毋海燕

(上海同濟環(huán)境工程科技有限公司，上海 200092)

隨著污水處理行業(yè)的迅速發(fā)展，處理過程中產(chǎn)生了大量污泥[1]。目前中國的干污泥年產(chǎn)量約為800×104t,預計到2020年污泥產(chǎn)量將是現(xiàn)在的2倍以上[2-3]。污水處理廠的全部建設費用中，用于處理污泥的約占20%～50%，甚至70%。污水生物營養(yǎng)去除工藝中可生物降解碳源的量是營養(yǎng)去除的決定性因素，碳源不足會大大降低營養(yǎng)去除的效率。因此，污水廠進水碳源不足時，往往會外加碳源以滿足生物營養(yǎng)去除工藝的出水要求，但是外加碳源不但進一步增加了污泥產(chǎn)量，同時也增加了污水廠的運行費用。因此，如何實現(xiàn)污泥的減量化、穩(wěn)定化、資源化、無害化是城市污水處理廠面臨的重大難題，也是國內(nèi)外研究者密切關注的課題。

近年來，初沉污泥(primary sludge，PS)厭氧發(fā)酵的一個重要功能就是產(chǎn)生短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids,SCFAs)，它們被認為是強化生物除磷過程中最易于被微生物利用的碳源[4-5]，因而當進水COD濃度較低時，可將污水處理廠的PS進行發(fā)酵來獲取生物除磷所需的易降解基質(zhì)[6-7]。顯然，PS在一定的條件下經(jīng)厭氧發(fā)酵,既充分利用了通過初沉池排掉的部分生物可降解基質(zhì)，提供了污水脫氮除磷的碳源，同時又實現(xiàn)了其資源化利用。

眾所周知，有機物厭氧消化一般分為三步：水解、酸化和產(chǎn)氣。水解是顆粒性有機物向溶解性有機物的轉化，是整個消化過程的限速步驟。酸化產(chǎn)生的SCFAs被產(chǎn)甲烷菌消耗，因此，如果控制發(fā)酵條件加速水解和酸化，同時抑制或阻止產(chǎn)甲烷，SCFAs就會大量累積。

污泥厭氧產(chǎn)酸會受到pH、溫度、氧化還原電位、發(fā)酵時間、污泥濃度等的影響，其中，溫度是影響初沉污泥發(fā)酵產(chǎn)酸效率的一個重要因素。到目前為止，SRT和pH對污泥厭氧消化或穩(wěn)定化影響的研究報道較多[8-12]，有關溫度的影響研究，仍主要集中在通過熱預處理、熱堿預處理或者超聲和溫度聯(lián)合預處理方式提升污泥發(fā)酵產(chǎn)酸及產(chǎn)甲烷的研究[13-17]，也有一些關于堿性條件下溫度對剩余污泥發(fā)酵產(chǎn)酸的影響的研究[18-20]，但目前堿性條件下對污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的研究，大多集中在利用剩余污泥或混合污泥厭氧產(chǎn)酸方面，而針對初次沉淀污泥的厭氧產(chǎn)酸研究較少[11,21]，堿性條件下溫度對初沉污泥發(fā)酵產(chǎn)生SCFAs的影響方面的報道較為鮮見。

前期研究得到，pH值為10時，初沉污泥發(fā)酵產(chǎn)生了較多的SCFAs[10]。為此，考察了pH值=10時，不同溫度(10、20、25、35 ℃)對初沉污泥厭氧水解和酸化產(chǎn)生SCFAs的影響，同時研究了不同溫度下SCFAs 的組成以及氨氮和磷酸鹽的釋放和揮發(fā)性懸浮固體(volatile suspended solid,VSS)的削減情況，確定了本試驗最佳的產(chǎn)酸溫度及時間。同時，進一步對最佳溫度條件下的產(chǎn)酸原因進行了分析。

1 試驗部分

1.1 初沉污泥來源和特性

初沉污泥取自上海某污水處理廠的初次沉淀池，其特性參數(shù)如表1所示。

注：碳水化合物、總蛋白質(zhì)、油脂及SCFAs含量均以COD計

1.2 試驗裝置

試驗采用8個直徑為100 mm、高為150 mm的有機玻璃反應器(圖1)，有效容積均為1 L，每個反應器內(nèi)放入1 L混合均勻的已知濃度的初沉污泥。采用不銹鋼數(shù)顯機械攪拌器(D2010W)對污泥進行攪拌，攪拌速度控制在70～80 r/min。厭氧發(fā)酵時間為20 d。溫度試驗：控制4組反應器的溫度分別為10、20、25 ℃和35 ℃(其中兩個反應器為一組，平行對照)，污泥起始濃度(以VSS計)為10 347 mg/L；試驗采用數(shù)顯溫控裝置進行控溫，使用2 moL/L的NaOH或者2 moL/L的HCI調(diào)節(jié)pH值到10，間歇調(diào)節(jié)，pH值變化誤差在±0.2，因此可以認為反應器pH值穩(wěn)定在10。從裝置的上、中、下三個取樣口分別取樣，混合均勻后進行測定。試驗中測得的數(shù)據(jù)均以平均值表示。

圖1 試驗裝置圖Fig.1 Schematic Diagram of Experiment Device

1.3 測定項目及方法

2 結果與討論

2.1 不同溫度對SCFAs產(chǎn)量的影響

初沉污泥在不同溫度下的SCFAs產(chǎn)量如圖2所示。由于污泥中的VSS含量通常可以代表有機基質(zhì)，為了避免無機基質(zhì)對污泥發(fā)酵的影響，所以試驗中均以每g VSS/L產(chǎn)生的以mg COD/L計的SCFAs [mg COD·(g VSS)-1] 表示產(chǎn)生的SCFAs的量。

圖2 pH值為10.0時不同溫度對總SCFAs產(chǎn)量的影響Fig.2 Effect of Different Temperature on Total SCFAs Yields at pH Value of 10.0

由圖2可知，在初沉污泥厭氧發(fā)酵20 d內(nèi)，不同溫度時的總SCFAs變化規(guī)律不同，其產(chǎn)量按溫度順序為35 ℃>25 ℃>20 ℃>10 ℃，即堿性條件下溫度升高有利于初沉污泥的厭氧產(chǎn)酸。10 ℃時，產(chǎn)酸量明顯低于其他溫度，且達到同樣的產(chǎn)酸量需要較長的發(fā)酵時間；溫度增加到35 ℃時，發(fā)酵第5 d的總SCFAs產(chǎn)量為10 ℃的6.4倍，這可能是由于高溫促進了污泥水解，更多的水解產(chǎn)物經(jīng)酸化轉化為更多SCFAs。但是同樣的發(fā)酵時間，溫度35 ℃時的總SCFAs產(chǎn)量相對25 ℃時增加不大，且高溫不夠經(jīng)濟。因此，室溫(25 ℃)和發(fā)酵時間5 d可認為是控制pH值為10條件下較經(jīng)濟實用的一種產(chǎn)酸控制方式，此時SCFAs產(chǎn)量為198.9 mg COD/(g VSS)。

2.2 不同溫度對SCFAs組分的影響

低分子有機酸，如乙酸和丙酸是生物磷去除工藝的兩大優(yōu)選碳源[26]。溫度對SCFAs組成的影響如圖3所示。由圖3可知，不同溫度下，初沉污泥發(fā)酵產(chǎn)生的SCFAs各組分比例明顯不同。不論處于何種溫度，乙酸都是總SCFAs中所占比例最大的(52%～69%)，且均超過了總酸的一半以上。25 ℃時的SCFAs中乙酸比例最大(69%)，說明高溫或低溫都不利于定向產(chǎn)乙酸。丙酸產(chǎn)量僅次于乙酸，它的比例在四種溫度下依次為27%、23%、16%和18%，可見低溫有利于提高丙酸的比例。 Ucisik等[27]在對Lundtofte城市污水處理廠初沉污泥發(fā)酵的批式試驗中同樣發(fā)現(xiàn)了乙酸是最主要的酸化產(chǎn)物，丙酸次之。乙酸和丙酸比例之和在溫度25 ℃時最大，為84%，其他酸比例僅為16%。綜上，溫度對SCFAs的組成影響較大，25 ℃是最適合初沉污泥發(fā)酵定向產(chǎn)乙酸和丙酸的溫度，而乙酸和丙酸是最容易生物降解的碳源。

圖3 初沉污泥發(fā)酵5 d時SCFAs的組成Fig.3 Composition of Total SCFAs on 5th Day of PS Fermentation

2.3 不同溫度對初沉污泥水解的影響

2.3.1 堿性條件下不同溫度對SCOD的影響

水解是污泥中固體有機顆粒性物質(zhì)向溶液化轉化的過程，水解的有機物質(zhì)的產(chǎn)量可以用SCOD表示。堿性條件(pH值為10.0)下，不同溫度對SCOD凈產(chǎn)量的影響如圖4所示。

圖4 溫度對SCOD凈產(chǎn)量的影響(pH 值為10.0)Fig.4 Effect of Temperature on Net Production of SCOD at pH Value of 10.0

由圖4可知，堿性條件(pH值為 10.0)，不同的發(fā)酵溫度下，初沉污泥SCOD出現(xiàn)不同程度的溶出，增加的SCOD濃度基本隨著溫度的升高而增大，說明溫度升高有助于初沉污泥的溶液化。但是，不同溫度時SCOD達到最大值的發(fā)酵時間不同，10 ℃時為9 d，其他溫度均為5 d；10～35 ℃時，發(fā)酵時間為5 d，水解程度(SCOD/TCOD)在35 ℃及25 ℃時分別比10 ℃提高了14.6%和29.5%，更進一步說明了堿性條件(pH值為10.0)下提高溫度可以加速初沉污泥的水解，提高水解程度，產(chǎn)生更多的SCOD。10 ℃時，溶出了較少的SCOD，且發(fā)酵時間較長，這可能是因為溫度越低，水解菌的酶活性降低，水解速率減慢，同樣條件下僅有較少的顆粒性物質(zhì)轉化。

2.3.2 堿性條件下不同溫度時蛋白質(zhì)和碳水化合物的水解

由表1可知，污泥中蛋白質(zhì)和碳水化合物的含量較高，超過總COD的50%，為污泥主要成分。堿性條件(pH 值為10.0)下，不同溫度對增加的溶解性蛋白質(zhì)和碳水化合物濃度的影響如圖5和圖6所示。

圖5 溫度對增加的溶解性蛋白質(zhì)的影響(pH 值為10.0)Fig.5 Effect of Temperature on Net Production of Soluble Protein at pH Value of 10.0

由圖5可知，堿性條件(pH值為10.0)，溫度為10～35 ℃時，初沉污泥發(fā)酵產(chǎn)生的溶解性蛋白質(zhì)的量(初始值為369.00 mg COD/L)均隨發(fā)酵時間的延長而增大，達到最大值后又減小。發(fā)酵前5 d，溶解性蛋白質(zhì)增加程度為35 ℃ > 25 ℃ > 20 ℃ > 10 ℃，說明pH值為10.0時，適當升高溫度有利于蛋白質(zhì)的水解。但溶解性蛋白質(zhì)的增加與溫度增加不成正比，也說明溫度升高到一定程度時，繼續(xù)升高對提高溶解性基質(zhì)的產(chǎn)量作用有限。圖5與圖4相比，各種溫度下達到最大值的時間不同于SCOD，且達到最大值后的溶解性蛋白質(zhì)濃度降低程度不同，這可能是發(fā)酵過程中監(jiān)測到的發(fā)酵液中的溶解性基質(zhì)生成和消耗達到凈平衡的結果。

圖6 溫度對增加的溶解性碳水化合物的影響(pH值為10.0)Fig.6 Effect of Temperature on Net Production of Soluble Carbohydrate at pH Value of 10.0

由圖6可知，堿性條件(pH值為10.0)，發(fā)酵溫度為10～35 ℃時，初沉污泥發(fā)酵增加的溶解性碳水化合物的量(初始值為34.54 mg COD/L)隨溫度的升高而增大，說明堿性條件下增加溫度同樣有利于產(chǎn)生更多的溶解性碳水化合物。與圖5相比，10～35 ℃時，溶解性碳水化合物的變化與溶解性蛋白質(zhì)的變化趨勢相似，但是10～25 ℃時達到最大值的時間相對滯后，且各種溫度下溶解性碳水化合物的變化幅度較小，尤其是20 ℃，這可能是因為溶解性碳水化合物與蛋白質(zhì)相比具有較大的酸化效率，發(fā)酵前期消耗量相對較多。另外，溶解性碳水化合物的產(chǎn)生量明顯小于溶解性蛋白質(zhì)，這是因為雖然碳水化合物相對蛋白質(zhì)容易水解和酸化，但是初沉污泥中包含的碳水化合物遠小于蛋白質(zhì)的量(表1)。

綜上，堿性條件下，升高溫度能夠進一步促進初沉污泥主要成分蛋白質(zhì)和碳水化合物在發(fā)酵過程中的溶出，產(chǎn)生更多的溶解性蛋白質(zhì)和碳水化合物，將有可能得到更多的SCFAs。

2.4 堿性條件下不同溫度對溶出的氨氮和正磷酸鹽的影響

圖7 不同溫度下初沉污泥發(fā)酵溶出的氨氮隨發(fā)酵時間的變化(pH值為10.0)Fig.7 Change of Ammonia Nitrogen Released from PS with Fermentation Time under Different Temperature at pH Value of 10.0

圖8 不同溫度下初沉污泥發(fā)酵溶出的隨發(fā)酵時間的變化(pH值為10.0)Fig.8 Change of Released from PS with Fermentation Time under Different Temperature at pH Value of 10.0

2.5 堿性條件下不同溫度對VSS削減的影響

堿性條件(pH值為10.0)，不同溫度時，初沉污泥發(fā)酵過程中VSS的去除率隨發(fā)酵時間的變化如圖9所示。由圖9可知：10～35 ℃時，不同溫度下VSS的削減率隨時間的延長而增大，基本隨溫度的升高而增大；但增加量在發(fā)酵后期明顯減少，VSS的最大削減率發(fā)生在發(fā)酵20 d和溫度為25 ℃時(44.8%)，而最佳條件(25 ℃、5 d)時，VSS削減率可達38%。這說明溫度升高可以在一定程度上提高VSS的削減率，但后期削減增加有限，還原比率下降，這一現(xiàn)象也曾被Banerjee等[29]水力停留時間和溫度對添加工業(yè)廢水的初沉污泥產(chǎn)酸的影響研究中發(fā)現(xiàn)。同時，除了溫度，可能堿性條件在一定程度上也對VSS的削減率產(chǎn)生了一定的影響。

圖9 不同溫度下VSS的削減率隨發(fā)酵時間的變化(pH值為10.0)Fig.9 Change of VSS Reduction Rate with Fermentation Time under Different Temperature at pH Value of 10.0

3 結論

堿性條件(pH值為10.0)，污泥濃度(VSS)為10 347 mg/L，溫度為10～35 ℃時，溫度對初沉污泥的水解及產(chǎn)酸的影響的主要結論如下。

(1)溫度的升高有助于促進初沉污泥發(fā)酵總SCFAs的生成，但揮發(fā)酸產(chǎn)量的增加幅度與溫度增量不成正比。

(2)較高的溫度有助于提高總SCFAs產(chǎn)量中乙酸的比例，而較低的溫度則利于提高丙酸的比例；溫度為25 ℃、發(fā)酵時間為5 d有助于提高總SCFAs產(chǎn)量及定向產(chǎn)乙酸和丙酸，是最佳的反應條件，此時總SCFAs中二者比例之和最大(84%)。

(3)pH值為10.0、溫度為25 ℃時，產(chǎn)生了較多的總SCFAs，主要原因為此溫度有利于初沉污泥中主要成分蛋白質(zhì)和碳水化合物在水解發(fā)酵過程中由顆粒性到溶解性的轉化，產(chǎn)生較多的溶解性蛋白質(zhì)和碳水化合物。

(5)溫度升高有利于提高VSS的削減率，隨著溫度的升高而增加。VSS削減的最佳溫度為25 ℃，5 d時VSS削減率可達38%，其最大削減率達44.8%。

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