不同发酵方式对污泥厌氧发酵性能的影响及其发酵液利用

中国环境科学2016,36(7)：2079~2089ChinaEnvironmentalScience不同发酵方式对污泥厌氧发酵性能的影响及其发酵液利用金宝丹,王淑莹*,邢立群,彭永臻(北京工业大学,北京市污水脱氮除磷处理与过程控制工程技术研究中心,北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室,北京100124)摘要：为了研究不同发酵方式对剩余污泥厌氧发酵性能影响及微生物对其发酵液的利用情况,将剩余污泥分别在Ca(OH)2(pH=10±0.2),Ca(OH)2+NaCl(pH=10±0.2),游离亚硝酸盐(FNA)(pH=5.5±0.2),单过硫酸氢钾复合盐(PMS),十二烷基苯磺酸钠(SDBS)及自然条件下进行发酵,发酵后期将发酵液用于生物脱氮研究,分别对发酵系统内的剩余污泥溶液化(SCOD)、溶解性蛋白质、溶解性多糖、可挥发性短链脂肪酸(SCFAs)和关键酶(水解酶和辅酶420)、NO3--N等指标进行分析.结果表明,6个发酵系统中,剩余污泥的水解酸化性能及发酵液利用具有显著的差别,其中Ca(OH)2+NaCl发酵系统中SCOD、SCFAs、水解酶、污泥减量效果等最佳,Ca(OH)2发酵系统次之,自然条件发酵系统最弱.同时发现,FNA发酵系统中蛋白质和多糖含量较高,但是由于水解酶活性较低,F420活性最高,导致较低的SCFAs积累量.发酵液作为碳源进行生物脱氮试验研究表明,以Ca(OH)2及Ca(OH)2+NaCl发酵系统中的发酵液作为碳源具有良好的脱氮效果,与乙酸钠做为碳源效果相似,同时出现NO2--N积累现象,但是FNA,PMS,SDBS发酵系统的发酵液由于存在大量的消毒剂等化学物质导致生物利用性较差.关键词：剩余污泥；厌氧发酵；水解酸化；发酵液；碳源；生物脱氮中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：1000-6923(2016)07-2079-11Theeffectofdifferentfermentationmethodsonthesludgeanaerobicfermentationperformanceandtheutilizationoffermentationliquor.JINBao-dan,WANGShu-ying*,XINGLi-qun,PENGYong-zhen(EngineeringResearchCenterofBeijing,KeyLaboratoryofBeijingforWaterQualityScienceandWaterEnvironmentRecoveryEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China).ChinaEnvironmentalScience,2016,36(7)：2079~2089Abstract：Inordertostudytheeffectofdifferentfermentationstylesonthewasteactivatedsludge(WAS)anaerobicfermentationperformanceandtheutilizationoffermentationliquorbymicroorganism.TheWASwerefermentedintheCa(OH)2(pH=10±0.2),Ca(OH)2+NaCl(pH=10±0.2),FNA(pH=5.5±0.2),PMS,SDBSandnaturallyfermentationsystem,andthefermentationliquorwasusedtode-nitrificationofbiology.Differentindicatorswereanalyzedrespectivelysuchasdissolutionoforganicmatters(SCOD),shortchainvolatilefattyacids(SCFAs),solubleprotein,solublepolysaccharide,keyenzyme(hydrolaseandcoenzyme420)andNO3--N.Theresultsshowedthatthehydrolyticacidificationperformanceandfermentedliquidutilizationofsixfermentationsystemshadsignificantdifference.ThemaximalvaluesofSCOD,SCFAs,hydrolaseactivityandsludgereductionappearedatCa(OH)2+NaClfermentationsystem,andCa(OH)2fermentationsystemwasfollowed,butthenaturallyfermentationsystemwasminimum.AlthoughtheproteinandpolysaccharidewasabundantintheFNAfermentationsystemassameasCa(OH)2+NaClfermentationsystem,butlowerhydrolaseandhigherF420activityledtothelowerSCFAsaccumulation.Thede-nitrificationtestsshowedthatthefermentedliquidfromCa(OH)2andCa(OH)2+NaClfermentationsystemshadaremarkablede-nitrificationeffectandlargeofNO2--Naccumulationwhichwassimilartosodiumacetate,butthefermentedliquidfromFNA,PMSandSDBSfermentationsystemscouldnotbewellusedbymicroorganismbecauseoflargeofpoisonoussubstance.Keywords：wasteactivatedsludge；anaerobicfermentation；hydrolyticacidification；fermentationliquor；carbonsource；biologicalde-nitrification剩余污泥中含有大量的蛋白质和多糖等有机物质,厌氧发酵不仅能将污泥中的有机物质释放到发酵系统中,同时能够将其进一步转化成生物处理过程的优质碳源,如可挥发性短链脂肪酸(SCFAs)[1-2].剩余污泥厌氧发酵可分为水解、酸收稿日期：2015-12-25基金项目：国家自然科学基金(51178007);北京市教委资助项目*责任作者,教授,[e-mail]2080中国环境科学36卷化和产甲烷3个阶段,其中水解是剩余污泥发酵的限制性步骤[3-4],同时产甲烷菌消耗酸化产物生成CH4,因此,如何提高污泥水解和抑制产甲烷菌活性是提高污泥发酵性能和污泥发酵产酸的关键.研究发现,通过物理、化学、加热或者生物处理等方法能够有效的促进污泥水解和降低产甲烷菌活性[5-8],然而能源消耗及二次污染是抑制污泥厌氧发酵的主要因素.碱性发酵已经被公认为污泥厌氧发酵产酸及污泥减量的有效方法[9-10].游离亚硝酸钠(FNA)和十二烷基苯磺酸钠(SDBS)作为工业活动副产物,由于其对微生物特有的杀毒抑制作用被学者用于污泥厌氧发酵研究[11-12].NaCl作为生活和工业的常用药剂,对微生物具有显著的影响,目前大多数学者关于NaCl对污水处理过程中脱氮除磷的影响进行大量的研究[13-15],同时NaCl也应用于污泥厌氧发酵产甲烷或者产氢研究[16-17],然而关于盐度对污泥厌氧发酵产酸研究较少[18].单过硫酸氢钾复合盐又称过一硫酸氢钾复合盐(PMS)被消毒液业誉为“水王子”,其化学式为2KHSO5·KHSO4·K2SO4,主要有效成分为KHSO5.PMS作为水处理消毒剂具有很强的氧化能力,可以杀灭水中微生物,去除污水中的有机物,代谢产物仅使水中的K+、SO42-有少许增加,不会对人类和环境带来影响[19-20].然而,研究者仅对PMS在生活用水消毒领域进行大量的研究及应用,但是PMS对污泥厌氧发酵的影响鲜有报道.同时污泥厌氧发酵研究以单因素研究居多,而且关于不同发酵方式下发酵液利用的情况也鲜有报道,因此本研究针对pH值、盐度、FNA、PMS、SDBS对剩余污泥厌氧发酵性能的特有影响,结合前期学者研究,直接采用其最佳发酵条件进行厌氧发酵,研究不同发酵方式对污泥厌氧发酵性能的影响,同时以发酵液为碳源进行生物脱氮研究,探讨不同发酵系统中发酵液的可利用性.1材料与方法1.1污泥来源及实验装置本试验使用的污泥来自SBR工艺中试剩余污泥(总体积:8.8m3,有效体积:6.2m3),该污泥在使用前用自来水清洗3次,并浓缩控制污泥浓度,试验污泥性质如表1所示.表1试验污泥性质Table1Sludgepropertiesoftest项目指标单位数值悬浮物污泥浓度(TSS)mg/L15920±155发酵污泥可挥发性污泥浓度(VSS)mg/L13213.6±241化学需氧量(COD)mg/L35.1±2挥发性脂肪酸(SCFAs)(以COD计)mgCOD/L3.45±0.32可溶性蛋白质(以COD计)mgCOD/L3.3±0.15可溶性多糖(以COD计)mgCOD/L2.41±0.5NH4+-Nmg/L5.5±0.4滤液PO43--Pmg/L3.2±0.2试验反应器材料为有机玻璃,总体积为2.5L,有效容积为2.0L,内设置转子及pH值探头,采用磁力搅拌器进行匀速搅拌,转速为750r/min,反应温度为(30±2)℃.该装置采用密封圈密封,以阻止外界空气进入,保证厌氧环境,同时在装置顶部设置取样.1.2试验方法1.2.1剩余污泥厌氧发酵试验从SBR工艺中试取得剩余污泥并且进行清洗浓缩,清洗后污泥及水溶液性质如表1,分别取2L浓缩后剩余污泥投加至1号、2号、3号、4号、5号、6号反应器,分别向1~5号反应投加Ca(OH)2(pH=10±0.2)、Ca(OH)2+NaCl(1.5mgNaCl/mgSS,pH=10±0.2)、单过硫酸氢钾(2KHSO5·KHSO4·K2SO4,PMS,0.04mg/mgSS)、NaNO2(2.04mgFNA/L,pH=5.5±0.2)、SDBS(0.2mg/mgSS),6号反应器为自然发酵即未投加任何药剂及调节pH值.其中NaCl[18]及PMS投加量根据前期试验总结,FNA和SDBS投加量根据前者研究所得[11-21].控制搅拌速度为750r/min,在室温条件即(30±2)℃下进行发酵试验,每2d取样一次.发酵试验所用的化学药剂均为分析纯.1.2.2发酵液作为碳源生物脱氮试验取SBR工艺全程脱氮除磷剩余污泥,取出后并清洗,控制污泥浓度(3000±245)mg/L,投加至1~6号1.5L反应器中.同时从相应的发酵系统中取发酵混合物,7期金宝丹等：不同发酵方式对污泥厌氧发酵性能的影响及其发酵液利用2081离心取上清液,投加至1号~5号实验组中,控制实验组中COD为300mg/L左右,6号实验组作为空白对照,即仅投加乙酸钠作为碳源.同时向1~6号反应器中投加NaNO3,控制NO3--N浓度为30mgN/L,开启磁力搅拌器350r/min,1min后取原样,然后每隔20min取样.样品过滤后进行分析.1.3分析方法化学需氧量(COD),悬浮污泥浓度(MLSS)及可挥发性污泥浓度(MLVSS)、NH4+-N、PO43--P、NO3--N及NO2--N等根据国标方法测定[22].可挥发性短链脂肪酸(SCFAs)采用Agilent6890DB-MAXETR气相色谱仪测定[10].多糖采用硫酸-蒽酮分光光光度法测定[23],蛋白质采用Lowry-folin试剂分光光