污泥酸性發酵獲取SRB碳源的研究

宋秀蘭,段長征,李亞新

(1.太原理工大學環境科學與工程學院,太原 030024;2.晉中市環境科學研究所,山西晉中 030600)

污泥是污水處理中產生的固體廢物,數量巨大,如何妥善處理這些污泥,已成為世界各國學者共同關注的課題[1]。20世紀90年代以來,污泥處理的發展趨勢是污泥資源化[2]。生物法處理硫酸鹽酸性廢水技術是廢水處理研究的前沿課題。由于含硫酸鹽的廢水中有機物含量少,生物法處理時需要外加碳源(也稱電子供體),生物法處理這類廢水的關鍵在于選擇技術可行、經濟合理的碳源物質[3]。Prasad等[4]認為未經厭氧消化的污泥是生物處理硫酸鹽酸性廢水的適合的碳源,即利用污泥酸性發酵產物乙酸、丙酸、丁酸等作為碳源。對于不同的碳源物質,硫酸鹽還原菌(sulfate-reducing bacteria,SRB)還原SO42-的速率也不相同,乙酸、丙酸、丁酸作為SRB的碳源,SRB還原SO42-速率順序由大到小依次為丙酸、丁酸、乙酸[5]。為了盡可能利用污泥中碳源物質并使硫酸鹽還原反應器有最大的還原能力,必須在污泥酸性發酵產物中提高SRB易利用的短鏈脂肪酸的比例。本研究采用間歇運行的序批式反應器,用正交實驗方法考察了污泥體積分數、溫度、攪拌方式對污泥產酸量及污泥酸性發酵產物組成的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

采用序批式反應器進行污泥酸性發酵實驗,反應器由內徑148 cm、高39.5 cm的有機玻璃柱制成,總容積6.78 L,有效容積 6.6 L;反應器一側等間隔設置三個取樣口,底部中心也設有一個取樣口,用于排水。反應器上部加蓋密封,中心位置高,設有一個?6 mm圓孔,用于插入攪拌棒,采用O形圈密封,避免空氣從中心進入。蓋上還設兩個?10 mm的圓孔,一個用于進泥和取樣,進泥和取樣后用橡膠塞密封;另一個用于放溫控探頭,還設一個?6 mm圓孔用于形成水封和排出氣體。其裝置見圖1。

圖1 實驗工藝流程圖

為了控制實驗溫度,設有恒溫加熱系統,將反應器置于恒溫箱內,恒溫箱是由自制木箱外加隔熱保溫材料泡沫塑料組成。恒溫箱內設置4個100 W白熾燈泡作熱源,由XMTD數碼溫控儀控制。為使污泥與水充分混合,采用天津華興科學儀器廠生產的D-8401型精密多功能電動攪拌器進行可調速機械葉片攪拌。攪拌棒為直徑?6 mm長430 mm的不銹鋼鋼棒,鋼棒上均勻焊接3個不銹鋼片作為攪拌葉片。攪拌為間歇攪拌,由HB-88型電子定時間歇開關來實現。采用第二檔進行攪拌,轉速150 r/min左右。

1.2 污泥性質

實驗用泥取自太原市河西北中部污水處理廠脫水污泥,將其與沸水配制成一定濃度泥水混合液,置于反應器中,不調節pH值,不接種產酸菌,讓其自然發酵。由于實驗過程中氣體量少,污泥流動性差,從一側排水口不宜取樣,只能從上部取樣,這樣易使空氣進入反應器,即反應器不能嚴格密封,反應器中氧化還原電位在-100～48 mV,而產甲烷菌的氧化還原電位為-350 mV,故反應器可有效抑制產甲烷反應。泥水混合液起始pH值為6.41～6.89。實驗共進行了9次,其污泥性質見表1。

表1 實驗用污泥的性質 %

1.3 實驗方法

實驗采用間歇運行方式(分批進料、分批出料方式),用正交試驗方法分析溫度、污泥體積分數、攪拌方式等對污泥產酸量及污泥發酵產物組成的影響,實驗因素見表2。

表2 實驗因素水平表

選用L9(34)正交表進行試驗。

污泥酸性發酵效果,一方面以污泥產酸量來衡量。污泥產酸過程產生揮發酸(volatile fatty acid,VFA),以總乙酸計,計算公式如下:

揮發酸質量濃度=乙酸質量濃度+1.419×丙酸質量濃度+1.701×丁酸質量濃度[6]。

污泥產酸量為每1 g揮發性固體(VS)產生的總酸量(g)[7]。

另一方面,污泥酸性發酵是為了獲取SRB碳源,而SRB對丙酸利用率大于對乙酸、丁酸的利用率,所以希望污泥酸性發酵產物組成中丙酸質量分數較大。

1.4 分析方法

污泥總固體(TS)、污泥揮發性固體、污泥揮發分、含水率等,采用稱重法測定;pH值和氧化還原電位(ORP),采用PHS-3C型精密pH計測定;揮發酸質量濃度,采用GC-122型色譜儀(FID檢測器)測定。

2 結果與討論

2.1 污泥體積分數、溫度、攪拌方式對污泥產酸量的影響

污泥酸性發酵效果以污泥最大產酸量衡量,正交實驗結果見表3。

表3 正交試驗分析表

從表3來分析各因子水平改變對實驗的影響。

從因子A的角度來看,取A2最好,即污泥體積分數取10%時試驗結果最好。

從因子B的角度來看,取B1時試驗結果最佳,即溫度取22℃時試驗結果最好,22℃、42℃時污泥產酸量高于32℃時污泥的產酸量。這是因為中溫產甲烷菌的最適溫度為35℃左右,32℃與35℃接近,此時產甲烷菌活性大于22℃、42℃時產甲烷菌活性,污泥酸性發酵產生的揮發酸被乙酸產甲烷菌消耗,使得32℃時檢測的污泥最大產酸量低。污泥酸性發酵達到最大產酸量所用時間不同,是由于污泥的性質和污泥中微生物組成不同造成的。

從因子 C的角度來看,取 C2、C3較好,從節能的角度考慮,適宜的攪拌方式取C2,即每60 min攪拌10 min。

由表3中的極差大小說明,B因子的影響最大,A因子的影響次之,C因子的影響最小。

經上述綜合比較分析,可以得出采用間歇運行方式的污泥產酸最大化條件為A2B1C2,即為第4號實驗,污泥體積分數為10%,溫度為22℃ ,攪拌方式為每間隔60 min攪拌10 min。在該工況下,13 d時污泥產酸量最大,每1 g VS產生0.171 g VFA。

2.2 污泥體積分數、溫度、攪拌方式對污泥酸性發酵產物組成的影響

由表4知,第4號和第7號這兩種工況下,污泥酸性發酵產物中丙酸質量分數較高,乙酸質量分數較低,考慮到污泥產酸量及能耗仍選 A2B1C2為最優方案。經測定該工況下VS的去除率為21.58%,其污泥酸性發酵產物中乙酸、丙酸、丁酸質量分數分別為31.66%,33.64%,34.70%,為混合酸發酵。在該工況下進行了重現試驗,取得了基本一致的效果。

表4 九種實驗條件下污泥酸性發酵產物組成 %

3 結論

1)污泥酸性發酵實驗不接種厭氧泥、不調節pH值(起始 pH 值為6.41～6.89),反應器ORP值為-100～48 mV,采用間歇運行方式運行。

2)溫度對污泥產酸量影響顯著,攪拌方式、污泥體積分數影響不顯著。

3)最佳工況為:溫度22℃、污泥體積分數為10%、每間隔60 min攪拌10 min。在此工況下,污泥產酸量最大,每 1 g VS可產生0.171 g VFA,污泥酸性發酵產物組成中乙酸、丙酸、丁酸質量分數分別為31.66%,33.64%,34.70%,為典型混合酸發酵,VS的去除率為21.58%。

[1]尹軍.污水污泥處理處置及資源化利用[M].北京:化學工業出版社,2005.

[2]張光明,張信芳,張盼月.城市污泥資源化技術進展[M].北京:化學工業出版社,2006.

[3]Prasad D,Wai M,Berube P,et al.Evaluating substrates in the biological treatment of acid mine drainage[J].Environment Technology,1999,20(5):449-458.

[4]Kalyuzhnyi S,F ragoso C L,Martinez J R.Investigation of sulfate reduction in a UASB reactor using ethanol as electron donor[C].Proc.8th International Conf on Anaerobic Digestion.Sendai Japan,1997:25-29.

[5]宋秀蘭,李亞新.乙酸、丙酸和丁酸為SRB碳源時的利用率[J].中國礦業大學學報,2007,36(4):527-530.

[6]胡榮篤.用乙酸計量各種脂肪酸時的換算方法[J].中國沼氣,1995,13(2):46-47.

[7]Ross M Kyle,Holtzapple Mark T.Laboratory method for hig h-solids countercurrent fermentations[J].Applied Biochemistry and Biotechnology,2001,94:111-126.

[8]胡紀萃,周孟津,左劍惡,等.廢水厭氧生物處理理論與技術[M].北京:中國建筑工業出版社,2003.