王博，霍明昕，王淑瑩，袁泉，李永波，彭永臻

(1. 北京工業(yè)大學 北京市水質科學與水環(huán)境恢復工程重點實驗室，北京市污水脫氮除磷處理與過程控制工程技術研究中心，北京，100124；2. 東北師范大學 城市與環(huán)境科學學院，吉林 長春，130024)

隨著城市生活污水量的增加，由此所產(chǎn)生的污泥量也越來越多[1-2]，污水廠剩余污泥的處理處置正日益成為環(huán)境領域關注的熱點。利用水解酸化細菌破壞污泥細胞物質，這樣不僅可以實現(xiàn)剩余污泥發(fā)酵產(chǎn)酸，使得產(chǎn)生的二次基質用來補充生物脫氮除磷所必需的碳源[3]，而且還可以實現(xiàn)污泥的減量。國內(nèi)外對污泥內(nèi)碳源開發(fā)技術進行了較深入研究，同時開發(fā)了相應的利用方法和工藝，但這些技術存在2 個問題：(1) 污泥發(fā)酵后泥水分離困難，使得產(chǎn)生的VFA(揮發(fā)性脂肪酸)很難被提取出來[4]；(2) 在完全厭氧的反應器中很難避免產(chǎn)甲烷反應產(chǎn)生，因此，發(fā)酵產(chǎn)物很可能被產(chǎn)甲烷菌大量消耗[5]。而污泥發(fā)酵耦合反硝化技術針對上述問題有如下優(yōu)點：無需對發(fā)酵液與污泥進行分離，發(fā)酵產(chǎn)物產(chǎn)生后隨即被周圍的反硝化菌利用，這樣不僅減少了泥水分離步驟，而且增加了發(fā)酵反應推動力；由于NO-x-N 的存在，避免了產(chǎn)甲烷反應的發(fā)生，防止了發(fā)酵產(chǎn)物被產(chǎn)甲烷菌消耗?？梢?，剩余污泥發(fā)酵耦合反硝化技術既可以很好地解決污水處理碳源缺乏的問題，還可以實現(xiàn)污泥發(fā)酵產(chǎn)物簡捷利用，進一步促進污泥減量。pH 是影響污泥發(fā)酵的重要因素之一。許多研究者發(fā)現(xiàn)剩余污泥經(jīng)過堿性處理后，其水解產(chǎn)酸速率得到有效提高[3-4]，也有人認為污泥在酸性和堿性環(huán)境發(fā)酵效果均比中性環(huán)境好，水解酸化效率高[6]。對于反硝化反應，許多研究者發(fā)現(xiàn)適宜的pH 范圍大都為中性或偏堿性，在7.5～8.5 且當pH 偏離這一范圍時，反硝化效率逐漸降低[7]?？紤]到滿足良好的污泥發(fā)酵與反硝化要求，本文作者對比研究了不同pH(5，7，9 及pH 不調(diào))對剩余污泥發(fā)酵耦合反硝化系統(tǒng)的污泥溶解、基質釋放、污泥減量及反硝化的影響，借以尋求最適宜的pH 范圍。

1 材料與方法

1.1 剩余污泥

試驗用剩余污泥取自以生活污水為處理對象的中試SBR 反應器(序批式反應器)，污泥初始性質如表1所示。剩余污泥在使用前用自來水淘洗3 次后配成懸浮固體(SS)質量濃度約為10 g/L 的泥水混合液。

1.2 試驗裝置和方法

剩余污泥發(fā)酵耦合反硝化以4個有效容積為1.5 L的密閉式玻璃瓶為反應器(裝置如圖1 所示)，控制溫度為(30±1) ℃，每個反應器一次性投加剩余污泥1.5 L，用磁力攪拌器進行攪拌，維持轉速為800 r/min，控制1 號、2 號、3 號反應器內(nèi)pH 分別為5.0，7.0 和9.0，4 號反應器不調(diào)pH，作為對照，反應進行18 d。每天定時從4 個反應器中取泥水混合液15 mL，用0.45μm 的水系濾膜過濾，并保留濾液進行測定，定時一次性投加100 g(N)/L 的NaNO2溶液15 mL。每隔12 h，用3 mol/L 的HCl 或2 mol/L 的NaOH 溶液調(diào)節(jié)pH。

表1 pH=7.6 時試驗用剩余污泥各組分含量(質量分數(shù))Table 1 Initial properties of waste activated sludge (WAS) at pH=7.6 mg/L

圖1 試驗裝置圖Fig.1 Schematic diagram of experimental setup

1.3 分析方法

2 結果與討論

2.1 pH 對多糖、蛋白質產(chǎn)生的影響

不同pH 條件下多糖質量濃度的變化情況如圖2所示。由圖2 可見：在不同pH 條件下，隨著反應時間的增加，多糖質量濃度(ρ1)的變化呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律；當pH 為5 時，ρ1均比其他條件下高且隨反應時間不斷增加，在第18 天，ρ1達到最大值，為648.9 mg/L；當pH 為7 和9 時，ρ1整體上呈現(xiàn)出先增加、到第12 天后又下降的趨勢；在pH 不調(diào)的條件下，ρ1表現(xiàn)為波動趨勢，而這也恰恰反映出pH 對多糖的產(chǎn)生具有一定的影響。

圖2 不同pH 條件下多糖質量濃度的變化情況Fig.2 Variation of carbohydrate mass concentrations at different pH values

不同pH 時蛋白質質量濃度的變化情況如圖3 所示。由圖3 可見：在不同pH 條件下，隨著反應時間的增加，蛋白質濃度(ρ2)也呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律：當pH 為5 時，ρ2隨反應時間不斷增加；與此相反，當pH 為7 時，ρ2卻呈現(xiàn)出下降的趨勢；而pH 為9 與pH不調(diào)的條件下，ρ2呈現(xiàn)出波動的變化。

圖3 不同pH 時蛋白質質量濃度的變化情況Fig.3 Variation of protein mass concentrations at different pH values

2.2 不同pH 時污泥減量性能

圖4 不同pH 時污泥減量情況Fig.4 Sludge reduction at different pH values

2.3 pH 對PO-P 和NH-N 釋放的影響

圖5 不同pH 時的PO-P 和NH-N 釋放情況Fig.5 PO-P and NH-N release at different pH values

2.4 不同pH 時反硝化效果

圖6 不同pH 時電子受體NO-N 質量濃度的變化Fig.6 Variation NO-N mass concentrations at different pH values

圖7 NO-N 反硝化總量與比反硝化脫氮率Fig.7 NO-N consumed and special denitrification nitrogen removal

3 結論

(1) 當pH 為7 和9 時，污泥溶解與反硝化效果均較好。而當pH 為5 時，多糖與蛋白質出現(xiàn)大量積累，原因是反硝化受到pH 的抑制。

(2) 不同pH 條件下，VSS 質量濃度均出現(xiàn)不同程度的降低，且pH 為7 和9 時污泥減量率較高，說明中性與堿性條件更有利于污泥溶解。

(4) 從污泥溶解，污泥減量和反硝化性能等方面綜合分析，pH 為9 的條件下，即處于堿性環(huán)境時，剩余污泥發(fā)酵耦合反硝化系統(tǒng)發(fā)酵與反硝化性能較好。

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