超聲與堿預處理促進污泥水解酸化作碳源研究

韋新東，劉丞軒，，崔玉波，孫紅杰，馬君文

（1.吉林建筑大學 市政與環境工程學院，吉林長春 130118；2.大連民族大學 環境與資源學院，遼寧大連 116600）

1 研究背景與現狀

我國居民生活污水COD濃度低，氮含量相對較高，這就導致了污水中碳氮比較低，反硝化過程中缺少碳源，降低了污水的脫氮效率。為實現污水排放達標，污水處理廠通常通過外加碳源（如甲醇、乙酸、葡萄糖等）來解決該問題[1]，這極大增加了污水廠運行成本。

污泥處理處置成本較高，達到1 000～2 000元/t（以干污泥計），占污水處理廠運營成本的20%～50%[2]。有大量的有機物作為廢水中除氮的碳源，但其結構復雜，很難被微生物直接利用，需要通過預處理更密集地釋放出來。

近年來，研究人員通過在溶液中分離污泥殘渣，將污泥殘渣破解，極大增加了COD含量。破解后的污泥水解酸化后的產物可以作為優質碳源投加回生物反應器，為生物處理廢水提供優質碳源，提高廢水脫氮效率，確保符合污水排放標準。在活性污泥處理工藝中，剩余污泥中有機物含量占污泥總產量的40%～60%左右[3]。剩余污泥中的有機物通過厭氧水解酸化將微生物細胞中大分子有機物質降解，轉化為適合作碳源的小分子有機物。由于污水處理過程中脫氮菌與除磷菌對碳源的需求，生活污水中原有的碳源不足難以滿足污水處理中的碳源需求，進而導致污水處理工藝出水中的氮磷等物質超標排放[4]。同時伴隨外加碳源的投入，傳統污水處理工藝的脫氮除磷效能提升，但污水生物處理產生的剩余污泥產量也隨之大幅增加[5]。剩余污泥主要是由污泥菌膠團、無機物質、溶解性污染物等構成，其中含有大量的病原微生物、重金屬離子等有毒有害物質，因此剩余污泥如果不能妥善處理將會對環境造成二次污染[6]。因此，發展預處理剩余污泥水解酸化液作為優質碳源的處理工藝，對提高生活污水處理效率以及節約生產成本具有重要的工程應用價值。

在工業迅速發展和城市人口不斷增長的情況下，城市污水排放量不斷增加，國內污水處理廠的規模以及數量正在不斷擴大。目前，城市污水處理廠數量已超過2 000個，在廢水處理工藝過程中，產生的部分污泥回流作為生物反應生成，而剩余污泥則要從系統中排出。這些排出的剩余污泥數量巨大，而且它們含水率高、體積大、易腐、氣味臭，并含有大量有毒物質，如重金屬、細菌等。剩余污泥的正確治理面臨著嚴峻的挑戰。

“十三五”期間，中央針對污水處理廠產生的剩余污泥處理問題專項撥款2 000億元，提高剩余污泥的治理效率。污水處理廠剩余污泥的處理處置將在不斷創新的技術加持和國家政策的大力推動下，迎來廣闊的前景。據預測，按照污水有效處理率來推算，2023年的污泥處理市場規模將達到867億元左右。

因此，實現污水資源化利用、有效開發內碳源以實現循環利用不僅使污泥得到有效利用，也可以減少剩余污泥的產生，同時實現污泥減量化和資源化，一舉兩得。生物方法由于對環境污染小、成本低、可有效實現污泥資源化而具有更大的發展前景。但單一的生物方法往往具有去除效率低、作用周期長等局限性，而與具有速效性的化學法或物理法協同作用則會揚長避短，在減小環境污染的同時提高厭氧發酵 效率[7]。

2 材料與方法

2.1 實驗裝置

2.1.1 污泥來源及性質

污泥取自遼寧省大連市大開污水處理廠污泥脫水間，脫水污泥取回后稱重、烘干、馬弗爐焙燒測量其含水率、VS。測得大開污水廠脫水污泥含水率為83%、VS=737.66mg/g。

2.2.2 超聲裝置

超聲裝置為探頭式超聲波反應器，由超聲波發生器（電源）、換能器組件與隔音箱組成，中間由專用電纜相連。超聲頻率在20～25kHz，超聲功率為950W，探頭直徑10mm，處理量30～300mL，功率比1%～90%。

2.2.3 水解酸化反應器

500mL磨口錐形瓶蓋子加封口膜密封置于恒溫水浴振蕩器中，設置水溫37℃進行水解酸化。

2.2 實驗方法

通過改變超聲時間（5min、10min、15min）和超聲聲能密度（1.781 25W/mL、3.562 5W/mL、5.347 5W/mL、7.125W/mL）兩個變量，進行10d水解酸化，研究污泥水解酸化液中VFA、COD等重要指標的檢測，進而選出最優污泥超聲聲能密度（3.562 5W/mL）與超聲時間（10min）。

2.2.1 超聲預處理污泥水解酸化

稱量40g83%含水率的脫水污泥，加入40mL蒸餾水調整其含水率至91%，再用10%氫氧化鈉溶液將泥水混合物pH調至10。調整超聲裝置輸出功率，然后將污泥樣品固定在升降臺，抬高升降臺將探頭置于液面下1.5cm分別超聲5min、10min、15min。超聲預處理完的污泥樣品加蒸餾水稀釋至含水率98%后倒入500mL磨口錐形瓶密封，置于恒溫水浴振蕩器中37℃進行10d的水解酸化，每隔48h取樣檢測一次。

2.2.2 測定方法

化學需氧量（COD）：重鉻酸鉀法；揮發性脂肪酸（VFA）：蒸餾法；氨氮：納氏試劑法；磷酸鹽：磷鉬藍法；總氮：過硫酸鉀消解-硫酸肼還原法；總磷：過硫酸鉀消解-鉬銻抗法；pH：pH快速測定儀。

3 結果與分析

在超聲聲能密度相同的情況下，隨著超聲時間的延長，COD、VFA的濃度也相應地有所增長，同樣在超聲時間相同的情況下，隨著超聲聲能密度的增加，COD、VFA的濃度也隨之增加，但增加的程度不大。因此，考慮實際生產條件，采用3.562 5W/mL聲能密度下超聲10min為最佳超聲條件，并對該條件下各含量的變化情況具體分析。

圖1表明，組合作用后VFA的峰值提前兩天產生，且5min、10min、15min的峰值分別是原泥的峰值的4.68倍、4.89倍和5.63倍。隨后4～8d有所下降，有可能是揮發性脂肪酸被微生物利用，利用率＞生成率導致的。

圖1 COD 10d變化情況

圖2表明，COD整體呈下降趨勢，下降的原因可能是污泥濃度太大，微生物利用率＞生成率導致的。5min、10min、15min的峰值分別是原泥的峰值的2.64倍、2.86倍、3.12倍。

圖2 VFA 10d變化情況

圖3表明，剩余污泥在水解酸化過程中會產生大量的氨氮。這是因為超聲與堿預處理后細胞破碎，細胞內大量有機氮轉化為水解酸化中的氨氮，厭氧條件下細胞增殖少，因此只有少量氮會轉化為細胞物質，所以上清液中氨氮濃度較高。因此氨氮的產生可以間接反映污泥水解酸化的效果。經過組合處理后峰值出現比原泥氨氮的峰值提前6d，5min、10min、15min的峰值分別是原泥的峰值的2.34倍、1.91倍、2.09倍。

圖3 NH4+-N 10d變化情況

圖4表明，與原泥相比，經過組合處理的污泥總氮濃度極大提高，隨著水解酸化的進行，總體處于下降的趨勢。組合處理后的污泥總氮濃度的峰值也比原泥的峰值提前到達，超聲5min、10min、15min的濃度分別是原泥的1.78倍、1.71倍、1.67倍。

圖4 TN 10d變化情況

磷酸鹽與總磷變化趨勢大致相同，P不僅是很多有機化合的組成成分，還能以各種方式參與生命體的代謝和活動。最普遍是以核糖核酸（RNA）、脫氧核糖核酸（DNA）等形式廣泛出現。圖5～圖6表明，經組合處理后的磷酸鹽濃度明顯高于原泥的濃度，這是由于超聲和堿的處理使細胞壁破碎導致儲存在污泥里的磷都溶進上清液使磷酸鹽的含量上升。10d的水解酸化磷酸鹽的總體變化趨勢為下降，應該是作為微生物厭氧菌的原料被消耗導致的。經組合處理的PO43--P峰值濃度是原泥的1.09倍、1.09倍、1.12倍。

圖5 PO43--P 10d變化情況

圖6 TP 10d變化情況

4 結論

①脫水污泥經超聲和堿預處理后再進行水解酸化，較原泥得到了很大提高。在考慮實際生產條件下，采用3.562 5W/mL的聲能密度、超聲10min處理后，水解酸化4d得到的上清液適合作優質碳源。②在超聲時間相同的條件下，隨著超聲聲能密度的增大，污泥水解酸化產物中COD、VFA的產量也會增多，但增幅不明顯。③在超聲聲能密度相同的條件下，隨著超聲時間的增加，污泥水解酸化產物中COD、VFA的產量也會增多，增幅也較為明顯。