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物含量少,生物法處理時需要外加碳源(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)濟合理的碳源物質(zhì)[3]。Prasad等[4]認為未經(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。本研究采用間歇運行的序批式反應(yīng)器,用正交實驗方法考察了污泥體積分數(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 實驗部分

1.1 實驗裝置

采用序批式反應(yīng)器進行污泥酸性發(fā)酵實驗,反應(yīng)器由內(nèi)徑148 cm、高39.5 cm的有機玻璃柱制成,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)置三個取樣口,底部中心也設(shè)有一個取樣口,用于排水。反應(yīng)器上部加蓋密封,中心位置高,設(shè)有一個?6 mm圓孔,用于插入攪拌棒,采用O形圈密封,避免空氣從中心進入。蓋上還設(shè)兩個?10 mm的圓孔,一個用于進泥和取樣,進泥和取樣后用橡膠塞密封;另一個用于放溫控探頭,還設(shè)一個?6 mm圓孔用于形成水封和排出氣體。其裝置見圖1。

圖1 實驗工藝流程圖

為了控制實驗溫度,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型精密多功能電動攪拌器進行可調(diào)速機械葉片攪拌。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型電子定時間歇開關(guān)來實現(xiàn)。采用第二檔進行攪拌,轉(zhuǎn)速150 r/min左右。

1.2 污泥性質(zhì)

實驗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。由于實驗過程中氣體量少,污泥流動性差,從一側(cè)排水口不宜取樣,只能從上部取樣,這樣易使空氣進入反應(yīng)器,即反應(yīng)器不能嚴格密封,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。實驗共進行了9次,其污泥性質(zhì)見表1。

表1 實驗用污泥的性質(zhì) %

1.3 實驗方法

實驗采用間歇運行方式(分批進料、分批出料方式),用正交試驗方法分析溫度、污泥體積分數(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,實驗因素見表2。

表2 實驗因素水平表

選用L9(34)正交表進行試驗。

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,計算公式如下:

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)量分數(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 污泥體積分數(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,正交實驗結(jié)果見表3。

表3 正交試驗分析表

從表3來分析各因子水平改變對實驗的影響。

從因子A的角度來看,取A2最好,即污泥體積分數(shù)取10%時試驗結(jié)果最好。

從因子B的角度來看,取B1時試驗結(jié)果最佳,即溫度取22℃時試驗結(jié)果最好,22℃、42℃時污泥產(chǎn)酸量高于32℃時污泥的產(chǎn)酸量。這是因為中溫產(chǎn)甲烷菌的最適溫度為35℃左右,32℃與35℃接近,此時產(chǎn)甲烷菌活性大于22℃、42℃時產(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℃時檢測的污泥最大產(chǎn)酸量低。污泥酸性發(fā)酵達到最大產(chǎn)酸量所用時間不同,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行方式的污泥產(chǎn)酸最大化條件為A2B1C2,即為第4號實驗,污泥體積分數(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 污泥體積分數(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)量分數(shù)較高,乙酸質(zhì)量分數(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)量分數(shù)分別為31.66%,33.64%,34.70%,為混合酸發(fā)酵。在該工況下進行了重現(xiàn)試驗,取得了基本一致的效果。

表4 九種實驗條件下污泥酸性發(fā)酵產(chǎn)物組成 %

3 結(jié)論

1)污泥酸性發(fā)酵實驗不接種厭氧泥、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,采用間歇運行方式運行。

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

3)最佳工況為:溫度22℃、污泥體積分數(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)量分數(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%。

[1]尹軍.污水污泥處理處置及資源化利用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.

[2]張光明,張信芳,張盼月.城市污泥資源化技術(shù)進展[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006.

[3]Prasad D,Wai M,Berube P,et al.Evaluating substrates in the biological treatment of acid mine drainage[J].Environment Technology,1999,20(5):449-458.

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[5]宋秀蘭,李亞新.乙酸、丙酸和丁酸為SRB碳源時的利用率[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報,2007,36(4):527-530.

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