废弃淀粉乳强化剩余污泥厌氧产酸

2022-10-09熊惠磊张晓聪杨海洋段双妮陈选平施汉昌

化工环保 2022年5期

熊惠磊，张晓聪，杨海洋，段双妮，陈选平，施汉昌，4

（1. 北京协同创新研究院，北京 100094；2. 湘南学院，湖南郴州 423099；3. 湖南大自然环保科技有限公司，湖南郴州 423099；4．清华大学环境学院，北京 100084）

据统计，2019年全国污水处理厂剩余污泥（含水率80%）产生量已突破6 000万吨，而且还将以每年5%～8%的速度进一步增长。目前我国剩余污泥集中处理方式包括土地利用、焚烧、卫生填埋、建材利用和厌氧消化等，其中厌氧消化技术在剩余污泥资源化利用以及碳中和方面都具有独特优势。该技术是利用兼性菌和厌氧菌进行厌氧生化反应，分解污泥中的有机物质，实现污泥稳定化的一种处理工艺。剩余污泥厌氧消化技术的关键在于如何快速实现微生物细胞破壁并促进胞内的大分子有机物迅速转化成挥发性有机酸（VFA）。为此，国内外学者针对剩余污泥厌氧产酸的预处理方法进行了广泛研究，包括：物理法、化学法和生物法。其中，生物法因具有环境友好、受微生物协同作用等优点而备受青睐。

本研究以某淀粉加工厂的废弃淀粉乳作为外加碳源，通过激发剩余污泥中各类厌氧微生物的协同共生，强化剩余污泥的厌氧产酸过程，加速大分子有机物及其中间产物的降解，为剩余污泥预处理方式提供新的思路。

1 实验部分

1.1 实验材料

剩余污泥取自北京某市政污水处理厂，废弃碳源为河北省某淀粉加工厂的废弃淀粉乳，主要特性见表1。剩余污泥中的有机物可分为溶解性有机物和颗粒性有机物两类，其中，溶解性有机物包含挥发性脂肪酸（VFA）、腐殖酸（HA）、溶解性蛋白质（S-P）、溶解性碳水化合物（S-C）和未知溶解性有机物（U-M）；颗粒性有机物包括颗粒性碳水化合物（P-C）、颗粒性蛋白质（P-P）和颗粒性脂肪（P-L）。

表1 剩余污泥和废弃碳源的主要特性

1.2 实验方法

取4支5 L锥形瓶，其中两支分别加入1.5 L的剩余污泥（空白组），另两支分别加入相同体积的混合污泥（碳源组），分别放入两台卧式恒温摇床中，在温度50 ℃、转速170 r/min的条件下振荡一定时间，取样后测定各项污泥指标。整个过程处于兼氧状态。

1.3 分析方法

SCOD、MLSS和MLVSS等指标按照《水和废水监测分析方法》进行测定；蛋白质、腐殖酸、碳水化合物、脂肪和挥发性脂肪酸的含量，按照文献［17-19］的方法进行测定，并换算成COD。

2 结果与讨论

2.1 废弃淀粉乳对颗粒性有机物降解特性的影响

有很多学者发现剩余污泥厌氧产酸阶段的P-L降解率较低，因此，本小节重点考察两组试验中P-C和P-P的降解情况。

图1为剩余污泥中P-C质量浓度及降解率随处理时间的变化。由图1可见，空白组和碳源组中P-C随处理时间的降解特性一致：处理12 h后，P-C的降解率开始迅速提高，并在24 h时分别达到37.96%和65.80%；随着处理时间的进一步延长，P-C的降解率增加缓慢，处理48 h后，两组P-C的降解率分别达到47.71%和71.75%。

图1 P-C质量浓度及降解率随处理时间的变化

图2为剩余污泥中P-P质量浓度及降解率随处理时间的变化。由图2可见：初始阶段，P-P的降解率随处理时间的延长缓慢增加；当处理时间增加至24 h后，P-P降解率迅速增加；进一步延长处理时间至48 h时，空白组和碳源组中P-P的降解率分别达到44.32%和61.05%。

图2 P-P质量浓度及降解率随处理时间的变化

上述结果表明，剩余污泥厌氧产酸阶段，P-C的降解速率在0～24 h内明显快于P-P，随着处理时间的延长，蛋白质分解菌所获得的能量逐渐增多，在24～48 h内P-P的降解能力迅速提升。与空白组相比较，处理48 h后，碳源组中P-C和P-P的降解率分别提高了24.04和16.73个百分点，可见，外加废弃碳源有助于剩余污泥中颗粒性有机物的分解。

2.2 废弃淀粉乳对溶解性有机物组成的影响

在厌氧产酸过程中，剩余污泥中的溶解性有机物分解所产生的VFA可用于反硝化、产氢气、产甲烷等多种用途，因而深受关注。但溶解性有机物组成对VFA产量的影响，却很少被关注。

空白组中溶解性有机物各组分的质量浓度及质量分数随处理时间的变化见图3。由图3可见，溶解性有机物的组成中，U-M质量浓度为770～1 100 mg/L，质量分数最高，约为40%～60%；目标物质VFA的质量分数仅占12%～26%，HA、S-P和S-C的质量分数均在12%左右。由此推断，U-M的积累可能是引起VFA产量下降的原因之一。

图3 空白组中溶解性有机物各组分质量浓度（a）及质量分数（b）随处理时间的变化

碳源组中溶解性有机物各组分的质量浓度及质量分数随处理时间的变化见图4。由图4可见：加入废弃淀粉乳后，溶解性有机物中U-M的质量浓度在24 h时达到最大值，为1 415.40 mg/L，随后迅速降低；在整个处理期间内，VFA的质量浓度持续增加。其原因可能是废弃淀粉乳分解所产生的能量物质有助于微生物对U-M的降解，从而保证了VFA的持续产生，处理48 h后，其最大产量为3 692.67 mg/L，约占溶解性有机物的84.39%。由此可见，外加废弃碳源有助于强化剩余污泥中溶解性有机物的分解，产生更多的VFA。

图4 碳源组中溶解性有机物各组分质量浓度（a）及质量分数（b）随处理时间的变化

2.3 废弃淀粉乳对VFA各组分的影响

剩余污泥厌氧消化所产生的VFA被认为是优质有机碳源，主要包括乙酸（HAc）、丙酸（HPr）、异丁酸（-HBu）、正丁酸（-HBu）、异戊酸（-HVa）和正戊酸（-HVa）6种短链脂肪酸。

空白组中VFA各组分质量浓度和质量分数随处理时间的变化见图 5。由图5可见，在空白组水解液的VFA中，HAc是主要的短链脂肪酸，其质量分数为46%～58%，但由于U-M的积累，VFA的质量浓度偏低，导致HAc的质量浓度也较低，处理48 h时仅为330.01 mg/L。

图5 空白组中VFA各组分质量浓度（a）和质量分数（b）随处理时间的变化

碳源组中VFA各组分质量浓度和质量分数随处理时间的变化见图6。

图6 碳源组中VFA各组分质量浓度（a）和质量分数（b）随处理时间的变化

由图6可见，当处理时间大于12 h后，水解液中-HBu的质量浓度和质量分数迅速超过HAc；随着处理时间的延长，-HBu和HAc的质量分数分别为54%～66%和25%～29%；当处理时间为48 h时，-HBu和HAc的质量浓度分别为2 011.14 mg/L和1 063.30 mg/L。由于-HBu浓度的持续增加，因此可以认为反应器处于丁酸型发酵期。