超声波、碱、超声波/碱预处理污泥对污泥水解效果的影响

罗 毅，李晓丽，刘 晖,王志娟，张灵芝

(石家庄市环境监测中心，河北省石家庄 050022)

超声波、碱、超声波/碱预处理污泥对污泥水解效果的影响

罗 毅，李晓丽，刘 晖,王志娟，张灵芝

(石家庄市环境监测中心，河北省石家庄 050022)

为了提高污泥水解产酸过程中的挥发酸产量，获取污水脱氮除磷所需的碳源，以石家庄市栾城污水处理厂二沉池污泥为研究对象，采用超声处理、碱性调节、超声处理与碱性调节组合等3种方式对污泥进行预处理。通过测定预处理污泥水解酸化过程中的挥发酸、氨氮、总氮、总磷、SCOD的浓度，对预处理污泥水解酸化过程中的各指标的变化进行分析。结果表明，当超声波投加的声能密度为0.55 W/mL，pH值为9，超声作用时间为4 min时，水解酸化在第4天时挥发酸总质量浓度达到最大值226.7 mg/L。

环境工程学；污泥；超声波/碱；水解产酸；预处理

随着中国经济社会的快速发展，城市生活污水及工业废水排放量逐渐上升。据统计，至2013年底，全国城镇污水排放总量为695.4亿t，其中，工业废水209.8亿t，城镇生活污水485.1亿t，污水集中处理率为89.21%，污水处理产生的污泥量为2 635.8万t[1]。目前，活性污泥法是普遍采用的污水二级生物处理方法，污泥产量较大，占处理水量的0.3%～0.5%，含水率高达97%[2]。随着城市化进程的加快和污水管网覆盖率的提高，需要处理的污水量会进一步增加，剩余污泥产生量也会随之增大，污泥的处理与处置已成为环境保护的焦点问题之一。目前国内外对剩余污泥的处置方式主要有卫生填埋、农业利用和焚烧等[3-5]。随着中国环境保护的形势要求，降低城镇污水处理厂运行成本、实现污泥资源化利用、探索污泥水解酸化产物作为反硝化碳源促进生物脱氮除磷已成为研究热点[6-9]。通过对污泥进行预处理，破坏污泥的絮体结构和污泥中微生物的细胞壁，才能获得可溶性有机物，进而水解产生VFA。近年来发展起来的污泥预处理方法有物理法、化学法、生物法及一些组合方法[10]，其中，超声波预处理技术因其设备简单、预处理效果明显而备受关注[11]；超声处理与碱性调节组合可以更加有效地提高污泥水解酸化效率，增强有机质和营养物质的释放量和速率，达到更加理想的水解酸化效果[12-16]。本研究对污泥分别进行超声处理、碱性调节、超声处理与碱性调节组合3种方式的预处理，分析不同预处理方式对污泥水解酸化过程中重要指标的影响，旨在寻找最佳污泥预处理方式和条件，促进污泥水解酸化，增强有机质和营养物质的释放，促进污泥资源化利用。由于在污泥水解过程中，污泥上清液中的常规指标也会发生变化，因此，试验中也对pH值、可溶解性化学需氧量(以下简称SCOD)、总氮、总磷和氨氮的变化进行了分析讨论，这对污泥及其上清液的处理也是有意义的。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验用泥取自石家庄市栾城污水处理厂二沉池回流污泥，浓缩24 h，倾去上清液，备用。超声波试验装置由宁波市先倡电子科技有限公司提供，超声波发生器功率为2 000 W，作用装置容积为4 L，有效容积为3.5 L。试验用的水解产酸罐为带有夹层保温套的铁制罐体，有效容积为5 L，共4个，用水浴锅进行保温，搅拌装置为可调转速的搅拌器。

1.2 试验方法

先向发酵罐中分别加入2 L未经过任何处理的原泥，然后再向罐中分别加入3 L用不同方法预处理后的污泥，即污泥原样(未经预处理)、碱处理(pH值为9)、超声波处理、超声波与碱调节(pH值为9)组合处理4种不同的污泥[17]。由于预处理污泥使之pH值为9时，比较经济合理且后续处理效果也较好，故预处理后污泥pH值为9。发酵罐温度设定为中温(35±1)℃，搅拌速度为30 r/min。超声波所投加的声能密度为0.55 W/mL(因超声波设备的振子不能空载，由试验所用超声波设备的功率和有效容积确定此固定的声能密度)，处理时间为4 min(为了减少温度对实验的影响，并且这个时间长度下SCOD的变化明显)。每天固定时间抽取每个发酵罐中的污泥200 mL，在10 000 r/min下离心30 min，取上清液，测定上清液中pH值、SCOD、总氮、总磷、氨氮、挥发酸(以下简称VFA)等指标，测试项目分析方法见表1。

表1 测试项目及分析方法

2 试验结果与讨论

2.1 pH值变化情况

图1为4个发酵罐中pH值随时间的变化情况。

图1 pH值随运行时间的变化情况

由图1可以看出，前3天内，污泥原样、碱处理、超声波与碱协同预处理的污泥，pH值呈下降趋势。水解产酸的几天中，污泥原样的pH值基本稳定在8.0～8.2；单独碱预处理的污泥，水解产酸的第2天，pH值先从初始的9.1下降到了8.4，随后继续下降，pH值最低值为8.2，在第3天后，pH值也基本稳定在8.2左右；单独超声波预处理的污泥，pH值处于上升的趋势，这是因为超声波作用于污泥后，污泥温度上升导致一部分挥发酸挥发，在运行的几天中，由于污泥经过超声波预处理，使得微生物絮体中某些化学物质产生碱性，增加了pH值；超声波与碱协同预处理的污泥，pH值也是先下降后上升，其变化趋势与单独碱处理的类似。

2.2 SCOD变化情况

SCOD 的测定采用重铬酸钾法，将超声波预处理后的污泥样本在10 000 r/min的离心机上离心30 min 后，取上清液测定 SCOD。

图2为不同方法预处理后的污泥在水解产酸过程中SCOD的变化情况。从图2可以看出，经过超声波、超声波与碱协同预处理后的污泥，水解酸化效果要好于污泥原样和单独碱预处理的污泥。污泥原样与单独碱预处理的污泥在水解产酸过程中SCOD呈现上升的趋势，但是变化幅度不大。污泥原样的SCOD从初始质量浓度185.4 mg/L上升到453 mg/L，增加了267.6 mg/L；单独碱处理的污泥从初始质量浓度200.2 mg/L增加到478.4 mg/L，增加了278.2 mg/L。

图2 SCOD随运行时间的变化情况

经过超声波、超声波与碱协同预处理后的污泥，SCOD迅速上升，质量浓度分别为792.8 mg/L和890.9 mg/L，分别增加了607.4 mg/L和705.5 mg/L。随后将预处理后的污泥放入水解产酸罐中，其SCOD先下降后上升，在水解产酸第3天，超声波预处理后的污泥SCOD质量浓度下降到397.9 mg/L，超声波与碱协同预处理后的污泥下降到401.5 mg/L。这是因为预处理的污泥与接种泥混合后，接种泥中的微生物通过自身的生长会消耗一部分SCOD，随着水解酸化过程进行，水解产酸菌会产生挥发酸，使得污泥中的SCOD上升。

超声波预处理与超声波与碱协同预处理的污泥，水解产酸产生的SCOD质量浓度与其变化趋势相差不大，说明碱对促进水解酸化中SCOD增加的作用并不很明显。同时从污泥原样与单独碱预处理的2条曲线也可以得到同样的结论。但单独碱预处理与超声波与碱协同预处理后污泥水解酸化所产生的SCOD质量浓度变化相差很大，这说明超声波预处理污泥后可以有效地促进水解酸化过程中SCOD的变化。

2.3 总氮变化情况

图3中，污泥预处理前总氮质量浓度为107.8 mg/L，分别经过单独碱预处理、超声波预处理、超声波与碱协同预处理后，总氮有了明显的上升，质量浓度分别为112.0，171.4和194.2 mg/L，其总氮质量浓度分别增加了4.2，63.6和86.4 mg/L，其中，超声波与碱协同预处理后污泥的总氮增加幅度最大。原因是总氮的增加主要来源于污泥中含氮有机物的释放。超声波作用于污泥时，温度也会增加，一部分微生物细胞因为热作用发生自溶，从而导致含氮有机物浓度上升。从图3还可以看出，污泥经过超声波处理后，更有利于总氮的释放。

图3 总氮随运行时间的变化情况

在水解产酸过程中，无论是污泥原样还是经过预处理的污泥，总氮都呈现上升的趋势。从水解产酸开始到结束，污泥原样、单独碱处理、超声波预处理以及超声波与碱协同预处理后的污泥总氮质量浓度分别增加了102.2，102.0，107.6，65.8 mg/L，说明水解产酸阶段有一些微生物细胞溶解，将细胞内含氮物质释放，增加了污泥上清液中总氮的含量。

2.4 总磷变化情况

图4中，污泥预处理前总磷质量浓度为6.9 mg/L，预处理后污泥上清液中总磷含量要高于污泥原样，单独碱预处理、超声波预处理、超声波与碱协同预处理后污泥上清液的总磷质量浓度分别为8.5，13.3，17.5 mg/L，有了明显的增加，增加量分别为1.6，6.4，10.6 mg/L。说明预处理可以增加污泥中总磷的含量，但其增加幅度相对于总氮并不大，这是因为磷元素在微生物细胞中的成分比例不大，其主要来源于超声波对释磷菌的破解和释磷菌的自溶。

图4 总磷随运行时间的变化情况

在水解产酸过程中，污泥原样和单独碱预处理的污泥总磷含量是持续增加的，在水解产酸周期结束时，污泥原样的总磷质量浓度为49.2 mg/L，单独碱预处理污泥的总磷质量浓度为44.4 mg/L。而经过超声波预处理、超声波与碱协同预处理后污泥的总磷质量浓度都是在水解产酸的第4天达到峰值，分别为50.1 mg/L和55.2 mg/L，随后出现下降的趋势，并且在第4天到第6天期间，超声波与碱协同预处理的污泥总磷下降幅度要比超声波预处理污泥的要大。

2.5 氨氮变化情况

图5中，污泥原样的初始氨氮质量浓度为82.9 mg/L，分别经过单独碱预处理、超声波预处理、超声波与碱协同预处理后，氨氮质量浓度分别为86.4，103.6，104.2 mg/L，分别增加了4.5，20.7，21.3 mg/L。说明污泥经过预处理后氨氮有所增加，但是单独碱预处理的效果并不明显，超声波预处理、超声波与碱协同预处理后的污泥的氨氮增加幅度要大一些，由此可推断，超声波是使氨氮增加的主要因素，通过超声波预处理、超声波与碱协同预处理2种方法的对比，也可说明这一点。

图5 氨氮随运行时间的变化情况

在水解产酸的过程中，氨氮含量总体呈上升趋势。污泥原样、单独碱预处理、超声波预处理以及超声波与碱协同预处理后的污泥，经过水解产酸后，氨氮质量浓度分别从最初的82.9，86.4，103.6，104.2 mg/L上升到183，178，227，220 mg/L，分别增加了100.1，91.6，123.4，115.8 mg/L。分析可知，在厌氧条件下，几乎没有转化氨氮的菌群，随着有机氮的增加及有机氮水解成氨氮，造成氨氮在系统中积累。氨氮主要来源于有机氮的分解，结合图3来看，总氮含量也呈上升的趋势。

2.6 挥发酸(VFA)变化情况

图6为不同预处理方法下污泥水解酸化过程中挥发酸(VFA)的变化情况。污泥原样VFA质量浓度为19.2 mg/L，经过单独碱预处理、超声波预处理、超声波与碱协同预处理后，VFA的质量浓度变化并不大，分别为10.0，37.2，19.2 mg/L。经过7天的水解产酸过程后，污泥原样VFA的质量浓度变化幅度也不大，处于50 mg/L以下。单独碱预处理、超声波预处理后的污泥在水解酸化的第3天达到峰值，VFA质量浓度分别为96.0，153.6 mg/L，随后就开始下降，VFA浓度趋于平稳。超声波与碱协同预处理的污泥在水解酸化的第4天达到峰值，质量浓度为226.7 mg/L，随后开始下降。实验结果表明，预处理污泥的水解酸化效果要好于没有预处理的污泥，而且更有利于促进水解酸化的进行。

图6 挥发酸随运行时间的变化情况

3 结 论

1)分别采用超声波、碱、超声波/碱协同作用对污泥进行预处理，超声波/碱协同预处理的污泥 SCOD溶出效果比较好。SCOD 的浓度随着超声波处理时间的延长而增加，污泥原样和单独碱预处理后的污泥的SCOD变化趋势一致，超声波预处理、超声波与碱协同预处理后的污泥的SCOD浓度变化趋势一致，说明碱对于SCOD的变化趋势没有明显影响。

2)超声波与碱协同预处理污泥，可以促进微生物细胞破解或者自溶，使得总氮、总磷、氨氮的浓度呈逐渐增加的趋势，浓度高于其他预处理方式。当超声波投加的声能密度为0.55 W/mL、超声作用时间为4 min且pH值为9时，在水解酸化第4天，挥发酸(VFA)总质量浓度达到最大值226.7 mg/L，而污泥原样几乎没有变化，说明超声波与碱协同作用更有助于提高污泥的水解效率。

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一般地，程序性知识疑难的产生原因主要包括以下几方面：第一，顺向迁移或逆向迁移中的负迁移[23]，即头脑中先前程序性知识对后来程序性知识或后来程序性知识对先前程序性知识的消极影响．比如，在计算时写成了就是先前学的“分数的约分”知识对后来学的“向量的运算”知识的消极影响．再如，学生在学习分式的运算时会算分式但学了分式方程后学生计算该分式时就写成

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Effect of ultrasonic, alkali and ultrasonic/alkali pretreatment on sludge hydrolysis

LUO Yi, LI Xiaoli, LIU Hui， WANG Zhijuan, ZHANG Lingzhi

(Shijiazhuang Environmental Monitoring Center, Shijiazhuang, Hebei 050022, China)

environmental engineering; sludge; ultrasonic /alkali; hydrolysis and acidification; pretreatment

1008-1534(2015)06-0552-05

2015-05-11;

2015-07-27；责任编辑：王海云

石家庄市科技支撑计划项目(131240090A)

罗 毅(1973—)，男，河北衡水人，工程师，主要从事环境监测方面的研究。

李晓丽。E-mail：14405427@qq.com

X705

A

10.7535/hbgykj.2015yx06016

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