聚合氯化鋁對(duì)污泥中溫厭氧消化的影響

劉 亮， 王黎佳， 付友先， 李常芳， 杜 豪

(1.青島理工大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，山東青島 266033；2.青島市團(tuán)島污水處理廠，山東青島 266003；3.青島城投小澗西垃圾滲瀝液處理有限公司，山東青島 266071)

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聚合氯化鋁對(duì)污泥中溫厭氧消化的影響

劉 亮1， 王黎佳2， 付友先3， 李常芳1， 杜 豪1

(1.青島理工大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，山東青島 266033；2.青島市團(tuán)島污水處理廠，山東青島 266003；3.青島城投小澗西垃圾滲瀝液處理有限公司，山東青島 266071)

[目的]研究聚合氯化鋁(PAC)對(duì)污泥中溫厭氧消化的影響。[方法]以青島市某污水處理廠預(yù)濃縮池污泥為研究對(duì)象，進(jìn)行污泥連續(xù)中溫厭氧消化試驗(yàn)，研究了投加PAC對(duì)污泥中溫厭氧消化的影響，考察了不同PAC投加量下，污泥厭氧消化系統(tǒng)的pH、沼氣產(chǎn)量、組分、熱值以及沼氣中H2S含量等參數(shù)。[結(jié)果]投加PAC對(duì)污泥厭氧消化有消極影響，投加濃度越大，消化罐pH越低，消化產(chǎn)沼氣量越低，沼氣中CH4含量越低，CO2略高，熱值也越低。當(dāng)PAC投加濃度為150 mg/L時(shí)，消化罐內(nèi)平均pH為6.93，累計(jì)產(chǎn)氣量為空白罐的62.72%，所產(chǎn)沼氣中CH4含量比空白罐低6.25%，CO2含量高17.21%，H2含量高4.65%。投加PAC對(duì)消化系統(tǒng)中H2S的產(chǎn)生具有抑制作用。[結(jié)論]該研究可為污水處理廠在利用厭氧消化法處理污泥時(shí)，混凝工藝中混凝劑的選擇提供了參考。

污泥厭氧消化；PAC; 沼氣產(chǎn)量;沼氣組分; H2S

鋁鹽對(duì)生命體系影響的研究早已被廣大科研工作者所關(guān)注，其中較多的是關(guān)于鋁對(duì)人體、動(dòng)植物、水生生物的毒性[1-2]。而鋁和許多重金屬一樣，也會(huì)對(duì)微生物存在一定的抑制作用，因此可能造成生物污水處理效率降低，其機(jī)理與重金屬致毒存在某種相似性[3]。由于微生物在污水生物處理工藝中起著重要作用，鋁鹽對(duì)微生物的毒性研究近年來(lái)也引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注[4-5]。目前，在這方面的研究主要涉及鋁鹽對(duì)好氧微生物的影響。研究表明，鋁離子十幾毫克升時(shí)即達(dá)到了其對(duì)活性污泥過(guò)氧化氫酶的半數(shù)抑制濃度[5-6]；當(dāng)投加的聚合氯化鋁質(zhì)量濃度達(dá)到15 mg/L時(shí)，鋁離子會(huì)對(duì)好氧池的微生物活性產(chǎn)生明顯的抑制作用[7]。鋁鹽除了對(duì)好氧微生物起到抑制作用外，在厭氧消化過(guò)程中，鋁離子對(duì)產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)甲烷活性也起到抑制作用，其影響類別為代謝毒素類，當(dāng)鋁離子的濃度為0.4 mg/L時(shí)，就達(dá)到了對(duì)產(chǎn)甲烷菌的50%活性抑制[8]。

鋁鹽類混凝劑在污水處理中作為常用混凝劑廣泛使用，相應(yīng)的污水處理過(guò)程中產(chǎn)生的污泥往往含有大量的鋁離子。目前，對(duì)污泥厭氧消化的研究已有很多，但鋁鹽對(duì)污泥厭氧消化的研究還比較少。莫懿娉等研究表明，投加鋁鹽對(duì)厭氧微生物產(chǎn)甲烷活性有明顯抑制作用[8-9]。張勝等研究指出，投加AlCl3·6H2O對(duì)初沉污泥厭氧消化的抑制作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于投加FeCl3[10]。筆者主要研究聚合氯化鋁(PAC)對(duì)污泥中溫厭氧消化系統(tǒng)的影響，分析了消化系統(tǒng)酸堿度、產(chǎn)氣量、沼氣組分、熱值和沼氣中H2S含量等參數(shù)的變化，為污水處理廠在利用厭氧消化法處理污泥時(shí)，混凝工藝中混凝劑的選擇提供了參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置如圖1所示，污泥消化罐有效容積為8 L，試驗(yàn)裝置自帶溫控器，可使消化污泥溫度始終維持在(35±1)℃。裝置設(shè)有機(jī)械攪拌系統(tǒng)，使微生物與底物充分接觸反應(yīng)，產(chǎn)生的氣體通過(guò)消化罐上端出氣軟管進(jìn)入集氣罐。集氣罐分為內(nèi)桶和外桶，外筒盛有調(diào)節(jié)后的水，內(nèi)桶會(huì)隨氣體量增加而上浮，另設(shè)U型壓力計(jì)與之相連通，用于測(cè)定實(shí)驗(yàn)室厭氧消化研究中的消化氣的體積。

1.2 試驗(yàn)對(duì)象及材料試驗(yàn)污泥取自青島某污水處理廠預(yù)濃縮池污泥，接種污泥為該廠消化污泥，試驗(yàn)所用污泥指標(biāo)見表1。試驗(yàn)儀器：1904型奧氏氣體分析儀(H2S測(cè)定儀)，F(xiàn)LASH 2000 CHNS/O多元素分析儀，雷磁PHS-2F型pH計(jì)，HI9828多參數(shù)防水型水質(zhì)測(cè)定儀，F(xiàn)A2004N精密天平，TDL-5-A臺(tái)式離心機(jī)等。

表1 試驗(yàn)所用污泥指標(biāo)

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1污泥中溫厭氧消化試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)置6個(gè)厭氧消化裝置，每天以5%的污泥投配比向消化罐中投加生污泥，消化時(shí)間為20 d。系統(tǒng)內(nèi)采用連續(xù)攪拌的方式攪拌，每天進(jìn)泥排泥各一次，進(jìn)泥與排泥同時(shí)進(jìn)行。該試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)控溫裝置使消化系統(tǒng)內(nèi)溫度穩(wěn)定在(35±1)℃。

1.3.2厭氧消化系統(tǒng)污泥馴化。試驗(yàn)用消化污泥分別投加不同量的PAC，調(diào)配至0、30、60、90、120和150 mg/L，加入到6個(gè)消化罐內(nèi)。然后對(duì)消化罐內(nèi)的消化污泥進(jìn)行2 d的馴化，使得消化裝置內(nèi)的污泥基本穩(wěn)定，為后續(xù)試驗(yàn)創(chuàng)造較穩(wěn)定的初始條件。

1.3.3沼氣產(chǎn)氣量的測(cè)定。系統(tǒng)產(chǎn)生的沼氣通過(guò)排氣管進(jìn)入集氣罐，集氣罐內(nèi)浮桶會(huì)隨沼氣收集量增加而上浮，通過(guò)刻度尺讀數(shù)以及氣體溫度、壓強(qiáng)來(lái)?yè)Q算產(chǎn)氣量的標(biāo)準(zhǔn)體積。

1.3.4沼氣中H2S濃度測(cè)定。使用1904型奧氏氣體分析儀直接連通硅膠管的氣體采樣口，吸收沼氣并讀數(shù)，得到所測(cè)消化罐沼氣中的H2S濃度。

2 結(jié)果與分析

2.1 PAC對(duì)厭氧消化系統(tǒng)酸堿度的影響研究考察了投加聚合氯化鋁對(duì)污泥厭氧消化系統(tǒng)酸堿度的影響，結(jié)果見圖2。投加PAC的消化罐系統(tǒng)內(nèi)污泥的pH低于空白罐，并且隨著PAC投加濃度的升高，消化污泥pH逐步降低。空白罐內(nèi)污泥平均pH為7.26，PAC投加濃度為30、60、90、120、150 mg/L的消化罐內(nèi)污泥平均pH分別為7.18、7.14、7.09、7.02和6.93，與空白罐相比較，分別降低了0.05、0.09、0.14、0.21和0.33個(gè)pH單位。水解與發(fā)酵菌及產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌對(duì)pH的適應(yīng)范圍大致為5.00～6.50,而甲烷菌對(duì)pH的適應(yīng)范圍為6.60～7.50之間。當(dāng)pH降低至6.50以下時(shí)，消化系統(tǒng)已處于嚴(yán)重酸化狀態(tài)，對(duì)甲烷菌有毒害作用，故消化污泥的pH一般維持在中性附近(6.80～7.20)[9]。試驗(yàn)結(jié)果表明，投加PAC會(huì)降低消化系統(tǒng)內(nèi)的酸堿度，但降低幅度較小，消化系統(tǒng)內(nèi)污泥pH仍維持在中性附近，說(shuō)明投加PAC對(duì)消化系統(tǒng)pH的影響也較小。

2.2 PAC對(duì)厭氧消化系統(tǒng)沼氣產(chǎn)氣量的影響研究考察了不同PAC投加濃度條件下，隨著消化系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，沼氣日產(chǎn)氣量的變化情況(圖3)。由圖3可知，日產(chǎn)氣量隨時(shí)間呈逐漸遞增趨勢(shì)，隨投藥量的增加呈降低趨勢(shì)。空白罐以及PAC投加濃度為150 mg/L的消化罐日產(chǎn)氣量分別由初期的1 322.37和355.00 ml增加至2 412.09和1 616.78 ml，各增長(zhǎng)了1.82和4.55倍；累計(jì)產(chǎn)氣量分別為38 760.96和24 310.06 ml。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，PAC對(duì)產(chǎn)氣量的抑制作用有所減弱。PAC投加濃度為150 mg/L的消化罐累計(jì)產(chǎn)氣量為空白罐累計(jì)產(chǎn)氣量的62.72%，可見投加PAC可使消化系統(tǒng)總產(chǎn)氣量下降。究其原因，由于產(chǎn)甲烷菌對(duì)酸堿度要求很苛刻，同時(shí)消化罐內(nèi)毒性增強(qiáng)，使得產(chǎn)甲烷菌等微生物的活性降低。故PAC投加濃度越高，產(chǎn)甲烷菌活性被抑制得越嚴(yán)重。連續(xù)投加鋁鹽，消化罐內(nèi)厭氧污泥可以得到馴化[8]，與此同時(shí)，PAC的抑制效果也逐漸降低，但抑制效果并不會(huì)消失。

2.3 PAC對(duì)厭氧消化系統(tǒng)沼氣產(chǎn)氣組分、熱值的影響研究試驗(yàn)第17天沼氣組分的測(cè)定結(jié)果見圖4。由圖4可知，空白罐以及PAC投加濃度為30、90、150 mg/L的消化罐產(chǎn)氣中CH4含量為64.0%、63.6%、61.8%、60.0%，CO2含量為23.2%、23.8%、24.4%、28.6%，H2含量為8.6%、10.2%、12.2%、9.0%。投加PAC濃度為150 mg/L的消化罐所產(chǎn)沼氣中CH4含量比空白罐低6.25%，CO2含量則比空白罐高17.21%，H2含量比空白罐高4.65%。可見，CH4含量隨著PAC濃度的增加呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，投加PAC對(duì)產(chǎn)甲烷菌的活性起到抑制作用。H2和CO2則與CH4呈現(xiàn)相反趨勢(shì)，原因是產(chǎn)甲烷菌的活性受到抑制，從而導(dǎo)致將乙酸、H2與CO2轉(zhuǎn)化成甲烷的效率降低。沼氣組分中CH4含量以及沼氣產(chǎn)氣量均隨PAC投加濃度的提高逐步降低，而熱值同樣也隨投藥量的增加而逐步降低(圖5)。試驗(yàn)第17天測(cè)定的沼氣熱值由空白罐的26 700 KJ/Nm3逐漸降至PAC投加濃度為150 mg/L的25 108 KJ/Nm3，降低了1 592 KJ/Nm3，即降低了5.96%。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著PAC投加濃度的升高，消化系統(tǒng)產(chǎn)生的沼氣熱值逐步降低，但降低幅度不大。

2.4 PAC對(duì)厭氧消化系統(tǒng)中H2S產(chǎn)生量的影響研究圖6為不同濃度下沼氣中H2S隨時(shí)間變化。由圖6可知，空白罐所產(chǎn)沼氣中H2S含量平均為970.89 mg/m3，PAC投加濃度為30、60、90、120及150 mg/L的消化罐沼氣中H2S含量平均為849.56、610.89、539.33、543.00、568.44 mg/m3。隨著PAC投加濃度的升高，沼氣中H2S含量逐漸降低并趨于穩(wěn)定；當(dāng)PAC投加濃度達(dá)到90 mg/L時(shí)，沼氣中H2S含量已達(dá)到較低值，若繼續(xù)投加PAC，沼氣中H2S含量不再降低。試驗(yàn)結(jié)果表明，PAC對(duì)消化系統(tǒng)中H2S的產(chǎn)生有較好的抑制作用。

3 結(jié)論

(1) PAC的投加會(huì)降低厭氧消化系統(tǒng)內(nèi)的酸堿度。空白罐平均pH為7.26，PAC投加濃度逐步升高，消化污泥的pH也逐漸降低，但降低幅度較小。當(dāng)PAC的投加量為150 mg/L時(shí)，消化罐平均pH為6.93，僅降低了0.33個(gè)pH單位。

(2) PAC的投加對(duì)污泥厭氧消化產(chǎn)氣有消極影響，投加濃度越大沼氣量越低。PAC投加濃度為150 mg/L的消化罐累計(jì)產(chǎn)氣量為空白罐累計(jì)產(chǎn)氣量的62.72%。隨著污泥消化時(shí)間的延長(zhǎng)，PAC對(duì)污泥厭氧消化產(chǎn)氣的抑制作用逐漸減弱。

(3) 隨著PAC投加濃度的升高，沼氣中CO2和H2升高，CH4含量降低，熱值也逐漸降低。當(dāng)PAC投加濃度為150 mg/L時(shí)，所產(chǎn)沼氣中CH4含量比空白罐低6.25%，CO2含量高17.21%，H2含量高4.65%，熱值降低5.96%。

(4) 投加PAC對(duì)消化系統(tǒng)中H2S的產(chǎn)生具有較好的抑制效果。

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Effects of Polyaluminum Chloride on Mesophilic Anaerobic Digestion of Sludge

LIU Liang1, WANG Li-jia2, FU You-xian3et al

(1. School of Environmental & Municipal Engineering，Qingdao Technological University，Qingdao, Shandong 266033; 2. Qingdao Tuandao Sewage Treatment Plant, Qingdao, Shandong 266003; 3. Qingdao Municipal Investment Xiaojianxi Landfill Leachate Treatment Co., Ltd., Qingdao, Shandong 266071)

[Objective] The research aimed to study the impact of polyaluminium chloride (PAC) on anaerobic digestion of sludge. [Method] The continuous mesophilic anaerobic digestion experiment was carried out with the sludge of pre-concentration pool from a municipal wastewater treatment plant in Qingdao as the study object. The effect of PAC dosing on the mesophilic anaerobic digestion of sludge was studied. Under different dosages of PAC, pH of anaerobic digestion system, biogas production, biogas composition, calorific value and H2S content in the biogas were investigated. [Result] PAC dosing negatively impacted the anaerobic digestion process of sludge. With the dosage of PAC increasing, biogas production reduced, and CH4of the biogas was lower, while CO2increased and calorific value reduced. When the concentration of PAC was 150 mg/L, average pH in digestion tank was 6.93, and biogas production was 62.72% of that of blank tank, with a composition 6.25% lower in CH4, while 17.21% richer in CO2. PAC dosing had strong inhibitory effect on H2S content in the biogas. [Conclusion] The research could references for the selection of coagulant in coagulation process when using anaerobic digestion to process sludge in sewage treatment plant.

Anaerobic digestion of sludge；PAC；Biogas production；Biogas composition；H2S

劉亮(1989- )，男，河南信陽(yáng)人,碩士研究生，研究方向：水污染控制。

2014-12-03

S 216.4;X 705

A

0517-6611(2015)02-232-03