城市污水處理廠進(jìn)水碳源不足是一個(gè)普遍存在的問(wèn)題，導(dǎo)致后續(xù)脫氮效率較低。目前，解決該問(wèn)題的主要方法之一是外加部分碳源，如甲醇和乙酸鈉等。添加的部分碳源還有毒性，而且藥劑成本較高。如何以較低的成本提高脫氮效率是低碳氮比污水生物脫氮亟待解決的問(wèn)題，因此，尋找合適的外加碳源成為目前關(guān)注的熱點(diǎn)。水解酸化是把污泥中的大分子有機(jī)物分解成小分子有機(jī)物，得到揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)的過(guò)程。而VFAs中的乙酸和丙酸是增強(qiáng)生物脫氮的有利碳源，其反硝化速率比甲醇和乙醇更高。
超磁分離水體凈化工藝是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種物化水處理技術(shù)。磁分離技術(shù)借助外加磁場(chǎng)強(qiáng)化固液分離效率，較生物吸附技術(shù)處理效率高，較膜分離技術(shù)能耗低，能彌補(bǔ)現(xiàn)有碳源濃縮技術(shù)各自的劣勢(shì)，滿足節(jié)能降耗需求。其能快速有效地去除生活污水中的大部分有機(jī)物，COD分離去除率約為75%，SCOD的分離去除率超過(guò)60%，TP去除率接近90%。本研究所采用的超磁分離設(shè)備的進(jìn)水為生化處理前的污水，所以超磁分離污泥類似于初沉污泥。而初沉污泥中含有大量的有機(jī)物，是很好的發(fā)酵底物。目前，國(guó)內(nèi)外有許多關(guān)于初沉污泥、剩余污泥以及兩者混合污泥的水解產(chǎn)酸的研究報(bào)道。但是對(duì)于超磁分離污泥與剩余污泥協(xié)同水解酸化的相關(guān)研究，還很少見(jiàn)?，F(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，在不調(diào)控pH，溫度為30℃的反應(yīng)條件下，既可以為生化系統(tǒng)提供更多的SCOD，又可以避免系統(tǒng)過(guò)高的N、P負(fù)荷。
本研究在維持溫度30不調(diào)控pH條件下，選取了2種超磁分離后污泥(R1、R2)、剩余污泥(W1、W2)，設(shè)置R1、W1為一組，設(shè)置R2、W2為另一組，進(jìn)行了超磁分離污泥、混合污泥以及剩余污泥3種不同類型污泥水解酸化的對(duì)比研究，其中混合污泥為超磁分離污泥以及剩余污泥按不同比例混合后的污泥(5組)。探究了污泥性質(zhì)的差異對(duì)水解酸化及酸化產(chǎn)物組分的影響，為污水廠通過(guò)污泥產(chǎn)酸發(fā)酵獲得碳源進(jìn)行污泥種類的選擇提供參考。
一、材料與方法
1.1 實(shí)驗(yàn)原料
R1、W1分別為污水處理廠停產(chǎn)前超磁分離污泥以及含水率為80%的脫水污泥；R2、W2分別為污水處理廠停產(chǎn)后超磁分離污泥以及某強(qiáng)化生物除磷(EBPR)中試工藝的二沉池中的剩余污泥。其中R1所用污水取自東壩污水處理廠細(xì)格柵之后，R2所用污水取自污水處理廠進(jìn)水井(粗格柵之前)。實(shí)驗(yàn)前，將W1用蒸餾水稀釋，將W2在4℃下濃縮24h，然后排出上清液。以期達(dá)到與超磁分離污泥相似的揮發(fā)性固體(VSS)。實(shí)驗(yàn)前，取1d內(nèi)不同時(shí)段的污泥，混合后接種。4種污泥特征(至少經(jīng)過(guò)3次重復(fù)測(cè)定取平均值)結(jié)果見(jiàn)表1。R1、W1、R2和W2的初始pH為7.55、7.68、6.85和6.91，含水率為0.9847、0.9822、0.9683和0.9772。投加比例見(jiàn)表2，1~7號(hào)投加的比例以剩余污泥的體積和VSS計(jì)，其中1號(hào)為超磁分離污泥，7號(hào)為剩余污泥，2〜6號(hào)為投加了不同比例的剩余污泥。
1.2 實(shí)驗(yàn)裝置與方法
超磁分離污泥水解酸化的批次實(shí)驗(yàn)在恒溫培養(yǎng)箱中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，采用7個(gè)2L的反應(yīng)器，接種污泥體積為1.8L。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，曝氮?dú)?min，以驅(qū)除反應(yīng)器中的氧氣，然后使用橡膠塞密封，橡膠塞上開(kāi)2個(gè)孔，分別是氮?dú)獯?，以及取樣口，反?yīng)器采用磁力攪拌器攪拌。
1.3 分析方法
本研究在首創(chuàng)東壩污水處理廠現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，每天早晚各取反應(yīng)器的出水進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)的測(cè)定。由于水解消化后污泥脫水性能變差，因此，各指標(biāo)測(cè)定前須對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理主要包括離心及過(guò)濾2個(gè)過(guò)程。離心采用100mL的離心管，設(shè)置轉(zhuǎn)速為5000r•min-1，離心45min。然后將上清液用0.45μm的微孔濾膜過(guò)濾，去除上清液中小顆粒物質(zhì)，避免阻塞測(cè)定儀器并確保測(cè)量精度。
常規(guī)分析參考文獻(xiàn)中的方法，其中TCOD、SCOD采用重鉻酸鉀法，TN采用過(guò)硫酸鉀氧化紫外分光光度法，TP采用過(guò)硫酸鉀氧化鉬酸銨分光光度法，SOP采用鉬酸銨分光光度法，NH4+-N采用納氏試劑光度法，VSS和SS采用重量法。pH采用HACHHQ40d測(cè)定儀測(cè)定。VFAs采用瑞士萬(wàn)通883型離子色譜儀測(cè)定。
二、結(jié)果與討論
2.1 污泥水解產(chǎn)SCOD的變化
污泥水解情況可以使用SCOD來(lái)表示。2種剩余污泥在不同接種比例下對(duì)超磁分離污泥水解酸化的影響如圖2所示。由圖2(a)和圖2(b)可見(jiàn)，2種超磁分離污泥(R1、R2)自然水解產(chǎn)生的SCOD均在第4天達(dá)到峰值，分別為1118.68 mg•L-1和2063.50 mg•L-1，雖然兩者水解得到的SCOD不同，但是從圖2(c)可以看出，其SCOD/VSS的變化規(guī)律是一致的，最高值均出現(xiàn)在第4天，為110 mg•g-1。說(shuō)明2種超磁分離后的污泥水解產(chǎn)酸的效果基本是一致的。
剩余污泥(W1、W2)自然水解產(chǎn)生的SCOD均在第7天達(dá)到峰值，分別為1599.88 mg•L-1和4954.80mg•L-1。由圖2(a)可以看出，2號(hào)和3號(hào)的SCOD最大值均出現(xiàn)在第4天，分別為1196.80 mg•L-1和1248.40 mg•L-1、4號(hào)的SCOD最大值出現(xiàn)在第5天，為1262.57 mg•L-1，5號(hào)、6號(hào)和7號(hào)的SCOD最大值均出現(xiàn)在第7天，分別為1443.68、1493.96和1599.88 mg•L-1。隨著剩余污泥比例的增加，不僅可以增加SCOD的析出量，還可以延長(zhǎng)其達(dá)到最大值的時(shí)間；與R1、W1水解不同的是，由圖2(b)可以看出，2〜7號(hào)的SCOD最大值均在第7天，并且其隨著接種比例的增加而增大，分別為2435.30、2622.70、2668.80、3151.00、3423.20和4954.80 mg•L-1。這與蘇高強(qiáng)等的研究結(jié)果相似。
W1、W2產(chǎn)SCOD出現(xiàn)如此大的差異，推測(cè)其原因是：一方面，W1為脫完水后的污泥，其中聚丙烯酰胺(PAM)的存在增加了分子間的團(tuán)聚性，進(jìn)而減少了發(fā)酵微生物與消化基質(zhì)的接觸，從而減少了SCOD的產(chǎn)量；另一方面，W2為某穩(wěn)定運(yùn)行的EBPR系統(tǒng)，污泥中微生物的含量較W1多，水解酸化菌通過(guò)對(duì)污泥中微生物細(xì)胞壁破壞從而促使細(xì)胞內(nèi)容物釋放。
2.2 污泥產(chǎn)酸效果分析
水解酸化過(guò)程中產(chǎn)生的VFAs主要是由發(fā)酵產(chǎn)酸菌對(duì)可溶性有機(jī)物的吸收轉(zhuǎn)化。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，3種污泥產(chǎn)生的酸主要是乙酸、丙酸、正丁酸、異丁酸和正戊酸，將其乘以相應(yīng)的系數(shù)換算成COD后相加，其和為揮發(fā)性有機(jī)酸量實(shí)驗(yàn)選取R1、W1進(jìn)行分析，污泥水解過(guò)程中VFAs的生成情況如圖3所示。由圖3可以看出，VFAs的變化規(guī)律與SCOD是一致的，均呈先增大后減少的趨勢(shì)。1號(hào)(超磁分離污泥)自然水解VFAs的峰值出現(xiàn)在第4天，峰值為353.54 mg•L-1，與SCOD的變化趨勢(shì)相同的是，混合污泥2〜6號(hào)分別在第4、4、5、7和7天，水解液中產(chǎn)生的VFAs達(dá)到最大值，分別為399.98、436.52、449.03、520.05和556.97 mg•L-1，7號(hào)(剩余污泥)自然水解產(chǎn)生的VFAs的峰值出現(xiàn)在第7天，為477.52 mg•L-1。從圖3中還來(lái)可以看出，接種剩余污泥能提高VFAs的產(chǎn)生量，并且隨著接種剩余污泥的增加，也能延長(zhǎng)其VFAs達(dá)到峰值的時(shí)間。
在初始階段，污泥中易降解顆粒物質(zhì)首先被水解酸化菌轉(zhuǎn)化為VFAs，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，易降解物質(zhì)被消耗完全，水解酸化菌開(kāi)始利用較難降解的顆粒及大分子物質(zhì)，這樣導(dǎo)致VFAs的產(chǎn)速變慢。由圖3可以看出：混合污泥與超磁分離、剩余污泥比較，更易酸化產(chǎn)VFAs。這是因?yàn)橐环矫婊旌衔勰辔酱罅磕z體和易降解有機(jī)物，水解酸化菌能被有效利用；另一方面，超磁分離污泥中雖然有機(jī)物含量很高，但多數(shù)屬于慢速降解碳源；剩余污泥中的有機(jī)物主要存在其細(xì)胞內(nèi)和胞外聚合物中，不經(jīng)過(guò)有效預(yù)處理水解酸化菌難以利用。
2.3 VFAs：SCOD及VFAs組分分析
SCOD向VFAs的轉(zhuǎn)化率能直接用來(lái)反映污泥的產(chǎn)酸效果。實(shí)驗(yàn)選取R1、W1進(jìn)行分析，由圖4可以看出，在前4d，VFAs：SCOD均逐漸變大，混合污泥VFAs：SCOD比值一直領(lǐng)先超磁分離、剩佘污泥。1〜7號(hào)的VFAs：SCOD分別在第4、4、4、5、7、7和7天達(dá)到最大值分別為0.316、0.334、0.350、0.360、0.361、0.373和0.299。因此，僅從VFAs：SCOD來(lái)看：混合污泥較之于超磁分離具有較高的產(chǎn)酸優(yōu)勢(shì)；且剩余污泥接種量的增加也加快了水解酸化的速率，從而加深了酸化的程度。
ELEFSINIOTIS等指出，反硝化優(yōu)先利用乙酸，其次為丁酸(包括異丁酸和正丁酸)和丙酸，最后是戊酸(包括異戊酸和正戊酸)。CHEN等發(fā)現(xiàn)，適宜作為除磷碳源的2種有機(jī)酸為乙酸和丙酸，從短期看，乙酸作為碳源除磷效果較好，而從長(zhǎng)期看，丙酸作為碳源要比乙酸作為碳源的除磷效果好?？梢?jiàn)SCFAs的組成情況對(duì)其作為碳源被利用具有重要的影響。
由于超磁分離污泥SCOD在第4天即達(dá)到最大值，此時(shí)選取R1、W1進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5所示。實(shí)驗(yàn)中污泥水解酸化主要生成5種揮發(fā)性脂肪酸，分別為乙酸、丙酸、正丁酸、異丁酸和正戊酸。超磁分離污泥中5種酸的含量大小為乙酸>正戊酸>正丁酸>異丁酸>丙酸，而剩余污泥中5種酸的含量大小為乙酸>丙酸>正戊酸>正丁酸>異丁酸?；旌衔勰嘀须S著剩余污泥占比的增加，丙酸和異丁酸的含量也有不同程度的增加，正丁酸出現(xiàn)了下降的趨勢(shì)，而正戊酸的變化不大。從圖5中易看出，各種污泥產(chǎn)VFAs中，乙酸均具有明顯優(yōu)勢(shì)。這與蘇高強(qiáng)等、劉紹根等、吳昌生等的研究結(jié)果是一致的。之所以乙酸占比最高，其主要原因?yàn)椋阂环矫?，水解產(chǎn)物被產(chǎn)酸菌降解為乙酸，且乙酸可以直接從碳水化合物和蛋白質(zhì)的水解酸化得到；另一方面，其他的有機(jī)酸(丙酸、丁酸或戊酸等)在某些胞內(nèi)酶的作用下也可進(jìn)一步生成乙酸。
2.4 污泥水解N元素的變化
不同比例的剩余污泥對(duì)N元素的影響見(jiàn)圖6。超磁分離污泥以及剩余污泥中含有大量的蛋白質(zhì)，所以水解酸化過(guò)程中除了有VFAs、SCOD等有機(jī)物溶出以外，還會(huì)伴隨著N元素的釋放。本研究主要以NH4+-N和TN為考察對(duì)象。在以往對(duì)于污泥厭氧發(fā)酵的研究中，都出現(xiàn)了不同程度的N元素的釋放對(duì)于R1、W1，由圖6(a)可知，3種不同的污泥的NH4+-N都呈現(xiàn)出逐漸增長(zhǎng)的趨勢(shì)。并且隨著剩余污泥接種量的增加，NH4+-N的增加量也越大。反應(yīng)進(jìn)行到第4天時(shí)，1〜7號(hào)的增加量分別為78.79、85.97、91.11、94.68、97.28、115.32和115.91 mg•L-1。
對(duì)于R2、W2，由圖6(b)可知，3種不同的污泥呈現(xiàn)出與R1、W1—樣的變化規(guī)律，不同于R1、W1的是，其NH4+-N的增加量更大。第4天，1~7號(hào)NH4+-N的增加量分別為127.34、147.56、153.53、176.34、206.19、244.41和399.83 mg•L-1。由于剩余污泥主要是由一些活性生物絮體組成，因此，含有較多的蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)水解能釋放出大量的氨氮。
系統(tǒng)中的TN主要是以NH4+-N的形式存在，由圖6(c)和圖6(d)中可以看出，TN具有和NH4+-N相似的變化規(guī)律。剩余污泥接種量的增加也加快了N元素的溶出，含有大量氮元素的水解酸化液若投加到脫氮系統(tǒng)中，勢(shì)必增加系統(tǒng)的N負(fù)荷。因此，剩余污泥的接種量應(yīng)該綜合考慮氮元素的釋放對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)后續(xù)的脫氮除磷的影響。
2.5 污泥水解P元素的變化
在污泥的厭氧消化過(guò)程中，隨著污泥的解體和細(xì)胞的破壁，會(huì)有大量的磷釋放到水解酸化液中。如果將水解酸化液直接用于脫氮除磷的碳源，會(huì)增加后續(xù)處理的磷負(fù)荷。所以，在此之前都會(huì)進(jìn)行前處理，對(duì)氮磷進(jìn)行部分回收。因此，監(jiān)測(cè)P的溶出情況很有必要。
在以往對(duì)于污泥水解酸化的研究中，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，都在不同程度上伴隨著磷元素的析出。吳昌生等在對(duì)堿預(yù)處理絮凝污泥水解酸化影響的研究中發(fā)現(xiàn)：在25℃時(shí)，磷酸鹽濃度在第480分鐘達(dá)到峰值，為7.65mg•L-1，在35t時(shí)，在第480分鐘達(dá)到峰值，為15.23 mg•L-1蘇高強(qiáng)等發(fā)現(xiàn)混合污泥厭氧發(fā)酵在第6大時(shí)磷酸鹽的釋放量為120 mg•L-1、由于超磁分離在污水處理前端就已經(jīng)去除了系統(tǒng)中絕大多數(shù)的磷酸鹽，減輕了后續(xù)的處理壓力，所以對(duì)于超磁分離污泥的水解酸化，并不希望有P元素的析出。
對(duì)比2種超磁分離污泥(R1、R2)P的釋放情況，由圖7可知，不管是TP還是SOP，其值較初始值都沒(méi)有較大的變化，并沒(méi)有P的析出。推測(cè)可能是由于超磁分離污泥中有PAC(聚合氯化鋁)，抑制了磷酸鹽的釋放。對(duì)比2種剩余污泥(W1、W2)的TP，由圖7(b)可知，TP的濃度在前5d逐漸升高，在第5天達(dá)到峰值，為此后逐漸降低。由圖7(a)可知，2〜6號(hào)TP的濃度穩(wěn)定在1〜2 mg•L-1，并沒(méi)有很明顯的磷的析出；由圖7(d)可以看出，TP的濃度在第3天即達(dá)到峰值，為385.11 mg•L-1，此后濃度穩(wěn)定在390 mg•L-1左右，由圖7(c)可知，2~6號(hào)TP的濃度在3d后分別穩(wěn)定在4.31、9.61、16.96、32.81、57.50 mg•L-1左右。2種剩余污泥釋磷情況有巨大差異，推測(cè)其原因是：W1 >
2.6 綜合分析
污泥水解酸化旨在獲取較多可利用碳源，但同時(shí)也存在著氮元素的釋放。較高的氮釋放勢(shì)必會(huì)增加系統(tǒng)的氮負(fù)荷，同時(shí)加劇對(duì)碳源的競(jìng)爭(zhēng)，最終降低系統(tǒng)的脫氮效率。因此，在污泥水解酸化反應(yīng)獲得較多碳源的同時(shí)盡量減少總氮的釋放，即達(dá)到較高的△SCOD/△TN值。由于超磁分離后的污泥水解產(chǎn)酸在第4天達(dá)到最大值，所以考察了第4天時(shí)各污泥的△SCOD/△TN值。由圖8(a)可以看出，在第4天，3號(hào)的△SCOD/△TN值最大，為9.80，此時(shí)，剩余污泥的投加比例為12.2%。由圖8(b)可以看出，在第4天，3號(hào)的△SCOD/△TN值最大，為9.86，此時(shí)，剩余污泥的投加比例為13.6%。由此可見(jiàn)，在只考慮N元素的影響時(shí)，雖然2種剩余污泥 >
三、結(jié)論
1)2種超磁分離污泥(R1、R2)自然水解產(chǎn)生的SCOD均在第4天達(dá)到峰值，剩余污泥(W1、W2)自然水解產(chǎn)生的SCOD均在第7天達(dá)到峰值，隨著剩余污泥接種量的增加，混合污泥SCOD的析出量也逐漸增加。
2)對(duì)R1、W1進(jìn)行產(chǎn)酸分析發(fā)現(xiàn)：剩余污泥接種量的增加促進(jìn)了混合污泥VFAs的生成；各種污泥產(chǎn)VFAs中，乙酸均具有明顯優(yōu)勢(shì)，并且會(huì)促進(jìn)丙酸的累積。
3)VFAs：SCOD值的分析結(jié)果表明，混合污泥較之于超磁分離、剩余污泥具有快速、髙效的產(chǎn)酸優(yōu)勢(shì)，且剩余污泥接種量的增加也加快了水解酸化的速率并且加深了酸化的程度，但是會(huì)延長(zhǎng)其達(dá)到峰值的時(shí)間。
4)污泥產(chǎn)酸發(fā)酵的同時(shí)，還存在著N元素的釋放，且隨著剩余污泥接種量的增加，N元素的釋放更明顯；對(duì)比2種剩余污泥(W1、W2)，W1作為接種污泥時(shí)，并沒(méi)有明顯的P元素的釋放，當(dāng)W2作為接種污泥時(shí)，伴隨著比較明顯的P元素的釋放。
5)綜合考慮剩余污泥對(duì)于超磁分離污泥水解酸化效果影響發(fā)現(xiàn)，當(dāng)剩余污泥接種量W1為12.2%，W2為13.6%時(shí)，既可以為系統(tǒng)提供更多的SCOD，又可以避免過(guò)高的氮負(fù)荷。( >
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