游離氨對熱水解聯合中溫厭氧消化處理剩余污泥的影響

劉 陽,彭永臻*,韓玉偉,馬文錦,曾 薇（.北京工業大學,北京市污水脫氮除磷處理與過程控制工程技術研究中心,北京市水質科學與水環境恢復工程重點實驗室,北京 004；.北京工業大學建筑工程學院,北京004；.北京排水集團,北京 00044）

游離氨對熱水解聯合中溫厭氧消化處理剩余污泥的影響

劉 陽1,彭永臻1*,韓玉偉2,馬文錦3,曾 薇1（1.北京工業大學,北京市污水脫氮除磷處理與過程控制工程技術研究中心,北京市水質科學與水環境恢復工程重點實驗室,北京 100124；2.北京工業大學建筑工程學院,北京100124；3.北京排水集團,北京 100044）

熱水解預處理強化了污泥厭氧消化過程,但同時增加了微生物受游離氨抑制的風險.對比傳統工藝,在有機容積負荷率1.74～4.27gVS/（L?d）條件下,研究了游離氨（FA）對熱水解聯合中溫厭氧消化工藝性能的影響.結果表明,組合工藝甲烷產量較傳統反應器提高89%～121%,有機去除率提高1.21～1.46倍.但同時導致系統中游離氨濃度達89～382mgN/L,顯著高于傳統工藝中37～84mgN/L的范圍.游離氨毒性測試顯示,傳統工藝中FA濃度從43mgN/L升至84mgN/L,沒有抑制解乙酸產甲烷途徑,而組合工藝中FA升至264mgN/L時,表現出抑制作用,盡管厭氧菌對高濃度FA表現更強的馴化趨勢.結合氮負荷試驗, FA濃度與基質利用能力,解乙酸產甲烷途徑抑制程度和揮發性有機酸積累的關系表明,高有機負荷條件下組合工藝效率可通過控制氮負荷優化.

熱水解；剩余污泥；厭氧消化；游離氨抑制

剩余污泥在厭氧消化過程中,由于細胞壁難以被生物破壞,造成降解性較差,熱水解技術以強化厭氧消化工藝性能.研究表明熱水解在 160～180℃,600～2500kPa壓力,以及維持30～60min的條件下可以有效破壞剩余污泥細胞壁［1］,加速水解限速步驟［2］,從而提高剩余污泥的降解性和降解速率.但是,隨著該工藝中有機固體的降解過程被熱水解預處理強化,更高濃度的氨氮釋放出來,對微生物的產甲烷能力構成了潛在威脅.尤其以游離態存在的氨（FA）在100～1100mgN/L范圍時,對經馴化的厭氧菌系統的解乙酸產甲烷途徑產生不同程度的抑制作用,而對于未馴化的系統,80～150mgN/L FA即會產生抑制作用［3-6］.目前,關注組合工藝中高 FA濃度現象的報道較少.因此,本試驗研究了 FA對熱水解聯合中溫厭氧消化工藝的抑制問題,并探索了能夠緩解 FA毒性的可行方法,旨在對提高生物質能源回收效率提供參考.

1　材料與方法

1.1材料

脫水剩余污泥泥餅來自北京一座MBR工藝城市污水處理廠（清河三期工程,處理能力：20萬m3/d）.脫水泥餅根據試驗負荷稀釋,錘式破碎機攪拌10s后用作原泥,熱水解預處理后的剩余污泥在儲存前稀釋到試驗負荷需求濃度.廚余取自某高校學生食堂,與原泥以1：1.5比例混合后進行熱水解作為混合基質.混合基質用于氮負荷試驗.全部進料儲存在4℃環境下.表1提供了進料的具體性質.

表1　進料性質Table 1　Characterization of feedstock

1.2中試厭氧消化系統的設置與運行

圖1　試驗設置流程示意Fig.4　Schematic of the experimental setups

熱水解預處理在兩段式裝置內進行.脫水泥餅在主反應罐內 175℃,0.6～0.8MPa條件下保持30min,然后在閃蒸罐瞬間泄壓.該裝置采用蒸汽直接加熱.厭氧消化在兩座工作體積 190L的單相完全混合式反應器（CSTR,鋼材型號0Cr18Ni9）中進行.反應器控制在（37±2）℃的中溫條件下,并包裹聚氨酯作為保溫層.固體負荷指標為有機容積負荷率（OLRs, gVS/（L?d））.反應器R2處理熱水解污泥,傳統中溫單相反應器 R1處理原泥作為對比.試驗在1.74～4.27gVS/（L?d）區間內的5個遞增有機負荷（OLRI～OLRV）條件下進行,水力停留時間（HRT）和具體有機負荷見表2.每一個負荷梯度至少持續3個HRT以上.圖1為試驗反應器的示意.兩CSTR反應器均接種自中試規模處理果蔬廢物的厭氧消化反應器,接種 TS,SS,VS,VSS分別為22.43,20.77,15.51,13.76mg/L.

1.3FA毒性測試

本研究中,FA毒性測試采用了用于測試 FA對微生物抑制程度測試的反曲模型,該模型基于積累產氣曲線的初始斜率：［7-8］

式中： INH3為抑制因子（IF）,定義為受FA抑制系統積累產氣曲線的初始斜率與FA極低情況下積累產氣曲線的初始斜率之比.前綴L是邏輯模型的標識.INH3halfval和-K分別是INH3等于0.5時的FA的摩爾濃度和曲線斜率,這2個參數通過非線性最小二乘方法估計得到.積累產氣量曲線的初始斜率通過Gompertz方程擬合得出：［9］

式中：Rm為積累產氣曲線的初始斜率；p為最大積累產氣量,mL；λ為遲滯期,d. 3個參數通過非線性最小二乘方法估計得到. B（mL）是在時間 t（d）時的積累產氣量觀測值.

FA毒性測試在血清瓶中通過測定R1,R2中產甲烷微生物樣品（取樣時間為試驗的第 140d和第275d）和氮負荷試驗中的額外測試,取自 R3中第395d時的微生物樣品,以評價FA對于甲烷菌解乙酸產甲烷途徑的抑制程度以及微生物對于提高的FA水平的馴化趨勢. 20mL稀釋至相同濃度的微生物接種液（VS：15.00mg/L）,10mL 1.0mol/L PBS（相對于各反應器pH值）,相應濃度的NH4HCO3儲液（FA濃度梯度設置見補充材料）先后加入血清瓶中.根據各組試驗背景反應器的pH值不同,初始乙酸濃度在 0.05～0.09mol/L區間, 以使游離乙酸維持在一個相對一致的濃度（6.80～6.95mg/L）,因為游離態乙酸更具有動力學方面的意義［8-10］,酸堿解離常數pKa值查自文獻［11］.

1.4組合工藝氮負荷試驗

將取自第280d的R2中的混合液接種到2座工作體積25L的CSTR反應器中,進行氮負荷試驗,運行HRT為14.6d,OLR為3.50gVS/（L?d）.其中, R3作為進行氮負荷試驗調節的反應器,氮負荷的降低通過加入低C/N比的混合基質,氮負荷的提高通過人工投加NH4Cl實現. R2a作為平行反應器,其氮負荷保持不變.

1.5分析方法

TS,SS,VS,VSS,COD,NH3-N 和 TKN根據Standard Methods［12］中描述的方法測定.氣體體積每24h通過濕式氣體流量計記錄一次.C,H和N通過CE-440快速元素分析儀測定.VFAs通過一臺裝備有FID檢測器和Porapak-N色譜柱的日本島津GC-2010A氣相色譜儀測定,進樣器,柱箱和檢測器的溫度分別為200,170,220℃.CH4含量通過一臺裝備有TCD檢測器和RT-Q 色譜柱的島津GC-2010A氣相色譜儀測定,進樣器,柱箱和檢測器的溫度分別為 200,60,200℃.所有樣品均設置 3個平行.生物產甲烷潛力（BMP）在每批剩余污泥運至時和進行預處理之后測定.本研究中,生物產甲烷潛力利用率（BMP）定義為由試驗反應器性能數據計算得到的甲烷產率（Methane Yield）與該批次進料在 BMP試驗中測得的最大甲烷產率之比,用以描述能量潛力被厭氧消化反應器開發利用的程度.

2　結果與討論

2.1工藝污泥減量與能源回收性能

中試試驗始于2013年6月,持續約390d.啟動期在40d左右,由于期間系統不穩定,所以數據不在文中討論.每個試驗階段的運行試驗數據見表 2.熱水解強化反應器 R2的運行負荷從1.74gVS/（L?d）開始升至 4.27gVS/（L?d）,除了第158d出現過加熱器斷電之外,其性能穩定,沒有工藝崩潰現象.傳統單相工藝 R1在 OLR達到2.95gVS/（L?d）之后,反應器性能持續惡化,因此未再進一步提高其負荷.盡管R2隨著OLR的增加,在整個試驗期間 VS去除能力從51.35%降到了38.18%,但其工藝性能在高負荷條件下較傳統工藝提升更顯著.在試驗持續的390d時間內,R2的容積產甲烷速度（VMP）從 0.445LCH4/（L?d）升高至0.870LCH4/（L?d）,較R1高出89%～121%.產氣性能的提升得益于經過熱水解預處理,R2的 VS去除率高于 R1 1.21～1.46倍,比甲烷產量（SMP）提升了40%. SMP的提高與BMP試驗中41%～54%的潛力提高基本一致（表1）.SMP是一個衡量基質自身可生物降解性的指標,而與負荷無關,提高的SMP表明進料的可生物降解能力被強化了.

同時,熱水解預處理通過強化解離和水解步驟,使復雜固體顆粒解離,并破壞細胞壁從而使有機物從剩余污泥細胞中釋放,加速了厭氧消化過程的進行［13］.經過預處理之后,VS溶解率從6.35%上升到35.07%.VFAs濃度從3.1gCOD/L升至6.1gCOD/L,較原泥進料中提高了7倍左右,表明大量的復雜顆粒和細胞復合物被分解為小分子物質并進入了液相.其他學者也報道了通過熱水解預處理,甲烷產量可增加34.8%～100%,TS去除率可提高 25%～45%的,VS水解率可提升27.5%～60%［14-18］.

表2　穩定期運行參數Table 1　Detailed operational parameters during steady state of the digesters.

2.2FA對熱水解聯合工藝的影響

BMP利用率表示了在反應器中有機物被轉化為甲烷的程度（圖2）.在前70d內,即使在最低負荷下,R1中的有機物也未能被充分利用.相反,R2 的BMP 利用率在前210d一直高于90%,表明在此過程中,負荷的提升以及 HRT的降低,并未影響到R2的產甲烷能力.在整個試驗階段,由于預處理過程的存在以及更高的有機物去除率,R2中氨氮的濃度（1.9～3.4gN/L）是 R1中（1.2～1.7gN/L）的2倍左右.兩反應器中的氨氮濃度基本均在報導過的抑制范圍內［19］.FA濃度受總氨氮濃度影響, R2中的FA濃度從89mgN/L升至382mgN/L, R1中FA濃度從37mgN/L升至84mgN/L.BMP利用率在R2中,僅在最后2個負荷梯度開始從90%以上降低至70%,而在R1中,它是持續降低的.如果在OLRII階段,R1中的BMP利用率的降低是由于FA抑制的話,但此階段R2中的FA濃度更高,卻沒有表現出明顯的抑制.在第 209～284d, BMP利用率在2個反應器中均開始下降,與之相應的是R2的FA濃度顯著提高了,而R1 的 FA濃度提升平緩且依然處于較低水平.這些結果表明,FA抑制是否存在不能僅從濃度判斷,其還與工藝有關.

圖3描述了從FA毒性測試得到的抑制因子（IF值）以及擬合曲線的趨勢.R2均高于0.93（表3）表明觀測值與所應用的反曲模型有較好的相關性.參考R1的2條擬合曲線,其解乙酸產甲烷途徑的 IF值保持在 0.88左右,盡管 FA濃度從43mgN/L升至 84mgN/L（圖3）,表明隨著負荷的提升,FA對 R1產甲烷能力的抑制有限.對于R2,IF從0.77降至0.62,表明當系統內FA濃度從117mgN/L升至264mgN/L的過程中,FA降低了以乙酸為基質產甲烷菌群的活性,這可能是 R2在高FA條件下,BMP利用率降低的原因,因為解乙酸型甲烷菌,如Methanosaeta常常被認為是厭氧消化反應器中的優勢菌［20］.

圖2　厭氧消化系統對進料的能源化潛力的利用程度Fig.4　Degree of the energetic potential of the feedstock developed by the AD system

圖3　FA毒性測試結果Fig.4　Results obtained in FA toxicity tests

另外,圖2還顯示,甲烷菌均對提高的FA濃度表現出了馴化的趨勢.馴化趨勢與估計參數INH3halfval一致：微生物樣品取自 FA濃度更高的反應器,則INH3halfval值更高,不論微生物是來自FA表現出抑制的R2,還是FA并未表現明顯抑制的R1.例如,對于OLRII或者OLRIV階段的測試,同一FA水平下,FA對R2的抑制程度要小于R1,表明其對 R2中微生物的馴化程度更高.甲烷菌群高FA濃度的毒性環境的馴化被認為與甲烷途徑由解乙酸型到包括乙酸氧化菌和氫營養型甲烷菌共同作用的互養型乙酸氧化的轉變有關［21-24］. Jang等［25］發現,對氨敏感的優勢中溫解乙酸型甲烷菌Methanosaetaceae,在氨氮升至2.34～5.60gN/L之后開始消失,而不直接利用乙酸的甲烷菌開始顯示優勢.通過16S rDNA技術,Wilson發現［26］在受 FA抑制的反應器中氫營養型甲烷菌占優勢.這些菌群更替的趨勢與之前報導的氫營養型甲烷菌對FA更具耐受性的結果一致［27］.

表3　邏輯模型的參數估計Table 1　Estimated parameters of the logistic model applied

通過FA毒性測試,發現FA在兩種不同工藝中作用不同.對于傳統工藝R1,較低的FA濃度范圍（43～84mgN/L）馴化了微生物,并且在 OLR提高的過程中表現出了有限的抑制作用.其工藝性能的下降應該歸因于過負荷或者HRT不足.對于組合工藝R2,高FA濃度（264mgN/L及以上）抑制了反應器的解乙酸產甲烷途徑,盡管微升物表現出了更高程度的馴化,但這不足以抵消 FA的抑制作用.

2.3組合工藝氨氮負荷試驗

圖4　不同氮負荷條件下的FA對反應器性能的影響結果Fig.4　Results of reactor experiments on FA inhibition under various nitrogen loading rates

FA毒性測試表明,熱水解聯合厭氧消化工藝在高有機容積負荷率下運行時產生了達到抑制濃度的FA.將可快速酸化的高C/N比廢物廚余加入到 R3（OLR, 3.52gVS/（L?d）,NLR,0.231gN/ （L?d））進料中,用以將其FA濃度調整至更有利于解乙酸型甲烷菌活性的范圍內.在 280～330d,BMP利用率逐漸恢復至90%左右（圖4a）,此時pH值和氨氮濃度分別為 7.60和 2581mgN/L,相應FA濃度為139mgN/L.相比于R2a,R3中的FA濃度降低了89%.顯著降低的FA濃度緩解了其對微生物的抑制作用,使產甲烷基質的降解速度得到提高［8］,從而使反應器的產甲烷能力得到一定程度的提高.當在試驗的 330～362d,通過在進料中投加 6g/L NH4CL使 R3的氮負荷（NLR, 0.336gN/（L?d））和R2a回到同一水平之后,觀測到R3的BMP利用率逐漸下降.雖然仍然高于R2a,這可能是由于生物降解能力更強的廚余強化了整個厭氧消化過程［15-16］,但進一步證明了反應器對產甲烷基質的利用能力受到FA濃度的影響.

在 362～400d,通過在進料中投加 12g/L NH4CL,在R3中模擬了氮過負荷條件下反應器的運行情況.此時進料氮負荷為 0.441gN/（L?d）,含氮量等于 140gTS/L條件下的熱水解污泥.觀察到BMP利用率降至50%～60%,此時氨氮和FA濃度分別為4gN/L和500mgN/L左右.以乙酸和丙酸為主的VFAs大量積累,這是厭氧消化過程中產甲烷步驟被部分抑制或嚴重抑制而產酸步驟較為正常時的典型特征,因為產酸菌對 FA的耐受性較高［19,28］.取自395d時R3中的微生物樣品進行FA毒性測試,當FA達到500mgN/L時IF值為0.28（圖3）,表明解乙酸產甲烷途徑受到了顯著的抑制,可能是導致VFAs積累和反應器產甲烷能力降低的原因.盡管有研究指出,氮負荷過高往往伴隨固體超負荷發生,產生較高濃度 VFAs,從而降低體系pH值,這有助于降低FA濃度,使反應器達到穩定運行但甲烷產率較低的“抑制穩定”階段［19］.但是,高濃度的末端VFAs意味著能量的浪費以及額外的處理花費,這都會提高整體運行投入.

通過調控R3的氮負荷并進行FA毒性測試,揭示了熱水解強化的厭氧消化工藝中 FA濃度,BMP利用率,IF值和VFAs積累的關系.它們之間的關系也更好的解釋了中試反應器中FA從不抑制到出現抑制這個過程中反應器的性能降低的原因.并且, R2和R3的pH隨負荷變化的特點（表2, 圖4）表明,該工藝中,NH4+/NH3平衡是影響pH值的主要原因,而非反應器內VFAs的濃度,這說明,隨著負荷的進一步增高,R2發生嚴重FA抑制的可能性要大于因pH值劇降而發生酸化的可能性.所以, 在高固體負荷條件下,組合工藝的性能受到了氮負荷的影響.相比于傳統工藝,熱水解的高性能優勢使生產應用中以更小的反應器體積處理更高負荷的剩余污泥,提高了能源回收效率并且節約了基建成本.但是,傳統工藝中鮮為提及的FA抑制問題對于組合工藝的效率產生了威脅.當組合工藝運行在較高有機負荷下處理剩余污泥這種富含氮物質時,通過在進料中加入高碳氮比的廚余廢物控制氮負荷,不僅使 FA可以被控制在相對輕度抑制范圍優化工藝效率, 而且也可以將廚余廢物進行有效的能源回收利用.

3　結論

3.1熱水解強化了厭氧消化處理剩余污泥工藝的效率,甲烷產量較傳統反應器提高89%～121%,有機去除率提高1.21～1.46倍.卻同時導致系統中游離氨濃度達89～382mgN/L,顯著高于傳統工藝中37～84mgN/L的范圍,抑制了解乙酸型甲烷菌的活性.

3.2氮負荷試驗中FA濃度與基質利用能力,解乙酸產甲烷途徑抑制和 VFAs積累的關系表明,在高有機容積負荷率的條件下控制氮負荷是優化組合工藝效率的可行途徑.

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致謝：本研究得到了北京排水集團小紅門污水處理廠,北京排水集團科技研發中心的巨大幫助,在此表示感謝.

The inhibition of free ammonia on combined thermal hydrolysis and mesophilic anaerobic digestion for treating waste activated sludge.

LIU Yang1, PENG Yong-zhen1*, HAN Yu-wei2, MA Wen-jin3, ZENG Wei1（1.Engineering Research Center of Beijing, Key Laboratory of Beijing For Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China；2.College of Architecture and Civil Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China；3.Beijing Drainage Group, Beijing 100044, China）.

China Environmental Science, 2015,35（9）：2650～2657

Thermal hydrolysis facilitates anaerobic digestion process, but raises the possibility of free ammonia inhibition. This study evaluated the effect of free ammonia on the methanogenic ability of the thermal hydrolysis and mesophilic combined process treating waste activated sludge （WAS） with conventional single phase process as comparision. At the volumetric organic loading rates of 1.74～4.27gVS/（L?d）, the combined process had 89%～121% methane production and 1.21～1.46 times volatile solids reduced than the conventional process. But it produced free ammonia （FA） ranging 89～382mgN/L, much higher than that （37～84mgN/L） in the conventional process. Anaerobic microorganisms in both processes acclimated to high FA concentrations. The aceticlastic methanogenesis pathway was barely affected in the conventional process with FA increasing from 43 to 84mgN/L, while the activity of aceticlastic methanogens was inhibited in the combined process with FA concentration higher than 264mgN/L. The interaction of FA concentration, BMP utilization ratio, the inhibition of aceticlastic methanogenesis and volatile fatty acid （VFA） accumulations indicated the combined process was mainly affected by nitrogen loading, which was different from organic loading limited conventional process. At high solid concentration, nitrogen loading rates should be considered as an limiting operational parameter for thermal hydrolysis anaerobic digestion process.

thermal hydrolysis；waster activated sludge；anaerobic digestion；free ammonia inhibition

X703

A

1000-6923（2015）09-2650-08

2015-01-16

國家863計劃項目（2012AA063406）；北京市教委資助項目

*責任作者, 教授, pyz@bjut.edu.cn

劉 陽（1989-）,男,河北省石家莊人,北京工業大學碩士研究生,主要從事剩余污泥厭氧消化工藝理論與應用研究.