pH值對化學-生物混合污泥厭氧發酵釋磷的影響

張麗麗,李詠梅

(同濟大學環境科學與工程學院,污染控制與資源化研究國家重點實驗室,上海 200092)

pH值對化學-生物混合污泥厭氧發酵釋磷的影響

張麗麗,李詠梅*

(同濟大學環境科學與工程學院,污染控制與資源化研究國家重點實驗室,上海 200092)

以污水處理廠化學除磷工藝產生的常見化學磷(AlPO4和FePO4)沉淀為研究對象,考察了兩種化學磷分別與剩余活性污泥(即生物污泥)混合厭氧發酵過程中化學磷和生物磷的釋放情況.結果表明：在純水中,AlPO4在強酸強堿條件下均能釋出部分磷,FePO4只在強堿條件下才能溶解釋磷.在(35±1)℃,不同pH值下將含AlPO4的混合污泥厭氧發酵時,強酸性厭氧發酵能釋出較多的化學磷,但微生物活性被抑制,不利于發酵產酸;堿性發酵(pH=10～11)能釋出 28%～55%的化學磷,43%～49%的生物磷,總釋磷量比中性條件下高 17.5%～62.7%,同時利于發酵產酸,維持pH 10和11時產酸量分別比中性條件高233%和117%;對于含FePO4的混合污泥厭氧發酵,中性條件下即能釋放FePO4中40%的磷和生物污泥中50%的磷,釋磷量高于pH=11的堿性厭氧發酵釋磷量.

化學磷；混合污泥；厭氧發酵；釋磷；pH值

磷作為一種不可再生的資源正變得越來越稀缺[1-2],同時水體中磷含量過高又會導致富營養化,破壞水環境[3-4].目前,污水中磷的去除主要通過生物法[5]、化學法[6]和吸附法[7]將污水中的磷轉移到污泥中.國內外的調查表明普通剩余污泥中磷的含量約為1%～3%[8],而采用強化生物除磷工藝的污水廠剩余污泥中含磷率可達 6%～12%[9].王超[10]、Medeiros等[11]的結果表明污泥中的磷主要以無機磷形態存在,占總磷60%以上,有機磷含量較低,僅為10%～35%.

厭氧消化是實現污泥穩定化、減量化和資源化最廣泛采用的手段,同時發酵過程中還能釋放大量有機物和氮、磷元素[12-13].目前國內外對污泥厭氧消化的研究主要集中在產碳源[14]和產甲烷上[15],對發酵過程中釋磷的研究較少,而對含化學磷的污泥厭氧發酵釋磷研究還未見報道.考慮到化學除磷工藝在污水處理廠的廣泛應用[16],本研究以AlPO4和 FePO4兩種主要的含磷化學污泥為研究對象,考察了不同 pH值條件下,含化學磷的污泥厭氧發酵過程中生物磷和化學磷的釋放情況,旨在提高發酵上清液中的磷濃度,利于后續磷回收.

1 材料與方法

1.1 單純化學磷的釋出試驗

以污水處理廠化學除磷產生的常見化學磷沉淀(AlPO4、FePO4)為研究對象,探索不同pH值條件下各種化學磷的釋出情況.

試驗在六聯磁力攪拌器上進行,攪拌速度為120r/min,試驗溫度為室溫(25±2)℃.分別取61mgAlPO4、75.5mgFePO4固體溶解在 500mL超純水中,采用3mol/L HCl溶液和3mol/L NaOH溶液調節并維持試驗pH值分別為2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11,反應30, 60, 120min時分別取樣測水中的正磷酸鹽濃度,計算化學磷沉淀的釋磷率.每組試驗設置3個平行,釋磷率計算公式如下∶

式中∶PW為測得水中的PO43--P濃度,mg/L;PS為初始投加的化學磷沉淀量(以P計),mg/L.

1.2 生物污泥和混合污泥的厭氧發酵試驗

厭氧發酵試驗所用的生物污泥取自上海市某污水處理廠(未設化學除磷工藝)回流泵房的剩余活性污泥,試驗前將污泥在室溫下靜沉 24h,排掉部分上清液,測得試驗生物污泥的性質如表1所示.

為研究在不同pH值條件下厭氧發酵時化學磷釋出的情況,在生物污泥中外加兩種常見的化學磷沉淀(AlPO4和 FePO4)來模擬含有化學磷沉淀的污泥.將不添加化學磷沉淀的污泥稱為生物污泥(BS),添加化學磷沉淀的污泥稱為混合污泥(MS).根據單純化學磷的釋出試驗結果,選擇添加AlPO4的混合污泥厭氧發酵試驗pH值為2, 3, 4, 7, 9, 10, 11,添加FePO4的混合污泥的厭氧發酵試驗pH值為7, 11.為便于考察混合污泥中生物磷和化學磷的釋放情況,添加的化學磷質量與污泥可釋出的最大生物磷量約為1∶1.

表1 生物污泥的初始性質Table 1 Characteristics of biological sludge

厭氧發酵試驗在(35±1)℃的恒溫搖床中進行,控制速率為120r/min.向600mL的鹽水瓶中加入400mL的生物污泥,再加入315mg的AlPO4固體配成含AlPO4的混合污泥;向600mL的鹽水瓶中加入400mL的生物污泥,再加入390mg的FePO4固體配成含 FePO4的混合污泥.同時設置不加化學磷的生物污泥作為對照進行厭氧發酵,每組試驗設置 2個平行.用 6mol/L HCl溶液和6mol/L NaOH溶液維持試驗pH值的穩定,厭氧發酵試驗共進行7d,每天取樣分析.調節pH值或取樣結束后氮吹 1～2min并用橡膠塞密封,維持厭氧環境.

通過測定生物污泥厭氧發酵和混合污泥厭氧發酵上清液中磷濃度的變化,可計算出不同pH值條件下化學磷沉淀的釋磷率.

式中∶PM為混合污泥厭氧發酵上清液中的PO43--P濃度,mg/L;PB為生物污泥厭氧發酵上清液中的PO43--P濃度,mg/L;PS為初始投加的化學磷沉淀量(以P計),mg/L.

不同pH值條件下生物污泥的釋磷率由生物污泥厭氧發酵上清液中磷濃度/生物污泥泥水總磷計算得到.

1.3 測定方法

總懸浮固體(TSS)、揮發性懸浮固體(VSS)、TP、PO43--P、NH4+-N根據標準方法測定[17],pH值采用pH計測定.總有機碳(TOC)采用TOC儀測得,揮發性脂肪酸(VFA)采用氣相色譜儀測定,載氣為氮氣,檢測器為 FID,色譜柱為 30m× 0.32mm×0.25mm DBWAX, 進樣器和檢測器的溫度分別設為 200℃和 220℃,爐溫在 55℃運行1min,然后以30℃/min的速度升溫到110℃,保持1min,再以 10℃/min的速度升溫到 200℃,再以30℃/min的速度升溫到220℃,保持1min,每次進樣 0.5μL.Ca2+的測定采用電感耦合等離子發射光譜儀.試驗所用的主要分析儀器設備型號如表2所示.

表2 試驗主要分析儀器Table 2 The main analytical instruments

2 結果與討論

2.1 不同pH值條件下單純化學磷的釋出

由圖 1可知,30min后,上清液中的 PO43--P濃度即達最大值,化學磷的釋出反應達到平衡.根據式(1)和達平衡時的 PO43--P濃度,可計算出不同pH值條件下化學磷的釋磷率(表3).

AlPO4在pH=4,5,6,7和8條件下上清液中基本沒有測到PO43-,表明在上述pH值下AlPO4在純水中不能溶解釋磷.而在強酸條件下,AlPO4能與H+反應而釋出PO43-,反應方程見式(3),且隨著pH值的降低,釋磷率升高(pH=3時釋磷率為16.5%,pH=2時釋磷率為66.4%),Panswad[18]研究酸化處理回用鋁鹽時也表明,當pH=1時,鋁的回收率可達到90%,而當pH=3時,回收率僅有10%.在強堿條件下,AlPO4能與OH-反應生成AlO2-從而使 PO43-得到釋放,反應方程見式(4),AlPO4釋磷率隨著 pH值的升高而升高(pH=9,10,11時釋磷率分別為 8.4%,39.6%,76.4%),Masschelein[19]研究用 NaOH從布魯塞爾某水廠的化學污泥中回收鋁鹽發現,pH為 11.4～11.8時回收率一般可達80%.

圖1 不同pH值條件下AlPO4和FePO4在純水中的釋磷情況Fig.1 Phosphorus release of AlPO4and FePO4in pure water at different pHs

表3 不同pH值下AlPO4與FePO4在純水中的釋磷率(%)Table 3 Phosphorus release rate of AlPO4and FePO4in pure water at different pHs (%)

FePO4在pH=2～7條件下上清液中基本不含PO43-,表明在上述pH值下FePO4在純水中不能溶解釋磷.當pH>8時FePO4開始溶解且釋磷率隨著 pH值的升高而升高(pH=9,10,11時釋磷率分別為 4.2%,12.7%,96.5%),這主要是由于 Ksp(FePO4) = 1.3×10-22, Ksp(Fe(OH)3) = 4.0×10-38,即Fe(OH)3比 FePO4更難溶.因此在堿性條件下FePO4能與OH-反應生成更難溶的Fe(OH)3而使PO43-釋出,其反應見式(5).

綜上,AlPO4在強酸強堿條件下均能部分溶解釋磷,FePO4只在強堿條件下能溶解釋磷.

2.2 含AlPO4的混合污泥厭氧發酵

圖2 不同pH值下生物污泥(BS)和含AlPO4的混合污泥(MS)厭氧發酵上清液中總VFA的變化Fig.2 VFA concentration in supernatant during anaerobic fermentation for biological sludge (BS) and mixed sludge (MS) containing AlPO4at different pHs

2.2.1 含AlPO4的混合污泥水解產酸情況 根據AlPO4在水中的釋磷情況,維持生物污泥和含AlPO4的混合污泥厭氧發酵過程中 pH值為2,3,4,7,9,10,11,測得生物污泥與混合污泥產VFA的情況如圖 2所示.可見相同 pH值條件下,添加AlPO4對VFA的產生沒有顯著影響.VFA的產量主要與pH值有關,pH=2和3時產酸量很小,總VFA只能達到 30～300mgCOD/L,約為中性條件時上清液中總VFA的1/40～1/4,說明此時產酸菌活性被抑制,不利于厭氧發酵的進行.Hwang等[20]研究厭氧消化產氫時發現,當pH低于4時所有厭氧消化微生物的活性均被抑制;Chen等[21]研究發現堿性條件有利于污泥的水解,同時又抑制了產甲烷菌的活性,所以產酸量較高;蘇高強等[22]研究也發現厭氧發酵8天后產酸量為pH=10> pH=9>pH=11.

2.2.2 含 AlPO4的混合污泥厭氧發酵釋磷情況 維持生物污泥、含AlPO4的混合污泥厭氧發酵過程中pH值為2,3,4,7,9,10,11,測得厭氧7d內上清液中正磷酸鹽的濃度變化如圖3所示.

圖3 不同pH值下生物污泥和含AlPO4的混合污泥厭氧發酵上清液中PO43--P的變化Fig.3 PO43--P concentration in supernatant during anaerobic fermentation for biological sludge and mixed sludge containing AlPO4at different pHs

由圖3可知,厭氧發酵過程中,生物磷和化學磷(AlPO4)的釋放均主要在第 1d完成,之后隨著發酵時間的延長,生物磷緩慢釋放使上清液中正磷酸鹽濃度緩慢增加,4～6d后基本達到穩定.

對于生物污泥而言,維持偏酸性條件(pH=3和 pH=4)有利于生物磷的釋放(圖 3).pH=3時能釋出污泥中 65%左右的生物磷,pH=4時則能釋出72%的生物磷.而在強酸條件(pH=2)下,發酵上清液中PO43-的濃度比總磷低30mg/L左右,這可能是此條件下微生物和酶的活性被抑制,使溶出的有機磷不能完全轉化為 PO43-.而堿性條件雖然有利于污泥有機物的溶出,但是污泥中的金屬離子(如Ca2+)會與PO43-形成沉淀,致使上清液中PO43-的濃度降低,生物磷的釋磷率低于偏酸性條件.中性條件由于污泥水解不完全,致使 PO43-的釋出比偏酸性條件下少.

圖4 不同pH值下厭氧發酵過程中AlPO4的釋磷率Fig.4 Phosphorus release rate of AlPO4during anaerobic digestion at different pHs

混合污泥厭氧發酵釋磷包括化學磷的釋放和微生物細胞內生物磷的釋放.混合污泥厭氧發酵上清液中PO43-的濃度大小依次為pH=2>pH= 11>pH=4>pH=3>pH=10>pH=7>pH=9,與生物污泥釋磷相比,pH為4,7,9時AlPO4的釋磷較少,pH為2,3,10,11時釋磷量較大,利用式(2)可以計算得到不同pH下AlPO4的釋磷率變化(圖4).由圖4可知,不同pH下AlPO4的釋磷率在厭氧發酵1d后基本達到最大值,在相應 pH值下若能溶解釋放PO43-,則在調節pH值穩定后化學磷釋磷率即達最大,即AlPO4的釋磷主要與溶液pH值有關,而與生物過程無關.不同 pH值下的釋磷率與純水中模擬 AlPO4的釋磷試驗結果一致,在強酸和強堿條件下AlPO4的釋磷率較高,且pH=2>pH= 11>pH=10>pH=3.pH=2 時 AlPO4的釋磷率可達到60%,與純水中的釋磷率相近,pH=11時其釋磷率為50%左右,比水中的釋磷率略低,這可能與堿性條件下PO43-能與污泥中的Ca2+形成沉淀有關.

圖5 不同pH值下生物污泥和含AlPO4的混合污泥厭氧發酵上清液中Ca2+的變化Fig.5 Ca2+concentration in supernatant of anaerobic fermentation for biological sludge and mixed sludgecontaining AlPO4at different pHs

圖5為不同pH值下生物污泥和混合污泥厭氧發酵上清液中 Ca2+濃度變化.兩種污泥厭氧發酵上清液中 Ca2+濃度變化基本一致,酸性條件下上清液中的Ca2+濃度較高(最大能達200mg/L左右),中性條件時在50mg/L左右,而堿性條件下均在 10mg/L以下.這表明在堿性條件下,污泥溶出的Ca2+能與釋出的PO43-形成沉淀,致使堿性條件下的釋磷率降低.Marti等[23]研究剩余污泥厭氧消化時發現,厭氧消化過程中磷形成沉淀主要與pH、上清液中的磷濃度有關,pH增大、上清液中磷濃度升高都會導致磷沉淀的增多.Carlsson等

[24]研究EBPR工藝中鈣磷沉淀的形成時發現,堿性條件下Ca2+易與PO43-形成沉淀,而在中性條件下,Ca2+濃度超過 100mg/L,PO43--P濃度超過50mg/L時才會開始沉淀.

總體上,對于污水處理廠以鋁鹽為主的化學除磷工藝來說,剩余污泥中含有較多 AlPO4等化學磷沉淀,從磷回收角度出發,維持厭氧發酵 pH值為 10～11,雖然 Ca2+等金屬離子的存在會使一部分磷發生沉淀,但仍可以使化學磷的釋磷率達到28%～55%,生物磷的釋磷率達到43%～49%,同時也有利于污泥的厭氧發酵產酸,回收碳源.

圖6 不同pH值下生物污泥(BS)和含FePO4的混合污泥(MS)厭氧發酵上清液中總VFA的變化Fig.6 VFA concentration in supernatant during anaerobic fermentation for biological sludge (BS) and mixed sludge (MS) containing FePO4at different pHs

2.3 含FePO4的混合污泥厭氧發酵

2.3.1 含 FePO4的混合污泥水解產酸情況 根據 FePO4在純水中的釋磷情況,維持生物污泥、含FePO4的混合污泥厭氧發酵過程中pH值為7和11,測得污泥厭氧發酵7d上清液中總VFA的變化如圖 6所示.中性條件下,厭氧發酵 7d,含FePO4的混合污泥上清液中VFA濃度比生物污泥上清液中低;而維持pH=11時兩種污泥厭氧發酵上清液中VFA濃度相差不是很大,這主要是因為鐵能與蛋白質結合形成沉淀[25],使上清液中有機物濃度下降,VFA的產生減少;而pH=11時,大量的鐵離子形成了 Fe(OH)3沉淀,FePO4的加入對有機物的溶出影響減小,對VFA產量的影響也減小.Angelidaki等[26]研究發現與鐵結合的蛋白質水解需要更長的發酵時間.Smith等[27]也發現對含鐵鹽除磷的活性污泥厭氧消化時,其產氣量比沒有鐵鹽的活性污泥少 12%,產甲烷量少5.5%.

2.3.2 含 FePO4的混合污泥厭氧發酵釋磷情況 圖7為pH=7和11時,厭氧發酵7d生物污泥和含FePO4的混合污泥上清液中PO43--P濃度的變化情況.pH=7時含FePO4的混合污泥厭氧發酵上清液中 PO43--P濃度最高,pH=11的生物污泥厭氧發酵上清液中 PO43--P濃度最低.利用式(2)計算得到不同pH值下FePO4的釋磷率(圖8).由圖8可知,pH=7時厭氧發酵7d后FePO4的釋磷率可達40%,比pH=7純水中FePO4的釋磷率高(表2),這主要是因為污泥中其他陰離子和發酵溶出的蛋白質會與 Fe3+形成沉淀[25-26],使 FePO4中的磷釋放,而 pH=7時發酵上清液中未檢測到Fe3+也間接證實了這一解釋.pH=11時厭氧發酵7d后FePO4的釋磷率為30%左右,低于純水中的釋磷率,這是因為堿性條件下Ca2+會與PO43-形成沉淀,導致生物污泥和含 FePO4的混合污泥的釋磷率均較低,而此時兩種污泥發酵上清液中 Ca2+濃度均低于10mg/L也表明堿性發酵過程中確實生成了鈣磷沉淀.

圖7 不同pH值下生物污泥(BS)及含FePO4的混合污泥(MS)厭氧發酵上清液中PO43--P的變化Fig.7 PO43--P concentration in supernatant during anaerobic fermentation for biological sludge (BS) and mixed sludge (MS) containing FePO4at different pHs

圖8 不同pH值下混合污泥厭氧發酵FePO4的釋磷率Fig.8 Phosphorus release rate of FePO4during anaerobic fermentation at different pHs

總體上,對于污水處理廠以鐵鹽為主的化學除磷工藝來講,剩余污泥中含有較多 FePO4等化學磷沉淀.從磷回收角度出發,中性厭氧發酵能釋出40%的化學磷和50%左右的生物磷,發酵上清液中PO43-P濃度比堿性發酵高,同時可以節省調節pH值所需的藥劑成本.

3 結論

3.1 調節pH值為強酸(pH=2或3)或強堿(pH=10或 11)條件,單純 AlPO4均能釋出部分磷.對于FePO4,酸性條件下基本不溶解釋磷,而堿性條件下,pH=10和11時能分別釋出12.7%和96.5%的磷.

3.2 對于含 AlPO4的混合污泥,維持 pH為10～11有利于發酵產酸,產酸量分別比中性條件高233%和117%;同時還能釋出28%～55%的化學磷,43%～49%的生物磷.堿性厭氧發酵時,雖然污泥溶出的Ca2+能與PO43-生成沉淀,但是總體上生物磷的釋磷率與中性厭氧發酵相差不大,而化學磷的釋磷率能提高 43%～49%,因此,對于使用鋁鹽除磷的污水處理廠,從磷回收而又有利于厭氧發酵的角度出發,剩余污泥堿性發酵(pH=10～11)利于化學磷和生物磷的釋放,同時有利于產酸.

3.3 對于含 FePO4的混合污泥,中性厭氧發酵7d可使FePO4中40%的磷釋放,同時能釋放50%的生物磷;而堿性厭氧發酵(pH=11)時,FePO4的釋磷率為30%,生物磷的釋磷率為49%.總體上中性條件更有利于磷的回收.因此,若剩余污泥中含有的化學磷為 FePO4,維持中性發酵利于化學磷和生物磷的釋放,同時減少藥劑成本投入.

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Effect of pH on phosphorus release from chemical-biological mixed sludge during anaerobic fermentation.

ZHANG Li-li, LI Yong-mei*
(State Key Laboratory of Pollution Control and Resources Reuse, College of Environmental Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China). China Environmental Science, 2014,34(3)：650～657

Two chemical phosphates (AlPO4and FePO4) were usually generated during chemical phosphorus removal processes in wastewater treatment plant. To investigate the release of chemical phosphates and biological phosphorus when each chemical phosphate was mixed with surplus active sludge (biological sludge) respectively for anaerobic fermentation, the two chemical phosphates were used. The results showed that in pure water, phosphorus could be released from AlPO4under either strong acid or strong alkaline conditions, and be released from FePO4only under strong alkaline conditions. For anaerobic fermentation of mixed sludge containing AlPO4at 35±1℃, more chemical phosphate could be dissolved under strong acid but microbial activity was inhibited, which was unfavorable to volatile fatty acid (VFA) production. Under alkaline conditions (pH=10～11), 28%～55% of the chemical phosphate and 43%～49% of the biological phosphorus were released and the total released phosphorus amount was 17.5%～62.7% higher than those under neutral condition. Alkaline conditions were also beneficial to VFA production; at pH=10 and pH=11, VFA production was 233% and 117% higher than those under neutral conditions, respectively. For anaerobic fermentation of the mixed sludge containing FePO4, 40% of chemical phosphate and 50% of the biological phosphorus in sludge could be released under neutral condition, which were higher than those under alkaline condition (pH=11).

chemical phosphorus；mixed sludge；anaerobic fermentation；phosphorus release；pH value

X703

：A

：1000-6923(2014)03-0650-08

張麗麗(1990-),女,江蘇南京人,同濟大學環境科學與工程學院碩士研究生,主要從事污水處理與資源化方面的研究.

《中國環境科學》2012年度引證指標

《中國環境科學》編輯部

2013-06-25

國家“863”項目(2011AA060902);上海市國際合作項目(11230700700)

* 責任作者, 教授, liyongmei@tongji.edu.cn

根據《2013年版中國科技期刊引證報告(核心版)》,《中國環境科學》2012年度引證指標繼續位居環境科學技術及資源科學技術類科技期刊前列,核心影響因子1.657,學科排名第1位,在被統計的1994種核心期刊中列第21位;綜合評價總分72.0,學科排名第3位.《中國科技期刊引證報告》每年由中國科學技術信息研究所編制,統計結果被科技管理部門和學術界廣泛采用.