王玲玲，孫德棟，任晶晶，董曉麗，馬　春，郝　軍，薛　芒(大連工業(yè)大學(xué)輕工與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧大連　116034 )

次氯酸鈉預(yù)處理污泥對厭氧消化的影響

王玲玲，孫德棟，任晶晶，董曉麗，馬春，郝軍，薛芒
(大連工業(yè)大學(xué)輕工與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧大連116034 )

摘要:采用次氯酸鈉對污泥進(jìn)行預(yù)處理，考察了預(yù)處理對污泥厭氧消化的影響。以原污泥作為對比，研究了經(jīng)過次氯酸鈉預(yù)處理后，厭氧消化過程中污泥性質(zhì)及甲烷產(chǎn)氣量等的變化。經(jīng)次氯酸鈉預(yù)處理的污泥，在厭氧消化過程中平均日產(chǎn)氣速率為34 mL，比未經(jīng)過預(yù)處理的污泥產(chǎn)氣速率提高了9.80%;經(jīng)預(yù)處理后污泥厭氧消化總產(chǎn)氣量為1 055 mL，比未預(yù)處理的多產(chǎn)氣122 mL。預(yù)處理污泥出現(xiàn)產(chǎn)氣量峰值的時間比原泥提前4 d，表明次氯酸鈉預(yù)處理可以加速厭氧消化速度，縮短污泥停留時間。厭氧消化時SCOD是表示污泥水解增溶程度的參數(shù)。實驗結(jié)果顯示，次氯酸鈉預(yù)處理促進(jìn)了污泥的水解，厭氧消化過程中，預(yù)處理污泥的SCOD濃度高于原泥，最大值為487 mg/L，比原泥中SCOD濃度的峰值大11.62%。

關(guān)鍵詞:污泥;次氯酸鈉;預(yù)處理;厭氧消化

0　引言

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，市政污水處理廠的建設(shè)規(guī)模與處理程度也在不斷擴(kuò)大和提高，產(chǎn)生了大量的剩余污泥并與日俱增，剩余污泥的處理處置費(fèi)用投資大，甚至高達(dá)污水處理廠總運(yùn)行費(fèi)用的50%～60%［1］。目前，在可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的影響下，無害化、減量化、穩(wěn)定化、資源化逐漸成為剩余污泥處理的方向發(fā)展［2］。厭氧消化是處理剩余污泥較普遍的方法之一，較其他處理方法，厭氧消化具有滅殺病菌、減少污泥體積、促進(jìn)污泥穩(wěn)定等優(yōu)點，同時又能產(chǎn)生沼氣，回收能源，但是污泥絮體的復(fù)雜結(jié)構(gòu)［3］使得水解酸化階段速度減慢，這也使得該階段成為厭氧消化的限速階段［4-5］，并且剩余污泥中微生物細(xì)胞壁阻礙了有機(jī)物的釋放與利用［6］，進(jìn)一步減慢了整個進(jìn)程。目前，該領(lǐng)域?qū)W者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并應(yīng)用了很多方法對污泥進(jìn)行預(yù)處理，使得污泥絮體結(jié)構(gòu)遭到破壞，細(xì)胞內(nèi)含物釋放到水相中，加速水解速度。目前污泥厭氧消化預(yù)處理方法主要包括物理破碎、熱處理、堿處理、超聲處理、臭氧氧化以及氯氧化等［7］。次氯酸鈉具有較強(qiáng)的氧化性，主要用作消毒劑、殺菌劑和漂白劑，也用于其他行業(yè)如食品包裝、洗滌劑行業(yè)的消毒和殺菌以及小規(guī)模供水凈化［8］;次氯酸鈉價格低廉，如果在實踐中得到應(yīng)用，運(yùn)行成本將會降低。作者采用次氯酸鈉作為預(yù)處理劑對污泥進(jìn)行預(yù)處理，研究次氯酸鈉對污泥預(yù)處理的可行性，以及預(yù)處理后污泥的厭氧消化過程中理化性質(zhì)的改變情況，以期為剩余污泥處置提供新的研究思路。

1　實驗

1.1儀器與試劑

儀器:微波消解儀，箱式電爐，紫外分光光度計，便攜式pH計，萬用電爐，恒溫水浴鍋。

試劑:次氯酸鈉;重鉻酸鉀，優(yōu)級純。

實驗所用剩余污泥取自大連市凌水河污水處理廠CAST工藝中經(jīng)過濃縮后的剩余污泥，污泥質(zhì)量濃度為8～11 g/L，pH約為7，剩余污泥樣品在4℃冰箱中存放。

1.2實驗方法

實驗采用2個反應(yīng)器編號分別為1和2，反應(yīng)器1注入50 mL種泥和450 mL未經(jīng)預(yù)處理的原污泥;反應(yīng)器2注入50 mL種泥和450 mL經(jīng)過經(jīng)預(yù)處理的污泥，隔絕空氣，進(jìn)行厭氧消化。每天各抽取50 mL的污泥用于參數(shù)測定，并加入50 mL的原泥和預(yù)處理污泥，使消化反應(yīng)器中，始終保持著500 mL的污泥。反應(yīng)器置于恒溫磁力攪拌器上，控制溫度為(35±2)℃，保證隔絕空氣。產(chǎn)生的氣體由導(dǎo)氣管導(dǎo)出，經(jīng)過酸性飽和食鹽水收入到集氣裝置內(nèi)，采用排水法測定產(chǎn)氣量。具體實驗裝置如圖1。氣體每日測量，取樣后通入N2數(shù)分鐘，以驅(qū)除空氣。

SCOD的測定采用微波密封消解法［9］，氣體收集采用排水法，TP(總磷)測定采用鉬酸鹽比色分光光度法［10］，TN(總氮)測定采用微波消解紫外分光光度法［11-12］，pH值測定采用FE20型pH計。

圖1　實驗裝置Fig.1 Experimental facility

2　結(jié)果與討論

2.1預(yù)處理后污泥性質(zhì)的變化

利用次氯酸鈉對污泥進(jìn)行預(yù)處理，污泥的理化性質(zhì)產(chǎn)生了變化，通過實驗分析，對比了污泥破解率、SCOD及其他水質(zhì)參數(shù)，得出次氯酸鈉的最佳投加量(以次氯酸鈉的有效氯計)是14.5 mg/g SS，最佳反應(yīng)時間為3.5 h。污泥預(yù)處理前后的性質(zhì)變化如表1所示(污泥質(zhì)量濃度為4 g/L)。

表1　預(yù)處理前后污泥性質(zhì)的變化Tab.1 Characteristics of untreated and pretreated sludge

表1表明，經(jīng)過預(yù)處理后，剩余污泥上清液中SCOD由初始的64 mg/L增加到了368 mg/L，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出了未經(jīng)預(yù)處理的污泥的SCOD含量，這是由于次氯酸鈉作為消毒劑和漂白劑，它具有較強(qiáng)的氧化作用并呈現(xiàn)弱堿性，這個性質(zhì)使得次氯酸鈉能夠破壞污泥的絮體結(jié)構(gòu)，使得胞外聚合物(EPS)水解成為可溶性的小分子物質(zhì)釋放到水相中，使得上清液中SCOD濃度不斷上升; TP、TN的質(zhì)量濃度分別由1.2，33.9 mg/L分別上升到22.6，61.2 mg/L。這是因為在次氯酸鈉的作用下，微生物細(xì)胞壁被破壞，細(xì)胞內(nèi)有機(jī)物質(zhì)如氮、磷、糖等溶出，使得氮、磷的含量增加;多糖、蛋白質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別增加了168%，174%，多聚糖是污泥胞外聚合物EPS中的重要組成部分［13］，經(jīng)過次氯酸鈉的預(yù)處理，使得ESP遭到破壞，多聚糖從絮體結(jié)構(gòu)中釋放出來溶解到液相中，導(dǎo)致污泥上清液中多糖含量增加;同時微生物細(xì)胞壁細(xì)胞膜被次氯酸鈉破壞，細(xì)胞壁鑲嵌的和細(xì)胞內(nèi)含的包涵蛋白質(zhì)在內(nèi)的有機(jī)物進(jìn)入液相，從而增加了液相中蛋白質(zhì)的含量［14］。

2.2預(yù)處理對厭氧消化過程中產(chǎn)氣速率及產(chǎn)氣總量的影響

圖2所示，對比了原污泥與預(yù)處理污泥產(chǎn)氣量的變化。由圖可知，2組的產(chǎn)氣量走勢是相同的，均是增加后又緩慢減少。不同的是，預(yù)處理后的污泥日產(chǎn)氣量明顯高于未處理的污泥，而且其高峰期出現(xiàn)在厭氧消化過程的第6天，產(chǎn)氣量為99 mL;而未處理污泥高峰期出現(xiàn)在第10天左右，其產(chǎn)氣量為83 mL，經(jīng)預(yù)處理后污泥的產(chǎn)氣高峰明顯提前。這是因為未經(jīng)過預(yù)處理的原污泥水解酸化依然是限速步驟，而經(jīng)過預(yù)處理后，次氯酸鈉打破了污泥絮體結(jié)構(gòu)的限制，使細(xì)胞內(nèi)有機(jī)物大量釋放出來，從而產(chǎn)生大量的氣體。這表明經(jīng)過次氯酸鈉的預(yù)處理，可以加速厭氧消化的進(jìn)行速度，縮短污泥停留時間，降低運(yùn)轉(zhuǎn)能耗。

圖2　污泥的日產(chǎn)氣量變化Fig.2　Variation of gas production volume per day

圖3所示為厭氧消化一個月期間污泥總產(chǎn)氣量的變化情況。如圖所示，在厭氧消化過程中，未處理污泥總產(chǎn)氣量為933 mL，而預(yù)處理的污泥產(chǎn)氣總量是1 055 mL，比前者高出122 mL，增加了13.1%，這說明污泥經(jīng)過次氯酸鈉的預(yù)處理后，污泥結(jié)構(gòu)被打破，細(xì)胞內(nèi)含物釋放到溶液中，繼續(xù)被水解為小分子有機(jī)物，被厭氧菌利用，增加了產(chǎn)氣量。

圖3　污泥總產(chǎn)氣量Fig.3 Cumulative gas production vs time

2.3預(yù)處理對厭氧消化過程中SCOD的影響

在一定范圍內(nèi)，SCOD可以反映出溶胞水解的程度。由圖4可知，2組反應(yīng)器的SCOD的變化趨勢是都是先增后減，這是由于水解過程中，在胞外酶的作用下，不溶性有機(jī)物被水解成可溶性有機(jī)物［13］，使得SCOD不斷積累增加。經(jīng)過預(yù)處理后的污泥的SCOD比未經(jīng)過預(yù)處理的要大，其最大值比未處理時增加了133.5%，后者在厭氧消化過程中，SCOD值增加幅度要較預(yù)處理污泥的小。這是由于原泥在厭氧消化過程中微生物的水解速度相對較慢。

圖4　厭氧消化過程中SCOD的變化Fig.4　Variation of SCOD in the process of anaerobic digestion

2.4預(yù)處理對厭氧消化過程中pH的影響

在厭氧消化過程中，pH是一個非常重要的指示參數(shù)，為保證整個過程中各個菌群的正常生理活動，厭氧反應(yīng)器的pH應(yīng)該控制在6.5～7.5［14］。pH既對厭氧消化微生物菌群的活性產(chǎn)生很大影響，還能影響到中間代謝產(chǎn)物的毒性，因此，保持pH的穩(wěn)定對于厭氧消化過程是否能夠穩(wěn)定運(yùn)行有著重要意義［14］。圖5所示，經(jīng)預(yù)處理的污泥的pH較未處理的pH高，但基本保持在合適范圍內(nèi)。從圖中可以看出，經(jīng)預(yù)處理的污泥pH下降在6～10 d里低于未處理污泥pH，這是因為在這一階段污泥破解程度增大，加快了水解酸化的過程。而隨著厭氧消化過程的進(jìn)行，預(yù)處理污泥的pH隨著增加，且比未處理的高，這是由于厭氧消化過程中堿度增加導(dǎo)致pH升高。

圖5　厭氧消化過程中pH的變化Fig.5　Variation of pH in the process of anaerobic digestion

3　結(jié)論

(1)污泥經(jīng)過次氯酸鈉預(yù)處理后進(jìn)行厭氧消化，平均日產(chǎn)氣速率為34 mL，比未處理的提高了9.8%;經(jīng)預(yù)處理后污泥總產(chǎn)氣量為1 055 mL，比未經(jīng)過預(yù)處理的多產(chǎn)氣122 mL。經(jīng)預(yù)處理污泥產(chǎn)氣量的峰值出現(xiàn)時間比原泥提前4 d。次氯酸鈉預(yù)處理對污泥厭氧消化有一定的加速作用。

(2)在厭氧消化過程中，經(jīng)過預(yù)處理的污泥SCOD最大值為487 mg/L，比原泥中SCOD的峰值大11.62%。用次氯酸鈉對污泥進(jìn)行預(yù)處理，將剩余污泥的胞外聚合物(EPS)分解、將微生物的細(xì)胞壁與細(xì)胞膜破壞，使細(xì)胞內(nèi)含物釋放到液相中。次氯酸鈉的預(yù)處理加速了污泥水解酸化的速度。

(3)在厭氧消化過程中，pH先降低后逐漸增加，在增加一段時間后，趨于穩(wěn)定狀態(tài)，保持在合理范圍內(nèi)。為厭氧菌的生長代謝提供了合適的環(huán)境，也為后續(xù)厭氧消化創(chuàng)造了有利的條件。

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Effects of sodium hypochlorite pretreatment on anaerobic digestion of sludge

WANG Lingling，SUN Dedong，REN Jingjing，DONG Xiaoli，MA Chun，HAO Jun，XUE Mang
(School of Light Industry and Chemical Engineering，Dalian Polytechnic University，Dalian 116034，China )

Abstract:Pretreatment of excess activated sludge using sodium hypochlorite (NaClO) was conducted to investigate its effect on anaerobic digestion.The characteristics of sludge and methane production before and after pretreatment was analyzed.It showed that average daily rate in anaerobic digestion of excess sludge was 34 mL，which was 9.80% higher than that of without pretreatment.The gas production rate was 1 025 mL in anaerobic digestion after the pretreatment，which was 122 mL more than the other.The time for maximum gas production rate was 4 d earlier than that for the original sludge.This indicates that to pretreat the excess sludge using NaClO can accelerate anaerobic digestion and shorten sludge retention time.SCOD is a parametric representing the degree of hydrolysis and solubilization of sludge in anaerobic digestion.The concentration of SCOD at a maximum of 487 mg/L after treatment was higher than that of sludge without pretreatment，and were about 11.62% higher than that of the untreated.

Key words:sludge sodium hypochlorite; pretreatment;anaerobic digestion

作者簡介:王玲玲(1987-)，女，碩士研究生;通信作者:孫德棟(1970-)，男，副教授.

收稿日期:2014-02-16.

文章編號:1674-1404(2015) 03-0183-04

中圖分類號:X703.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A