蒸汽爆破对城市污泥预处理和厌氧发酵产酸的影响

韩 鹏,刘 和,*,丁春华,刘宏波,符 波(.江南大学环境与土木工程学院,江苏省厌氧生物技术重点实验室,江苏 无锡 4；.镇江东方生物工程设备技术有限责任公司,江苏 镇江 000)

蒸汽爆破对城市污泥预处理和厌氧发酵产酸的影响

韩 鹏1,刘 和1,2*,丁春华2,刘宏波1,符 波1(1.江南大学环境与土木工程学院,江苏省厌氧生物技术重点实验室,江苏 无锡 214122；2.镇江东方生物工程设备技术有限责任公司,江苏 镇江 212000)

利用蒸汽爆破技术对城市污泥进行预处理,研究了不同压力和保压时间结合条件下蒸汽爆破对污泥理化性质和后续厌氧发酵产酸的影响.结果表明,经蒸汽爆破预处理后,部分污泥絮体结构被破坏,污泥液相中SCOD、蛋白质、多糖和DNA浓度分别达到最高的9544mg/L、596.7mg/L,1515mg/L,9.1ng/µL(2MPa, 4min),相比于对照组污泥分别提高37.7、19.4、12.5和3.64倍,同时能提高污泥可生化性;蒸汽爆破能有效减小污泥颗粒体积,相比对照组污泥平均体积粒径最高降低 52.59%;蒸汽爆破后污泥经过厌氧发酵,产酸量分别达到最高的 7.34g/L (1MPa, 3min)、7.12g/L (1.5MPa, 1min)、8.15g/L (2MPa, 4min),相比于对照组污泥分别提高了1.55、1.51和1.72倍,最高产酸率为234.76mg COD/g VSS.进一步提高预处理强度能够改善污泥溶解性和发酵产酸性能.

城市污泥；蒸汽爆破；厌氧发酵；挥发性脂肪酸

污泥厌氧消化产酸是污泥资源化的方法之一,但在厌氧消化过程中,污泥中有机质含量较低及生物可利用性不高导致污泥产酸效率不高,如何对污泥进行预处理来提高产酸率是主要技术难题[5-12].蒸汽爆破技术(以下简称“汽爆”)是近年来发展起来的一种污泥预处理方法.高温水蒸气对物料产生的热作用,从高温、高压在瞬间降到常温、常压时,物料内部水分汽化膨胀产生的剪切力和化学水解等作用使得物料的组织结构被破坏,污泥内部有机物溶出,有利于后续厌氧发酵产酸[13].目前国内外广泛采用此技术来对木质素进行处理和用于纸浆等生产[14-15].为了提高污泥有机质水解溶出,要对微生物细胞进行破壁以提高后续厌氧发酵产酸效率.汽爆技术所具有的独特优势,可快速将污泥细胞壁破碎,有望成为一种新型的污泥预处理技术.因此,本文通过蒸汽爆破对污泥进行预处理,研究不同压力和保压时间结合下,蒸汽爆破对污泥有机物溶出效果的影响,对污泥微观形态的影响及对污泥厌氧发酵产酸性能的影响.

1 材料与方法

1.1 实验材料

污泥取自无锡市某污水处理厂的脱水污泥,污泥含固率(TS)为15.4%, pH值为7.46,有机质含量(VS/TS)为 57.86%,加蒸馏水调节污泥 TS浓度为6%,取污泥上清液进行指标测定,以此污泥作为对照组污泥.厌氧发酵产酸种泥取自实验室产酸发酵罐排泥,在5000rpm下离心10min,经2次清水冲洗后使用,脱水污泥和种泥的性质如表1所示.

表1 污泥和种泥的基本性质Table 1 Characteristics of the dewatered sludge

1.2 汽爆实验装置

汽爆装置为河南省鹤壁市正道重机厂生产的 QBS-80型蒸汽爆破机.采用液化天然气进行加热,加热功率为 8kW,最高蒸汽压强可达到3.2MPa,有效汽爆容积为 0.405L.汽爆采用气弹技术,可以在0.00875s内瞬间完成压力释放[16].

1.3 实验步骤

1.4 统计学处理 采用SPSS 13.0软件处理数据。计数资料以n(%)表示，组间比较采用χ2检验。样本率与整体率的比较采用二项分布检验。对于不同程度先天性上睑下垂合并先天性心脏病发病率的比较，采用秩和检验。检验水准(α)为0.05。

每次称取 250g脱水污泥(含水率 84.6%)加入汽爆罐,压强分别设置为1、1.5和2MPa,每个压强对应的保压时间分别为1、2、3和4min.处理完毕后,迅速打开卸料阀,污泥从出料口喷出并爆碎,汽爆污泥在回收仓进行收集.分别收集不同预处理条件下的污泥样品,经加蒸馏水调节 TS为 6%污泥,经匀浆仪调节后测定上清液中溶解性化学需氧量(SCOD)、溶解性蛋白质、溶解性多糖和挥发性有机酸(VFAs),了解污泥中有机物水解释放情况.

1.4 厌氧发酵产酸实验

厌氧发酵在 500mL的厌氧消化瓶中进行,采用序批式发酵实验.将60g TS/L不同条件汽爆后污泥用20mol/L NaOH调节pH=10,再加入50mmol/L溴乙烷磺酸钠(BES)抑制产甲烷反应.厌氧瓶完全封闭,装液量为350mL,种泥接种率为10%(体积比),充入99.9%的高纯氮气去除氧气20min后放入转速120r/min,35℃摇床进行厌氧发酵.

1.5 分析方法

将调节后污泥以10000r/min离心10min,然后将上清液通过 0.45µm的针头式过滤器过滤,过滤后的液体存放于4℃冰箱,用于测量SCOD、溶解性蛋白质、溶解性多糖、氨氮、DNA和VFAs,剩余固相用来分析污泥粒径[8].

总固体(TS)、挥发性固体(VS)和氨氮等常见指标采用标准方法测得[17],用快速消解法测定溶解性化学需氧量(SCOD)[17],用苯酚-硫酸法测定溶解性多糖[18],考马斯亮蓝 G250染色法测定溶解性蛋白质[19],DNA含量测定采用紫外分光比色法进行测定[20],污泥粒径采用BT-2003型激光粒度分布仪进行测定.

VFAs采用气相色谱法测定.测量仪器为岛津公司生产的 2010型气相色谱,主要配置: AOC-20i自动进样器、FID检测器、PEG-20M色谱柱(30m×0.32mm×0.5µm,大连中北分析仪器);采用一阶程序升温,初温 80℃,保持 3min,然后以15℃/min的速率升至200℃,保持2min.载气为氮气,吹尾流量 30mL/min.进样室(SPL)和检测器(FID)的温度都设为250℃[8].

2 结果与讨论

2.1 汽爆预处理对污泥液相中有机物的影响

图1 (A)不同汽爆条件下污泥上清液中SCOD、蛋白质和多糖浓度; (B) 污泥上清液中DNA含量Fig.1 (A) SCOD, protein and polysaccharide concentration under different steam explosion conditions; (B) DNA content in the sludge supernatant

污泥中微生物细胞内含有大量的有机物质,且有稳定的细胞壁起保护作用.蛋白质、碳水化合物是污泥中有机物的主要成分.由于受污泥结构的限制,污泥中有机质无法转变为SCOD.污泥经过汽爆预处理不仅可以破坏污泥的絮体结构,还可以使污泥细胞内的碳水化合物、蛋白质以及胞内其他大分子物质溶出,转变为溶解性物质,从而提高可生化性.图1(A)为不同条件下汽爆预处理污泥和对照组污泥液相中有机物的含量.从图中可以看出,相对于对照组,经过汽爆预处理后污泥液相中有机质含量大幅增加.对照组污泥SCOD含量为 253.8mg/L,经过汽爆处理后,随着压强和保压时间的增加,SCOD呈现上升趋势.在相同的保压时间下,SCOD值随着压强的增加而增加,而在相同的压强下,SCOD的值随着保压时间的增加而增加,这表明提高压强和增加保压时间都能够促进污泥SCOD值的增加,并且呈现出正相关的趋势.其中SCOD最低浓度为5280mg/L (1MPa,1min),最高浓度为9544mg/L(2MPa, 4min),相对于原始污泥分别提高了20.8倍和37.7倍.

蒸汽爆破预处理对污泥液相中蛋白质和多糖的浓度也会造成较大影响.如图1(A)所示,相比于对照组污泥,经过汽爆处理后,液相中蛋白质和多糖浓度有较大提高.对照组污泥中蛋白质和多糖浓度分别为30.8mg/L和120.9mg/L,经过汽爆处理后,蛋白质和多糖浓度基本也都随压强和保压时间的增加而增加,其中蛋白质和多糖最低浓度分别为 215.7mg/L (1MPa, 1min)和 522mg/L (1MPa, 1min),最高浓度分别为596.7mg/L (2MPa, 4min)和 1515mg/L (2MPa, 4min),最高浓度相比对照组污泥分别提高了19.4倍和12.5倍.蒸汽爆破不仅能够促进多糖和蛋白质等有机质的溶出,还能使微生物细胞内的核酸(DNA)释放到上清液中.如图1(B)所示,汽爆预处理对于剩余污泥上清液中的核酸浓度具有促进作用,其中对照组污泥上清液中核酸浓度为 2.5ng/µL,经汽爆预处理后,污泥上清液中核酸浓度分别增加到5.2ng/µL(1Mpa,3min)、6.4ng/µL(1.5Mpa,1min)和9.1ng/µL(2Mpa,4min).在汽爆过程中,高温和高压作用导致细胞内水分汽化,在瞬间爆破时,由于内外压差的作用,使得微生物细胞被水汽膨胀产生的剪切力所破坏,从而使得胞内有机质和核酸被释放出来.这表明蒸汽爆破预处理能够破坏污泥絮体结构,使得细胞内有机质溶出,促进污泥水解.和本文类似,Bauer等[21]研究了不同预处理条件下蒸汽爆破对干草的影响,结果也表明,经过汽爆预处理后,会增加干草中纤维素和半纤维素含量,并且随着压强和温度的升高,会促进半纤维素的溶解,同时也增加干草结构的孔隙率,有利于后续的厌氧发酵.

2.2 汽爆对污泥可生化性的影响

汽爆不仅能够提高污泥液相中有机质的浓度,还能够提高污泥的可生化性,如表2所示,分别测量了3个不同压力条件下的 BOD5的值以及BOD5/SCOD,以此来判断污泥的可生化性.

表2 汽爆预处理对污泥可生化性的影响Table 2 Effect of steam explosion on sludge biodegradability

如表所示,经过汽爆预处理后,污泥液相中SCOD 值随着处理强度显著增加,同时BOD5/SCOD的值也明显升高,从对照组污泥的0.51增加到0.66 (1MPa, 3min)、0.68 (1.5MPa, 1min)和 0.72 (2MPa, 4min),可生化性明显增加,这是因为在汽爆过程中污泥结构被破坏,高压热蒸汽的热作用使得固相中有机物大量溶解到液相中,同时也由于热作用大分子有机物分解成更有利于微生物利用的小分子有机物,从而增加可生化性.本研究表明汽爆预处理能够提高污泥的可生化性,并且随着处理强度的增加而增加.

2.3 汽爆对污泥微观形态的影响

为了分析汽爆预处理对污泥颗粒大小的影响,分别对预处理前后的污泥进行了粒径分析.如图 2为对照组污泥和汽爆预处理后污泥粒径分布图.从图中可以看出相比于对照组污泥,经过汽爆预处理的污泥的体积粒径明显下降.

图2 对照组污泥和不同汽爆预处理污泥粒径分布Fig.2 Average particle diameter of the raw sludge and at different steam explosion pretreatment conditions

对照组污泥的平均体积粒径为 78.05µm,经过汽爆预处理后,污泥平均体积粒径随着压强和保压时间的增加而减小,其平均体积粒径分别为58.50µm (1MPa 60s)、56.77µm (1MPa 120s)、56.15µm (1MPa 180s)、55.75µm (1MPa 240s)、49.63µm (1.5MPa 60s)、49.04µm (1.5MPa 120s)、46.33µm (1.5MPa 180s)、45.92µm (1.5MPa 240s)、42.07µm (2MPa 60s)、39.62µm (2MPa 120s)、38.61µm (2MPa 180s)和37.00µm (2MPa 240s).从平均体积粒径可以看出,汽爆可以明显降低污泥的颗粒体积,这是由于在汽爆过程中高压水蒸气的热作用使得原本紧密的污泥絮体结构溶解,在汽爆的瞬间由内外压差造成的冲击和剪切力的作用,使得大颗粒的污泥结构被破坏,从而降低污泥平均体积粒径,改变污泥的微观物理形态.Theliander等[22]研究了不同汽爆条件对杉木结构的影响,结果表明汽爆能够增加杉木结构的多孔性,并且随着汽爆过程中内管壁内水蒸气的扩张作用,能够进一步改变木质结构,增加杉木的孔隙率.同时,汽爆后污泥流态性明显增强,这主要是由于汽爆破坏了污泥结构,使得胞内自由水和结合水被释放.Zhao等[13]进行了利用污泥经过汽爆预处理来生产颗粒燃料的研究.结果表明,脱水污泥经过汽爆预处理后,再经过压滤机脱水,含水率能显著降低,其含水率能够随着压强和保压时间的增加而降低,且具有重复性.这表明汽爆技术还能够改善污泥的脱水性能.

2.4 汽爆对污泥厌氧消化产酸的影响

采用经过1MPa 3min、1.5MPa 1min和2MPa 4min汽爆的污泥和对照组污泥进行厌氧发酵.由于经过汽爆预处理后,污泥絮体结构被破坏,有机质溶出,所以在厌氧发酵时的产酸性能也有很大提高.

如图3为发酵20d的产酸变化曲线.经汽爆预处理后,初始酸浓度分别为 1.5g/L (1MPa, 3min)、1.46g/L (1.5MPa, 1min) 和1.22g/L (2MPa, 4min).经过厌氧发酵后,第2d酸产量显著上升,并且随着发酵的时间而增加,到发酵第9

d时酸产量达到最高,分别为7.34g/L (1MPa, 3min)、7.12g/L (1.5MPa, 1min)、8.15g/L (2MPa, 4min)和 4.73g/L (对照组污泥).总酸中乙酸为主要成分,分别为 4.53g/L (1MPa, 3min)、4.37g/L (1.5MPa, 1min)、4.76g/L (2MPa, 4min) 和2.91g/L (对照组污泥).相比于未预处理污泥,经过预处理后,污泥产酸量增加明显,比空白对照分别增加1.55倍、1.51倍和1.72倍.类似的,利用蒸汽爆破技术对猪粪[23]、小麦秸秆[24]、芒草[25]和干草[21]等进行预处理,来进行厌氧发酵产甲烷实验.实验结果都表明汽爆能够促进有机质的溶出,经汽爆后物料的产气量和产气速率都要高于空白对照组.以上实验结果表明,污泥经过汽爆预处理能够显著增加液相中的有机质含量,并提高后续厌氧发酵产酸效率.

图3 不同汽爆条件下的污泥发酵产酸变化曲线Fig.3 VFAs production profiles of sludge at different steam explosion pretreatment conditions

2.5 不同预处理方法效果对比

表3分别列举了碱预处理[26]、热预处理[27]、热碱预处理[8]、生物方法[28]、超声波预处理和臭氧预处理[29]的水解和发酵产酸效果.

如表3所示,蒸汽爆破预处理的水解率比生物方法和超声波预处理效果要好,但相对于臭氧和热预处理要低,其中热碱预处理的组合工艺水解效率最高,达到 69.9%.生物方法所用蛋白酶价格较高且不易获得,超声波预处理虽反应时间短处理效果好,但水解效率不如蒸汽爆破预处理.臭氧和热预处理虽然水解率较高,但处理成本很高.热碱预处理的水解率要高于蒸汽爆破预处理,但发酵产酸的产酸率却相差并不明显,这可能是由于热碱预处理过程中虽然水解率较高,但同时产生了很多并不能被微生物利用的有机物,以至于后续厌氧发酵产酸底物利用率较低,从而造成产酸率低的原因[30].蒸汽爆破预处理反应时间短,处理效率高,虽然水解率并不能同热碱预处理相 比,但仍能实现较高的产酸率.

表3 不同预处理效果对比Table 3 Comparative of different pretreatment

3 结论

3.1 城市污泥经蒸汽爆破预处理,能够破坏污泥絮体和细胞壁结构,污泥液相中溶解性有机物含量发生显著变化,SCOD、多糖、蛋白质和核酸浓度分别较空白对照组提高37.7、12.5、19.4和3.64倍,且浓度随着预处理强度和保压时间的增加而增加.

3.2 蒸汽爆破预处理能够改变污泥粒径大小.经汽爆预处理后污泥粒径较空白对照组最高减小 52.59%,能够明显降低污泥的颗粒体积,改变污泥的微观物理形态.

3.3 汽爆预处理能够促进污泥厌氧发酵产酸.相比于未预处理污泥,产酸量较空白对照组分别提高1.55倍(1MPa, 3min)、1.51倍(1.5MPa, 1min)和1.72倍(2MPa, 4min).最大产酸率为234.76mg COD/g VSS.表明蒸汽爆破技术能够促进污泥厌氧消化产酸,是一种有效的预处理方法.

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Impact of steam explosion on municipal sewage sludge pretreatment and anaerobic VFAs fermentation.

HAN Peng1, LIU He1,2*, DING Chun-hua2, LIU Hong-bo1, FU Bo1
(1.Jiangsu Key Laboratory of Anaerobic Biotechnology, Department of Environment and Civil Engineering, Jiangnan University,Wuxi, 214122 China；2.Zhenjiang East Biotech Equipment and Technology Co., Ltd., Zhenjiang, 212000 China). China Environmental Science, 2017,37(1)：238～244

Municipal sludge was pretreated by steam explosion treatment to explore its impact on the characteristics of sludge and the subsequent acidogenic fermentation. Effects of pressure and dwell time on sludge solubility and physical microstructure were studied. The results showed that sludge structure was destroyed after the pretreatment. The concentration of SCOD, protein, polysaccharide and DNA in liquid phase could reach the highest level of 9544mg/L, 596.7mg/L, 1515mg/L and 9.1ng/µL at 2 MPa, 4 min, respectively, which was increased by 37.7 folds, 19.4 folds, 12.5 folds and 3.64 folds of the raw sludge. In addition, changed sludge structure effectively reduced the size of sludge particles with the maximal reduction by 52.59% compared to average particle diameter of the raw sludge. After pretreatment, volatile fatty acids production through anaerobic fermentation could reach the highest concentration of 7.34g/L (1MPa, 3min), 7.12g/L (1.5MPa, 1min) and 8.15g/L (2MPa, 4min) at different pretreatment conditions, increasing by 1.55 times, 1.51 times and 1.72 times of the raw sludge, respectively. At the same time, longer dwell time could further improve solubility and potential of acid fermentation from sludge.

municipal sludge；steam explosion；anaerobic fermentation；volatile fatty acids

X705

A

1000-6923(2017)01-0238-07

韩 鹏(1990-),男,河南济源人,江南大学硕士研究生,主要从事固体废弃物资源化工程.

2016-05-16

科技部“十二五”科技支撑项目(2014BAD24B03-02);中央高校基本科研业务费专项资金资助(JUSRP51633B)

* 责任作者, 教授, liuhe@jiangnan.edu.cn