驯化污泥的投加对污泥产酸过程的影响

郑艳霞，倪伟敏，赵 樑，贾秀英，朱奕蕾，范慧婷

(杭州师范大学生命与环境科学学院，浙江 杭州 310036)

驯化污泥的投加对污泥产酸过程的影响

郑艳霞，倪伟敏，赵 樑，贾秀英，朱奕蕾，范慧婷

(杭州师范大学生命与环境科学学院，浙江 杭州 310036)

城市污水处理厂产生的剩余污泥常用作厌氧水解产酸的原料，可为反硝化工艺提供可利用碳源.本文通过实验研究了在不同的驯化污泥与未驯化污泥质量比(n)下，剩余污泥厌氧水解酸化过程中pH、ORP、SCOD、TOC、TN、 NO3-N、NO2-N和MLSS的变化规律.综合各因素分析，结果表明：最佳配比方式为n=1∶2.在此配比下， SCOD和TOC分别能达到的最大值为5006．7 mg/L和2060 mg/L，反应时间为 3 d.

污泥配比；剩余污泥；水解酸化

0 前 言

随着城市化进程的加快，城市生活污水处理行业发展越来越快，产生的污泥也越来越多，所以剩余污泥的处理成为一个严峻的问题.在城市污水的反硝化处理过程中，碳源不足是影响其处理效果的关键因素[1].随着对剩余污泥厌氧水解酸化过程的研究，发现在污泥水解过程中，可以产生供反硝化过程利用的可溶性碳源，从而可以有效解决反硝化过程中的碳源不足问题，同时也可以达到以废治废的目的[2].

影响剩余污泥水解产酸的因素很多，例如：肖本益[3]和苑宏英[4]研究了碱性条件下pH值对污泥厌氧发酵过程的影响，蔡伟娜[5]和骆燕萍[6]研究了温度对污泥厌氧发酵产酸过程的影响，杨洁[7]和李欢[8]研究了超声波预处理对污泥厌氧水解过程的影响等等，而现今不同的驯化污泥和未驯化污泥配比对厌氧水解酸化过程影响的研究相对较少.一般认为，颗粒性有机物转化为可溶性有机物是污泥厌氧水解酸化的限速步骤，影响这个限速步骤最重要的有两个因素：微生物(水解产酸菌)的数量和有机质(碳源)的含量.驯化污泥可以提供在污泥水解酸化过程中发挥作用的微生物，未驯化污泥则提供可利用碳源.因此，研究驯化污泥与未驯化污泥不同的配比对剩余污泥对水解酸化过程的影响很有必要，本文就驯化污泥和未驯化污泥不同的配比方式对厌氧水解过程中pH、ORP(氧化还原电位Oxidation-Reduction Potential)、SCOD(溶解性化学需氧量Solluted Chemical Oxigen Demand)、TOC(总有机碳Total Organic Carbon)、TN(总氮Total Nitrogen)、NO3-N、NO2-N和MLSS(混合液悬浮固体浓度Mixed Liquor Suspended Solids)的变化规律进行深入的研究，为剩余污泥厌氧水解酸化过程的进一步研究提供依据.

1 实验材料与方法

1．1 驯化污泥来源

驯化污泥是来自杭州某污水处理厂压滤过的污泥，阴凉处风干后加水，添加一定营养盐，在厌氧环境中发酵40 d而成，此时的污泥已驯化成熟，可作为污泥水解过程中的接种污泥.驯化污泥浓度为101 g/L.离心后驯化污泥上清液的性质如表1所示.

表1 驯化污泥上清液的性质

1．2 未驯化污泥来源

1、2、3—污泥取样口;4—搅拌桨;5—进泥口;6—水浴套进水口;7—水浴套出水口;8—排泥口

本实验未驯化污泥取自杭州市某污水处理厂经过压滤后的剩余污泥，并在阴凉处风干10 d，使其干燥，并于4 ℃下冷藏.未驯化污泥是该污泥在干燥状态下按所需要的实验条件兑水稀释而成，按实验条件投入反应器中，作为厌氧水解的碳源来源.

1．3 实验装置与运行

本实验采用的实验装置采用有机玻璃制造，直径为100 mm，高为400 mm，有效容积为3.8 L，并且外围有水浴恒温套.称取不同质量的驯化污泥和未驯化污泥，按照质量比(n=0∶1、1∶8．5、1∶4、1∶3、1∶2和1∶1)兑水混合使其总污泥浓度为50 g/L，具体配比方式见表2.

采用双层搅拌器对污泥进行搅拌，搅拌速度控制在100 r/min，使污泥搅拌均匀但不产生漩涡.通过水浴恒温套控制温度为25 ℃.不调节pH值，每24 h从装置中的上、中、下3个取样口分别取样，混合离心后分析上清液，厌氧发酵水解时间为8 d.试验重复进行了2次，数据取2次实验的平均值. 实验装置见图1.

表2 驯化污泥和未驯化污泥的配比方法

1．4 分析项目与方法

污泥水解液在6000 r/min下离心15 min后通过0．45 μm的微孔滤膜过滤，过滤后的水样进行各个指标的测定.具体分析方法见表3.

表3 试验过程中分析方法与分析仪器

2 结果与讨论

2.1 pH的变化规律

图2 pH随反应时间的变化规律Fig. 2 Change of pH with the the reaction time

由2图中pH的变化曲线可以看出，在8 d的厌氧发酵时间内，n=0∶1至1∶1不同反应器中pH值的降低幅度分别为0．23，0．46，0．64，0．63，0．66，0．42.在此pH变化范围内产酸菌能够正常代谢产酸.初始pH值和反应结束时的pH值都是随着n值的增大而增大.对于初始pH值来讲，n值越大，驯化污泥的稀释程度越小，初始pH值会相对越高.在反应过程中的pH值也是随n值增大也增高，而pH值降低后又缓慢升高的时间出现在第3 d，说明此时污泥水解速率减慢，微生物(主要是产甲烷菌)开始分解挥发性脂肪酸.这与李定龙等[11]的研究结果相吻合.综上所述，pH的变化规律则呈现n值越大，pH值越高.产酸能力最强的反应器是n=1∶2的反应器.

2．2 ORP的变化规律

图3 ORP随反应时间的变化规律Fig. 3 Change of ORP with the the reaction time

在厌氧水解系统中，氧化还原电位(ORP)是由能形成氧化还原电子对的化学物质存在形态决定的，并决定了适宜的菌群[12].从图3中 ORP的变化曲线可以看出，6个反应器ORP的变化范围为-128～-257 mv，任南琪[13]等认为丙酸型优势菌群所需 ORP 在-200～100 mV 之间，丁酸型优势菌群在-350～-200 mV，由于实验过程中ORP值大部分在-350～-200 mV，可以确定本组实验的反应类型：n=0∶1和1∶8.5的反应器是丙酸型，n=1∶4的反应器是丙酸型和丁酸型混合型的，n=1∶3、1∶2和1∶1的反应器是丁酸型.

此外，反应体系中的氧化还原电位与SCOD具有较好的相关性[12-14]，在ORP逐渐上升到逐渐平稳时，SCOD的变化规律也呈类似的趋势.图3结果显示，反应起始阶段各个反应器中ORP值随时间逐渐升高，当反应进行到第4 d时ORP达到最大值，而此时的 SCOD值也都达到最大值.ORP的变化表现为n值越大，ORP越小.Chang等[15]研究结果也表明，添加接种污泥的量越大，ORP的值也越小，ORP值的大小从某种程度上也反映出污泥的水解程度.其原因是配比越大产酸菌的数量和活性较高，反应器内的有机质快速进入反应，产生的营养物较丰富，其成分比较复杂引起的.

2．3 SCOD与TOC的变化规律

不同污泥配比方式，在厌氧消化过程中有机物的变化规律有很大差异，从起始值可以看出，n值越大，TOC和SCOD的值也越大.从SCOD的变化规律上来看，经过8 d的发酵，6组反应器SCOD的变化情况见表4.△SCOD的计算公式为：△SCODt=SCOD(ti)-SCOD(t0).

表4 不同污泥配比下SCOD的最大值、初始值和SCOD最大增加量(△SCODmax)

驯化污泥即接种污泥，代表水解过程的微生物量；未驯化污泥，代表水解过程中可分解的有机质量.水解过程，微生物量多少决定水解速率，以及有机质能否被水解；有机质量决定可转化为SCOD的量.当n相对适中时，能使剩余污泥水解酸化过程高效地启动和进行.从图4 △SCOD的变化规律来看，6个反应器中的SCOD，除了n=0∶1和1∶8．5的反应器内SCOD在整个反应过程中呈缓慢持续上升趋势，其他配比的反应器都呈现先大幅度上升，随后有小幅下降，最后小范围波动的变化规律，下降阶段发生在反应第3 d，此后进入产甲烷阶段，分解产生可溶性有机物.n越小的反应器SCOD值开始下降的时间越早，n=1∶8．5的反应器△SCODmax达到4885．8 mg/L，对于反硝化过程所需要的碳源来讲，能提供最大的值，但耗时较长，效率低；其次能产生最大SCOD增加量的反应器为n=1∶2，产生的△SCODmax为3627 mg/L，反应周期也较短，从污泥产酸效率上看，最适合的污泥配比为n=1∶2.从△SCODmax上看n=1∶8．5>1∶2>1∶1>1∶3>1∶4>0∶1.综合考虑驯化污泥的最佳配比为n=1∶2，反应周期应为3 d.

图4 △SCOD随反应时间的变化规律Fig. 4 Change rule of △SCOD with reaction time

图5 TOC随反应时间的变化规律Fig. 5 Change rule of TOC with reaction time

由图5中TOC的变化曲线可知，TOC的变化规律和SCOD的变化规律非常相似.从TOC增加量上看n=1∶8．5>1∶2>0>1∶1>1∶3>1∶4，从整体TOC的变化规律来看， 5个反应器的TOC都大幅度上涨后，在反应第3 d时同时下降，随后平稳波动，说明污泥水解反应周期应为3 d.n=1∶2的反应器TOC最大增加量达到1344．2 mg/L，对于反硝化过程所需的碳源来讲，TOC能提供最大的值.从TOC产量上看，n值较小的，TOC产量持续增加，但反应时间也长，效率低，n值相对适中时，TOC产量相对较大，反应周期短，效率高.综合考虑最佳污泥配比为n=1∶2.

2．4 TN的变化规律

图6 TN随时间的变化规律Fig. 6 Change rule of TN with the the reaction time

图7 TOC/TN随反应时间的变化规律Fig. 7 Change rule of of TOC/TN with the the reaction time

图8 不同配比下的污泥降解率Fig. 8 Sludge degradation under different rates

上清液中TN包含可溶性的含氮有机物和硝态氮、亚硝态氮及氨氮等无机态的氮，由于实验过程中测得无机态的氮小于0．5 mg/L，因此本实验的TN几乎全为含氮类的可溶性有机物.从图6中TN的变化规律上可以得出：TN最大产量为1195 mg/L，最大增加量为599．2 mg/L.n=0∶1、1∶8．5和1∶2的TN最大增加量差不多，n=0∶1和1∶8．5的反应器TN最大增加量为569 mg/L和599．2 mg/L，n=1∶2的反应器TN最大增加量为505．6 mg/L，但是综合TN最大产量和反应时间来看，最佳的n=1∶2.

2．5 不同配比对污泥减量化的影响

从图8 上可以看出，初始污泥浓度是按照50 g/L投加的，污泥在不同反应器内的降解率有很明显的差异.n=0∶1和1∶8．5的反应器在反应第4 d时，污泥浓度降低最快，n=1∶1、1∶2、1∶3和1∶4的反应器在反应第3 d时，污泥浓度就降低最快，这说明配比越大，微生物量越大，污泥分解速率大于生长速率所需的时间也越短.随着厌氧水解持续， MLSS也不断地减小.从最后污泥的减量效果来看，n=0∶1、1∶8．5、1∶3和1∶1的反应器污泥分解率在20%～23%；n=1∶4和1∶2的反应器污泥分解率分别为32%和45%.这也说明n=1∶2的反应器污泥水解产生有机物的量最多，污泥减量效果最明显.从另一方面也说明n=1∶2的反应器在水解酸化过程中产生的可溶性有机质量是最多的.

2．6 剩余污泥厌氧水解机理初步探索

Batstone 等[16]和 Rozzi[17]的研究表明，剩余污泥厌氧发酵产酸分为4阶段.这4个阶段分别为污泥颗粒的分解、大分子物质水解为小分子物质、小分子可溶性物质水解发酵产酸和产氢产乙酸阶段.在厌氧发酵水解阶段，首先大颗粒污泥变为小颗粒污泥，接着水解酶把碳水化合物、蛋白质和脂类等大分子化合物分解为葡萄糖、氨基酸、甘油、脂肪酸等小分子化合物.进入产酸阶段时，小分子化合物在酸化菌的作用下分解为VFAs(挥发性脂肪酸volatile fatty acids)、醇、乳酸和CO2、H2、NH3、H2S等气体，随着VFAs被产甲烷菌分解为甲烷，以及反应时间的延长，产生的 VFAs逐渐降低.当VFAs的分解速率大于产生速率时，pH值逐渐升高，这与实验结果吻合.

3 结 论

3.1在不调节pH时，整个污泥水解酸化过程中pH值的变化范围在7上下浮动，能保持相对稳定，满足微生物生长需要；ORP的变化规律反映出污泥水解酸化类型主要以丙酸型和丁酸型为主.

3.2污泥配比越小，反应时间越长，分解有机物的速率越低；配比越大，污泥水解酸化的周期越短.获得最大SCOD和TOC产量的污泥厌氧水解周期为3 d，3 d后进入产甲烷阶段，SCOD和TOC浓度开始降低.

3.3SCOD和TOC最大产量和最大增加率的最佳的比为n=1∶2.配比过大或过小对污泥水解过程都不是最有利的.当n=1∶2时，SCOD的最大增加量为5006．7 mg/L，TOC的最大产量为2060 mg/L，TN的产量为1080 mg/L，能为城市剩余污泥反硝化过程中提供足够的可利用碳源.

3.4在整个污泥水解酸化过程中，碳水化合物和脂肪类等含碳类有机物比蛋白质类含氮类有机物更容易被水解酸化菌分解和吸收利用.

3.5污泥减量效果最明显的反应器是n=1∶2.

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TheEffectsofAcclimatedSludgeAdditiononSludgeAcidificationProcess

ZHENG Yanxia, NI Weimin, ZHAO Liang, JIA Xiuying, ZHU Yilei, FAN Huiting

(College of life and Environmental Science, Hangzhou Normal University, Hangzhou 310036, China)

Residual sludge produced by urban sewage treatment plants is commonly used as the raw materials of anaerobic hydrolysis acidification, and provides the available carbon source for denitrification technology. This paper analyzed the change rules of pH, ORP , SCOD, TOC, TN, NO3-N, NO2-N and MLSS in the anaerobic hydrolysis process of residual sludge under different mass ratio of acclimated sludge and unacclimated sludge. The results show that the best ratio is 1∶2. Under this sludge ratio, SCOD and TOC can respectively achieve maximum 5006.7 mg/L and 2060 mg/L and the reaction time is 3 d.

sludge ratio; residual sludge; hydrolysis acidification

2013-04-15

浙江省新苗计划项目(ZX13005001033),国家863计划子课题项目(2011AA060801-6).

倪伟敏(1978—),男，讲师,博士,主要从事污染控制与资源化研究.E-mail：weimin_ni@163.com

10.3969/j.issn.1674-232X.2013.05.012

X703.1

A

1674-232X(2013)05-0446-06