污泥酸性發(fā)酵獲取SRB碳源的研究

宋秀蘭,段長征,李亞新

(1.太原理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,太原 030024;2.晉中市環(huán)境科學(xué)研究所,山西晉中 030600)

污泥是污水處理中產(chǎn)生的固體廢物,數(shù)量巨大,如何妥善處理這些污泥,已成為世界各國學(xué)者共同關(guān)注的課題[1]。20世紀(jì)90年代以來,污泥處理的發(fā)展趨勢是污泥資源化[2]。生物法處理硫酸鹽酸性廢水技術(shù)是廢水處理研究的前沿課題。由于含硫酸鹽的廢水中有機(jī)物含量少,生物法處理時(shí)需要外加碳源(也稱電子供體),生物法處理這類廢水的關(guān)鍵在于選擇技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的碳源物質(zhì)[3]。Prasad等[4]認(rèn)為未經(jīng)厭氧消化的污泥是生物處理硫酸鹽酸性廢水的適合的碳源,即利用污泥酸性發(fā)酵產(chǎn)物乙酸、丙酸、丁酸等作為碳源。對于不同的碳源物質(zhì),硫酸鹽還原菌(sulfate-reducing bacteria,SRB)還原SO42-的速率也不相同,乙酸、丙酸、丁酸作為SRB的碳源,SRB還原SO42-速率順序由大到小依次為丙酸、丁酸、乙酸[5]。為了盡可能利用污泥中碳源物質(zhì)并使硫酸鹽還原反應(yīng)器有最大的還原能力,必須在污泥酸性發(fā)酵產(chǎn)物中提高SRB易利用的短鏈脂肪酸的比例。本研究采用間歇運(yùn)行的序批式反應(yīng)器,用正交實(shí)驗(yàn)方法考察了污泥體積分?jǐn)?shù)、溫度、攪拌方式對污泥產(chǎn)酸量及污泥酸性發(fā)酵產(chǎn)物組成的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

采用序批式反應(yīng)器進(jìn)行污泥酸性發(fā)酵實(shí)驗(yàn),反應(yīng)器由內(nèi)徑148 cm、高39.5 cm的有機(jī)玻璃柱制成,總?cè)莘e6.78 L,有效容積 6.6 L;反應(yīng)器一側(cè)等間隔設(shè)置三個(gè)取樣口,底部中心也設(shè)有一個(gè)取樣口,用于排水。反應(yīng)器上部加蓋密封,中心位置高,設(shè)有一個(gè)?6 mm圓孔,用于插入攪拌棒,采用O形圈密封,避免空氣從中心進(jìn)入。蓋上還設(shè)兩個(gè)?10 mm的圓孔,一個(gè)用于進(jìn)泥和取樣,進(jìn)泥和取樣后用橡膠塞密封;另一個(gè)用于放溫控探頭,還設(shè)一個(gè)?6 mm圓孔用于形成水封和排出氣體。其裝置見圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)工藝流程圖

為了控制實(shí)驗(yàn)溫度,設(shè)有恒溫加熱系統(tǒng),將反應(yīng)器置于恒溫箱內(nèi),恒溫箱是由自制木箱外加隔熱保溫材料泡沫塑料組成。恒溫箱內(nèi)設(shè)置4個(gè)100 W白熾燈泡作熱源,由XMTD數(shù)碼溫控儀控制。為使污泥與水充分混合,采用天津華興科學(xué)儀器廠生產(chǎn)的D-8401型精密多功能電動(dòng)攪拌器進(jìn)行可調(diào)速機(jī)械葉片攪拌。攪拌棒為直徑?6 mm長430 mm的不銹鋼鋼棒,鋼棒上均勻焊接3個(gè)不銹鋼片作為攪拌葉片。攪拌為間歇攪拌,由HB-88型電子定時(shí)間歇開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。采用第二檔進(jìn)行攪拌,轉(zhuǎn)速150 r/min左右。

1.2 污泥性質(zhì)

實(shí)驗(yàn)用泥取自太原市河西北中部污水處理廠脫水污泥,將其與沸水配制成一定濃度泥水混合液,置于反應(yīng)器中,不調(diào)節(jié)pH值,不接種產(chǎn)酸菌,讓其自然發(fā)酵。由于實(shí)驗(yàn)過程中氣體量少,污泥流動(dòng)性差,從一側(cè)排水口不宜取樣,只能從上部取樣,這樣易使空氣進(jìn)入反應(yīng)器,即反應(yīng)器不能嚴(yán)格密封,反應(yīng)器中氧化還原電位在-100～48 mV,而產(chǎn)甲烷菌的氧化還原電位為-350 mV,故反應(yīng)器可有效抑制產(chǎn)甲烷反應(yīng)。泥水混合液起始pH值為6.41～6.89。實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行了9次,其污泥性質(zhì)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)用污泥的性質(zhì) %

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用間歇運(yùn)行方式(分批進(jìn)料、分批出料方式),用正交試驗(yàn)方法分析溫度、污泥體積分?jǐn)?shù)、攪拌方式等對污泥產(chǎn)酸量及污泥發(fā)酵產(chǎn)物組成的影響,實(shí)驗(yàn)因素見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)因素水平表

選用L9(34)正交表進(jìn)行試驗(yàn)。

污泥酸性發(fā)酵效果,一方面以污泥產(chǎn)酸量來衡量。污泥產(chǎn)酸過程產(chǎn)生揮發(fā)酸(volatile fatty acid,VFA),以總乙酸計(jì),計(jì)算公式如下:

揮發(fā)酸質(zhì)量濃度=乙酸質(zhì)量濃度+1.419×丙酸質(zhì)量濃度+1.701×丁酸質(zhì)量濃度[6]。

污泥產(chǎn)酸量為每1 g揮發(fā)性固體(VS)產(chǎn)生的總酸量(g)[7]。

另一方面,污泥酸性發(fā)酵是為了獲取SRB碳源,而SRB對丙酸利用率大于對乙酸、丁酸的利用率,所以希望污泥酸性發(fā)酵產(chǎn)物組成中丙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大。

1.4 分析方法

污泥總固體(TS)、污泥揮發(fā)性固體、污泥揮發(fā)分、含水率等,采用稱重法測定;pH值和氧化還原電位(ORP),采用PHS-3C型精密pH計(jì)測定;揮發(fā)酸質(zhì)量濃度,采用GC-122型色譜儀(FID檢測器)測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 污泥體積分?jǐn)?shù)、溫度、攪拌方式對污泥產(chǎn)酸量的影響

污泥酸性發(fā)酵效果以污泥最大產(chǎn)酸量衡量,正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 正交試驗(yàn)分析表

從表3來分析各因子水平改變對實(shí)驗(yàn)的影響。

從因子A的角度來看,取A2最好,即污泥體積分?jǐn)?shù)取10%時(shí)試驗(yàn)結(jié)果最好。

從因子B的角度來看,取B1時(shí)試驗(yàn)結(jié)果最佳,即溫度取22℃時(shí)試驗(yàn)結(jié)果最好,22℃、42℃時(shí)污泥產(chǎn)酸量高于32℃時(shí)污泥的產(chǎn)酸量。這是因?yàn)橹袦禺a(chǎn)甲烷菌的最適溫度為35℃左右,32℃與35℃接近,此時(shí)產(chǎn)甲烷菌活性大于22℃、42℃時(shí)產(chǎn)甲烷菌活性,污泥酸性發(fā)酵產(chǎn)生的揮發(fā)酸被乙酸產(chǎn)甲烷菌消耗,使得32℃時(shí)檢測的污泥最大產(chǎn)酸量低。污泥酸性發(fā)酵達(dá)到最大產(chǎn)酸量所用時(shí)間不同,是由于污泥的性質(zhì)和污泥中微生物組成不同造成的。

從因子 C的角度來看,取 C2、C3較好,從節(jié)能的角度考慮,適宜的攪拌方式取C2,即每60 min攪拌10 min。

由表3中的極差大小說明,B因子的影響最大,A因子的影響次之,C因子的影響最小。

經(jīng)上述綜合比較分析,可以得出采用間歇運(yùn)行方式的污泥產(chǎn)酸最大化條件為A2B1C2,即為第4號實(shí)驗(yàn),污泥體積分?jǐn)?shù)為10%,溫度為22℃ ,攪拌方式為每間隔60 min攪拌10 min。在該工況下,13 d時(shí)污泥產(chǎn)酸量最大,每1 g VS產(chǎn)生0.171 g VFA。

2.2 污泥體積分?jǐn)?shù)、溫度、攪拌方式對污泥酸性發(fā)酵產(chǎn)物組成的影響

由表4知,第4號和第7號這兩種工況下,污泥酸性發(fā)酵產(chǎn)物中丙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高,乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低,考慮到污泥產(chǎn)酸量及能耗仍選 A2B1C2為最優(yōu)方案。經(jīng)測定該工況下VS的去除率為21.58%,其污泥酸性發(fā)酵產(chǎn)物中乙酸、丙酸、丁酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為31.66%,33.64%,34.70%,為混合酸發(fā)酵。在該工況下進(jìn)行了重現(xiàn)試驗(yàn),取得了基本一致的效果。

表4 九種實(shí)驗(yàn)條件下污泥酸性發(fā)酵產(chǎn)物組成 %

3 結(jié)論

1)污泥酸性發(fā)酵實(shí)驗(yàn)不接種厭氧泥、不調(diào)節(jié)pH值(起始 pH 值為6.41～6.89),反應(yīng)器ORP值為-100～48 mV,采用間歇運(yùn)行方式運(yùn)行。

2)溫度對污泥產(chǎn)酸量影響顯著,攪拌方式、污泥體積分?jǐn)?shù)影響不顯著。

3)最佳工況為:溫度22℃、污泥體積分?jǐn)?shù)為10%、每間隔60 min攪拌10 min。在此工況下,污泥產(chǎn)酸量最大,每 1 g VS可產(chǎn)生0.171 g VFA,污泥酸性發(fā)酵產(chǎn)物組成中乙酸、丙酸、丁酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為31.66%,33.64%,34.70%,為典型混合酸發(fā)酵,VS的去除率為21.58%。

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