污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)揮發(fā)性脂肪酸

　　1 引言

　　隨著(zhù)我國城市污水處理率的提高，城市污泥處理處置問(wèn)題日益凸顯.污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)揮發(fā)性脂肪酸(VFA)是實(shí)現污泥減量和資源化利用的一條新途徑(Feng et al., 2009; Lee et al., 2014).通過(guò)厭氧微生物的作用，將污泥中的復雜有機物通過(guò)水解和酸化反應轉化為揮發(fā)性脂肪酸，發(fā)酵后的酸產(chǎn)品經(jīng)提取后可作為化學(xué)原材料(Agler et al., 2011).目前最為關(guān)注的是將VFA直接用作污水生物脫氮除磷工藝的補充碳源(Jiang et al., 2007;Lu et al., 2006)，解決城市污水處理廠(chǎng)脫氮除磷提標改造所面臨的碳源缺乏的難題.

　　為了提高污泥發(fā)酵產(chǎn)酸效率，研究人員已從各個(gè)方面進(jìn)行了研究，包括預處理、馴化接種、pH調控、C/N比調控、停留時(shí)間調控等(Huang et al., 2014;劉和等，2010).由于污泥有機成分復雜、不易被發(fā)酵產(chǎn)酸微生物所利用，成為阻礙城市污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的主要因素.熱堿預處理可以破壞污泥中微生物細胞結構，提高污泥液相中溶解性有機物的含量，最終提高揮發(fā)性脂肪酸的產(chǎn)率.此外，pH也是影響污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的重要因素(Chen et al., 2007).

　　總體上，污泥發(fā)酵產(chǎn)酸這一領(lǐng)域的研究逐漸系統、深入，但以往研究絕大多數都是基于序批式的搖瓶發(fā)酵試驗，尚未見(jiàn)到在精密控制的發(fā)酵罐中以預處理污泥為底物的發(fā)酵工藝研究.因此，本文通過(guò)設計熱堿預處理-半連續發(fā)酵產(chǎn)酸工藝，在30 L規模的自動(dòng)發(fā)酵罐上進(jìn)行污泥發(fā)酵產(chǎn)酸實(shí)驗，旨在考察：①污泥熱堿預處理后半連續流厭氧發(fā)酵的產(chǎn)酸效果;②pH調控對污泥半連續流發(fā)酵產(chǎn)酸的影響;③評估污泥發(fā)酵產(chǎn)酸液用作污水處理廠(chǎng)脫氮除磷碳源的可行性.

　　2 材料與方法

　　2.1 污泥來(lái)源

　　污泥為無(wú)錫市某生活污水處理廠(chǎng)的脫水污泥，污泥取回后用自來(lái)水稀釋成75 g · L-1(以TS計)的泥漿，并放于4 ℃冰箱儲存備用.污泥產(chǎn)酸發(fā)酵的種泥馴化過(guò)程如下：新鮮脫水污泥(75 g · L-1)在104 ℃下加熱2 h，用以殺死產(chǎn)甲烷細菌(Logan et al., 2002)，然后轉入UASB反應器(有效容積2 L)中進(jìn)行種泥馴化;營(yíng)養液配置如下(g · L-1)：葡萄糖14.40，酵母膏 3.20，KH2PO4 0.56，MgSO4 · 7H2O 0.96，NH4Cl 2.40，CaCl2 0.72，NaHCO3 0.96，MnCl2 0.11，FeSO4 · 7H2O 0.12.溫度35 ℃，UASB反應器采用連續流方式運行，當反應器pH降至4.0以下，就可以判斷種泥馴化成功(郭磊等，2008).

 表 1 脫水污泥和種泥的基本理化性質(zhì)

　　2.2 實(shí)驗裝置

　　實(shí)驗裝置為鎮江東方生物工程設備技術(shù)有限責任公司生產(chǎn)的自動(dòng)機械攪拌不銹鋼發(fā)酵罐(GUJS-30C型)，發(fā)酵罐個(gè)數為2個(gè)，一個(gè)用于進(jìn)行污泥的預處理，另一個(gè)則進(jìn)行發(fā)酵反應.每個(gè)發(fā)酵罐的容積為30 L，裝液量為21 L.整個(gè)發(fā)酵罐配有自控系統，可以實(shí)時(shí)監測和調控發(fā)酵溫度、轉速、pH.工藝流程和發(fā)酵罐模式圖如圖 1所示.

 圖 1 厭氧產(chǎn)酸發(fā)酵罐模式圖和流程圖

　　2.3 工藝流程

　　熱堿預處理-半連續流厭氧發(fā)酵工藝流程如下(圖 1)：將脫水污泥調制為75 g · L-1(以每L泥漿中的TS(g)計)，然后用泵打入預處理罐進(jìn)行熱堿預處理.預處理條件為：溫度為(90±1)℃，用20 mol · L-1 NaOH 調pH為11.0(21 L污泥需約262.5 mL的20 mol · L-1 NaOH溶液)，反應時(shí)間2 h.預處理后的污泥冷卻至室溫后泵入發(fā)酵罐進(jìn)行產(chǎn)酸反應，種泥的接種量為30%(體積分數)，發(fā)酵罐裝液量為21 L，SRT為10 d，采用半連續流方式運行，即每2 d天排出4.2 L發(fā)酵后污泥，而后泵入4.2 L預處理污泥.用20 mol · L-1 HCl和20 mol · L-1 NaOH調節罐內pH值.

　　2.4 測試方法

　　取排出后的污泥進(jìn)行各項指標分析.pH、TS、VS、TN、TP和NH+4-N等常見(jiàn)指標采用標準方法測得(魏復盛，2002).發(fā)酵后污泥以10000 r · min-1的速度離心10 min，然后將上清液通過(guò)0.45 μm的針頭式過(guò)濾器過(guò)濾，過(guò)濾后的液體存放于4 ℃冰箱，用于測量SCOD、溶解性蛋白質(zhì)、溶解性多糖、TN、TP、NH+4-N和VFA.

　　VFA采用氣相色譜法測定.測量?jì)x器為島津公司生產(chǎn)的2010型氣相色譜，主要配置：AOC-20i自動(dòng)進(jìn)樣器、FID檢測器、PEG-20M色譜柱(30 m×0.32 mm×0.5 μm，大連中北分析儀器);采用一階程序升溫，初溫80 ℃，保持3 min，然后以15 ℃ · min-1的速率升至200 ℃，保持2 min.載氣為氮氣，吹尾流量30 mL · min-1.進(jìn)樣室(SPL)和檢測器(FID)的溫度都設為250 ℃.

　　用快速消解法測定溶解性化學(xué)需氧量(SCOD)(魏復盛，2002).用苯酚-硫酸法測定溶解性多糖(DuBois et al., 1956)，考馬斯亮藍G250染色法測定溶解性蛋白質(zhì)(Bradford，1976).用氯仿、甲醇超聲提取污泥中的脂類(lèi)物質(zhì)，50 ℃干燥至恒重，并用重量法測定(Bligh et al.，1959).

　　3 結果與討論

　　3.1 預處理及發(fā)酵對污泥性質(zhì)的影響

　　預處理前后及發(fā)酵后污泥的性質(zhì)變化如表 2所示.污泥經(jīng)過(guò)2 h的熱堿處理后，SCOD從2923.08 mg · L-1上升為30884.62 mg · L-1，比預處理前提高了9.57倍.污泥經(jīng)發(fā)酵后(pH為6.5和10.0，溫度35 ℃)，SCOD上升至31120.08 mg · L-1.SCOD反映了污泥的水解情況，從SCOD的變化可以看出，經(jīng)過(guò)熱堿預處理后，污泥中有機物從固相轉移到液相并發(fā)生水解作用.但污泥發(fā)酵后SCOD只有輕微的上升，說(shuō)明污泥中的有機質(zhì)主要在預處理階段被釋放，而發(fā)酵階段變化不大.

 表 2 預處理和發(fā)酵對污泥性質(zhì)的影響

　　蛋白質(zhì)和多糖的變化趨勢與SCOD一致，預處理后蛋白質(zhì)和多糖濃度分別提高了55.43倍和5.88倍.但發(fā)酵后污泥發(fā)酵液中的蛋白質(zhì)濃度大幅下降，從9341.67 mg · L-1 降至2108.86 mg · L-1，這是蛋白質(zhì)被產(chǎn)酸菌用作底物轉化為有機酸所致.多糖發(fā)酵后有少量下降，從2240.01 mg · L-1下降到2111.95 mg · L-1，說(shuō)明污泥產(chǎn)酸發(fā)酵過(guò)程中，污泥蛋白質(zhì)是產(chǎn)酸發(fā)酵的主要底物來(lái)源.導致這一現象的原因比較復雜，可能跟蛋白質(zhì)初始濃度較高有關(guān)，也可能跟厭氧產(chǎn)酸微生物種群有關(guān)(Yuan et al., 2006).

　　預處理后TN濃度從213.85 mg · L-1上升到2089.75 mg · L-1，熱堿預處理使總氮濃度提高了8.77倍，發(fā)酵后TN濃度為2725.96 mg · L-1，略有上升.預處理后TP濃度從434.89 mg · L-1上升到508.44 mg · L-1，發(fā)酵后TP濃度下降到265.15 mg · L-1，可能是堿性條件下磷酸鹽發(fā)生沉淀導致TP濃度下降.可以看出，TN和TP的變化趨勢和SCOD相同，預處理前后變化較大，而發(fā)酵的影響較小.預處理和發(fā)酵對污泥TSS和VSS的影響和其它指標相同.綜上所述，熱堿預處理對污泥有機物釋放的影響非常顯著(zhù)(Yuan et al., 2006)，大幅提高了溶解性有機物濃度，是促進(jìn)污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的主要原因.

　　3.2 pH調控污泥半連續流厭氧發(fā)酵的產(chǎn)酸效果

　　污泥熱堿預處理后在發(fā)酵罐中的產(chǎn)酸結果如圖 2所示，整個(gè)發(fā)酵經(jīng)歷了啟動(dòng)、偏中性發(fā)酵、堿性發(fā)酵3個(gè)階段.反應初期以序批式運行方式啟動(dòng)厭氧發(fā)酵罐，啟動(dòng)后1周發(fā)酵罐內酸產(chǎn)量趨于穩定，平均總酸產(chǎn)率值為422 mg · g-1(以每g VS產(chǎn)COD量(mg)計，下同)，之后采用半連續方式運行發(fā)酵罐.啟動(dòng)階段因為種泥接種量大(為30%)并殘留有少量馴化階段的葡萄糖，因此，總酸產(chǎn)量比較高.在半連續運行階段，前34 d在pH為6.5條件下運行發(fā)酵罐，待產(chǎn)酸穩定后將pH調至10.0，半連續發(fā)酵實(shí)驗共進(jìn)行了78 d(發(fā)酵罐的調控運行方法見(jiàn)2.2節和2.3節).

 圖 2 發(fā)酵過(guò)程中總揮發(fā)性脂肪酸產(chǎn)率(a)及半連續流階段有機酸構成比(b)

　　pH為6.5和pH為10.0條件下平均揮發(fā)性脂肪酸濃度分別為15.15 g · L-1和11.39 g · L-1，其對應產(chǎn)率分別為333.29 mg · g-1和250.64 mg · g-1.從產(chǎn)酸效果來(lái)看，pH為6.5時(shí)產(chǎn)酸更穩定，且產(chǎn)量相對較高.根據陳銀廣等的研究(Chen et al., 2007)，污泥在堿性條件下更有利于產(chǎn)酸發(fā)酵，但本研究結果和以往結果略有不同.這是因為水解反應是污泥產(chǎn)酸發(fā)酵的限速步驟，而堿性條件下發(fā)酵有利于有機物水解，大量有機物的釋放和水解為產(chǎn)酸菌提供了充足的底物，因此，堿性條件下的發(fā)酵產(chǎn)酸效果優(yōu)于中性或酸性pH條件.而本研究中，污泥先經(jīng)過(guò)了熱堿預處理，污泥中有機物已經(jīng)得到充分釋放.但對于單純的微生物產(chǎn)酸反應而言，中性pH條件更有利于產(chǎn)酸微生物的生長(cháng)(Drake et al., 2008).因此，在pH為6.5時(shí)的有機酸產(chǎn)率高于pH為10.0時(shí)的有機酸產(chǎn)率.Cotter等(2009)以分離純化的同型產(chǎn)乙酸菌為實(shí)驗對象，發(fā)現在中性pH 條件下產(chǎn)酸菌具有更高的活性.Huang等(2014)比較了不同pH條件下發(fā)酵污泥的微生物多樣性，結果表明，極堿性(pH=10~11)條件下的微生物多樣性明顯少于弱堿性(pH=8~9)和中性條件下的微生物多樣性.

　　圖 2b顯示了兩種pH條件下有機酸發(fā)酵產(chǎn)物的構成.從結果來(lái)看，堿性和中性條件下的有機酸產(chǎn)物都以乙酸為主，pH為6.5時(shí)，乙酸占50.05%，而pH為10.0時(shí)，乙酸占59.41%，說(shuō)明堿性條件更適合產(chǎn)乙酸.中性和堿性條件下丙酸、丁酸、戊酸的比例分別為15.97%、24.94%、9.04%和8.07%、28.73%、3.79%.以上結果說(shuō)明，中性pH發(fā)酵有利于丙酸和戊酸的積累，而pH對丁酸的影響不大.Horiuchi等(2002)研究了連續流條件下pH調控污水發(fā)酵產(chǎn)有機酸，結果表明，在酸性和中性條件下，主要的發(fā)酵酸產(chǎn)物是丁酸，當pH從5.0提高到8.0時(shí)，有機酸產(chǎn)物由丁酸占主導轉變?yōu)橐宜岷捅�酸占主導，和本文有所不�?這可能是因為其發(fā)酵基質(zhì)主要成分是葡萄糖，而本研究以預處理污泥為發(fā)酵底物，其主要成分是蛋白質(zhì)，這可能是導致pH調控下產(chǎn)酸效果不同的原因.

　　總之，pH值是影響污泥發(fā)酵產(chǎn)酸特征的最重要因素之一，但其機理比較復雜，可以通過(guò)改變產(chǎn)酸微生物的種群結構、產(chǎn)酸菌的代謝途徑及產(chǎn)物(氨和游離態(tài)VFA)的形態(tài)等方式影響污泥產(chǎn)酸結果(劉和等，2009).

　　3.3 pH對污泥發(fā)酵過(guò)程中SCOD、溶解性蛋白質(zhì)與多糖的影響

　　為了解污泥產(chǎn)酸發(fā)酵的底物變化情況，測定了發(fā)酵液的SCOD、溶解性蛋白質(zhì)和多糖的變化，結果見(jiàn)圖 3.整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中發(fā)酵液的SCOD值總體穩定，說(shuō)明發(fā)酵罐運行狀況良好.在半連續流發(fā)酵初期，SCOD波動(dòng)較大，可能是因為發(fā)酵罐從序批式狀態(tài)進(jìn)入半連續流運行狀態(tài)，導致發(fā)酵罐稍有波動(dòng).pH為6.5時(shí)，SCOD平均值為32310.63 mg · L-1，pH為10.0時(shí)，平均值為30240.10 mg · L-1，兩者基本接近，不同pH條件下發(fā)酵液中的SCOD相差不大.

　　污泥經(jīng)預處理后，大部分蛋白質(zhì)和多糖都被溶解到液相中，溶解性蛋白質(zhì)和多糖的濃度分別為5774 mg · L-1和3319 mg · L-1，供發(fā)酵過(guò)程中的水解菌和產(chǎn)酸菌利用.pH為6.5時(shí)發(fā)酵液中的蛋白質(zhì)、多糖均比pH為10.0時(shí)少，可能是因為堿性發(fā)酵促使污泥蛋白質(zhì)、多糖的進(jìn)一步釋放，而堿性條件下的產(chǎn)酸作用較弱(圖 2a)，導致蛋白質(zhì)、多糖的積累.

 圖 3 半連續發(fā)酵過(guò)程中的SCOD(a)、溶解性蛋白質(zhì)和多糖(b)的變化情況

　　3.4 pH對污泥發(fā)酵過(guò)程中氮、磷變化的影響

　　發(fā)酵過(guò)程中污泥發(fā)酵液總氮、氨氮和總磷的變化如圖 4所示.可以看出，發(fā)酵pH為6.5時(shí)，TN和TP的平均濃度分別為2812 mg · L-1和286 mg · L-1;而pH為10.0時(shí)，TN和TP的平均濃度分別為2665 mg · L-1和284 mg · L-1，兩種pH條件下TN和TP差別不大.但兩種pH條件對氨氮濃度影響較大，發(fā)酵pH為6.5時(shí)，發(fā)酵液中氨氮濃度比較高，平均濃度為1411.04 mg · L-1(占TN的50.52%)，而pH為10.0時(shí)，氨氮平均濃度降低至534.43 mg · L-1(占TN的19.52%)，這是因為銨根離子在堿性pH條件下轉化為氨氣所致(Yu et al., 2013).TN和TP發(fā)酵過(guò)程的變化說(shuō)明熱堿預處理后污泥中的氮磷元素基本釋放，熱堿預處理的水解效果良好，發(fā)酵罐運行穩定.

 圖 4 發(fā)酵濾液中的氮磷濃度

　　3.5 污泥產(chǎn)酸發(fā)酵液作碳源強化污水脫氮除磷的質(zhì)量衡算

　　近年來(lái)，國內污水處理廠(chǎng)正進(jìn)行大規模的提標改造，氮、磷排放標準進(jìn)一步提高，污水進(jìn)水碳源不足，特別是冬季可溶解性有機物不足是限制氮、磷達標排放的主要因素(劉智曉等，2011)，污泥發(fā)酵產(chǎn)生的VFA用作強化生物脫氮除磷的碳源有望解決這一問(wèn)題.本研究以主體工藝為A2/O、處理量為50000 m3 · d-1的城市污水處理廠(chǎng)為例，評估了污泥熱堿預處理-半連續流發(fā)酵工藝產(chǎn)生的VFA是否能夠滿(mǎn)足污水處理廠(chǎng)脫氮除磷提標改造的碳源需求，衡算結果如圖 5所示.

 圖 5 污泥產(chǎn)酸發(fā)酵液回用于污水處理廠(chǎng)提標改造脫氮除磷所需碳源的質(zhì)量衡算圖

　　污水處理廠(chǎng)進(jìn)行提標改造，氮磷排放標準從一級B提升到一級A，TN和TP的排放標準分別提高5 mg · L-1和0.5 mg · L-1，則TN和TP額外去除量分別為250 kg · d-1和25 kg · d-1.50000 m3 · d-1的污水處理廠(chǎng)剩余污泥產(chǎn)量約為40 t · d-1(80%含水率)，根據圖 4結果，經(jīng)發(fā)酵后產(chǎn)生的TN和TP平均濃度分別為2725.96 mg · L-1和265.15 mg · L-1.產(chǎn)生的污泥厭氧產(chǎn)酸發(fā)酵液經(jīng)固液分離后，TN和TP去除率為80%(Tong et al., 2009)，則固液分離后發(fā)酵液中TN和TP的量分別為43.6 kg · d-1和4.24 kg · d-1.按去除1 mg氮和1 mg磷分別需要3~4 mg COD和20 mg COD計，則因提標改造和去除發(fā)酵液回用所帶入的氮、磷所需要的碳源(以COD計)為1465 kg · d-1.

　　污水處理廠(chǎng)產(chǎn)生的剩余污泥的VS 比例為60%，因此，污泥VS產(chǎn)量為4.8 t · d-1，以本研究VFA產(chǎn)率為291.97 mg · g-1計，則厭氧發(fā)酵可產(chǎn)生VFA碳源(以COD計)1401 kg · d-1，發(fā)酵液固液分離后可得到VFA碳源1331 kg · d-1(損失量按5%計)(Tong et al., 2009).由以上計算可看出，1331 kg · d-1和1465 kg · d-1比較接近，可以滿(mǎn)足90.9%的碳源需求，說(shuō)明污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸工藝可以基本滿(mǎn)足污水處理廠(chǎng)提標改造脫氮除磷的碳源需求.由于VFA占污泥發(fā)酵液中SCOD的比例僅為36.94%，若考慮發(fā)酵液中的其他SCOD也可作為碳源用于脫氮除磷，則污泥產(chǎn)酸發(fā)酵液完全能夠滿(mǎn)足污水處理廠(chǎng)脫氮除磷提標改造的額外碳源需求.

　　4 結論

　　1)污泥經(jīng)過(guò)熱堿預處理后，污泥中有機物基本釋放到液相中，濾液中的SCOD、溶解性蛋白質(zhì)和多糖濃度大幅增大，而在發(fā)酵階段，以上指標變化較小.熱堿預處理對污泥有機物釋放的影響非常顯著(zhù)，是促進(jìn)污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的主要原因.

　　2)pH為6.5和pH為10.0條件下平均VFA濃度分別為15.15 g · L-1和11.39 g · L-1，其對應產(chǎn)率分別為333.29 mg · g-1和250.64 mg · g-1.pH為6.5時(shí)產(chǎn)酸更穩定，且產(chǎn)量相對較高.具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　3)質(zhì)量衡算結果表明，當以污泥產(chǎn)酸發(fā)酵液作為有機酸碳源回用于污水處理強化脫氮除磷時(shí)，VFA所賦存的碳源基本可滿(mǎn)足碳源所需，若加上發(fā)酵液中的其他SCOD碳源，則本工藝產(chǎn)生的發(fā)酵液可完全滿(mǎn)足污水處理廠(chǎng)的脫氮除磷提標改造的碳源需求.