,江西 南昌 330029)

近年來(lái)，污泥厭氧消化得到了廣泛關(guān)注，一方面能夠?qū)崿F(xiàn)污泥的減量化，另一方面又能得到有價(jià)值的消化產(chǎn)品。由于水解過(guò)程是限制厭氧反應(yīng)的重要步驟，因此利用CaO2強(qiáng)化污泥厭氧消化中水解和酸化過(guò)程。結(jié)果表明，適量的CaO2的投加量能夠顯著促進(jìn)污泥的水解和酸化過(guò)程，但對(duì)甲烷化有抑制作用。當(dāng)CaO2投加量為0.2g/g(污泥以揮發(fā)性懸浮固體(VSS)計(jì))時(shí)，揮發(fā)性脂肪酸(VFA)的最大積累量為253.6mg/g，但CaO2對(duì)VFA的組成影響不大。

污泥CaO2厭氧消化 水解 酸化 甲烷化

活性污泥法是目前生活污水處理廠(chǎng)中應(yīng)用最廣泛的污水處理方法，該方法具有投資低、處理效率高等優(yōu)點(diǎn)。但是該工藝會(huì)產(chǎn)生大量的剩余污泥，剩余污泥中含有有毒有害物質(zhì)，若處置不當(dāng)會(huì)造成環(huán)境的二次污染。另一方面，剩余污泥中含有大量的蛋白質(zhì)和碳水化合物，是一種可利用資源。污泥厭氧消化技術(shù)可以很好地處置污泥，實(shí)現(xiàn)污泥的減量化、無(wú)害化和資源化[1]。

厭氧消化過(guò)程主要包括水解、酸化和甲烷化3個(gè)主要步驟[2]。水解過(guò)程是限制污泥厭氧消化的主要步驟，原因在于污泥外包裹的微生物胞外聚合物(EPS)和細(xì)胞壁阻止了該步驟中微生物胞內(nèi)物質(zhì)的釋放，使得揮發(fā)性脂肪酸(VFA)、氫氣和甲烷等的產(chǎn)量很低。YUAN等[3]研究發(fā)現(xiàn)，pH=10的堿性條件可以強(qiáng)化污泥水解反應(yīng)，使得VFA大量積累。LI等[4]報(bào)道，1.8 mg/L游離亞硝酸(FNA)能夠有效地破解EPS和細(xì)胞壁。YAN等[5]應(yīng)用超聲技術(shù)很好地實(shí)現(xiàn)了污泥減量和VFA積累。ZHENG等[6]發(fā)現(xiàn)，堿性消化反應(yīng)過(guò)程中的主要微生物為水解細(xì)菌和酸化細(xì)菌。

CaO2是一種白色或淡黃色的固體，具有高能過(guò)氧化共價(jià)鍵。CaO2能夠在水化介質(zhì)中緩慢釋放氧氣，同時(shí)生產(chǎn)強(qiáng)氧化性物質(zhì)H2O2和堿性物質(zhì)Ca(OH)2。在水處理中，CaO2生產(chǎn)H2O2和Ca(OH)2的速率比較容易控制，因此投放CaO2比直接投放H2O2效率更高。目前，CaO2已經(jīng)成功應(yīng)用到地下水的處理，用于氧化分解難降解物質(zhì)[7]。然而，將其用來(lái)處理污泥尚未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道，因此本研究探究了CaO2對(duì)污泥厭氧消化性能的影響。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)中所用污泥取自海口某污水處理廠(chǎng)，污泥取回后在實(shí)驗(yàn)室4 ℃冰箱內(nèi)沉淀24 h。沉淀后污泥基本性質(zhì)如下：pH=6.8±0.1，總懸浮固體(TSS)=(12 130±256) mg/L，揮發(fā)性懸浮固體(VSS)=(9 815±240) mg/L，總蛋白質(zhì)=(8 412±125) mg/L，總糖=(1 542±82) mg/L。

CaO2純度≥98%。

1.2 污泥厭氧消化反應(yīng)

在5個(gè)相同的600 mL厭氧反應(yīng)器中加入500 mL污泥，CaO2投加量分別為0、0.1、0.2、0.3、0.4 g/g(污泥以VSS計(jì)，下同)。當(dāng)投加完污泥和CaO2后，充氮?dú)?0 min以排出厭氧反應(yīng)器內(nèi)的空氣，保證厭氧環(huán)境。厭氧反應(yīng)器內(nèi)置攪拌器，轉(zhuǎn)速控制為150 r/min，初始pH控制為7.0±0.1，溫度為25 ℃，反應(yīng)時(shí)間為15 d。

1.3 分析方法

溶解性化學(xué)需氧量(SCOD)采用重鉻酸鉀法測(cè)定，氨氮采用納氏試劑比色法測(cè)定，TSS和VSS采用重量法測(cè)定。VFA和甲烷的分析采用氣相色譜法[8_9]，其中VFA以COD計(jì)，甲烷以標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積計(jì)?？偟鞍踪|(zhì)和總糖的分析分別以牛血清蛋白和葡萄糖作為標(biāo)準(zhǔn)物，以COD計(jì)[10]。溶解性總蛋白質(zhì)和溶解性總糖過(guò)濾后測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 CaO2對(duì)SCOD的影響

SCOD的變化能夠反映水解程度的大小。圖1為不同CaO2投加量下SCOD的變化。CaO2投加量為0 g/g時(shí)，SCOD隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)而緩慢增長(zhǎng)。在相同反應(yīng)時(shí)間條件下，SCOD隨CaO2投加量的增加而急速上升，反應(yīng)時(shí)間為3 d時(shí)SCOD出現(xiàn)最大值，而后趨于穩(wěn)定，故而圖1中只給出了0～8 d的數(shù)據(jù)。由此可見(jiàn)，CaO2能夠強(qiáng)化污泥的水解過(guò)程，使得消化液中SCOD的含量增加，反應(yīng)時(shí)間為3 d時(shí)水解達(dá)到平衡。

圖1 CaO2對(duì)SCOD的影響Fig.1 Effect of CaO2 on SCOD

2.2 CaO2對(duì)VSS的影響

VSS的削減率也能反映污泥的水解情況。圖2為反應(yīng)時(shí)間10 d時(shí)，不同CaO2投加量下VSS的削減率。由圖2可知，CaO2投加量越大，VSS削減率越大，與SCOD的變化趨勢(shì)一致，進(jìn)一步說(shuō)明CaO2能夠強(qiáng)化污泥的水解過(guò)程。

圖2 CaO2對(duì)VSS削減率的影響Fig.2 Effect of CaO2 on VSS reduction rate

CaO2能夠使污泥減量，一方面是因?yàn)镃aO2能夠產(chǎn)生Ca(OH)2，形成堿性環(huán)境，有利于EPS和細(xì)胞壁的破解；另一方面是因?yàn)镃aO2能產(chǎn)生強(qiáng)氧化性物質(zhì)H2O2，能夠加速細(xì)胞的破解和有機(jī)物的分解。

2.3 CaO2對(duì)溶解性總蛋白質(zhì)和溶解性總糖的影響

污泥中固有的蛋白質(zhì)和糖類(lèi)化合物一般以顆粒態(tài)存在，只有溶解性蛋白質(zhì)和和溶解性糖才能被厭氧微生物所利用。表1為不同CaO2投加量下溶解性總蛋白質(zhì)和溶解性總糖的變化。由表1可知，CaO2投加量為0 g/g時(shí)，溶解性總蛋白質(zhì)和溶解性總糖的含量隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)而呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，這和SCOD的變化也相吻合。然而，當(dāng)有CaO2投加后，溶解性總蛋白質(zhì)和溶解性總糖都呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，且在反應(yīng)時(shí)間為3 d時(shí)出現(xiàn)最大值，這說(shuō)明CaO2能夠促進(jìn)溶解性蛋白質(zhì)和溶解性糖的生成，反應(yīng)時(shí)間為3 d時(shí)生成量最大。

CaO2作用下溶解性蛋白質(zhì)和溶解性糖在前3 d迅速升高的主要原因是CaO2使污泥大量水解，顆態(tài)有機(jī)物被分解成溶解性有機(jī)物；3 d后溶解性蛋白質(zhì)和溶解性糖下降主要原因是被合成了VFA。

2.4 CaO2對(duì)VFA的影響

VFA是厭氧消化過(guò)程中的重要產(chǎn)物，可以用作碳源以解決生活污水處理廠(chǎng)進(jìn)水碳源不足的問(wèn)題。圖3為不同CaO2投加量對(duì)VFA積累量的影響。由圖3可知，當(dāng)CaO2投加量為0.1、0.2 g/g時(shí)，VFA積累量隨CaO2投加量增大而增大。CaO2投加量為0.2 g/g時(shí)，VFA最大積累量為253.6 mg/g；當(dāng)CaO2投加量為0.3、0.4 g/g時(shí)，VFA積累量明顯低于CaO2投加量為0.1、0.2 g/g時(shí)。當(dāng)CaO2投加量為0.4 g/g時(shí)，VFA積累量甚至低于CaO2投加量為0 g/g時(shí)。由此可以得出，適量的CaO2投加量可以強(qiáng)化污泥的酸化過(guò)程，但過(guò)高CaO2投加量會(huì)抑制VFA的積累。這是因?yàn)檫^(guò)量的CaO2容易導(dǎo)致消化液呈強(qiáng)堿性使產(chǎn)酸微生物活性降低。

表1 CaO2對(duì)溶解性總蛋白質(zhì)和溶解性總糖的影響

圖3 CaO2對(duì)VFA積累量的影響Fig.3 Effect of CaO2 on VFA accumulation

VFA的組成對(duì)其后續(xù)利用至關(guān)重要，消化液中乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高有助于生物脫氮，而消化液中丙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高有助于生物除磷[11]。CaO2投加量對(duì)VFA組成的影響見(jiàn)圖4。由圖4可知，不同CaO2投加量下，都是乙酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大，丙酸其次，因此CaO2對(duì)VFA組成的影響不大。

2.5 CaO2對(duì)甲烷產(chǎn)量的影響

甲烷化是厭氧消化的最后一步反應(yīng)，在這一過(guò)程中，產(chǎn)甲烷菌利用前面酸化產(chǎn)生的VFA生成能源物質(zhì)甲烷，CaO2投加量對(duì)甲烷產(chǎn)量的影響見(jiàn)圖5。由圖5可知，CaO2的存在會(huì)嚴(yán)重抑制甲烷產(chǎn)量，且隨CaO2投加量增加而抑制程度加劇。

圖4 CaO2對(duì)VFA組成的影響Fig.4 Effect of CaO2 on the VFA composition

圖5 CaO2對(duì)甲烷產(chǎn)量的影響Fig.5 Effect of CaO2 on the methane production

這是因?yàn)镃aO2形成的堿性環(huán)境不適合產(chǎn)甲烷菌(其最適pH為7.0)的生長(zhǎng)，H2O2作為一種強(qiáng)氧化性物質(zhì)也會(huì)抑制產(chǎn)甲烷菌的活性。

3 結(jié) 論

適量的CaO2能夠促進(jìn)污泥的水解和酸化過(guò)程，使得VFA大量積累。當(dāng)CaO2投加量為0.2 g/g時(shí)，VFA的最大積累量為253.6 mg/g。但CaO2對(duì)VFA的組成影響不大，不同CaO2投加量下，VFA的最主要成分都是乙酸和丙酸。CaO2的存在對(duì)產(chǎn)甲烷菌有嚴(yán)重的抑制作用，從而影響甲烷產(chǎn)量。

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EffectofCaO2ontheanaerobicfermentationperformanceofsludge

JIANGShuiying,WUShengdong.

(CollegeofScienceandTechnology,NanchangUniversity,NanchangJiangxi330029)

Recently,anaerobic fermentation of sludge has drawn much attention. On one hand,it can achieve reduction of sludge. On the other hand,it can produce valuable products by anaerobic fermentation. Hydrolysis is the limiting step of anaerobic fermentation. In this work,CaO2was used to enhance sludge hydrolysis and acidification. Results showed that appropriate CaO2dosage could promote hydrolysis and acidification significantly,but inhibit methanation. The maximum volatile fatty acid (VFA) reached 253.6 mg/g when CaO2dosage was 0.2 g/g (sludge mass was calculated as volatile suspended solid (VSS)). However,CaO2had little effect on VFA composition.

sludge; CaO2; anaerobic fermentation; hydrolysis; acidification;methanation

10.15985/j.cnki.1001_3865.2017.01.012

2016_02_29)

江水英，女，1982年生，碩士，講師，研究方向?yàn)樗廴究刂萍百Y源化技術(shù)、污泥減量技術(shù)和生物技術(shù)。

*江西省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(No.2009BSB1000)。