不同預處理方法對污泥厭氧發酵產酸效果的影響分析

樊雅欣

摘要：現今，隨著國內城鎮污水處理率持續提升，城鎮污水處理廠的污泥產量迅速增長。如何高效處理與利用污泥成了大眾關注的話題。污泥厭氧發酵產酸是一種高效處置污泥的方法，在減量化的同時，還能回收揮發性脂肪酸（VFAs）。然而，水解為污泥厭氧發酵限速環節，進行污泥預處理有助于污泥破壁溶出有機質，加快污泥水解，并抑制甲烷菌的活性，有助于VFAs 儲存。日常采取的預處理方法是微波預處理，酸、堿預處理，臭氧預處理，表面活性劑及熱預處理等。另外，采用不同的預處理方法，產酸成效也不同。關于污泥熱預處理和酸、堿預處理情況下厭氧發酵產酸成效的區別，文獻介紹得非常少。

關鍵詞：酸預處理;堿預處理;熱預處理;污泥厭氧發酵

目前，污泥厭氧發酵不但能使污泥減量化，而且能形成揮發性脂肪酸（Volatile? Fat t y? Acid s，V FA s），實現污泥的資源化應用。經過各批次試驗，研究酸預處理（pH=3、pH=4）、堿預處理（pH=10、pH=11）、熱預處理（T =70℃、 T =90℃）條件下污泥厭氧發酵產酸的效能。結果發現，在不同的污泥預處理厭氧發酵過程中， V FAs 積累集中產生在發酵前24 h，具體的產酸效果從大到小為 pH=11、T =90 ℃、 pH=10、T =70 ℃、pH=3、pH=4、控制組，堿處理產酸優勢顯著，酸處理成效不理想，熱預處理介于兩者之間。乙酸是VFAs的重要組成部分， pH=11組乙酸的最大質量濃度為1232.31 mg/L，是控制組的5倍。鑒于嗜酸產甲烷菌對VFAs的損耗及其經濟性，篩選24 h是最理想的發酵時間段。

1 試驗

1.1 試驗材料

污水處理廠回流污泥為此次試驗材料，60目篩之后，在4 ℃冰箱中靜置，24 h后除上清液備用。

1.2 試驗設計

本研究共設置7個實驗組：未預處理控制組，酸、堿預處理實驗組（pH=3、pH=4、pH=10、pH=11），熱預處理實驗組（T =70℃、 T =90℃）。酸、堿預處理采用4 mol/L的HCl與 NaOH調整污泥pH，熱預處理在恒溫水浴鍋內加熱。各實驗組在（35±1）℃、100 r/min水浴搖床中振蕩預處理24 h后，統一采用500 mL厭氧發酵瓶裝取預處理后污泥300 mL及新鮮污泥30 mL，灌入氮氣保證發酵的厭氧條件，反應器被封好后置于（35±1）℃恒溫搖床培育箱中，隨后實施厭氧發酵，單組設立兩個平行。

1.3 分析方法

用烘干法檢測污泥的總固體（Total? Solids，TS），用質量法檢測揮發性固體（VolatileSolid s，VS），用雷磁 PHS-3C型pH計檢測pH。要想檢測溶解性物質，樣品要以5 000 r/min離心10 min，再用0.45μm濾膜過濾上清液。用迅速檢測儀檢測溶解性化學需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD），用苯酚-硫酸法檢測溶解性糖，用Folin-酚試劑法檢測可溶性蛋白質。在測定VFAs的組成及含量之前，添加3%磷酸酸化，應用氣相色譜法檢測。用熱導檢測器與不銹鋼填充柱的氣相色譜儀檢測氣體成分與含量，用排水閥檢測氣體體積[1]。

2 不同預處理方式對污泥厭氧發酵水解的影響2.1 總VFAs產值變動規律

在不同的預處理條件下，由總V FAs產值在厭氧發酵進程中的濃度變化可知：比較不同的控制組，經多種預處理厭氧發酵后，整體的V FA s產值大大提高。 pH=3、 pH=11、T =70 ℃、 T =90 ℃實驗組的整體VFAs產值在發酵初期急劇提升，120 h后出現峰值，之后慢慢下滑，最大質量濃度分別為2 141、2 966、2 876、3066 mg/ L 。 pH=4、pH=10實驗組分別在72 h、24 h 達到峰值。由此可得， pH=11、T =70 ℃、 T =90 ℃處理組的厭氧發酵總 V FA s產值較大，且時長較理想。另外，不同預處理組的總VFAs產值在前24 h累積得非?？欤a酸效果從大到小為pH=11、T =90 ℃、 pH=10、T =70 ℃、pH=3、pH=4、控制組。從實驗數據可知， pH 越大、溫度越高越有利于總 V FAs積累。主要原因是高pH能加強細菌外部負電荷，形成非常大的靜電斥力，排放出大量胞外物質;高溫能使污泥絮體溶解增速，排放大量有機物，所以，堿處理和熱處理有助于產酸。

2.2 不同預處理方式對產氫量的具體影響

發酵反應42 h時，在控制組與其他預處理實驗組的污泥反應系統中，最終只形成H2和CO2，且CH4沒有測出。針對相關探究，在未被處置污泥稀釋糖類發酵形成氫的過程中，只出現了CH4。出現這種差異的原因是接觸的污泥源頭是城市污水處理廠中的二沉池，微生物為喜氧與兼性菌種，且極少數為甲烷或者不包含甲烷菌種，污泥未被處置發酵產氫時，沒有測出CH4。根據不同預處理方式對積累的產氫量的干擾，發酵24 h后，每個發酵系統積累的產氫量取得最大值，分別是對照31.78 mL、酸169.85 mL、堿144.23 mL、熱100.24 mL、曝氣72.88 mL、CHCl351.14 mL、BE 28.31 mL 。經過24 h發酵形成氫反應后，單獨發酵系統積累的產氫量明顯下滑，但沒有測出CH4。

2.3 VFAs組分變動規律

在不同的預處理污泥厭氧發酵實驗中， VFAs各組分的形成狀況區別非常大，且整體以乙酸為主。各組乙酸產量達到峰值的時間不同， pH=11與控制組為24 h，最大值分別為

1232.31、236.98 mg/L;T =70℃、 T =90℃處理組經過120 h 達到乙酸質量濃度最大值; pH=3、pH=4、pH=10處理組分別在144、72、48 h達到最大乙酸產量，質量濃度分別為728.23、462.57、1084.86 mg/L。因此，相比于控制組的最大乙酸質量濃度，各個預處理組提高了1.95～5.20倍，對乙酸產生效果的影響從大到小為pH=11、pH=10、T =90℃、 T =70℃、pH=3、 pH=4、控制組。由此推定，堿處置能最大限度地產生乙酸，同時質量濃度達到最大值的時間很短，其中， pH=11時為最佳狀態;熱處理效果欠佳，當熱處理溫度為70℃或90℃時，乙酸的差值不大，且達到峰值的時長相同;酸處理達到峰值用時最長，同時質量濃度較小。其中，熱預處理能抑制甲烷菌對乙酸的消耗，阻止甲烷產生。根據相關報道，堿和高溫預處理有非常好的產乙酸性能。

2.4 溶解性COD變化規律

在不同的預處理污泥厭氧發酵實驗組中，溶解性COD 濃度的變化規律：在控制組發酵實驗中，溶解性COD濃度長期處于最小值，堿處理與熱處理的溶解性COD濃度優于酸處理。隨著發酵時長增加，溶解性COD濃度從早期的小波動變為瞬間下滑，而堿處理與熱處理的溶解性COD濃度在厭氧發酵后出現明顯下滑的趨勢， pH=10處理組的溶解性COD 濃度在120 h后慢慢下降，原因為后半段甲烷菌滲入加快了有機質損耗。不同預處理組的污泥厭氧發酵溶解性COD濃度從大到小為T =90℃、 pH=11、T =70℃、 pH=10、pH=3、 pH=4、控制組，隨著堿性變強，熱處理的溫度升高，溶解性 COD濃度升高。在堿處理實踐中， pH=11處理組溶出的溶解性COD濃度大于pH=10處理組，此結論與部分專家一致[2]。2.5 溶解性碳水化合物和溶解性蛋白質變化規律

在污泥預處理厭氧發酵過程中，溶解性碳水化合物的變化規律：在堿處理與熱處理污泥實驗中，溶解性碳水化合物24 h之后降低，隨后有小范圍起伏，和總VFAs產值變化方向相反，說明在厭氧發酵早期，溶解性碳水化合物替換成了短鏈脂肪酸。不同預處理組碳水化合物分解出的濃度從大到小為T =90℃、 pH=11、T =70℃、 pH=3、pH=10、 pH=4、控制組。

與溶解性碳水化合物相關聯，在24 h之后，不同預處理污泥厭氧發酵的溶解性蛋白質出現不同程度的下滑，隨后保持平穩。然而，酸、堿、熱預處理污泥厭氧發酵對蛋白質的溶出成效有明顯差異，從大到小為熱處理、堿處理、酸處理、控制組，此結論與總VFAs產量有所不同。因此，針對相同的預處理方法，酸堿度越高或溫度越低，溶出效果越理想。? 2.6 CH4變化規律

在厭氧發酵實踐中，受到水解菌、產酸菌及產甲烷菌的影響，有機質持續水解溶出，且在酸化進程中勢必被甲烷等利用，以免大量揮發酸[3]。基于此，控制預處理方式和厭氧發酵時間，都是限制甲烷產生的高效方式。酸處理實驗組對甲烷菌的抑制效果最佳，但是有機質解析非常少，因此， V FAs儲存量很小;在堿處理組中， pH=10實驗組對甲烷菌的抑制效果不強，導致有機酸儲存量小于 pH=11處理組;90 ℃熱處理組的甲烷完全未產生及其累積VFAs未被損耗。

3 結語

首先，多種預處理方式最大限度地推動了V FAs在污泥厭氧發酵前24 h快速上升，且乙酸為VFAs的關鍵成分，堿處理的產酸效果最佳。其次，多種預處理方式會溶出不同的有機質，溶解性COD明顯提升。在產酸實踐中，可使用可溶性有機質，而可溶性碳水化合物與蛋白質質量濃度在厭氧發酵24 h后顯著下滑，隨后基本趨于平穩。污泥經不同預處理后，甲烷的產生受到不同程度的限制。鑒于甲烷產生過程中會損耗V FAs，要想提高產酸成效，發酵時間最好不要太長。

[參考文獻]

[1]劉偉，陸佳，蘇小紅，等.超聲預處理時間對污泥厭氧發酵產甲烷潛力的影響研究[J].中國沼氣，2019（4）：41-46.

[2]余華平，黃瑛，洪鋒，等.不同預處理方法對脫水污泥厭氧消化的影響[J].環境工程學報，2018（9）：2594-2601.

[3]賈舒婷，張棟，趙建夫，等.不同預處理方法促進初沉/剩余污泥厭氧發酵產沼氣研究進展[J].化工進展，2013（1）：193-198.