pH對剩余污泥發酵耦合反硝化系統性能的影響

王博，霍明昕，王淑瑩，袁泉，李永波，彭永臻

(1. 北京工業大學 北京市水質科學與水環境恢復工程重點實驗室，北京市污水脫氮除磷處理與過程控制工程技術研究中心，北京，100124；2. 東北師范大學 城市與環境科學學院，吉林 長春，130024)

隨著城市生活污水量的增加，由此所產生的污泥量也越來越多[1-2]，污水廠剩余污泥的處理處置正日益成為環境領域關注的熱點。利用水解酸化細菌破壞污泥細胞物質，這樣不僅可以實現剩余污泥發酵產酸，使得產生的二次基質用來補充生物脫氮除磷所必需的碳源[3]，而且還可以實現污泥的減量。國內外對污泥內碳源開發技術進行了較深入研究，同時開發了相應的利用方法和工藝，但這些技術存在2 個問題：(1) 污泥發酵后泥水分離困難，使得產生的VFA(揮發性脂肪酸)很難被提取出來[4]；(2) 在完全厭氧的反應器中很難避免產甲烷反應產生，因此，發酵產物很可能被產甲烷菌大量消耗[5]。而污泥發酵耦合反硝化技術針對上述問題有如下優點：無需對發酵液與污泥進行分離，發酵產物產生后隨即被周圍的反硝化菌利用，這樣不僅減少了泥水分離步驟，而且增加了發酵反應推動力；由于NO-x-N 的存在，避免了產甲烷反應的發生，防止了發酵產物被產甲烷菌消耗。可見，剩余污泥發酵耦合反硝化技術既可以很好地解決污水處理碳源缺乏的問題，還可以實現污泥發酵產物簡捷利用，進一步促進污泥減量。pH 是影響污泥發酵的重要因素之一。許多研究者發現剩余污泥經過堿性處理后，其水解產酸速率得到有效提高[3-4]，也有人認為污泥在酸性和堿性環境發酵效果均比中性環境好，水解酸化效率高[6]。對于反硝化反應，許多研究者發現適宜的pH 范圍大都為中性或偏堿性，在7.5～8.5 且當pH 偏離這一范圍時，反硝化效率逐漸降低[7]。考慮到滿足良好的污泥發酵與反硝化要求，本文作者對比研究了不同pH(5，7，9 及pH 不調)對剩余污泥發酵耦合反硝化系統的污泥溶解、基質釋放、污泥減量及反硝化的影響，借以尋求最適宜的pH 范圍。

1 材料與方法

1.1 剩余污泥

試驗用剩余污泥取自以生活污水為處理對象的中試SBR 反應器(序批式反應器)，污泥初始性質如表1所示。剩余污泥在使用前用自來水淘洗3 次后配成懸浮固體(SS)質量濃度約為10 g/L 的泥水混合液。

1.2 試驗裝置和方法

剩余污泥發酵耦合反硝化以4個有效容積為1.5 L的密閉式玻璃瓶為反應器(裝置如圖1 所示)，控制溫度為(30±1) ℃，每個反應器一次性投加剩余污泥1.5 L，用磁力攪拌器進行攪拌，維持轉速為800 r/min，控制1 號、2 號、3 號反應器內pH 分別為5.0，7.0 和9.0，4 號反應器不調pH，作為對照，反應進行18 d。每天定時從4 個反應器中取泥水混合液15 mL，用0.45μm 的水系濾膜過濾，并保留濾液進行測定，定時一次性投加100 g(N)/L 的NaNO2溶液15 mL。每隔12 h，用3 mol/L 的HCl 或2 mol/L 的NaOH 溶液調節pH。

表1 pH=7.6 時試驗用剩余污泥各組分含量(質量分數)Table 1 Initial properties of waste activated sludge (WAS) at pH=7.6 mg/L

圖1 試驗裝置圖Fig.1 Schematic diagram of experimental setup

1.3 分析方法

2 結果與討論

2.1 pH 對多糖、蛋白質產生的影響

不同pH 條件下多糖質量濃度的變化情況如圖2所示。由圖2 可見：在不同pH 條件下，隨著反應時間的增加，多糖質量濃度(ρ1)的變化呈現出不同的變化規律；當pH 為5 時，ρ1均比其他條件下高且隨反應時間不斷增加，在第18 天，ρ1達到最大值，為648.9 mg/L；當pH 為7 和9 時，ρ1整體上呈現出先增加、到第12 天后又下降的趨勢；在pH 不調的條件下，ρ1表現為波動趨勢，而這也恰恰反映出pH 對多糖的產生具有一定的影響。

圖2 不同pH 條件下多糖質量濃度的變化情況Fig.2 Variation of carbohydrate mass concentrations at different pH values

不同pH 時蛋白質質量濃度的變化情況如圖3 所示。由圖3 可見：在不同pH 條件下，隨著反應時間的增加，蛋白質濃度(ρ2)也呈現出不同的變化規律：當pH 為5 時，ρ2隨反應時間不斷增加；與此相反，當pH 為7 時，ρ2卻呈現出下降的趨勢；而pH 為9 與pH不調的條件下，ρ2呈現出波動的變化。

圖3 不同pH 時蛋白質質量濃度的變化情況Fig.3 Variation of protein mass concentrations at different pH values

2.2 不同pH 時污泥減量性能

圖4 不同pH 時污泥減量情況Fig.4 Sludge reduction at different pH values

2.3 pH 對PO-P 和NH-N 釋放的影響

圖5 不同pH 時的PO-P 和NH-N 釋放情況Fig.5 PO-P and NH-N release at different pH values

2.4 不同pH 時反硝化效果

圖6 不同pH 時電子受體NO-N 質量濃度的變化Fig.6 Variation NO-N mass concentrations at different pH values

圖7 NO-N 反硝化總量與比反硝化脫氮率Fig.7 NO-N consumed and special denitrification nitrogen removal

3 結論

(1) 當pH 為7 和9 時，污泥溶解與反硝化效果均較好。而當pH 為5 時，多糖與蛋白質出現大量積累，原因是反硝化受到pH 的抑制。

(2) 不同pH 條件下，VSS 質量濃度均出現不同程度的降低，且pH 為7 和9 時污泥減量率較高，說明中性與堿性條件更有利于污泥溶解。

(4) 從污泥溶解，污泥減量和反硝化性能等方面綜合分析，pH 為9 的條件下，即處于堿性環境時，剩余污泥發酵耦合反硝化系統發酵與反硝化性能較好。

[1] 苑宏英, 員建, 徐娟, 等. 堿性pH 條件下增強剩余污泥厭氧產酸的研究[J]. 中國給水排水, 2008, 24(9): 26-29.YUAN Hongying, YUAN Jian, XU Juan, et al. Study on enhanced anaerobic acidogenesis of excess sludge at alkaline pH[J]. China Water & Wastewater, 2008, 24(9): 26-29.

[2] 李楊, 段小睿, 苑宏英, 等. pH對剩余污泥厭氧酸化的影響[J].中國給水排水, 2010, 26(17): 8-11.LI Yang, DUAN Xiaorui, YUAN Hongying, et al. Effect of pH on anaerobic acidogenesis of excess sludge[J]. China Water &Wastewater, 2010, 26(17): 8-11.

[3] ZHANG Peng, CHEN Yinguang, ZHOU Qi. Effects of pH on the waste activated sludge hydrolysis and acidification under mesophilic and thermophilic conditions[C]// 2009 International Conference on Energy and Environment Technology. Guilin,China: IEEE Computer Society, 2009: 306-309.

[4] Moser-Engeler R, Kuhni M, Bernhard C. Fermentation of raw sludge on an industrial scale and applications for elutriating its dissolved products and non-sedimentable solids[J]. Water Reseach, 1999, 33(16): 3503-3511.

[5] CHEN Yinguang, JIANG Su, YUAN Hongying. Hydrolysis and acidification of waste activated sludge at different pHs[J]. Water Research, 2007, 41(3): 683-689.

[6] Cokgor E U, Oktay S, Tas D O. Influence of pH and temperature on soluble substrate generation with primary sludge fermentation[J]. Bioresource Technology, 2008, 100(1):380-386.

[7] 楊莎莎, 宋英豪, 趙宗升, 等. pH 和碳氮比對亞硝酸型反硝化影響的研究[J]. 環境工程學報. 2007, 12(1): 15-19.YANG Shasha, SONG Yinghao, ZHAO Zongsheng, et al. Study on influences on pH values and C/N ratio on denitrification via nitrite[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2007,12(1): 15-19.

[8] Liu H, Fang H. Extraction of extracellular polymeric substances(EPS) of sludges[J]. Journal of Biotechnology, 2002, 95(3):249-256.

[9] Liao B Q, Allen D G, Droppo I G. Surface properties of sludge and their role in bioflocculation and settleability[J]. Water Research, 2001, 35(2): 339-350.

[10] TANG W, PENG Y Z, ZHANG L C. Fermentation properties of waste activated sludge in an enriched NO3--N system[J].Advanced Materials Research, 2011, 281: 96-100.

[11] 李永波, 王淑瑩, 袁泉, 等. NOx--N 對初沉污泥厭氧發酵及反硝化性能的影響[J]. 化工學報, 2013(4): 1431-1437.LI Yongbo, WANG Shuying, YUAN Quan, et al. The effect of NOx--N on primary sludge fermentation and denitrification[J].CIESC Journal, 2013(4): 1431-1437.

[12] 韓曉宇. 污泥脫水液短程硝化與污泥內碳源反硝化脫氮[D].哈爾濱: 哈濱工業大學市政環境工程學院, 2008: 14-16.HAN Xiaoyu. Nitrogen removal from sludge dewatering water by nitritation and sludge fermentation denitrification[D]. Harbin:Harbin Institute of Technology. School of Municipal and Environmental Engineering, 2008: 14-16.

[13] 唐瑋, 彭永臻, 霍明昕, 等. 剩余污泥發酵同步反硝化系統污泥減量及反硝化性能[J]. 化工學報. 2012, 63(4): 1258-1263.TANG Wei, PENG Yongzhen, HUO Mingxin, et al. Sludge reduction and denitrification capacity of waste activated sludge anoxic fermentation and denitrification system[J]. CIESC Journal, 2012, 63(4): 1258-1263.

[14] Gao Y, Zhang J, Peng Y, et al. The characteristics of activated sludge hydrolysis and acidification products at different pH[J].Journal of Beijing University of Technology, 2011, 37(1):139-145.