利用污泥中有机物、氮磷的释出规律

利用污泥中有机物、氮磷的释出规律

随着城市化进程的加快，城市生活污水处理规模不断扩大，剩余污泥量也越来越大。剩余污泥的处理与处置是废水处理中费用最昂贵的部分,所需费用约占污水处理厂运行费用的50%左右。实际上剩余污泥和活性污泥一样具有较强的吸附能力,可以用来吸附污水中的污染物,并与污水分离。基于污泥的吸附和沉淀特性,孔海霞等提出了城市污水资源化生物净化工艺的新途径,通过这一途径将污水中的污染物转移到污泥中,既可以达到污水部分净化的目的,又可以避免污染物的氧化,降低污水处理系统能耗,同时还可以从污泥中回收来自污水中的污染物质——有机物、氮和磷。通常剩余污泥中含有大量的有机物、氮和磷,其做为“第二资源”越来越受到人们的关注。如果能将其回收利用,则既可以适当缓解氮磷资源短缺的情况,又可以减少剩余污泥处置量。将污泥中的有机物、氮和磷释放到上清液中,可得到的高浓度的浓缩液,其中的有机物既可以用于生物脱氮除磷系统补充碳源,又可以继续厌氧发酵产甲烷,氮磷则可以鸟粪石形式沉淀出来用于生产化肥。污泥中的污染物质在微生物处于正常情况下很难被释出,除非其发生自溶。通常微生物细胞在长时间的营养匮乏情况下进入内源呼吸阶段,当生物合成与细胞壁物质分解的协同作用失控时会引起细胞壁破裂,即溶胞现象和有机体死亡,导致细胞质和胞内其他成分被释出。但释出的污染物质尤其是有机物很少,并且多半还会被生物氧化成无机物。另外微生物自溶过程所需时间长,反应速率低。剩余污泥在厌氧消化过程中微生物细胞被大量水解而强制性发生细胞溶解,伴随着污染物的释出。污泥的厌氧消化过程从理论研究到工程实践都有众多报道,但着眼于污泥中有用物质的回收,厌氧水解酸化条件下污泥中污染物的释出规律,以及如何在较短时间内使其大量释出,这些问题尚未见有详细报道,有待系统的研究。本试验通过在吸附了污染物的剩余污泥中接种厌氧污泥,控制发酵时间、污泥量、pH及采取一定的预处理,研究了污泥在水解酸化过程中有机物、氮和磷的释出规律,探索环境调控对污泥中污染物释出的影响,为新工艺的开发以及污泥中有用物质的回收奠定一定的理论基础。1试验材料和方法1.1sb反应器试验中用来吸附污染物的污泥取自西安市邓家村污水处理厂A2/O系统的剩余污泥;用于接种的厌氧污泥取自西安汉斯啤酒厂UASB反应器,其VSS/SS约为0.35。试验采用人工模拟生活污水。其组成包含淀粉300mg/L(以COD计),乙酸钠100mg/L(以COD计),NH4Cl40mg/L(以NH+4-N计),KH2PO410mg/L(以PO3−443--P计),MgSO4·H2O100mg/L,无水氯化钙10mg/L,微量元素溶液0.1mL/L。1.2厌氧反应器制备试验采用静态批式试验。取剩余污泥与试验用水按一定体积比例混合,先进行好氧曝气30min,使其吸附污水中的污染物,之后沉淀30min,排出上清液。再将吸附了污染物的剩余污泥(简称吸附污泥)投加到接种了厌氧污泥的反应器中进行厌氧发酵。厌氧反应器置于恒温水浴(28±1℃)中,水力搅拌器对污泥进行匀速搅拌。根据试验控制不同条件。一定时间后采用离心(10000r/min,10min)法进行泥水分离,测定上清液中污染物(以SCOD、氨氮和正磷酸盐计)含量。1.3测量根据标准方法测定各项指标,具体见表1。2结果与分析2.1产甲烷菌的产气结果由图1可知,污染物的释出量在前72h内随时间的延长迅速增加,超过72h之后释出量增加趋于平缓。这可能是在发酵前期水解酸化菌的代谢活力较高,将投加的吸附污泥细胞水解释出污染物质。随着时间的延长,产甲烷菌也开始活跃起来,在试验中观察到72h之后反应器内出现产气现象,表明一部分SCOD被消耗,导致SCOD、氨氮和磷浓度的增加放缓。吸附污泥在接种厌氧污泥24h后释出的污染物质,经核算,相当于由原污水中转移到污泥中的那部分污染物,即SCOD、氨氮和正磷酸盐分别被浓缩了2.30倍、7.16倍和12.79倍。表明接种厌氧污泥后可加快污泥水解酸化进程,大量污染物质被释出。2.2正磷酸盐释出量图2是污泥厌氧发酵24h,不同污泥质量下污染物释出量的变化曲线。随着污泥质量的增加,污染物释出量不断增加,但其增加的程度有所不同。正磷酸盐释出量随着吸附污泥质量的增加而增加得最快,这说明吸附污泥质量越高,其释磷潜力越大,这与Pitman等的研究发现:悬浮固体的浓度越高,其上清液中P释放的潜力越大是一致的。对图2中污染物释出量随污泥质量的变化进行回归分析,结果显示污染物释出量随污泥质量的变化比较符合线性回归关系,相关系数R2都在94%以上。说明在发酵时间24h条件下,污染物释出量与污泥质量成正比。2.3污染物的释出量从图3可知,有机物和正磷酸盐的释出量均为碱性条件优于酸性条件,加碱调节发酵体系的pH有利于氨氮的释出。虽然大多数污泥厌氧水解菌与发酵产酸菌对pH有较大范围的适应性,水解和发酵产酸过程可在宽达3~10的范围内顺利进行,但是从图3可以看出,pH=4时污染物的释出量均很少,尤其是SCOD和正磷酸盐的释出量明显不如pH不调节条件。Gome等研究认为,较低的pH条件(pH≤4)抑制和影响了活性污泥中的绝大多数水解产酸菌的活性。pH=10和pH=11条件下污染物大量释出。这说明在碱性条件下能够使污泥释出更多的污染物质。多数研究者认为:在较高的pH值下(如pH≥10)微生物的细胞失去了部分活性,不能很好地维持平衡渗透压而受到破坏,碱性物质进入细胞后,与细胞壁以不同方式发生反应(包括与脂类物质的皂化反应),造成了细胞膜的溶解,使胞内物质逐渐被释放出来;另一方面,当pH值升高时,污泥颗粒表面带有的负电荷渐渐增多,从而产生了较大的静电排斥作用,结果使部分胞外聚合物(ECP)解析出来,导致污染物浓度增高。而苑宏英等研究发现,在将剩余污泥的pH值调节为10的情况下,厌氧发酵产酸仍主要由微生物承担。Cai等的研究结果表明,较高的pH值条件会降低产甲烷菌的活性,这也从侧面反映了碱性条件能够增强剩余污泥的发酵产酸能力。2.4产甲烷菌的降解由图4可知,将吸附污泥预处理后再投加到厌氧反应器中厌氧发酵,6h后污染物质就被大量释出,24h后释出量有所降低。这说明预处理可以显著提高底物的降解速率,在较短时间内使污染物质大量释出,但随着时间的延长,释出的物质开始被活跃起来的产甲烷菌所利用。厌氧发酵48h后,预处理反应器与无预处理相比较,其污染物的释出量除了氨氮稍有增加,其他均明显减少,可见加热预处理后,盲目的延长厌氧发酵时间未必有利于污染物质的释出。从节能和释出效果两方面考虑,适宜的释出条件为60℃预处理1h,厌氧发酵6h。3污水中有机物和氮磷的吸附通常城市污水处理厂产生的剩余污泥都是直接脱水或进行厌氧消化后再脱水,然后将泥饼外运处置。剩余污泥也是活性污泥,同样具有很强的吸附能力,如果将其投入原污水就可以吸附其中部分污染物,再进入常规污泥处理系统进行厌氧发酵,既可以消耗掉剩余污泥,又可以释出其中的污染物质(图1)。这相当于将城市污水处理系统的剩余污泥在常规污泥处理之前做为吸附材料,吸附污水中的污染物,然后再进入厌氧消化处理单元。该污泥吸附了污水中的污染物质,因而较普通的城市污水处理系统排出的剩余污泥含有更多的有机物和氮磷,其厌氧产气量和消化液中氮磷浓度相应的更高,也就更加有利于化学沉淀回收氮磷。传统AB法或生物吸附法工艺中,均是利用了污泥吸附有机物的能力,而被吸附的有机污染物在污泥再生中又被氧化分解。与本研究的根本区别在于对污染物的处置目的不同,另外对于吸附于污泥上的污染物如何释放出来也缺乏相应研究。已有的研究表明,剩余污泥不但可以吸附污水中的有机物,而且还可以吸附氮和磷,吸附后污水中污染物浓度降低,在净化污水的同时,既减轻了传统生物脱氮除磷系统的去除负荷,又降低了污水处理系统的能耗。剩余污泥放置后也自然会出现厌氧发酵,甚至产生甲烷,但所需要时间相对较长,而且不受控情况下,绝大多部分有机物会被氧化分解掉。本研究表明,从污水中吸附到污泥中的污染物质通过厌氧发酵过程只需发酵24h就可以释放出来(图1),而且通过环境调控(图3和图4)污泥中的污染物质可以在较短时间内大量释出,这就为实现污染物的回收和再利用奠定了基础。4污泥的释出量(1)在接种厌氧污泥厌氧发酵24h后就可以将剩余污泥中蕴含的污染物质大量释出,释出的污染物质相当于原污水中部分SCOD、氨氮和正磷酸盐分别被浓缩了2.30倍、7.16倍和12.79倍。(2)在厌氧发酵时间为24h条件下,污染物释出量与污泥质量