厌氧条件下剩余污泥中磷及相关指标的释放和变化规律

2014-03-15孙连鹏谭锦欣郭五珍叶挺进欧伟松

生态环境学报 2014年2期

孙连鹏，谭锦欣，郭五珍，叶挺进，欧伟松

1. 中山大学环境科学与工程学院，广东广州 510275；2. 佛山市水业集团有限公司，广东佛山 528000；3. 广东省环境污染控制与修复技术重点实验室，广东广州 510275

随着磷资源的日益枯竭，开发一条新的磷资源利用途径显得尤为迫切（沈巍，2012）。研究发现，生物除磷工艺产生的富磷剩余污泥中磷质量百分数约为4%~9%（Liao等，2003；Pijuan等，2005），如采用合适的技术将会从污泥中回收大量的磷，同时为污泥资源化利用开辟新的方向。污泥中磷的资源化利用在减轻污泥处置的二次污染问题的同时，可实现磷资源的可持续利用（梅翔等，2010；勒德智等，2011）。由于剩余污泥往往含有重金属、致病菌等有害物质（Franz，2008），所含的磷化合物纯度较低，如直接利用污泥不仅效率低，而且还存在一定的安全风险。安全可靠的方法是先将污泥中的磷释放到上清液中，再通过相应的物理、化学等方法得到纯度高、安全无害的沉淀产物（如磷酸钙、鸟粪石等），继而以工业原料的形式加以利用，从而实现对磷资源的安全有效回收利用（Adam等，2009；Babatunde和Zhao，2010；Xu等，2012）。因此，探寻出剩余污泥中磷的释放规律是实现剩余污泥中磷回收的首要前提。

剩余污泥中磷的释放途径主要有厌氧消化法、臭氧氧化法、热处理法、超声波溶胞法和焚烧溶出法等（Liao等，2005；Cohen，2009；Adam，2009；程振敏等，2010；）。相比而言，厌氧消化法具有释磷效果明显、运行稳定、费用低廉等优点，是实现工业化生产的一种有效途径（Saktaywin等，2005；田建民，2006；毕东苏等，2010）。然而，目前关于较短污泥停留时间（SRT）厌氧条件下剩余污泥中磷释放的研究较少，由于SRT决定了厌氧反应装置体积的大小，过长的SRT会导致初期投资偏大，限制了该技术的进一步发展。研究较短SRT条件下剩余污泥中磷及相关指标的释放规律是降低投资费用、实现规模化应用的关键。因此，本文在中试条件下，重点研究了SRT=5 d厌氧条件中污泥浓度、上清液总磷和氨氮浓度的变化情况，为污泥中磷的资源化利用打下基础。

1 材料与方法

1.1 试验装置

以佛山市镇安污水处理厂污泥回流泵房污泥为原泥，在中试规模厌氧反应系统内进行厌氧反应。中试装置为2.5 m×2 m×2.1 m的长方体厌氧反应器，装置有效容积为 7.5 m3，内装有机械搅拌器、pH检测仪、ORP检测仪等，并利用流量计、污泥泵等设施建立自动化控制系统自动控制污泥的进出。

1.2 检测及分析方法

分析方法按照水和废水监测分析方法（第四版）（国家环境保护总局水和废水监测分析方法委员会，2002）进行。实验指标及分析方法如表 1所示。

表1 实验分析方法Table 1 Experimental analysis method

2 实验结果与讨论

2.1 污泥浓度变化规律

系统进出泥悬浮固体浓度（SS）和挥发性悬浮固体浓度（VSS）的变化情况分别见图1和图2所示。

由于系统受镇安污水厂实际运行工艺影响，在反应时间41 d时进泥浓度出现大幅度下降，导致该日期前后系统装置污泥浓度发生较大变化。从图 1中可以看出，在41 d前，进泥SS从6685 mg·L-1上升到10385 mg·L-1，出泥SS从6606 mg·L-1逐步上升到8523 mg·L-1，进泥SS平均质量浓度为8105 mg·L-1，出泥SS平均质量浓度为7429 mg·L-1，下降676 mg·L-1，减少率为8.34%。41 d后，系统进泥SS下降，截至112 d前，进泥SS平均质量浓度为 6530 mg·L-1，在过程中呈波动上升趋势，达到7670 mg·L-1，出泥SS平均质量浓度为5736 mg·L-1，呈逐步上升趋势，在这过程中进出污泥平均质量浓度下降794 mg·L-1，减少率为12.16%。

可以看出，剩余污泥在厌氧条件下有一定的减量化，说明污泥在SRT=5 d反应过程中已经进入了厌氧水解阶段。在水解阶段中，剩余污泥细菌衰亡自溶或被其他细菌分解，胞内物质释放，从而使固态物质转化为液态。

图1 系统进出泥SS的变化Fig.1 Variation of SS in the input and output of system

图2 系统进出泥VSS的变化Fig.2 Variation of SS of system input and output sludg2

从图2中可以看出VSS变化规律与SS变化规律基本一致。41 d之前，进泥VSS质量浓度平均值为4507 mg·L-1，出泥VSS平均质量浓度为4050 mg·L-1，下降457 mg·L-1，减少率为10.14%，占SS减少量的67.60%。41 d后，系统进泥VSS下降，进泥VSS平均质量浓度为3623 mg·L-1，出泥VSS平均质量浓度为3120 mg·L-1，进出污泥VSS下降503 mg·L-1，减少率为 13.88%，占 SS减少量的63.35%。

可以看出，在厌氧过程中，水解酸化对剩余污泥微生物的液化作用、细胞内容物的释放以及对有机物的生物降解作用是污泥减量的主要原因。

2.2 磷释放规律

实验过程中，通过分析对比污泥上清液溶解性总磷和正磷酸磷数据发现，正磷酸盐基本占总磷的99%以上，一些研究也表明厌氧上清液中磷元素主要以正磷酸盐的形式存在（毕东苏和郭小品，2012；付广青等，2013）。因此本实验分析只针对总磷指标进行分析。系统进出泥上清液TP的变化情况如图3所示。

图3 系统进出泥上清液TP的变化Fig.3 Variation of TP input and output sludge supernatant

在整个厌氧反应过程中，污泥上清液TP质量浓度可以达到100 mg·L-1以上。同时可以发现，当出泥SS达到7500 mg·L-1左右以上时，随着出泥浓度的继续上升，污泥上清液TP质量浓度稳定在100 mg·L-1左右，无继续增长的趋势。研究表明当上清液的TP质量浓度超过100 mg·L-1以上时，采用鸟粪石等回收方式将会具有一定的经济可行性（王绍贵等，2005；张杰等，2008；孙连鹏等，2012）。

为了进一步分析在SRT=5 d的厌氧条件下，污泥浓度对剩余污泥中磷元素释放的影响情况，采用磷释放率指标进行分析，计算方式如下：

该公式表示的是系统内单位SS所释放到污泥上清液中的磷元素的量。系统磷释放率变化情况如图4所示。

图4 系统磷释放率的变化Fig.4 Variation of phosphorus release rate

从图4可以看出，随着系统SS的增加，在水解过程中更多的细胞内物质释放到液相中来，当系统SS保持在6100~7200 mg·L-1左右时，系统单位干污泥磷释放量达到最佳，超过0.015 mg·mg-1，此时的污泥上清液TP质量浓度接近100 mg·L-1左右。当系统SS超过7500 mg·L-1时，污泥上清液中磷元素无继续增长趋势。毕东苏等（2010）研究富磷剩余污泥厌氧消化过程中氮磷释放形态的结果表明，在停留时间为10、15和20 d的过程中，污泥上清液中磷元素仍然保持继续增长的趋势，说明了停留时间越长，污泥中更多胞内物质释放到液相中来。对比研究结果发现，在SRT=5 d的厌氧条件下，虽然随着污泥浓度的增加，磷及相关物质的释放也有所增加，且释放效果良好，但当污泥浓度增加到一定水平后，胞内物质的释放主要是受污泥停留时间的限制，污泥浓度的继续上升已对胞内物质的释放无明显促进作用。

由此看出，在SRT=5 d的厌氧条件下，控制反应系统SS保持在6100~7200 mg·L-1的情况下，可以获得对剩余污泥中磷的最佳释放效果，为下一步磷的回收提供了良好条件。同时，测量污泥中泥水混合液TP发现，泥水混合物TP对约270 mg·L-1左右，单位干污泥含磷量为0.037 mg·mg-1左右，此时系统污泥上清液TP释放量最大为100 mg·L-1左右，释放率为37%左右。

2.3 氮释放规律

系统进出泥上清液氨氮的变化情况如图 5所示。

图5 系统进出泥上清液氨氮的变化Fig.5 Variation of NH3-N input and output sludge supernatant

氨氮变化规律与TP变化规律基本一致。在整个实验过程中，系统污泥上清液氨氮质量浓度最高可达到40 mg·L-1以上，而污泥上清液氨氮占总氮(TN)百分比保持在84%以上。在厌氧水解环境下，随着污泥固体有机物的水解，其中的有机氮转化为氨态氮，并将其从固相中释放至上清液。同时，由于厌氧条件下存在反硝化作用（张艳萍和彭永臻，2009；孙连鹏等，2012），污泥上清液中硝态氮与亚硝态氮一直维持在较低水平，在整个实验过程中维持在TN的16%以下，污泥中氮元素的释放以氨氮为主。

系统氨氮释放率指标计算方式如下：

系统氨氮释放率变化情况如图6所示。由图6可知，系统单位干污泥氨氮释放量也是随着系统SS的变化而变化的，且当前系统氨氮的释放量也主要受污泥停留时间的限制，当系统 SS保持在6300~7900 mg·L-1左右时，系统单位干污泥释放量达到最佳，达到0.006 mg·mg-1以上。由此看出，在SRT=5 d的厌氧条件下，系统中的氨氮达到较好的释放效果。

图6 系统氨氮释放率的变化Fig.6 Variation of NH3-N release rate in system

3 结论

（1）在中试实验中，剩余污泥在SRT=5 d的厌氧条件下，污泥有一定的减量化，SS下降 10%左右，其中VSS减少量占SS减少量的65%左右。

（2）在SRT=5 d的厌氧条件下，磷及相关物质得到了较好的释放，中试装置系统污泥上清液 TP和氨氮质量浓度可分别达到100和40 mg·L-1以上，为下一步采用鸟粪石等方法回收磷元素提供了较好的条件。

（3）反应系统SS在6300~7200 mg·L-1的条件下，磷和氨氮得到相对最好的释放效果，系统单位干污泥磷释放量达到0.015 mg·mg-1，系统单位干污泥氨氮释放量达到0.006 mg·mg-1。

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