超聲/厭氧消化處理剩余污泥工藝

活性污泥法是目前全球污水處理廠應(yīng)用非常普遍的污水處理工藝，其作為一種經(jīng)濟(jì)高效的百年工藝，具有良好的運(yùn)行效果，但存在剩余污泥產(chǎn)量大等缺點(diǎn)。相關(guān)研究表明，處置污泥的經(jīng)濟(jì)成本占污水處理廠運(yùn)營(yíng)總成本的25%~65%。同時(shí)我國城鎮(zhèn)生活污水的低碳氮比特性嚴(yán)重影響了污水的生物脫氮效果，需要投加碳源來滿足微生物的需要。

而剩余污泥中含有許多有機(jī)物，污泥的厭氧消化過程可以使這些有機(jī)物被降解為易于生物降解的揮發(fā)性脂肪酸（VFAs），生成的VFAs可作為外加碳源強(qiáng)化生物脫氮。厭氧消化是對(duì)剩余污泥進(jìn)行處理的主要方法。研究表明，顆粒狀有機(jī)物降解為可溶性物質(zhì)是限制污泥厭氧消化速度的關(guān)鍵。為了提高污泥的水解率，進(jìn)而縮短厭氧消化過程，通常對(duì)污泥進(jìn)行預(yù)處理。

近年來，超聲作為一種污泥預(yù)處理方法，已經(jīng)成為污泥處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。Gayathri等推斷，反絮凝和超聲波能夠提升厭氧微生物的降解能力。低聲能密度的超聲能夠提升微生物酶的活性，有助于生物細(xì)胞的生長(zhǎng)代謝。超聲波預(yù)處理污泥相對(duì)于傳統(tǒng)方法有很大優(yōu)勢(shì)，如處理時(shí)間短、不需要添加化學(xué)物質(zhì)，以及不產(chǎn)生副產(chǎn)品等。張博等指出，超聲破解污泥與時(shí)間和污泥濃度有關(guān)。王曉燕認(rèn)為，超聲有助于生物酶加強(qiáng)污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)生VFAs。Roebuck等的結(jié)果表明，超聲預(yù)處理能顯著提高產(chǎn)甲烷量。Rasapoor等的研究表明，超聲預(yù)處理在中試規(guī)模內(nèi)也能有效改善產(chǎn)甲烷量?？梢?，超聲預(yù)處理可以強(qiáng)化污泥厭氧消化效果，然而超聲與厭氧工藝之間的耦合協(xié)同機(jī)制，以及協(xié)同作用下的耦合參數(shù)尚不明確，工藝參數(shù)對(duì)污泥破解及胞內(nèi)物質(zhì)釋放的影響尚需進(jìn)一步分析研究。

筆者采用超聲聯(lián)合厭氧消化的方法對(duì)剩余污泥進(jìn)行處理，系統(tǒng)分析協(xié)同作用下超聲的聲能密度、處理時(shí)間和厭氧消化時(shí)間等耦合工藝參數(shù)，采用溶解性化學(xué)需氧量（SCOD）、溶胞率（DDCOD）、VFAs、蛋白質(zhì)和多糖等指標(biāo)分析耦合協(xié)同機(jī)制，探究超聲與厭氧消化協(xié)同作用下的最佳耦合參數(shù)，以及污泥破解和胞內(nèi)物質(zhì)的溶出效果，旨在為解決污水處理工藝中碳源不足、脫氮效能低等問題，以及實(shí)現(xiàn)污泥減量化和污泥作為碳源回用提供參考。

1、材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

超聲設(shè)備采用探頭式超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)，頻率為20kHz，功率為250W。連續(xù)式常壓操作，通過操作超聲裝置，使超聲波變幅桿于反應(yīng)容器中產(chǎn)生超聲作用，容器選用玻璃燒杯（1L），置于磁力攪拌裝置上。厭氧消化裝置采用1L的錐形瓶，錐形瓶放置于恒溫水浴鍋中并插有氣體收集管，氣體收集管與水箱中的量筒相連。

1.2 剩余污泥的來源及性質(zhì)

實(shí)驗(yàn)所用剩余污泥來自于山東濟(jì)南光大水務(wù)某污水處理廠A2/O工藝的回流泵房。污泥取回來以后采用篩網(wǎng)過篩，然后將污泥靜置24h，靜置完以后去除上層清液。濃縮后的污泥使用純水對(duì)其沖洗2次，并去除污泥上清液。一部分濃縮污泥放于4℃保溫箱中，剩余的濃縮污泥進(jìn)行一天兩個(gè)周期的培養(yǎng)馴化。

剩余活性污泥的基本性質(zhì)：污泥粒徑為260~300μm，SS為（19800±100）mg/L，VSS為（14500±100）mg/L，SCOD為（170±3）mg/L，蛋白質(zhì)為（35±1）mg/L，多糖為（11±0.2）mg/L。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

剩余污泥超聲溶胞實(shí)驗(yàn)：超聲實(shí)驗(yàn)分為六組，將600mL接種污泥放入燒杯中，各燒杯中放入轉(zhuǎn)子后將燒杯置于磁力攪拌器上。將超聲探頭置于污泥液面下1cm處，調(diào)節(jié)聲能密度和作用時(shí)間，控制液相溫度為25℃，聲能密度控制為0、0.5、0.8、1.0、1.2、1.5、2.0W/mL，超聲時(shí)間為60min，每隔5min取10mL污泥放于保溫箱中臨時(shí)保存。將超聲預(yù)處理之后的污泥分為兩批，第一批進(jìn)行離心（12000r/min，5min），離心后檢測(cè)上清液中SCOD、蛋白質(zhì)、DDCOD等指標(biāo)，第二批測(cè)定污泥粒徑。

剩余污泥厭氧消化實(shí)驗(yàn)：將400mL剩余污泥放入燒杯中進(jìn)行超聲預(yù)處理，聲能密度為1.5W/mL，超聲時(shí)間為30min，預(yù)處理后的污泥置于錐形瓶中，向錐形瓶?jī)?nèi)加入400mL原始污泥進(jìn)行厭氧消化實(shí)驗(yàn)。裝置內(nèi)添加填充比為40%的聚乙烯復(fù)合填料（載體填料可以附著活性污泥形成良好的生物膜，降低混合液中懸浮污泥濃度，從而降低剩余污泥產(chǎn)量）。將錐形瓶放入25℃的恒溫水浴鍋內(nèi)，反應(yīng)周期為10d，每天取20mL污泥儲(chǔ)存在恒溫箱中。反應(yīng)結(jié)束后將污泥進(jìn)行離心（12000r/min，5min），然后檢測(cè)污泥上清液溶出的基質(zhì)濃度。

1.4 檢測(cè)項(xiàng)目及方法

SCOD按照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》（第4版）進(jìn)行測(cè)定；蛋白質(zhì)濃度采用Lorry法測(cè)定；多糖濃度采用蒽酮-硫酸法測(cè)定；VFAs濃度采用氣相色譜法測(cè)定；污泥粒徑采用激光粒度儀測(cè)定；采用熒光光度計(jì)分析樣品中的DOM。

采用熱提法提取胞外聚合物（EPS），具體操作步驟：將污泥樣品進(jìn)行離心（12000r/min，5min），采用去離子水清洗后重新懸浮，然后用80℃水浴加熱30min，4℃冷卻保存，最后進(jìn)行12000r/min、5min的離心處理。

污泥細(xì)胞破解程度用DDCOD來表示，見式（1）。

式中：CODU為對(duì)污泥進(jìn)行超聲預(yù)處理及離心后上清液中COD濃度；COD0為未處理污泥經(jīng)過離心后上清液中COD濃度；CODN為污泥經(jīng)過NaOH（0.5mol/L）處理1d并離心后的上清液COD濃度。

2、結(jié)果與討論

2.1 超聲/厭氧消化處理剩余污泥參數(shù)優(yōu)化

2.1.1 超聲溶胞參數(shù)的確定

圖1為上清液中SCOD、DDCOD、蛋白質(zhì)和多糖濃度的變化?？梢钥闯?，隨著聲能密度的增加，污泥液相中SCOD、DDCOD、蛋白質(zhì)和多糖的濃度也隨之增加。這表明污泥破解率增大，進(jìn)而使得污泥液相中有機(jī)物濃度增加。然而超聲30min后，SCOD、DDCOD、蛋白質(zhì)和多糖濃度的增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸變緩。從DDCOD的變化趨勢(shì)可知，當(dāng)聲能密度從0.5W/mL增加到1.5W/mL時(shí)，超聲處理60min后，DDCOD從14%增加為54.1%。然而當(dāng)聲能密度繼續(xù)增加到2.0W/mL時(shí)，DDCOD僅增加到56.8%。因此，聲能密度過大不會(huì)顯著提高污泥的DDCOD。

超聲破解污泥細(xì)胞的比能耗（SEC）定義為30min內(nèi)超聲破解單位質(zhì)量污泥細(xì)胞（以SS計(jì)）的能耗。圖2為超聲溶胞過程中SEC與DDCOD的關(guān)系。可以看出，在SEC相同的條件下，DDCOD隨聲能密度的增大而增加。聲能密度大，則污泥細(xì)胞破解率大。例如，當(dāng)SEC為100kJ/g時(shí)，在聲能密度為0.8W/mL的條件下，DDCOD為15.8%；在SEC相同的條件下，聲能密度為1.5W/mL時(shí)，DDCOD為28.5%。在SEC為250kJ/g的條件下，當(dāng)聲能密度為0.8W/mL時(shí)，DDCOD為34.5%；當(dāng)聲能密度為1.5W/mL時(shí)，DDCOD為47.0%；當(dāng)聲能密度為2.0W/mL，DDCOD僅為47.9%。因此，若不計(jì)成本，則高聲能密度超聲的破解效果優(yōu)于低聲能密度超聲的破解效果。綜上所述，超聲預(yù)處理的最優(yōu)工況確定如下：聲能密度為1.5W/mL，超聲時(shí)間為30min。

2.1.2 厭氧消化參數(shù)的確定

圖3為上清液中SCOD、蛋白質(zhì)、多糖和VFAs濃度的變化?？芍?，隨厭氧消化時(shí)間的增加，污泥液相中的SCOD濃度增加。因?yàn)槲勰嗉?xì)胞及胞外聚合物由于超聲空化作用而破解，細(xì)胞質(zhì)中的基質(zhì)被釋放到液相中。在厭氧消化時(shí)間為7～10d時(shí)SCOD濃度保持穩(wěn)定，這是因?yàn)殡S著厭氧消化時(shí)間的延長(zhǎng)，超聲對(duì)污泥厭氧消化的促進(jìn)作用減弱。隨著厭氧消化時(shí)間的增加，污泥液相中蛋白質(zhì)和多糖濃度逐漸降低，最后趨于平穩(wěn)。這是由于在厭氧消化過程中，蛋白質(zhì)和多糖等大分子可降解性有機(jī)物降解為容易被微生物利用的脂肪酸等小分子物質(zhì)。超聲預(yù)處理后，厭氧消化活性污泥中EPS含量高于未超聲預(yù)處理的，即超聲可以強(qiáng)化厭氧消化效果。剩余污泥液相中所含有的VFAs濃度先呈增加然后逐漸降低趨勢(shì)。這是因?yàn)閰捬醐h(huán)境中的微生物不僅降解了大分子物質(zhì)，還會(huì)利用小分子VFAs作為碳源，當(dāng)液相中蛋白質(zhì)等大分子物質(zhì)逐漸減少時(shí)，厭氧微生物會(huì)把小分子VFAs甲烷化。

在聲能密度為1.5W/mL、超聲時(shí)間為30min、污泥厭氧消化7d的條件下，液相中蛋白質(zhì)濃度減小至248mg/L，多糖濃度減小至144mg/L，SCOD濃度增大至4754mg/L，VFAs濃度增大至1210mg/L。繼續(xù)增加厭氧消化時(shí)間SCOD、蛋白質(zhì)、多糖和VFAs等物質(zhì)的濃度保持相對(duì)穩(wěn)定，所以確定厭氧消化最佳處理時(shí)間為7d。

2.2 超聲/厭氧消化處理剩余污泥的機(jī)理

超聲處理過程中，會(huì)生成大量的空化微氣泡，當(dāng)微氣泡破裂時(shí)，在高溫高壓條件下會(huì)產(chǎn)生空化現(xiàn)象，能產(chǎn)生水力剪切力破壞污泥的胞外聚合物和絮體結(jié)構(gòu)，進(jìn)而導(dǎo)致污泥粒徑發(fā)生變化。厭氧消化是將大分子難降解性有機(jī)物降解為小分子物質(zhì)的過程。其中水解過程主要是破解污泥細(xì)胞的細(xì)胞壁及胞外聚合物，該過程是整個(gè)厭氧消化過程中最耗時(shí)的階段；酸化是將污泥液相中的蛋白質(zhì)、多糖、碳水化合物等大分子復(fù)雜有機(jī)物降解為VFAs等小分子有機(jī)物的過程。本研究通過三維熒光光譜分析，對(duì)厭氧消化機(jī)理進(jìn)行剖析。

2.2.1超聲處理對(duì)污泥絮體破解的影響

在超聲處理剩余污泥過程中，取不同聲能密度下分別超聲15、30、60min的污泥樣品進(jìn)行處理，圖4為不同聲能密度下污泥粒徑的變化。

由圖4可知，相較于初始剩余污泥，超聲處理能夠在15min內(nèi)使液相中的污泥粒徑明顯降低，說明超聲空化作用產(chǎn)生的微氣泡能對(duì)污泥絮體進(jìn)行有效破解。有研究表明，隨著聲能密度的增大，污泥粒徑明顯減小。當(dāng)超聲時(shí)間為30min、聲能密度大于1.0W/mL時(shí)，污泥粒徑減小至11~15μm。但是超聲60min時(shí)，不同聲能密度條件下污泥粒徑變化不大。可見，超聲作用于液相環(huán)境的初期階段可以生成大量的瞬態(tài)微氣泡，具有較大的破壞力，可將生物絮體解聚，并使較大的有機(jī)顆粒破碎成較小的顆粒。但隨著作用時(shí)間的延長(zhǎng)，液相中逐漸形成穩(wěn)態(tài)微氣泡，對(duì)于初始階段粒徑已經(jīng)被縮小的污泥，其破壞力相對(duì)減弱。

2.2 厭氧消化對(duì)污泥胞內(nèi)物質(zhì)釋放的影響

污泥破解后會(huì)釋放出大量熒光類物質(zhì)到液相中，因此測(cè)定污泥破解液熒光物質(zhì)的強(qiáng)度同樣可以在一定程度上表征污泥破解的效果。圖5為污泥的三維熒光光譜。污泥經(jīng)過厭氧消化后，蛋白質(zhì)峰和多糖峰的熒光強(qiáng)度都呈增大趨勢(shì)，但是超聲后厭氧消化污泥的增長(zhǎng)趨勢(shì)更為明顯。污泥經(jīng)超聲/厭氧消化后溶出的蛋白質(zhì)濃度遠(yuǎn)高于未處理污泥和單獨(dú)厭氧消化污泥，因此超聲/厭氧消化處理剩余污泥的效果要好于單獨(dú)厭氧消化，驗(yàn)證了水解是污泥厭氧消化過程的限速步驟。

由于超聲空化作用，污泥細(xì)胞的絮體結(jié)構(gòu)被破壞，污泥細(xì)胞中的蛋白質(zhì)類化合物被釋放到液相中。因此超聲處理能夠促進(jìn)水解，從而加快厭氧消化進(jìn)程，有助于揮發(fā)酸等小分子物質(zhì)的積累。

3、結(jié)論

①超聲聯(lián)合厭氧消化組合工藝的最佳參數(shù)是：超聲的聲能密度為1.5W/mL，處理時(shí)間為30min，厭氧消化時(shí)間為7d。

②增大聲能密度能夠明顯提高污泥破解率，進(jìn)而增加液相中有機(jī)物濃度。超聲30min之后，各物質(zhì)的濃度增長(zhǎng)速度逐漸變緩。通過分析污泥溶胞率與比能耗的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，當(dāng)聲能密度為1.5W/mL時(shí)，在實(shí)現(xiàn)相同污泥溶胞率的條件下消耗的能量最低。厭氧消化有助于污泥進(jìn)一步溶胞，同時(shí)還可以有效提升小分子易降解性脂肪酸物質(zhì)的濃度。

③超聲能夠破解污泥絮體結(jié)構(gòu)，促使細(xì)胞中的蛋白質(zhì)類化合物釋放到液相中，從而加快了水解過程，縮短了厭氧消化時(shí)間。（來源：水發(fā)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，濟(jì)南市市政工程設(shè)計(jì)研究院<集團(tuán)>有限責(zé)任公司，山東建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院）