韓 鵬,劉 和,*,丁春華,劉宏波,符 波(.江南大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院,江蘇省厭氧生物技術(shù)重點實驗室,江蘇 無錫 4；.鎮(zhèn)江東方生物工程設(shè)備技術(shù)有限責(zé)任公司,江蘇 鎮(zhèn)江 000)

蒸汽爆破對城市污泥預(yù)處理和厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的影響

韓 鵬1,劉 和1,2*,丁春華2,劉宏波1,符 波1(1.江南大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院,江蘇省厭氧生物技術(shù)重點實驗室,江蘇 無錫 214122；2.鎮(zhèn)江東方生物工程設(shè)備技術(shù)有限責(zé)任公司,江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

利用蒸汽爆破技術(shù)對城市污泥進(jìn)行預(yù)處理,研究了不同壓力和保壓時間結(jié)合條件下蒸汽爆破對污泥理化性質(zhì)和后續(xù)厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的影響.結(jié)果表明,經(jīng)蒸汽爆破預(yù)處理后,部分污泥絮體結(jié)構(gòu)被破壞,污泥液相中SCOD、蛋白質(zhì)、多糖和DNA濃度分別達(dá)到最高的9544mg/L、596.7mg/L,1515mg/L,9.1ng/μL(2MPa, 4min),相比于對照組污泥分別提高37.7、19.4、12.5和3.64倍,同時能提高污泥可生化性;蒸汽爆破能有效減小污泥顆粒體積,相比對照組污泥平均體積粒徑最高降低 52.59%;蒸汽爆破后污泥經(jīng)過厭氧發(fā)酵,產(chǎn)酸量分別達(dá)到最高的 7.34g/L (1MPa, 3min)、7.12g/L (1.5MPa, 1min)、8.15g/L (2MPa, 4min),相比于對照組污泥分別提高了1.55、1.51和1.72倍,最高產(chǎn)酸率為234.76mg COD/g VSS.進(jìn)一步提高預(yù)處理強度能夠改善污泥溶解性和發(fā)酵產(chǎn)酸性能.

城市污泥；蒸汽爆破；厭氧發(fā)酵；揮發(fā)性脂肪酸

污泥厭氧消化產(chǎn)酸是污泥資源化的方法之一,但在厭氧消化過程中,污泥中有機(jī)質(zhì)含量較低及生物可利用性不高導(dǎo)致污泥產(chǎn)酸效率不高,如何對污泥進(jìn)行預(yù)處理來提高產(chǎn)酸率是主要技術(shù)難題[5-12].蒸汽爆破技術(shù)(以下簡稱“汽爆”)是近年來發(fā)展起來的一種污泥預(yù)處理方法.高溫水蒸氣對物料產(chǎn)生的熱作用,從高溫、高壓在瞬間降到常溫、常壓時,物料內(nèi)部水分汽化膨脹產(chǎn)生的剪切力和化學(xué)水解等作用使得物料的組織結(jié)構(gòu)被破壞,污泥內(nèi)部有機(jī)物溶出,有利于后續(xù)厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸[13].目前國內(nèi)外廣泛采用此技術(shù)來對木質(zhì)素進(jìn)行處理和用于紙漿等生產(chǎn)[14-15].為了提高污泥有機(jī)質(zhì)水解溶出,要對微生物細(xì)胞進(jìn)行破壁以提高后續(xù)厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸效率.汽爆技術(shù)所具有的獨特優(yōu)勢,可快速將污泥細(xì)胞壁破碎,有望成為一種新型的污泥預(yù)處理技術(shù).因此,本文通過蒸汽爆破對污泥進(jìn)行預(yù)處理,研究不同壓力和保壓時間結(jié)合下,蒸汽爆破對污泥有機(jī)物溶出效果的影響,對污泥微觀形態(tài)的影響及對污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸性能的影響.

1 材料與方法

1.1 實驗材料

污泥取自無錫市某污水處理廠的脫水污泥,污泥含固率(TS)為15.4%, pH值為7.46,有機(jī)質(zhì)含量(VS/TS)為 57.86%,加蒸餾水調(diào)節(jié)污泥 TS濃度為6%,取污泥上清液進(jìn)行指標(biāo)測定,以此污泥作為對照組污泥.厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸種泥取自實驗室產(chǎn)酸發(fā)酵罐排泥,在5000rpm下離心10min,經(jīng)2次清水沖洗后使用,脫水污泥和種泥的性質(zhì)如表1所示.

表1 污泥和種泥的基本性質(zhì)Table 1 Characteristics of the dewatered sludge

1.2 汽爆實驗裝置

汽爆裝置為河南省鶴壁市正道重機(jī)廠生產(chǎn)的 QBS-80型蒸汽爆破機(jī).采用液化天然氣進(jìn)行加熱,加熱功率為 8kW,最高蒸汽壓強可達(dá)到3.2MPa,有效汽爆容積為 0.405L.汽爆采用氣彈技術(shù),可以在0.00875s內(nèi)瞬間完成壓力釋放[16].

1.3 實驗步驟

1.4 統(tǒng)計學(xué)處理 采用SPSS 13.0軟件處理數(shù)據(jù)。計數(shù)資料以n(%)表示，組間比較采用χ2檢驗。樣本率與整體率的比較采用二項分布檢驗。對于不同程度先天性上瞼下垂合并先天性心臟病發(fā)病率的比較，采用秩和檢驗。檢驗水準(zhǔn)(α)為0.05。

每次稱取 250g脫水污泥(含水率 84.6%)加入汽爆罐,壓強分別設(shè)置為1、1.5和2MPa,每個壓強對應(yīng)的保壓時間分別為1、2、3和4min.處理完畢后,迅速打開卸料閥,污泥從出料口噴出并爆碎,汽爆污泥在回收倉進(jìn)行收集.分別收集不同預(yù)處理條件下的污泥樣品,經(jīng)加蒸餾水調(diào)節(jié) TS為 6%污泥,經(jīng)勻漿儀調(diào)節(jié)后測定上清液中溶解性化學(xué)需氧量(SCOD)、溶解性蛋白質(zhì)、溶解性多糖和揮發(fā)性有機(jī)酸(VFAs),了解污泥中有機(jī)物水解釋放情況.

1.4 厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸實驗

厭氧發(fā)酵在 500mL的厭氧消化瓶中進(jìn)行,采用序批式發(fā)酵實驗.將60g TS/L不同條件汽爆后污泥用20mol/L NaOH調(diào)節(jié)pH=10,再加入50mmol/L溴乙烷磺酸鈉(BES)抑制產(chǎn)甲烷反應(yīng).厭氧瓶完全封閉,裝液量為350mL,種泥接種率為10%(體積比),充入99.9%的高純氮氣去除氧氣20min后放入轉(zhuǎn)速120r/min,35℃搖床進(jìn)行厭氧發(fā)酵.

1.5 分析方法

將調(diào)節(jié)后污泥以10000r/min離心10min,然后將上清液通過 0.45μm的針頭式過濾器過濾,過濾后的液體存放于4℃冰箱,用于測量SCOD、溶解性蛋白質(zhì)、溶解性多糖、氨氮、DNA和VFAs,剩余固相用來分析污泥粒徑[8].

總固體(TS)、揮發(fā)性固體(VS)和氨氮等常見指標(biāo)采用標(biāo)準(zhǔn)方法測得[17],用快速消解法測定溶解性化學(xué)需氧量(SCOD)[17],用苯酚-硫酸法測定溶解性多糖[18],考馬斯亮藍(lán) G250染色法測定溶解性蛋白質(zhì)[19],DNA含量測定采用紫外分光比色法進(jìn)行測定[20],污泥粒徑采用BT-2003型激光粒度分布儀進(jìn)行測定.

VFAs采用氣相色譜法測定.測量儀器為島津公司生產(chǎn)的 2010型氣相色譜,主要配置: AOC-20i自動進(jìn)樣器、FID檢測器、PEG-20M色譜柱(30m×0.32mm×0.5μm,大連中北分析儀器);采用一階程序升溫,初溫 80℃,保持 3min,然后以15℃/min的速率升至200℃,保持2min.載氣為氮氣,吹尾流量 30mL/min.進(jìn)樣室(SPL)和檢測器(FID)的溫度都設(shè)為250℃[8].

2 結(jié)果與討論

2.1 汽爆預(yù)處理對污泥液相中有機(jī)物的影響

圖1 (A)不同汽爆條件下污泥上清液中SCOD、蛋白質(zhì)和多糖濃度; (B) 污泥上清液中DNA含量Fig.1 (A) SCOD, protein and polysaccharide concentration under different steam explosion conditions; (B) DNA content in the sludge supernatant

污泥中微生物細(xì)胞內(nèi)含有大量的有機(jī)物質(zhì),且有穩(wěn)定的細(xì)胞壁起保護(hù)作用.蛋白質(zhì)、碳水化合物是污泥中有機(jī)物的主要成分.由于受污泥結(jié)構(gòu)的限制,污泥中有機(jī)質(zhì)無法轉(zhuǎn)變?yōu)镾COD.污泥經(jīng)過汽爆預(yù)處理不僅可以破壞污泥的絮體結(jié)構(gòu),還可以使污泥細(xì)胞內(nèi)的碳水化合物、蛋白質(zhì)以及胞內(nèi)其他大分子物質(zhì)溶出,轉(zhuǎn)變?yōu)槿芙庑晕镔|(zhì),從而提高可生化性.圖1(A)為不同條件下汽爆預(yù)處理污泥和對照組污泥液相中有機(jī)物的含量.從圖中可以看出,相對于對照組,經(jīng)過汽爆預(yù)處理后污泥液相中有機(jī)質(zhì)含量大幅增加.對照組污泥SCOD含量為 253.8mg/L,經(jīng)過汽爆處理后,隨著壓強和保壓時間的增加,SCOD呈現(xiàn)上升趨勢.在相同的保壓時間下,SCOD值隨著壓強的增加而增加,而在相同的壓強下,SCOD的值隨著保壓時間的增加而增加,這表明提高壓強和增加保壓時間都能夠促進(jìn)污泥SCOD值的增加,并且呈現(xiàn)出正相關(guān)的趨勢.其中SCOD最低濃度為5280mg/L (1MPa,1min),最高濃度為9544mg/L(2MPa, 4min),相對于原始污泥分別提高了20.8倍和37.7倍.

蒸汽爆破預(yù)處理對污泥液相中蛋白質(zhì)和多糖的濃度也會造成較大影響.如圖1(A)所示,相比于對照組污泥,經(jīng)過汽爆處理后,液相中蛋白質(zhì)和多糖濃度有較大提高.對照組污泥中蛋白質(zhì)和多糖濃度分別為30.8mg/L和120.9mg/L,經(jīng)過汽爆處理后,蛋白質(zhì)和多糖濃度基本也都隨壓強和保壓時間的增加而增加,其中蛋白質(zhì)和多糖最低濃度分別為 215.7mg/L (1MPa, 1min)和 522mg/L (1MPa, 1min),最高濃度分別為596.7mg/L (2MPa, 4min)和 1515mg/L (2MPa, 4min),最高濃度相比對照組污泥分別提高了19.4倍和12.5倍.蒸汽爆破不僅能夠促進(jìn)多糖和蛋白質(zhì)等有機(jī)質(zhì)的溶出,還能使微生物細(xì)胞內(nèi)的核酸(DNA)釋放到上清液中.如圖1(B)所示,汽爆預(yù)處理對于剩余污泥上清液中的核酸濃度具有促進(jìn)作用,其中對照組污泥上清液中核酸濃度為 2.5ng/μL,經(jīng)汽爆預(yù)處理后,污泥上清液中核酸濃度分別增加到5.2ng/μL(1Mpa,3min)、6.4ng/μL(1.5Mpa,1min)和9.1ng/μL(2Mpa,4min).在汽爆過程中,高溫和高壓作用導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)水分汽化,在瞬間爆破時,由于內(nèi)外壓差的作用,使得微生物細(xì)胞被水汽膨脹產(chǎn)生的剪切力所破壞,從而使得胞內(nèi)有機(jī)質(zhì)和核酸被釋放出來.這表明蒸汽爆破預(yù)處理能夠破壞污泥絮體結(jié)構(gòu),使得細(xì)胞內(nèi)有機(jī)質(zhì)溶出,促進(jìn)污泥水解.和本文類似,Bauer等[21]研究了不同預(yù)處理條件下蒸汽爆破對干草的影響,結(jié)果也表明,經(jīng)過汽爆預(yù)處理后,會增加干草中纖維素和半纖維素含量,并且隨著壓強和溫度的升高,會促進(jìn)半纖維素的溶解,同時也增加干草結(jié)構(gòu)的孔隙率,有利于后續(xù)的厭氧發(fā)酵.

2.2 汽爆對污泥可生化性的影響

汽爆不僅能夠提高污泥液相中有機(jī)質(zhì)的濃度,還能夠提高污泥的可生化性,如表2所示,分別測量了3個不同壓力條件下的 BOD5的值以及BOD5/SCOD,以此來判斷污泥的可生化性.

表2 汽爆預(yù)處理對污泥可生化性的影響Table 2 Effect of steam explosion on sludge biodegradability

如表所示,經(jīng)過汽爆預(yù)處理后,污泥液相中SCOD 值隨著處理強度顯著增加,同時BOD5/SCOD的值也明顯升高,從對照組污泥的0.51增加到0.66 (1MPa, 3min)、0.68 (1.5MPa, 1min)和 0.72 (2MPa, 4min),可生化性明顯增加,這是因為在汽爆過程中污泥結(jié)構(gòu)被破壞,高壓熱蒸汽的熱作用使得固相中有機(jī)物大量溶解到液相中,同時也由于熱作用大分子有機(jī)物分解成更有利于微生物利用的小分子有機(jī)物,從而增加可生化性.本研究表明汽爆預(yù)處理能夠提高污泥的可生化性,并且隨著處理強度的增加而增加.

2.3 汽爆對污泥微觀形態(tài)的影響

為了分析汽爆預(yù)處理對污泥顆粒大小的影響,分別對預(yù)處理前后的污泥進(jìn)行了粒徑分析.如圖 2為對照組污泥和汽爆預(yù)處理后污泥粒徑分布圖.從圖中可以看出相比于對照組污泥,經(jīng)過汽爆預(yù)處理的污泥的體積粒徑明顯下降.

圖2 對照組污泥和不同汽爆預(yù)處理污泥粒徑分布Fig.2 Average particle diameter of the raw sludge and at different steam explosion pretreatment conditions

對照組污泥的平均體積粒徑為 78.05μm,經(jīng)過汽爆預(yù)處理后,污泥平均體積粒徑隨著壓強和保壓時間的增加而減小,其平均體積粒徑分別為58.50μm (1MPa 60s)、56.77μm (1MPa 120s)、56.15μm (1MPa 180s)、55.75μm (1MPa 240s)、49.63μm (1.5MPa 60s)、49.04μm (1.5MPa 120s)、46.33μm (1.5MPa 180s)、45.92μm (1.5MPa 240s)、42.07μm (2MPa 60s)、39.62μm (2MPa 120s)、38.61μm (2MPa 180s)和37.00μm (2MPa 240s).從平均體積粒徑可以看出,汽爆可以明顯降低污泥的顆粒體積,這是由于在汽爆過程中高壓水蒸氣的熱作用使得原本緊密的污泥絮體結(jié)構(gòu)溶解,在汽爆的瞬間由內(nèi)外壓差造成的沖擊和剪切力的作用,使得大顆粒的污泥結(jié)構(gòu)被破壞,從而降低污泥平均體積粒徑,改變污泥的微觀物理形態(tài).Theliander等[22]研究了不同汽爆條件對杉木結(jié)構(gòu)的影響,結(jié)果表明汽爆能夠增加杉木結(jié)構(gòu)的多孔性,并且隨著汽爆過程中內(nèi)管壁內(nèi)水蒸氣的擴(kuò)張作用,能夠進(jìn)一步改變木質(zhì)結(jié)構(gòu),增加杉木的孔隙率.同時,汽爆后污泥流態(tài)性明顯增強,這主要是由于汽爆破壞了污泥結(jié)構(gòu),使得胞內(nèi)自由水和結(jié)合水被釋放.Zhao等[13]進(jìn)行了利用污泥經(jīng)過汽爆預(yù)處理來生產(chǎn)顆粒燃料的研究.結(jié)果表明,脫水污泥經(jīng)過汽爆預(yù)處理后,再經(jīng)過壓濾機(jī)脫水,含水率能顯著降低,其含水率能夠隨著壓強和保壓時間的增加而降低,且具有重復(fù)性.這表明汽爆技術(shù)還能夠改善污泥的脫水性能.

2.4 汽爆對污泥厭氧消化產(chǎn)酸的影響

采用經(jīng)過1MPa 3min、1.5MPa 1min和2MPa 4min汽爆的污泥和對照組污泥進(jìn)行厭氧發(fā)酵.由于經(jīng)過汽爆預(yù)處理后,污泥絮體結(jié)構(gòu)被破壞,有機(jī)質(zhì)溶出,所以在厭氧發(fā)酵時的產(chǎn)酸性能也有很大提高.

如圖3為發(fā)酵20d的產(chǎn)酸變化曲線.經(jīng)汽爆預(yù)處理后,初始酸濃度分別為 1.5g/L (1MPa, 3min)、1.46g/L (1.5MPa, 1min) 和1.22g/L (2MPa, 4min).經(jīng)過厭氧發(fā)酵后,第2d酸產(chǎn)量顯著上升,并且隨著發(fā)酵的時間而增加,到發(fā)酵第9

d時酸產(chǎn)量達(dá)到最高,分別為7.34g/L (1MPa, 3min)、7.12g/L (1.5MPa, 1min)、8.15g/L (2MPa, 4min)和 4.73g/L (對照組污泥).總酸中乙酸為主要成分,分別為 4.53g/L (1MPa, 3min)、4.37g/L (1.5MPa, 1min)、4.76g/L (2MPa, 4min) 和2.91g/L (對照組污泥).相比于未預(yù)處理污泥,經(jīng)過預(yù)處理后,污泥產(chǎn)酸量增加明顯,比空白對照分別增加1.55倍、1.51倍和1.72倍.類似的,利用蒸汽爆破技術(shù)對豬糞[23]、小麥秸稈[24]、芒草[25]和干草[21]等進(jìn)行預(yù)處理,來進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷實驗.實驗結(jié)果都表明汽爆能夠促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的溶出,經(jīng)汽爆后物料的產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣速率都要高于空白對照組.以上實驗結(jié)果表明,污泥經(jīng)過汽爆預(yù)處理能夠顯著增加液相中的有機(jī)質(zhì)含量,并提高后續(xù)厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸效率.

圖3 不同汽爆條件下的污泥發(fā)酵產(chǎn)酸變化曲線Fig.3 VFAs production profiles of sludge at different steam explosion pretreatment conditions

2.5 不同預(yù)處理方法效果對比

表3分別列舉了堿預(yù)處理[26]、熱預(yù)處理[27]、熱堿預(yù)處理[8]、生物方法[28]、超聲波預(yù)處理和臭氧預(yù)處理[29]的水解和發(fā)酵產(chǎn)酸效果.

如表3所示,蒸汽爆破預(yù)處理的水解率比生物方法和超聲波預(yù)處理效果要好,但相對于臭氧和熱預(yù)處理要低,其中熱堿預(yù)處理的組合工藝水解效率最高,達(dá)到 69.9%.生物方法所用蛋白酶價格較高且不易獲得,超聲波預(yù)處理雖反應(yīng)時間短處理效果好,但水解效率不如蒸汽爆破預(yù)處理.臭氧和熱預(yù)處理雖然水解率較高,但處理成本很高.熱堿預(yù)處理的水解率要高于蒸汽爆破預(yù)處理,但發(fā)酵產(chǎn)酸的產(chǎn)酸率卻相差并不明顯,這可能是由于熱堿預(yù)處理過程中雖然水解率較高,但同時產(chǎn)生了很多并不能被微生物利用的有機(jī)物,以至于后續(xù)厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸底物利用率較低,從而造成產(chǎn)酸率低的原因[30].蒸汽爆破預(yù)處理反應(yīng)時間短,處理效率高,雖然水解率并不能同熱堿預(yù)處理相 比,但仍能實現(xiàn)較高的產(chǎn)酸率.

表3 不同預(yù)處理效果對比Table 3 Comparative of different pretreatment

3 結(jié)論

3.1 城市污泥經(jīng)蒸汽爆破預(yù)處理,能夠破壞污泥絮體和細(xì)胞壁結(jié)構(gòu),污泥液相中溶解性有機(jī)物含量發(fā)生顯著變化,SCOD、多糖、蛋白質(zhì)和核酸濃度分別較空白對照組提高37.7、12.5、19.4和3.64倍,且濃度隨著預(yù)處理強度和保壓時間的增加而增加.

3.2 蒸汽爆破預(yù)處理能夠改變污泥粒徑大小.經(jīng)汽爆預(yù)處理后污泥粒徑較空白對照組最高減小 52.59%,能夠明顯降低污泥的顆粒體積,改變污泥的微觀物理形態(tài).

3.3 汽爆預(yù)處理能夠促進(jìn)污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸.相比于未預(yù)處理污泥,產(chǎn)酸量較空白對照組分別提高1.55倍(1MPa, 3min)、1.51倍(1.5MPa, 1min)和1.72倍(2MPa, 4min).最大產(chǎn)酸率為234.76mg COD/g VSS.表明蒸汽爆破技術(shù)能夠促進(jìn)污泥厭氧消化產(chǎn)酸,是一種有效的預(yù)處理方法.

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Impact of steam explosion on municipal sewage sludge pretreatment and anaerobic VFAs fermentation.

HAN Peng1, LIU He1,2*, DING Chun-hua2, LIU Hong-bo1, FU Bo1
(1.Jiangsu Key Laboratory of Anaerobic Biotechnology, Department of Environment and Civil Engineering, Jiangnan University,Wuxi, 214122 China；2.Zhenjiang East Biotech Equipment and Technology Co., Ltd., Zhenjiang, 212000 China). China Environmental Science, 2017,37(1)：238～244

Municipal sludge was pretreated by steam explosion treatment to explore its impact on the characteristics of sludge and the subsequent acidogenic fermentation. Effects of pressure and dwell time on sludge solubility and physical microstructure were studied. The results showed that sludge structure was destroyed after the pretreatment. The concentration of SCOD, protein, polysaccharide and DNA in liquid phase could reach the highest level of 9544mg/L, 596.7mg/L, 1515mg/L and 9.1ng/μL at 2 MPa, 4 min, respectively, which was increased by 37.7 folds, 19.4 folds, 12.5 folds and 3.64 folds of the raw sludge. In addition, changed sludge structure effectively reduced the size of sludge particles with the maximal reduction by 52.59% compared to average particle diameter of the raw sludge. After pretreatment, volatile fatty acids production through anaerobic fermentation could reach the highest concentration of 7.34g/L (1MPa, 3min), 7.12g/L (1.5MPa, 1min) and 8.15g/L (2MPa, 4min) at different pretreatment conditions, increasing by 1.55 times, 1.51 times and 1.72 times of the raw sludge, respectively. At the same time, longer dwell time could further improve solubility and potential of acid fermentation from sludge.

municipal sludge；steam explosion；anaerobic fermentation；volatile fatty acids

X705

A

1000-6923(2017)01-0238-07

韓 鵬(1990-),男,河南濟(jì)源人,江南大學(xué)碩士研究生,主要從事固體廢棄物資源化工程.

2016-05-16

科技部“十二五”科技支撐項目(2014BAD24B03-02);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助(JUSRP51633B)

* 責(zé)任作者, 教授, liuhe@jiangnan.edu.cn