CaO2对污泥厌氧消化性能的影响*

江水英 吴声东

(南昌大学科学技术学院,江西 南昌 330029)

CaO2对污泥厌氧消化性能的影响*

江水英 吴声东

(南昌大学科学技术学院,江西 南昌 330029)

近年来，污泥厌氧消化得到了广泛关注，一方面能够实现污泥的减量化，另一方面又能得到有价值的消化产品。由于水解过程是限制厌氧反应的重要步骤，因此利用CaO2强化污泥厌氧消化中水解和酸化过程。结果表明，适量的CaO2的投加量能够显著促进污泥的水解和酸化过程，但对甲烷化有抑制作用。当CaO2投加量为0.2g/g(污泥以挥发性悬浮固体(VSS)计)时，挥发性脂肪酸(VFA)的最大积累量为253.6mg/g，但CaO2对VFA的组成影响不大。

污泥CaO2厌氧消化 水解 酸化 甲烷化

活性污泥法是目前生活污水处理厂中应用最广泛的污水处理方法，该方法具有投资低、处理效率高等优点。但是该工艺会产生大量的剩余污泥，剩余污泥中含有有毒有害物质，若处置不当会造成环境的二次污染。另一方面，剩余污泥中含有大量的蛋白质和碳水化合物，是一种可利用资源。污泥厌氧消化技术可以很好地处置污泥，实现污泥的减量化、无害化和资源化[1]。

厌氧消化过程主要包括水解、酸化和甲烷化3个主要步骤[2]。水解过程是限制污泥厌氧消化的主要步骤，原因在于污泥外包裹的微生物胞外聚合物(EPS)和细胞壁阻止了该步骤中微生物胞内物质的释放，使得挥发性脂肪酸(VFA)、氢气和甲烷等的产量很低。YUAN等[3]研究发现，pH=10的碱性条件可以强化污泥水解反应，使得VFA大量积累。LI等[4]报道，1.8 mg/L游离亚硝酸(FNA)能够有效地破解EPS和细胞壁。YAN等[5]应用超声技术很好地实现了污泥减量和VFA积累。ZHENG等[6]发现，碱性消化反应过程中的主要微生物为水解细菌和酸化细菌。

CaO2是一种白色或淡黄色的固体，具有高能过氧化共价键。CaO2能够在水化介质中缓慢释放氧气，同时生产强氧化性物质H2O2和碱性物质Ca(OH)2。在水处理中，CaO2生产H2O2和Ca(OH)2的速率比较容易控制，因此投放CaO2比直接投放H2O2效率更高。目前，CaO2已经成功应用到地下水的处理，用于氧化分解难降解物质[7]。然而，将其用来处理污泥尚未见文献报道，因此本研究探究了CaO2对污泥厌氧消化性能的影响。

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验中所用污泥取自海口某污水处理厂，污泥取回后在实验室4 ℃冰箱内沉淀24 h。沉淀后污泥基本性质如下：pH=6.8±0.1，总悬浮固体(TSS)=(12 130±256) mg/L，挥发性悬浮固体(VSS)=(9 815±240) mg/L，总蛋白质=(8 412±125) mg/L，总糖=(1 542±82) mg/L。

CaO2纯度≥98%。

1.2 污泥厌氧消化反应

在5个相同的600 mL厌氧反应器中加入500 mL污泥，CaO2投加量分别为0、0.1、0.2、0.3、0.4 g/g(污泥以VSS计，下同)。当投加完污泥和CaO2后，充氮气10 min以排出厌氧反应器内的空气，保证厌氧环境。厌氧反应器内置搅拌器，转速控制为150 r/min，初始pH控制为7.0±0.1，温度为25 ℃，反应时间为15 d。

1.3 分析方法

溶解性化学需氧量(SCOD)采用重铬酸钾法测定，氨氮采用纳氏试剂比色法测定，TSS和VSS采用重量法测定。VFA和甲烷的分析采用气相色谱法[8_9]，其中VFA以COD计，甲烷以标准状况下的体积计。总蛋白质和总糖的分析分别以牛血清蛋白和葡萄糖作为标准物，以COD计[10]。溶解性总蛋白质和溶解性总糖过滤后测定。

2 结果与讨论

2.1 CaO2对SCOD的影响

SCOD的变化能够反映水解程度的大小。图1为不同CaO2投加量下SCOD的变化。CaO2投加量为0 g/g时，SCOD随反应时间的延长而缓慢增长。在相同反应时间条件下，SCOD随CaO2投加量的增加而急速上升，反应时间为3 d时SCOD出现最大值，而后趋于稳定，故而图1中只给出了0～8 d的数据。由此可见，CaO2能够强化污泥的水解过程，使得消化液中SCOD的含量增加，反应时间为3 d时水解达到平衡。

图1 CaO2对SCOD的影响Fig.1 Effect of CaO2 on SCOD

2.2 CaO2对VSS的影响

VSS的削减率也能反映污泥的水解情况。图2为反应时间10 d时，不同CaO2投加量下VSS的削减率。由图2可知，CaO2投加量越大，VSS削减率越大，与SCOD的变化趋势一致，进一步说明CaO2能够强化污泥的水解过程。

图2 CaO2对VSS削减率的影响Fig.2 Effect of CaO2 on VSS reduction rate

CaO2能够使污泥减量，一方面是因为CaO2能够产生Ca(OH)2，形成碱性环境，有利于EPS和细胞壁的破解；另一方面是因为CaO2能产生强氧化性物质H2O2，能够加速细胞的破解和有机物的分解。

2.3 CaO2对溶解性总蛋白质和溶解性总糖的影响

污泥中固有的蛋白质和糖类化合物一般以颗粒态存在，只有溶解性蛋白质和和溶解性糖才能被厌氧微生物所利用。表1为不同CaO2投加量下溶解性总蛋白质和溶解性总糖的变化。由表1可知，CaO2投加量为0 g/g时，溶解性总蛋白质和溶解性总糖的含量随反应时间的延长而呈现上升趋势，这和SCOD的变化也相吻合。然而，当有CaO2投加后，溶解性总蛋白质和溶解性总糖都呈现先上升后下降的趋势，且在反应时间为3 d时出现最大值，这说明CaO2能够促进溶解性蛋白质和溶解性糖的生成，反应时间为3 d时生成量最大。

CaO2作用下溶解性蛋白质和溶解性糖在前3 d迅速升高的主要原因是CaO2使污泥大量水解，颗态有机物被分解成溶解性有机物；3 d后溶解性蛋白质和溶解性糖下降主要原因是被合成了VFA。

2.4 CaO2对VFA的影响

VFA是厌氧消化过程中的重要产物，可以用作碳源以解决生活污水处理厂进水碳源不足的问题。图3为不同CaO2投加量对VFA积累量的影响。由图3可知，当CaO2投加量为0.1、0.2 g/g时，VFA积累量随CaO2投加量增大而增大。CaO2投加量为0.2 g/g时，VFA最大积累量为253.6 mg/g；当CaO2投加量为0.3、0.4 g/g时，VFA积累量明显低于CaO2投加量为0.1、0.2 g/g时。当CaO2投加量为0.4 g/g时，VFA积累量甚至低于CaO2投加量为0 g/g时。由此可以得出，适量的CaO2投加量可以强化污泥的酸化过程，但过高CaO2投加量会抑制VFA的积累。这是因为过量的CaO2容易导致消化液呈强碱性使产酸微生物活性降低。

表1 CaO2对溶解性总蛋白质和溶解性总糖的影响

图3 CaO2对VFA积累量的影响Fig.3 Effect of CaO2 on VFA accumulation

VFA的组成对其后续利用至关重要，消化液中乙酸质量分数的提高有助于生物脱氮，而消化液中丙酸质量分数的提高有助于生物除磷[11]。CaO2投加量对VFA组成的影响见图4。由图4可知，不同CaO2投加量下，都是乙酸的质量分数最大，丙酸其次，因此CaO2对VFA组成的影响不大。

2.5 CaO2对甲烷产量的影响

甲烷化是厌氧消化的最后一步反应，在这一过程中，产甲烷菌利用前面酸化产生的VFA生成能源物质甲烷，CaO2投加量对甲烷产量的影响见图5。由图5可知，CaO2的存在会严重抑制甲烷产量，且随CaO2投加量增加而抑制程度加剧。

图4 CaO2对VFA组成的影响Fig.4 Effect of CaO2 on the VFA composition

图5 CaO2对甲烷产量的影响Fig.5 Effect of CaO2 on the methane production

这是因为CaO2形成的碱性环境不适合产甲烷菌(其最适pH为7.0)的生长，H2O2作为一种强氧化性物质也会抑制产甲烷菌的活性。

3 结 论

适量的CaO2能够促进污泥的水解和酸化过程，使得VFA大量积累。当CaO2投加量为0.2 g/g时，VFA的最大积累量为253.6 mg/g。但CaO2对VFA的组成影响不大，不同CaO2投加量下，VFA的最主要成分都是乙酸和丙酸。CaO2的存在对产甲烷菌有严重的抑制作用，从而影响甲烷产量。

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EffectofCaO2ontheanaerobicfermentationperformanceofsludge

JIANGShuiying,WUShengdong.

(CollegeofScienceandTechnology,NanchangUniversity,NanchangJiangxi330029)

Recently,anaerobic fermentation of sludge has drawn much attention. On one hand,it can achieve reduction of sludge. On the other hand,it can produce valuable products by anaerobic fermentation. Hydrolysis is the limiting step of anaerobic fermentation. In this work,CaO2was used to enhance sludge hydrolysis and acidification. Results showed that appropriate CaO2dosage could promote hydrolysis and acidification significantly,but inhibit methanation. The maximum volatile fatty acid (VFA) reached 253.6 mg/g when CaO2dosage was 0.2 g/g (sludge mass was calculated as volatile suspended solid (VSS)). However,CaO2had little effect on VFA composition.

sludge; CaO2; anaerobic fermentation; hydrolysis; acidification;methanation

10.15985/j.cnki.1001_3865.2017.01.012

2016_02_29)

江水英，女，1982年生，硕士，讲师，研究方向为水污染控制及资源化技术、污泥减量技术和生物技术。

*江西省科技支撑计划项目(No.2009BSB1000)。