超聲波、堿、超聲波/堿預處理污泥對污泥水解效果的影響

羅 毅，李曉麗，劉 暉,王志娟，張靈芝

(石家莊市環境監測中心，河北省石家莊 050022)

超聲波、堿、超聲波/堿預處理污泥對污泥水解效果的影響

羅 毅，李曉麗，劉 暉,王志娟，張靈芝

(石家莊市環境監測中心，河北省石家莊 050022)

為了提高污泥水解產酸過程中的揮發酸產量，獲取污水脫氮除磷所需的碳源，以石家莊市欒城污水處理廠二沉池污泥為研究對象，采用超聲處理、堿性調節、超聲處理與堿性調節組合等3種方式對污泥進行預處理。通過測定預處理污泥水解酸化過程中的揮發酸、氨氮、總氮、總磷、SCOD的濃度，對預處理污泥水解酸化過程中的各指標的變化進行分析。結果表明，當超聲波投加的聲能密度為0.55 W/mL，pH值為9，超聲作用時間為4 min時，水解酸化在第4天時揮發酸總質量濃度達到最大值226.7 mg/L。

環境工程學；污泥；超聲波/堿；水解產酸；預處理

隨著中國經濟社會的快速發展，城市生活污水及工業廢水排放量逐漸上升。據統計，至2013年底，全國城鎮污水排放總量為695.4億t，其中，工業廢水209.8億t，城鎮生活污水485.1億t，污水集中處理率為89.21%，污水處理產生的污泥量為2 635.8萬t[1]。目前，活性污泥法是普遍采用的污水二級生物處理方法，污泥產量較大，占處理水量的0.3%～0.5%，含水率高達97%[2]。隨著城市化進程的加快和污水管網覆蓋率的提高，需要處理的污水量會進一步增加，剩余污泥產生量也會隨之增大，污泥的處理與處置已成為環境保護的焦點問題之一。目前國內外對剩余污泥的處置方式主要有衛生填埋、農業利用和焚燒等[3-5]。隨著中國環境保護的形勢要求，降低城鎮污水處理廠運行成本、實現污泥資源化利用、探索污泥水解酸化產物作為反硝化碳源促進生物脫氮除磷已成為研究熱點[6-9]。通過對污泥進行預處理，破壞污泥的絮體結構和污泥中微生物的細胞壁，才能獲得可溶性有機物，進而水解產生VFA。近年來發展起來的污泥預處理方法有物理法、化學法、生物法及一些組合方法[10]，其中，超聲波預處理技術因其設備簡單、預處理效果明顯而備受關注[11]；超聲處理與堿性調節組合可以更加有效地提高污泥水解酸化效率，增強有機質和營養物質的釋放量和速率，達到更加理想的水解酸化效果[12-16]。本研究對污泥分別進行超聲處理、堿性調節、超聲處理與堿性調節組合3種方式的預處理，分析不同預處理方式對污泥水解酸化過程中重要指標的影響，旨在尋找最佳污泥預處理方式和條件，促進污泥水解酸化，增強有機質和營養物質的釋放，促進污泥資源化利用。由于在污泥水解過程中，污泥上清液中的常規指標也會發生變化，因此，試驗中也對pH值、可溶解性化學需氧量(以下簡稱SCOD)、總氮、總磷和氨氮的變化進行了分析討論，這對污泥及其上清液的處理也是有意義的。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用泥取自石家莊市欒城污水處理廠二沉池回流污泥，濃縮24 h，傾去上清液，備用。超聲波試驗裝置由寧波市先倡電子科技有限公司提供，超聲波發生器功率為2 000 W，作用裝置容積為4 L，有效容積為3.5 L。試驗用的水解產酸罐為帶有夾層保溫套的鐵制罐體，有效容積為5 L，共4個，用水浴鍋進行保溫，攪拌裝置為可調轉速的攪拌器。

1.2 試驗方法

先向發酵罐中分別加入2 L未經過任何處理的原泥，然后再向罐中分別加入3 L用不同方法預處理后的污泥，即污泥原樣(未經預處理)、堿處理(pH值為9)、超聲波處理、超聲波與堿調節(pH值為9)組合處理4種不同的污泥[17]。由于預處理污泥使之pH值為9時，比較經濟合理且后續處理效果也較好，故預處理后污泥pH值為9。發酵罐溫度設定為中溫(35±1)℃，攪拌速度為30 r/min。超聲波所投加的聲能密度為0.55 W/mL(因超聲波設備的振子不能空載，由試驗所用超聲波設備的功率和有效容積確定此固定的聲能密度)，處理時間為4 min(為了減少溫度對實驗的影響，并且這個時間長度下SCOD的變化明顯)。每天固定時間抽取每個發酵罐中的污泥200 mL，在10 000 r/min下離心30 min，取上清液，測定上清液中pH值、SCOD、總氮、總磷、氨氮、揮發酸(以下簡稱VFA)等指標，測試項目分析方法見表1。

表1 測試項目及分析方法

2 試驗結果與討論

2.1 pH值變化情況

圖1為4個發酵罐中pH值隨時間的變化情況。

圖1 pH值隨運行時間的變化情況

由圖1可以看出，前3天內，污泥原樣、堿處理、超聲波與堿協同預處理的污泥，pH值呈下降趨勢。水解產酸的幾天中，污泥原樣的pH值基本穩定在8.0～8.2；單獨堿預處理的污泥，水解產酸的第2天，pH值先從初始的9.1下降到了8.4，隨后繼續下降，pH值最低值為8.2，在第3天后，pH值也基本穩定在8.2左右；單獨超聲波預處理的污泥，pH值處于上升的趨勢，這是因為超聲波作用于污泥后，污泥溫度上升導致一部分揮發酸揮發，在運行的幾天中，由于污泥經過超聲波預處理，使得微生物絮體中某些化學物質產生堿性，增加了pH值；超聲波與堿協同預處理的污泥，pH值也是先下降后上升，其變化趨勢與單獨堿處理的類似。

2.2 SCOD變化情況

SCOD 的測定采用重鉻酸鉀法，將超聲波預處理后的污泥樣本在10 000 r/min的離心機上離心30 min 后，取上清液測定 SCOD。

圖2為不同方法預處理后的污泥在水解產酸過程中SCOD的變化情況。從圖2可以看出，經過超聲波、超聲波與堿協同預處理后的污泥，水解酸化效果要好于污泥原樣和單獨堿預處理的污泥。污泥原樣與單獨堿預處理的污泥在水解產酸過程中SCOD呈現上升的趨勢，但是變化幅度不大。污泥原樣的SCOD從初始質量濃度185.4 mg/L上升到453 mg/L，增加了267.6 mg/L；單獨堿處理的污泥從初始質量濃度200.2 mg/L增加到478.4 mg/L，增加了278.2 mg/L。

圖2 SCOD隨運行時間的變化情況

經過超聲波、超聲波與堿協同預處理后的污泥，SCOD迅速上升，質量濃度分別為792.8 mg/L和890.9 mg/L，分別增加了607.4 mg/L和705.5 mg/L。隨后將預處理后的污泥放入水解產酸罐中，其SCOD先下降后上升，在水解產酸第3天，超聲波預處理后的污泥SCOD質量濃度下降到397.9 mg/L，超聲波與堿協同預處理后的污泥下降到401.5 mg/L。這是因為預處理的污泥與接種泥混合后，接種泥中的微生物通過自身的生長會消耗一部分SCOD，隨著水解酸化過程進行，水解產酸菌會產生揮發酸，使得污泥中的SCOD上升。

超聲波預處理與超聲波與堿協同預處理的污泥，水解產酸產生的SCOD質量濃度與其變化趨勢相差不大，說明堿對促進水解酸化中SCOD增加的作用并不很明顯。同時從污泥原樣與單獨堿預處理的2條曲線也可以得到同樣的結論。但單獨堿預處理與超聲波與堿協同預處理后污泥水解酸化所產生的SCOD質量濃度變化相差很大，這說明超聲波預處理污泥后可以有效地促進水解酸化過程中SCOD的變化。

2.3 總氮變化情況

圖3中，污泥預處理前總氮質量濃度為107.8 mg/L，分別經過單獨堿預處理、超聲波預處理、超聲波與堿協同預處理后，總氮有了明顯的上升，質量濃度分別為112.0，171.4和194.2 mg/L，其總氮質量濃度分別增加了4.2，63.6和86.4 mg/L，其中，超聲波與堿協同預處理后污泥的總氮增加幅度最大。原因是總氮的增加主要來源于污泥中含氮有機物的釋放。超聲波作用于污泥時，溫度也會增加，一部分微生物細胞因為熱作用發生自溶，從而導致含氮有機物濃度上升。從圖3還可以看出，污泥經過超聲波處理后，更有利于總氮的釋放。

圖3 總氮隨運行時間的變化情況

在水解產酸過程中，無論是污泥原樣還是經過預處理的污泥，總氮都呈現上升的趨勢。從水解產酸開始到結束，污泥原樣、單獨堿處理、超聲波預處理以及超聲波與堿協同預處理后的污泥總氮質量濃度分別增加了102.2，102.0，107.6，65.8 mg/L，說明水解產酸階段有一些微生物細胞溶解，將細胞內含氮物質釋放，增加了污泥上清液中總氮的含量。

2.4 總磷變化情況

圖4中，污泥預處理前總磷質量濃度為6.9 mg/L，預處理后污泥上清液中總磷含量要高于污泥原樣，單獨堿預處理、超聲波預處理、超聲波與堿協同預處理后污泥上清液的總磷質量濃度分別為8.5，13.3，17.5 mg/L，有了明顯的增加，增加量分別為1.6，6.4，10.6 mg/L。說明預處理可以增加污泥中總磷的含量，但其增加幅度相對于總氮并不大，這是因為磷元素在微生物細胞中的成分比例不大，其主要來源于超聲波對釋磷菌的破解和釋磷菌的自溶。

圖4 總磷隨運行時間的變化情況

在水解產酸過程中，污泥原樣和單獨堿預處理的污泥總磷含量是持續增加的，在水解產酸周期結束時，污泥原樣的總磷質量濃度為49.2 mg/L，單獨堿預處理污泥的總磷質量濃度為44.4 mg/L。而經過超聲波預處理、超聲波與堿協同預處理后污泥的總磷質量濃度都是在水解產酸的第4天達到峰值，分別為50.1 mg/L和55.2 mg/L，隨后出現下降的趨勢，并且在第4天到第6天期間，超聲波與堿協同預處理的污泥總磷下降幅度要比超聲波預處理污泥的要大。

2.5 氨氮變化情況

圖5中，污泥原樣的初始氨氮質量濃度為82.9 mg/L，分別經過單獨堿預處理、超聲波預處理、超聲波與堿協同預處理后，氨氮質量濃度分別為86.4，103.6，104.2 mg/L，分別增加了4.5，20.7，21.3 mg/L。說明污泥經過預處理后氨氮有所增加，但是單獨堿預處理的效果并不明顯，超聲波預處理、超聲波與堿協同預處理后的污泥的氨氮增加幅度要大一些，由此可推斷，超聲波是使氨氮增加的主要因素，通過超聲波預處理、超聲波與堿協同預處理2種方法的對比，也可說明這一點。

圖5 氨氮隨運行時間的變化情況

在水解產酸的過程中，氨氮含量總體呈上升趨勢。污泥原樣、單獨堿預處理、超聲波預處理以及超聲波與堿協同預處理后的污泥，經過水解產酸后，氨氮質量濃度分別從最初的82.9，86.4，103.6，104.2 mg/L上升到183，178，227，220 mg/L，分別增加了100.1，91.6，123.4，115.8 mg/L。分析可知，在厭氧條件下，幾乎沒有轉化氨氮的菌群，隨著有機氮的增加及有機氮水解成氨氮，造成氨氮在系統中積累。氨氮主要來源于有機氮的分解，結合圖3來看，總氮含量也呈上升的趨勢。

2.6 揮發酸(VFA)變化情況

圖6為不同預處理方法下污泥水解酸化過程中揮發酸(VFA)的變化情況。污泥原樣VFA質量濃度為19.2 mg/L，經過單獨堿預處理、超聲波預處理、超聲波與堿協同預處理后，VFA的質量濃度變化并不大，分別為10.0，37.2，19.2 mg/L。經過7天的水解產酸過程后，污泥原樣VFA的質量濃度變化幅度也不大，處于50 mg/L以下。單獨堿預處理、超聲波預處理后的污泥在水解酸化的第3天達到峰值，VFA質量濃度分別為96.0，153.6 mg/L，隨后就開始下降，VFA濃度趨于平穩。超聲波與堿協同預處理的污泥在水解酸化的第4天達到峰值，質量濃度為226.7 mg/L，隨后開始下降。實驗結果表明，預處理污泥的水解酸化效果要好于沒有預處理的污泥，而且更有利于促進水解酸化的進行。

圖6 揮發酸隨運行時間的變化情況

3 結 論

1)分別采用超聲波、堿、超聲波/堿協同作用對污泥進行預處理，超聲波/堿協同預處理的污泥 SCOD溶出效果比較好。SCOD 的濃度隨著超聲波處理時間的延長而增加，污泥原樣和單獨堿預處理后的污泥的SCOD變化趨勢一致，超聲波預處理、超聲波與堿協同預處理后的污泥的SCOD濃度變化趨勢一致，說明堿對于SCOD的變化趨勢沒有明顯影響。

2)超聲波與堿協同預處理污泥，可以促進微生物細胞破解或者自溶，使得總氮、總磷、氨氮的濃度呈逐漸增加的趨勢，濃度高于其他預處理方式。當超聲波投加的聲能密度為0.55 W/mL、超聲作用時間為4 min且pH值為9時，在水解酸化第4天，揮發酸(VFA)總質量濃度達到最大值226.7 mg/L，而污泥原樣幾乎沒有變化，說明超聲波與堿協同作用更有助于提高污泥的水解效率。

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一般地，程序性知識疑難的產生原因主要包括以下幾方面：第一，順向遷移或逆向遷移中的負遷移[23]，即頭腦中先前程序性知識對后來程序性知識或后來程序性知識對先前程序性知識的消極影響．比如，在計算時寫成了就是先前學的“分數的約分”知識對后來學的“向量的運算”知識的消極影響．再如，學生在學習分式的運算時會算分式但學了分式方程后學生計算該分式時就寫成

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Effect of ultrasonic, alkali and ultrasonic/alkali pretreatment on sludge hydrolysis

LUO Yi, LI Xiaoli, LIU Hui， WANG Zhijuan, ZHANG Lingzhi

(Shijiazhuang Environmental Monitoring Center, Shijiazhuang, Hebei 050022, China)

environmental engineering; sludge; ultrasonic /alkali; hydrolysis and acidification; pretreatment

1008-1534(2015)06-0552-05

2015-05-11;

2015-07-27；責任編輯：王海云

石家莊市科技支撐計劃項目(131240090A)

羅 毅(1973—)，男，河北衡水人，工程師，主要從事環境監測方面的研究。

李曉麗。E-mail：14405427@qq.com

X705

A

10.7535/hbgykj.2015yx06016

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