CaO2對污泥厭氧消化性能的影響*

江水英 吳聲東

(南昌大學科學技術學院,江西 南昌 330029)

CaO2對污泥厭氧消化性能的影響*

江水英 吳聲東

(南昌大學科學技術學院,江西 南昌 330029)

近年來，污泥厭氧消化得到了廣泛關注，一方面能夠實現污泥的減量化，另一方面又能得到有價值的消化產品。由于水解過程是限制厭氧反應的重要步驟，因此利用CaO2強化污泥厭氧消化中水解和酸化過程。結果表明，適量的CaO2的投加量能夠顯著促進污泥的水解和酸化過程，但對甲烷化有抑制作用。當CaO2投加量為0.2g/g(污泥以揮發性懸浮固體(VSS)計)時，揮發性脂肪酸(VFA)的最大積累量為253.6mg/g，但CaO2對VFA的組成影響不大。

污泥CaO2厭氧消化 水解 酸化 甲烷化

活性污泥法是目前生活污水處理廠中應用最廣泛的污水處理方法，該方法具有投資低、處理效率高等優點。但是該工藝會產生大量的剩余污泥，剩余污泥中含有有毒有害物質，若處置不當會造成環境的二次污染。另一方面，剩余污泥中含有大量的蛋白質和碳水化合物，是一種可利用資源。污泥厭氧消化技術可以很好地處置污泥，實現污泥的減量化、無害化和資源化[1]。

厭氧消化過程主要包括水解、酸化和甲烷化3個主要步驟[2]。水解過程是限制污泥厭氧消化的主要步驟，原因在于污泥外包裹的微生物胞外聚合物(EPS)和細胞壁阻止了該步驟中微生物胞內物質的釋放，使得揮發性脂肪酸(VFA)、氫氣和甲烷等的產量很低。YUAN等[3]研究發現，pH=10的堿性條件可以強化污泥水解反應，使得VFA大量積累。LI等[4]報道，1.8 mg/L游離亞硝酸(FNA)能夠有效地破解EPS和細胞壁。YAN等[5]應用超聲技術很好地實現了污泥減量和VFA積累。ZHENG等[6]發現，堿性消化反應過程中的主要微生物為水解細菌和酸化細菌。

CaO2是一種白色或淡黃色的固體，具有高能過氧化共價鍵。CaO2能夠在水化介質中緩慢釋放氧氣，同時生產強氧化性物質H2O2和堿性物質Ca(OH)2。在水處理中，CaO2生產H2O2和Ca(OH)2的速率比較容易控制，因此投放CaO2比直接投放H2O2效率更高。目前，CaO2已經成功應用到地下水的處理，用于氧化分解難降解物質[7]。然而，將其用來處理污泥尚未見文獻報道，因此本研究探究了CaO2對污泥厭氧消化性能的影響。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗中所用污泥取自海口某污水處理廠，污泥取回后在實驗室4 ℃冰箱內沉淀24 h。沉淀后污泥基本性質如下：pH=6.8±0.1，總懸浮固體(TSS)=(12 130±256) mg/L，揮發性懸浮固體(VSS)=(9 815±240) mg/L，總蛋白質=(8 412±125) mg/L，總糖=(1 542±82) mg/L。

CaO2純度≥98%。

1.2 污泥厭氧消化反應

在5個相同的600 mL厭氧反應器中加入500 mL污泥，CaO2投加量分別為0、0.1、0.2、0.3、0.4 g/g(污泥以VSS計，下同)。當投加完污泥和CaO2后，充氮氣10 min以排出厭氧反應器內的空氣，保證厭氧環境。厭氧反應器內置攪拌器，轉速控制為150 r/min，初始pH控制為7.0±0.1，溫度為25 ℃，反應時間為15 d。

1.3 分析方法

溶解性化學需氧量(SCOD)采用重鉻酸鉀法測定，氨氮采用納氏試劑比色法測定，TSS和VSS采用重量法測定。VFA和甲烷的分析采用氣相色譜法[8_9]，其中VFA以COD計，甲烷以標準狀況下的體積計。總蛋白質和總糖的分析分別以牛血清蛋白和葡萄糖作為標準物，以COD計[10]。溶解性總蛋白質和溶解性總糖過濾后測定。

2 結果與討論

2.1 CaO2對SCOD的影響

SCOD的變化能夠反映水解程度的大小。圖1為不同CaO2投加量下SCOD的變化。CaO2投加量為0 g/g時，SCOD隨反應時間的延長而緩慢增長。在相同反應時間條件下，SCOD隨CaO2投加量的增加而急速上升，反應時間為3 d時SCOD出現最大值，而后趨于穩定，故而圖1中只給出了0～8 d的數據。由此可見，CaO2能夠強化污泥的水解過程，使得消化液中SCOD的含量增加，反應時間為3 d時水解達到平衡。

圖1 CaO2對SCOD的影響Fig.1 Effect of CaO2 on SCOD

2.2 CaO2對VSS的影響

VSS的削減率也能反映污泥的水解情況。圖2為反應時間10 d時，不同CaO2投加量下VSS的削減率。由圖2可知，CaO2投加量越大，VSS削減率越大，與SCOD的變化趨勢一致，進一步說明CaO2能夠強化污泥的水解過程。

圖2 CaO2對VSS削減率的影響Fig.2 Effect of CaO2 on VSS reduction rate

CaO2能夠使污泥減量，一方面是因為CaO2能夠產生Ca(OH)2，形成堿性環境，有利于EPS和細胞壁的破解；另一方面是因為CaO2能產生強氧化性物質H2O2，能夠加速細胞的破解和有機物的分解。

2.3 CaO2對溶解性總蛋白質和溶解性總糖的影響

污泥中固有的蛋白質和糖類化合物一般以顆粒態存在，只有溶解性蛋白質和和溶解性糖才能被厭氧微生物所利用。表1為不同CaO2投加量下溶解性總蛋白質和溶解性總糖的變化。由表1可知，CaO2投加量為0 g/g時，溶解性總蛋白質和溶解性總糖的含量隨反應時間的延長而呈現上升趨勢，這和SCOD的變化也相吻合。然而，當有CaO2投加后，溶解性總蛋白質和溶解性總糖都呈現先上升后下降的趨勢，且在反應時間為3 d時出現最大值，這說明CaO2能夠促進溶解性蛋白質和溶解性糖的生成，反應時間為3 d時生成量最大。

CaO2作用下溶解性蛋白質和溶解性糖在前3 d迅速升高的主要原因是CaO2使污泥大量水解，顆態有機物被分解成溶解性有機物；3 d后溶解性蛋白質和溶解性糖下降主要原因是被合成了VFA。

2.4 CaO2對VFA的影響

VFA是厭氧消化過程中的重要產物，可以用作碳源以解決生活污水處理廠進水碳源不足的問題。圖3為不同CaO2投加量對VFA積累量的影響。由圖3可知，當CaO2投加量為0.1、0.2 g/g時，VFA積累量隨CaO2投加量增大而增大。CaO2投加量為0.2 g/g時，VFA最大積累量為253.6 mg/g；當CaO2投加量為0.3、0.4 g/g時，VFA積累量明顯低于CaO2投加量為0.1、0.2 g/g時。當CaO2投加量為0.4 g/g時，VFA積累量甚至低于CaO2投加量為0 g/g時。由此可以得出，適量的CaO2投加量可以強化污泥的酸化過程，但過高CaO2投加量會抑制VFA的積累。這是因為過量的CaO2容易導致消化液呈強堿性使產酸微生物活性降低。

表1 CaO2對溶解性總蛋白質和溶解性總糖的影響

圖3 CaO2對VFA積累量的影響Fig.3 Effect of CaO2 on VFA accumulation

VFA的組成對其后續利用至關重要，消化液中乙酸質量分數的提高有助于生物脫氮，而消化液中丙酸質量分數的提高有助于生物除磷[11]。CaO2投加量對VFA組成的影響見圖4。由圖4可知，不同CaO2投加量下，都是乙酸的質量分數最大，丙酸其次，因此CaO2對VFA組成的影響不大。

2.5 CaO2對甲烷產量的影響

甲烷化是厭氧消化的最后一步反應，在這一過程中，產甲烷菌利用前面酸化產生的VFA生成能源物質甲烷，CaO2投加量對甲烷產量的影響見圖5。由圖5可知，CaO2的存在會嚴重抑制甲烷產量，且隨CaO2投加量增加而抑制程度加劇。

圖4 CaO2對VFA組成的影響Fig.4 Effect of CaO2 on the VFA composition

圖5 CaO2對甲烷產量的影響Fig.5 Effect of CaO2 on the methane production

這是因為CaO2形成的堿性環境不適合產甲烷菌(其最適pH為7.0)的生長，H2O2作為一種強氧化性物質也會抑制產甲烷菌的活性。

3 結 論

適量的CaO2能夠促進污泥的水解和酸化過程，使得VFA大量積累。當CaO2投加量為0.2 g/g時，VFA的最大積累量為253.6 mg/g。但CaO2對VFA的組成影響不大，不同CaO2投加量下，VFA的最主要成分都是乙酸和丙酸。CaO2的存在對產甲烷菌有嚴重的抑制作用，從而影響甲烷產量。

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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，碩士，講師，研究方向為水污染控制及資源化技術、污泥減量技術和生物技術。

*江西省科技支撐計劃項目(No.2009BSB1000)。