引言

市政污泥是污水處理廠的主要副產(chǎn)物，隨著我國(guó)污水治理事業(yè)的迅速發(fā)展，市政污泥產(chǎn)量大大增加。剩余污泥含水率高，并含有豐富的氮、磷等元素，以及多種微量元素。中溫厭氧消化（ＭＡＤ）既可實(shí)現(xiàn)良好的污泥穩(wěn)定化、無害化、減量化效果，還可產(chǎn)沼氣進(jìn)行回收利用，符合國(guó)家環(huán)保政策的日益嚴(yán)格和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求，目前已成為國(guó)內(nèi)外較常用的污泥處理工藝。

污泥厭氧消化通常經(jīng)歷水解、產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷３個(gè)過程，細(xì)胞外的胞外聚合物和細(xì)胞壁限制了胞內(nèi)有機(jī)物的釋放，緩慢的水解速率是污泥厭氧消化的限速步驟。目前研究多采用超聲、酸堿、冷熱預(yù)處理、輻射等技術(shù)強(qiáng)化污泥厭氧水解，但需要輸入大量能源，成本較高。游離亞硝酸（ＦＮＡ）是亞硝酸鹽的質(zhì)子化形態(tài)，能改變胞外聚合物的結(jié)構(gòu)組成，使污泥更加松散，使有機(jī)物快速釋放。ＦＮＡ偶聯(lián)污泥厭氧消化能夠促進(jìn)有機(jī)物的水解和酸化過程進(jìn)而為產(chǎn)甲烷菌提供了充足的消化基質(zhì)。ＦＮＡ可通過結(jié)合短程硝化工藝處理沼液時(shí)控制ｐＨ值和維持低曝氣獲得，具有較高的經(jīng)濟(jì)性。ＺＨＡＯ等單獨(dú)應(yīng)用ＦＮＡ處置污泥時(shí)發(fā)現(xiàn)ＦＮＡ能夠促進(jìn)污泥的水解過程，研究發(fā)現(xiàn)ＦＮＡ偶聯(lián)生物表面活性劑鼠李糖脂能顯著促進(jìn)污泥的水解及短鏈脂肪酸的累積，ＭｅｎｇＪｉａ等使用４.９～６.１ｍｇＮ·Ｌ－１的ＦＮＡ溶液對(duì)剩余污泥作２４ｈ的預(yù)處理后進(jìn)行常溫厭氧發(fā)酵，甲烷產(chǎn)率提高３７％。現(xiàn)有研究主要集中在燒瓶實(shí)驗(yàn)或中試裝置上ＦＮＡ預(yù)處理對(duì)剩余污泥厭氧發(fā)酵的提高產(chǎn)沼氣能力研究，而在工程應(yīng)用或工程試驗(yàn)上的可行性研究鮮有報(bào)道。

因此本文根據(jù)前述文獻(xiàn)資料，利用工程項(xiàng)目中沼液好氧生化處理系統(tǒng)，通過控制曝氣量的方法獲得含一定濃度ＦＮＡ的短程硝化液與市政剩余污泥在序批式中溫厭氧工藝段進(jìn)行聯(lián)合消化產(chǎn)沼，通過監(jiān)測(cè)消化過程中物料溶解性ＣＯＤ（ＳＣＯＤ），揮發(fā)性脂肪酸

（ＶＦＡ），ｐＨ值和沼氣產(chǎn)量探究ＦＮＡ對(duì)剩余污泥中溫厭氧消化在工程應(yīng)用上的效果。本試驗(yàn)為工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模試驗(yàn)，利用現(xiàn)有工藝進(jìn)行，重點(diǎn)考察了污泥消化過程的一系列參數(shù)，以便為后續(xù)工藝優(yōu)化提供技術(shù)支撐。

１ 污泥處理工藝

１.１項(xiàng)目工程簡(jiǎn)介

桂平市污泥處理廠（一期）主要收集桂平市污水處理廠及桂平市長(zhǎng)安工業(yè)園集中區(qū)污水處理廠剩余污泥進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣，沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)，沼渣制做園林綠化有機(jī)肥。市政污泥處理采用序批式中溫厭氧發(fā)酵工藝進(jìn)行厭氧發(fā)酵和產(chǎn)沼氣。

１.２項(xiàng)目工藝流程

該項(xiàng)目工藝流程見圖２

１.２.１ 原料調(diào)節(jié)池

原料調(diào)節(jié)池包含原料調(diào)節(jié)池１個(gè)，二期設(shè)置２個(gè)，調(diào)節(jié)池采取土建一二期合建、設(shè)備先上一期的做法。調(diào)節(jié)池為地上半封閉式，池內(nèi)設(shè)置攪拌裝置，池頂部設(shè)廢氣收集口，觀測(cè)口及檢修人孔。污泥運(yùn)至調(diào)節(jié)池，剩余市政污泥（含水率８０％）、部分回流沼液和自來水按照一定比例進(jìn)入原料調(diào)節(jié)池內(nèi)，攪拌均勻，待污泥呈粥樣化（含水率９０％～９５％）時(shí)，停止加水，先打開中溫厭氧一體化裝置進(jìn)料閥門后開啟進(jìn)料泵（干井泵）將粥樣化污泥輸送至中溫厭氧一體化裝置內(nèi)。

１.２.２中恒溫厭氧反應(yīng)裝置

中溫聯(lián)合厭氧消化系統(tǒng)基本工藝流程如下：

（１）調(diào)配好的剩余市政污泥在原料調(diào)節(jié)池進(jìn)行濃度及ｐＨ值調(diào)節(jié)后進(jìn)入中溫厭氧消化池中進(jìn)行厭氧反應(yīng)。

（２）污泥在中溫厭氧一體化裝置中通過攪拌系統(tǒng)保持均質(zhì)，通過太陽(yáng)能加熱裝置維持污泥最適宜的發(fā)酵溫度，發(fā)酵時(shí)間為２４ｄ左右，發(fā)酵期間所產(chǎn)生的沼氣進(jìn)入頂部的沼氣收集裝置，沼氣進(jìn)入沼氣輸送管，輸送至沼氣凈化裝置及儲(chǔ)存利用系統(tǒng)。一期項(xiàng)目共建有１２組中恒溫厭氧反應(yīng)裝置，中恒溫厭氧反應(yīng)裝置采用地上封閉式建造，單池容積有效容積９６ｍ３，內(nèi)置污泥切割泵定時(shí)定量進(jìn)行內(nèi)部循環(huán)攪拌，頂部設(shè)置水封、集氣、檢修于一體的沼氣收集裝置，加熱方式為太陽(yáng)能加熱保溫水箱，熱水經(jīng)池內(nèi)的換熱管加熱物料后返回保溫箱，循環(huán)利用。每２天進(jìn)料２０ｔ，發(fā)酵２４ｄ后卸料，實(shí)現(xiàn)每天１０ｔ市政剩余污泥的處理產(chǎn)能。

（３）完成２４ｄ的中溫厭氧發(fā)酵后，沼渣、沼液通過底部卸料的方式進(jìn)入卸料池，具體為首先打開中溫厭氧池的泄料閥待沼渣沼液泄至預(yù)設(shè)液位時(shí)，關(guān)閉泄料閥停止泄料后，再進(jìn)下一批污泥。每次卸料均留有約２０％的沼渣作為接種污泥。

１.２.３固液分離

沼渣為經(jīng)厭氧消化后的殘?jiān)袡C(jī)成分含量較低，固液分離性能較好，易于進(jìn)一步分離水分。

沼渣深度脫水系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱沼渣壓榨系統(tǒng)）主要是將厭氧反應(yīng)后的殘?jiān)冒蹇蚴綁簽V機(jī)進(jìn)行深度脫水，以達(dá)到廢渣穩(wěn)定，便于存放、減量化，利于后續(xù)利用的目的。厭氧反應(yīng)池內(nèi)消化后的殘?jiān)ㄟ^渣漿泵輸送至板框式壓濾機(jī)內(nèi)進(jìn)脫水。沼渣通過螺旋輸送機(jī)輸送至沼渣暫存區(qū)，在重金屬不超標(biāo)的情況下加工成有機(jī)肥。

１.２.４沼液污水處理系統(tǒng)

本項(xiàng)目污水來自污泥經(jīng)厭氧消化后的污泥殘?bào)w壓濾液，處理工藝采用多級(jí)生化組合處理工藝，主要由濾液池、常溫厭氧池、多級(jí)生化池、化混池、沉淀池、消毒池等組成。污泥殘?jiān)?jīng)板框式壓濾機(jī)脫水后濾液進(jìn)入濾液池，混合均勻后經(jīng)泵提升至常溫厭氧池，在降解有機(jī)物的同時(shí)進(jìn)行水解酸化。常溫厭氧出水排入多級(jí)生化池，生化池分成若干個(gè)的單元池，通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)曝氣量控制厭氧、缺氧及好氧等不同水環(huán)境，在通過微生物降解有機(jī)污染物的同時(shí)，進(jìn)行水解酸化，有機(jī)物分解，硝化和反硝化過程脫氮。有機(jī)污染物再在后續(xù)的單元池逐步被徹底氧化分解，基本不產(chǎn)生剩余污泥。生化池出水進(jìn)入化混池，經(jīng)消毒后作中水回用。經(jīng)過常溫厭氧、多級(jí)好氧與深度處理后出水可作為景觀用水或其他用途。

２ 試驗(yàn)方法與材料

２.１試驗(yàn)原料

本工程項(xiàng)目所處理的污泥來源于桂平市污水處理廠運(yùn)出的含水率約８０％的市政污泥，為保證污泥性質(zhì)的基本一致，試驗(yàn)用的污泥均選取同一間污水處理廠出來的污泥，污泥特性見表１。含ＦＮＡ的短程硝化液是通過控制沼液污水處理系統(tǒng)中好氧生化池前半段的曝氣量來獲得，當(dāng)池內(nèi)ＤＯ控制在１～１.５ｍｇ·Ｌ－１，ＨＲＴ為１．１ｄ的時(shí)候，可有效實(shí)現(xiàn)池內(nèi)ＦＮＡ的積累，通過使用Ｎ?（１?萘基）?乙二胺分光光度法監(jiān)測(cè)好氧生化池內(nèi)ＦＮＡ濃度達(dá)到１７０～２００ｍｇ·Ｌ－１，即完成短程硝化液的制備，并使用臨時(shí)管道和抽水泵抽至預(yù)處理池與污泥混合。

２.２試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次工程試驗(yàn)設(shè)置１組空白對(duì)照組和１組試驗(yàn)組來考察ＦＮＡ對(duì)污泥中溫厭氧消化過程及產(chǎn)氣產(chǎn)沼的影響。試驗(yàn)組將２０ｔ含水率８０％的市政污泥投至預(yù)處理池中，加入２.１所述的短程硝化液，攪拌均勻，待污泥呈粥樣化（含水率９０％～９５％）時(shí)，開啟進(jìn)料泵（干井泵）將粥樣化污泥輸送至中溫厭氧一體化裝置內(nèi)。取樣測(cè)定反應(yīng)器內(nèi)ＦＮＡ的濃度為１７８ｍｇ·Ｌ－１。空白組用自來水調(diào)節(jié)污泥含水率，其余操作與試驗(yàn)組相同。

污泥在中溫厭氧一體化裝置中通過攪拌系統(tǒng)保持均質(zhì)，通過太陽(yáng)能加熱裝置維持反應(yīng)器內(nèi)物料溫度為３６℃±１℃，發(fā)酵時(shí)間為２４ｄ，發(fā)酵期間所產(chǎn)生的沼氣進(jìn)入頂部的沼氣收集裝置，產(chǎn)氣量通過沼氣

在線流量計(jì)監(jiān)測(cè)，每天讀值并記錄。污泥消化過程中的物料溶解性ＣＯＤ（ＳＣＯＤ），ｐＨ值，揮發(fā)性脂肪酸（ＶＦＡ）和ＦＮＡ濃度通過取樣口每天采樣并在廠內(nèi)的化驗(yàn)室分析測(cè)定。

２.３分析方法

所取泥水混合液先在１００００ｒ·ｍｉｎ－１轉(zhuǎn)速下離心２ｍｉｎ，取上清液采用孔徑為０.４５μｍ微孔濾膜后得到的液體樣品。ＴＳ和ＶＳ：稱重法；ｐＨ值：采用ｐＨ計(jì)進(jìn)行測(cè)定；ＶＦＡ：滴定法；ＳＣＯＤ：重鉻酸鹽法；ＦＮＡ：分光光度法；產(chǎn)沼氣量、產(chǎn)甲烷量：渦街流量計(jì)［１５］。

３ 結(jié)果與討論

３.１對(duì)ＳＣＯＤ含量的影響

有機(jī)質(zhì)厭氧發(fā)酵需要經(jīng)過水解、酸化和甲烷化３個(gè)連續(xù)過程，污泥中有機(jī)物需經(jīng)過破壁釋放進(jìn)入水中才能被產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌利用，緩慢的水解速率是污泥厭氧消化的限速步驟。ＦＮＡ對(duì)細(xì)胞壁破降到最低值１２５ｍｇ·Ｌ－１；實(shí)驗(yàn)組在第３天達(dá)到了１１４３ｍｇ·Ｌ－１，第１９天降到最低值９５ｍｇ·Ｌ－１，對(duì)比實(shí)驗(yàn)組與空白組的ＳＣＯＤ含量變化，污泥與短程硝化液聯(lián)合中溫厭氧發(fā)酵的實(shí)驗(yàn)組比污泥單獨(dú)中溫厭氧發(fā)酵的空白組水解時(shí)間縮短了５０％，溶出ＳＣＯＤ濃度提高了７７.７６％，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，ＦＮＡ的投加在污泥中溫厭氧發(fā)酵中的破壁水解過程有加速作用，并且可降低后續(xù)沼液中ＣＯＤ濃度。

３.２對(duì)ＶＦＡ含量的影響

揮發(fā)性脂肪酸（ＶＦＡ）是污泥厭氧發(fā)酵中產(chǎn)酸發(fā)酵階段的產(chǎn)物，包括乙酸、丙酸、丁酸、異丁酸、戊酸、異戊酸、正丁酸等，不僅可以作為產(chǎn)甲烷的底物，而且是脫氮除磷微生物所必需的碳源^{［１６－１８］}。ＶＦＡ的含量及其組分對(duì)污泥厭氧發(fā)酵后續(xù)的產(chǎn)甲烷階段至關(guān)重要。ＶＦＡ含量上升主要是因?yàn)楫a(chǎn)酸菌利用水解產(chǎn)物合成ＶＦＡ，含量下降是由于產(chǎn)甲烷菌的消耗。

可以看出，反應(yīng)器中ＳＣＯＤ濃度在發(fā)酵初期快速增長(zhǎng)，然后保持平穩(wěn)，隨反應(yīng)進(jìn)行，快速下降至最低濃度后基本不變。這主要由于消化底物充足，水解、酸化細(xì)菌分泌的水解酶能徹底分解有機(jī)物而導(dǎo)致ＳＣＯＤ含量上升，到達(dá)頂峰后基本維持１０ｄ，說明這期間ＳＣＯＤ的生產(chǎn)量與消耗量基本維持平衡，１５ｄ之后由于消化底物有機(jī)質(zhì)減少的同時(shí)產(chǎn)甲烷菌消耗ＳＣＯＤ產(chǎn)生沼氣導(dǎo)致ＳＣＯＤ含量大幅下降。空白組ＳＣＯＤ在第６天達(dá)到最大值６４３ｍｇ·Ｌ－１，第２５天可以看出，空白組與實(shí)驗(yàn)組ＶＦＡ濃度都呈現(xiàn)快速上升后平穩(wěn)保持，再快速下降至較低水平維持平衡。實(shí)驗(yàn)組與空白組在發(fā)酵第５天差異顯著，空白組為４７６ｍｇ·Ｌ－１，實(shí)驗(yàn)組為９７８ｍｇ·Ｌ－１，提高了１０５％，在發(fā)酵第９天達(dá)到最大值，分別為７６８ｍｇ·Ｌ－１和１３６８ｍｇ·Ｌ－１，較空白組提高了７８％；第１２天實(shí)驗(yàn)組出現(xiàn)了極值１４２５ｍｇ·Ｌ－１且維持在較高值；在第２２天產(chǎn)氣基本完成，ＶＦＡ濃度降至最低。ＶＦＡ變化趨勢(shì)與ＳＣＯＤ基本一致，但達(dá)到最大值時(shí)間長(zhǎng)于ＳＣＯＤ，主要由于ＶＦＡ的產(chǎn)生和累積發(fā)生在多糖和蛋白質(zhì)水解后。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，ＦＮＡ的投加可提高污泥中溫厭氧發(fā)酵的ＶＦＡ產(chǎn)量。

３.3對(duì)污泥產(chǎn)氣量的影響

３.3.１日產(chǎn)氣量

空白組發(fā)酵初期產(chǎn)沼氣量和產(chǎn)甲烷量逐步上升，第１個(gè)產(chǎn)氣小高峰出現(xiàn)在第５天，沼氣流量計(jì)讀值為２９.８４ｍ３，甲烷流量計(jì)讀值為１２.５３ｍ３。第５～１０天日產(chǎn)沼氣量和產(chǎn)甲烷量逐漸下降，這主要因?yàn)榉磻?yīng)器內(nèi)ＶＦＡ的累積導(dǎo)致ｐＨ值下降，酸性環(huán)境下產(chǎn)甲烷菌受一定程度地抑制，隨著ＶＦＡ的逐漸消耗，反應(yīng)器內(nèi)ｐＨ值緩慢上升，日產(chǎn)氣量逐漸上升，第２個(gè)產(chǎn)沼氣高峰出現(xiàn)在第１７天，沼氣流量計(jì)讀值為４９.０２ｍ３，甲烷流量計(jì)讀值為２８.４３ｍ３，為整個(gè)發(fā)酵周期的最高值，隨著反應(yīng)器內(nèi)的有機(jī)質(zhì)消耗殆盡，日產(chǎn)氣量逐漸下降，到２４ｄ污泥的厭氧發(fā)酵基本完成。試驗(yàn)組的日產(chǎn)氣量走勢(shì)與空白組相似，產(chǎn)氣高峰也有２個(gè)，第１個(gè)產(chǎn)氣小高峰出現(xiàn)在第４天，沼氣流量計(jì)讀值為0 5 10 15 20 25 30 35消化時(shí)間/d３６.８ｍ３，比空白組的第１個(gè)產(chǎn)氣小高峰高１８.９１％，甲烷流量計(jì)讀值為１５.４６ｍ３，比空白組高２３.３８％。

第２個(gè)產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)在１７ｄ，沼氣流量計(jì)讀值為５６.３０４ｍ３，比空白組高１４.８６％，甲烷流量計(jì)讀值為３３.２２ｍ３，比空白組高１６.８５％。空白組沼氣中甲烷含量初期均值為４０.６％，實(shí)驗(yàn)組為４２％，隨著反應(yīng)進(jìn)行空白組均值逐步上升至５７.７１％，實(shí)驗(yàn)組上升至６０.６４％。

３.4. 累積產(chǎn)氣量

空白組與試驗(yàn)組累積產(chǎn)氣量的變化趨勢(shì)是一致的，都是先增長(zhǎng)后趨于平穩(wěn)，空白組的累積產(chǎn)氣量是５９８.２６ｍ３，試驗(yàn)組的累積產(chǎn)氣量是７１０.７ｍ３，產(chǎn)氣量提升１８.８％，這說明ＦＮＡ的投加在污泥中溫厭氧發(fā)酵的工程應(yīng)用中有效提高污泥的產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣率。污泥中溫厭氧發(fā)酵的資源化利用有較大的提升。但工程應(yīng)用中的產(chǎn)氣量提升率（１８.８％）不及ＭｅｎｇＪｉａ［１４］等在文獻(xiàn)報(bào)道中的３７％，由于本次工程試驗(yàn)中ＦＮＡ是通過短程硝化工藝獲得的，與文獻(xiàn)中所使用的由純水配制而成的ＦＮＡ溶液相比還包含了重金屬等抑制產(chǎn)甲烷菌活性的物質(zhì)，故需進(jìn)一步的試驗(yàn)優(yōu)化與機(jī)理探究揭示工程應(yīng)用中產(chǎn)氣量提升較少的原因所在。

４ 結(jié)論

（１）含ＦＮＡ的短程硝化液與市政剩余污泥聯(lián)合中溫厭氧發(fā)酵可顯著提高污泥的水解、酸化及產(chǎn)氣效率，當(dāng)ＦＮＡ濃度為１７８ｍｇ·Ｌ－１時(shí)，對(duì)照空白組ＳＣＯＤ和ＶＦＡ分別提高了７７.７６％，７８.１３％，３３.１５％和７４.０３％；甲烷產(chǎn)率提高了１８.８％；中溫厭氧有助于降低污泥ＣＳＴ，短程硝化液的回流投加可進(jìn)一步降低污泥ＣＳＴ，提高污泥脫水性能。發(fā)酵后沼渣脫水率提高了１３.３％。

（２）短程硝化液中的ＦＮＡ在發(fā)酵過程中被快速消耗，不會(huì)抑制產(chǎn)甲烷菌的活性。

（３）短程硝化工藝與市政剩余污泥中溫厭氧發(fā)酵工藝的結(jié)合運(yùn)用可節(jié)省沼液生化處理需氧量、碳源，縮短污泥消化系統(tǒng)停留時(shí)間，減少占地面積，為用地稀缺情況下污泥厭氧消化池改造提供了一條新路徑。

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