过氧乙酸预处理污泥对厌氧消化的影响

乔梦阳， 孙德栋， 王玲玲， 许延营

（1.大连工业大学 轻工与化学工程学院，辽宁 大连 116034；2.青岛城市建设投资有限责任公司，山东 青岛 266071）

0 引 言

活性污泥法在我国废水处理领域的广泛应用［1］，随之产生了大量的剩余污泥。剩余污泥的处理问题成了目前备受关注的话题。厌氧消化是处理剩余污泥主要的方法之一，具有灭杀病菌、减少污泥体积、促进污泥稳定等优点，同时又能产生沼气，回收能源，但是其费用占污水处理厂总运行费用的25%～40%，甚至高达60%［2］。水解阶段的限制性作用，使得厌氧消化速度缓慢［3］，且污泥中微生物细胞壁的保护作用阻碍了污泥中有机物释放与利用［4］。对污泥进行预处理可破坏细胞膜结构，使胞内物质释放，提高水解速率。预处理主要包括超声波、热解、微波、超临界氧化、加碱法及其他方法组合而成的预处理工艺等［5］。过氧乙酸（PAA）在化工生产中不仅是良好的氧化剂，而且是一种广谱、高效、廉价的灭菌剂，其还原产物具有无毒、生物亲和性强等特点，是微生物极易代谢的物质［6］。本文采用过氧乙酸对污泥进行预处理，研究预处理后污泥的厌氧消化过程，以期为剩余污泥处置提供新的研究思路。

1 实 验

1.1 仪器与试剂

仪器：紫外分光光度计，微波消解仪，便携式pH计，万用电炉，恒温水浴锅，手提式压力蒸汽锅，箱式电炉。

试剂：PAA由A液和B液以1∶1的体积比混合配制而成，配制成的PAA溶液质量浓度为16～20g／mL；重铬酸钾，优级纯。剩余污泥，取自大连凌水河污水处理厂CAST工艺中经过浓缩后的剩余污泥，其污泥质量浓度为8～11g／L，pH约为7，剩余污泥样品在4℃冰箱中存放。

1.2 实验方法

将500mL浓缩污泥置于隔绝空气的密封装置瓶中，每天抽取50mL的污泥，并加入50mL的接种污泥，使消化反应器中始终保持着450mL的污泥，50mL驯化培养的污泥，反应器置于恒温磁力搅拌器上，控制温度为（35±2）℃。由于需要抽取一部分消化污泥进行相关测定，故取泥后要注入相同体积、相同条件处理后的污泥或未处理的污泥，保证隔绝空气。产生的气体由导气管导出，经过酸性饱和食盐水收入到集气装置内，采用排水法测定产气量。气体每日测量，取样后通入 N2数分钟，以驱除空气［7］。

污泥VSS采用重量法；SCOD测定采用微波密封消解法［7］；气体收集采用排水法；碱度采用标准盐酸滴定法；TP（总磷）采用钼酸盐比色分光光度法［8］；TN采用过硫酸钾氧化－紫外分光光度法［8］；pH值采用FE20型pH 计；采用蒸馏法测定挥发性脂肪酸。

2 结果与讨论

2.1 预处理后污泥性质的变化

利用过氧乙酸对污泥进行预处理，污泥的理化性质会受其影响产生变化，通过实验得到PAA的最佳投加量是30g／kg，最佳反应时间为120min。污泥预处理前后的性质变化如表1所示。

预处理后污泥上清液中SCOD含量可达818mg／L，远远高于未处理时SCOD的含量，这是因为过氧乙酸的氧化作用迅速破坏剩余污泥微生物细胞壁，使得胞外聚合物（EPS）水解成为可溶性的小分子物质［9］，同时胞内物质不断溶出，因此剩余污泥上清液中SCOD浓度不断上升［4］。TP、－N、TN的浓度分别增加了2.01、1.28、1.87倍，这是由于剩余污泥在过氧乙酸的预处理作用下，微生物分解加剧，细胞内有机物质溶出，使TP等增加，多糖、蛋白质的含量分别增了1.68、1.74倍，由于多聚糖是剩余污泥微生物EPS中的重要组成部分［10］，过氧乙酸的预处理，破坏了ESP，使多聚糖溶解到液相中，导致上清液中多糖含量增加；同时微生物细胞壁细胞膜被过氧乙酸破坏，胞内与胞外有机物释放，从而增加了液相中蛋白质的含量［11］。通过分析比阻值变化可知，污泥的过滤性能变差了，这是由于污泥中胞外聚合物（ESP）释放到液相中，随着ESP的减少，由ESP架桥形成的较大絮体解体成为较小的污泥颗粒，污泥中小颗粒比例增加，污泥的脱水性能变差［12］。

表1 预处理前后污泥性质的变化Tab.1 Characteristics of untreated and pretreated sludge

2.2 预处理对厌氧消化过程中产气速率及产气总量的影响

对比原污泥与预处理污泥在厌氧消化过程中气体产量的变化，如图1所示。由图可知，沼气日产量均先增后减，而且预处理后污泥的日产量明显大于未处理的污泥，预处理污泥的产气高峰在厌氧消化过程的第8天，其产气量为166mL，而未处理污泥的在第10天左右，产气量为140mL，经预处理后污泥的产气高峰明显提前。这是由于未处理的污泥的细胞壁结构阻碍了细胞内物质的释放，水解速度缓慢，其产气量增加缓慢。而经过预处理的污泥的胞内物质大量溶出，有利于产甲烷菌的繁殖生长，从而产生大量的气体。

经过一个月的厌氧消化，预处理对其过程中总产气量的影响如图2所示，在厌氧消化过程中，未处理污泥总产气量为1 232mL，而预处理的污泥产气总量是1 478mL，比未处理污泥的总产气量多246mL，增加了20.0%，说明污泥经过预处理后，污泥细胞壁被破解，胞内物质释放，被厌氧菌利用，增加量产气量。

图1 污泥的日产量变化Fig.1 Variation of gas production volume per day

图2 污泥总产气量Fig.2 Cumulative gas production vs time

2.3 预处理对厌氧消化过程中SCOD的影响

厌氧消化时SCOD是表示污泥水解增溶程度的参数。由3图可知，SCOD的变化趋势是先增后减，这是由于水解过程，在胞外酶的作用下，将不溶性有机物水解成可溶性有机物［10］，致使SCOD浓度增加，而随着有机物不断被厌氧消化菌利用，SCOD又呈下降趋势。经过预处理后的污泥厌氧消化过程中测得的SCOD浓度比未经过预处理的要大，其最大值比未处理时增加了57.5%。未经预处理的污泥，在厌氧消化过程中，SCOD值增加幅度要较预处理污泥的小，这是由于原泥中微生物的水解是厌氧消化的限速步骤。

图3 厌氧消化过程中SCOD的变化Fig.3 Variation of SCOD in the process of anaerobic digestion

3 结 论

（1）经过过氧乙酸的预处理，污泥在厌氧消化过程中平均日产气速率为52.78mL，比未经过预处理的提高了19.95%；预处理后污泥厌氧消化总产气量为1 478mL，比未经过预处理的多产气246mL。预处理污泥出现产气量峰值的时间比原泥提前2d。

（2）通过过氧乙酸预处理，可以分解剩余污泥微生物细胞的EPS，同时破坏微生物的细胞壁与细胞膜，使胞内物质释放到液相中。厌氧消化过程中，预处理污泥的SCOD浓度高于原泥，最大值为780mg／L，比原泥中SCOD浓度的峰值大57.51%。

［1］陈英文，刘明庆，赵冰怡，等.臭氧预处理——厌氧消化工艺促进剩余污泥减量化的研究［J］.环境污染与防治，2012，34（1）：33－36.

［2］LOW E W，CHASE H A.Reducing production of excess biomass during waster treatment［J］.Water Research，1999，33（5）：1119－1132.

［3］LI Y Y，NOIKE T.Upgrading of anaerobic digestion of waste activated sludge by thermal pretreatment［J］.Water Science and Technology，1992，26（3／4）：857－866.

［4］孙德栋，郭思晓，马妮娜，等.微波－过氧乙酸联合作用处理剩余污泥的研究［J］.环境污染与防治，2011，33（4）：50－53.

［5］张毅华，台明清，王芳.剩余污泥厌氧消化预处理技术研究进展［J］.中国资源综合利用，2010，28（6）：24－28.

［6］苏凤宜，邢新会，孙旭临.过氧乙酸对剩余污泥的减容研究［J］.高校化学工程学报，2004，18（4）：471－476.

［7］黄毅.微波密封消解法测定CODCr值［J］.上海环境科学，1996，18（5）：32－34.

［8］国家环境保护总局《水和废水监测分析方法》编委会.水和废水监测分析方法［M］.4版.北京：中国环境科学出版社，2002：243－257.

［9］田禹，方琳，黄君礼.微波辐射预处理对污泥结构及脱水性能的影响［J］.中国环境科学，2006，26（4）：459－463.

［10］王治军，王伟.剩余污泥的热水解试验［J］.中国环境科学，2005，25（增刊）：56－60.

［11］顾夏声.废水生物处理数学模式［M］.北京：清华大学出版社，1993：169－170.

［12］乔玮，曾光明.厌氧消化技术在城市垃圾处理应用中的制约因素［J］.江苏环境科技，2002，15（4）：28－30.