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活性污泥法處理污水過程中會產(chǎn)生大量的剩余污泥,數(shù)量一般為污水處理量的0.3%-0.5%(以  含水率97%計),隨  著我國工業(yè)化水平提高和城  鎮(zhèn)化進(jìn)程加快,大量污水處理廠興建并投人運行,污泥產(chǎn)量也同步大幅提高。2015年全國污泥(含水率  80%)產(chǎn)生量約3400萬12。污泥中的有機質(zhì)和病原菌、持久性有機污染物、重金屬等有毒有害物質(zhì)若未經(jīng)穩(wěn)定、無害處理,進(jìn)入環(huán)境后會引發(fā)水體和土壤的二次污染。污泥沼氣池厭氧消化可以實現(xiàn)污泥處理的減量化、穩(wěn)定化、無害化以及資源化,近年來,沼氣池厭氧消化已經(jīng)成為污泥穩(wěn)定處理的有效方式之一3。但剩余污泥中的C/N值較低,進(jìn)行沼氣池厭氧消化處理往往產(chǎn)氣率低且有機污染物降解效果差。污泥和高有機質(zhì)物質(zhì)聯(lián)合沼氣池厭氧消化成為目前沼氣池厭氧消化領(lǐng)域研究熱點之一,聯(lián)合沼氣池厭氧消化可改善污泥的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)和增加可降解有機物的負(fù)荷從而提高沼氣產(chǎn)量

目前,關(guān)于污泥聯(lián)合厭  氧消化的研究主要集中在污泥與秸稈和城市生活垃圾方面”,秸稈和城市生活墳圾中均含有半纖維素、纖維素和難降解的木質(zhì)素。木質(zhì)素及其改性物質(zhì)可用于共混材料、高效液體燃料、高分子聚合樹脂炭纖維和精細(xì)化學(xué)品等方面0,但其在沼氣池厭氧消化過程中會延長聯(lián)合沼氣池厭氧消化的時間,降低聯(lián)合沼氣池厭氧消化的穩(wěn)定性及產(chǎn)氣效率。將半纖維素、纖維素和木質(zhì)素分離,分離后的半纖維索或纖維素與污泥聯(lián)合沼氣池厭氧消化可能更有利于沼氣池厭氧消化的進(jìn)行,且纖維素是世界上最豐富的天然有機物,占植物界碳含量的50%以上,每年通過光合作用可合成約1.5×1021纖維素資源目前大部分未能被有效利用,開拓纖維素在新技術(shù)、新材料和新能源中的應(yīng)用,已成為熱點課題之一。武春燕和卜玉山通過對纖維素、蛋白胨淀粉和木質(zhì)素的產(chǎn)氣特性差異進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)纖維素的累積產(chǎn)甲烷  量僅次于蛋白陳。而產(chǎn)甲烷還原條件下,關(guān)于纖維  素和污泥聯(lián)合沼氣池厭氧消化對產(chǎn)氣性能的影響,目前鮮  纖維素聯(lián)合沼氣池厭氧消化對污泥產(chǎn)氣性能及微生修多  見相關(guān)硏究報道。本文通過研究污泥與不同含的影響。以期為高產(chǎn)量、低CN的城市污泥與纖維  素含量較高的粘桿的資源化和能源化利用提供理論參考和技術(shù)支撐

1材料與方法

污泥與纖維素的來源與特征  實驗所用剩余污泥均采集于貴陽市某污水處理

廠SBR工藝處理后的污泥濃縮池,命名為FS,剩余污泥采集過程中用1mm鋼篩過濾,去除較大顆粒雜質(zhì),運回實驗室后儲存在4℃條件下備用。沼氣池厭氧消化接種污泥采集于污泥與纖維素合適添加比例的沼氣池厭氧消化預(yù)實驗裝置中,分別命名為AS-1,AS2,AS-3,AS4,其中AS-1為單一的剩余污泥沼氣池厭氧消化,AS-2,AS-3,AS4分別按照ⅤS污泥:VS維素=5:1,2:1,1:1添加不同含量的纖維素所形成的沼氣池厭氧消化污泥。實驗所用纖維素購于國藥集團化學(xué)試劑有限公司,白色粉末狀,灼燒殘渣量(以硫酸鹽計)≤0.08%。剩余污泥和接種污泥的基本性質(zhì)如表1所示。

1.2試驗裝置

沼氣池厭氧消化反應(yīng)器采用5mm厚有機玻璃制成  (見圖1),反應(yīng)器分內(nèi)外兩層,總體積為11L。內(nèi)層  消化罐容積為7L,有效容積為5L;外層以功率2W  的微型潛水泵輸送溫度為35℃±1℃的恒溫流動水  為內(nèi)層反應(yīng)保溫和水封,流動相水采用恒溫水浴鍋  加熱。反應(yīng)器采用機械攪拌,攪拌軸與容器間采用  水封密閉,內(nèi)層設(shè)有溫度監(jiān)測器。裝置頂部設(shè)置有  進(jìn)樣口、排氣口及氮氣入口,其中排氣口接濕式流量計監(jiān)測每日產(chǎn)氣量;氮氣口接入氮氣,在進(jìn)出樣過程中充人氮氣,使厭氧環(huán)境處于平衡狀態(tài)。取樣口設(shè)置于反應(yīng)器的中、下層。

1.3實驗方法

3.1反應(yīng)器的啟動與運行

反應(yīng)裝置采用中溫消化(35℃±1℃),機械攪拌,接種培養(yǎng)法啟動反應(yīng)器。分4個實驗組探究纖維素對剩余污泥沼氣池厭氧消化產(chǎn)氣性能及微生物形態(tài)的  影響,4個實驗組分別命名為CK,CA,CB,CC,其中CK組為未添加纖維素的對照組,CA,CB,CC組纖維素的添加量分別按照VSw:VS甲維素=5:1,2:1,1:1  的含量添加。進(jìn)樣污泥含水率分別為97.23%±0.07%,96.84%±0.19%,96.38%±0.15%和95.85%±0.21%,屬于傳統(tǒng)沼氣池厭氧消化污泥含固率(3%-5%)的范圍。實驗首次投入反應(yīng)器容積1/3

沼氣池厭氧消化污泥作為接種污泥,之后按10%的投配率投加污泥至反應(yīng)器有效體積。放置3d,之后每天按5%投配率投加剩余污泥1次,并排出等量消化污泥,并每天記錄產(chǎn)氣量變化。產(chǎn)氣量穩(wěn)定后采用BIOGAS5000(英國 GEOTECH公司)連續(xù)7d檢測沼氣成份

1.3.2產(chǎn)甲烷活性測試

厭氧污泥的產(chǎn)甲烷活性測試采用甲烷勢自動測試系統(tǒng)( AMPTS II, Bioprocess Control,瑞典)。測試時,以乙酸鹽為基質(zhì),配制濃度為2.0g·LCOD的乙酸鈉溶液。厭氧污泥與基質(zhì)的體積按VSsCOD為2:112。將基質(zhì)與厭氧污泥裝入反應(yīng)瓶(總體積640mL,工作體積400mL),裝上橡膠塞,插入攪拌器并擰緊,放入水浴鍋,連接反應(yīng)瓶與堿液吸收系統(tǒng)和氣體流量計,向每個反應(yīng)瓶充氮氣4分鐘,驅(qū)除反應(yīng)瓶內(nèi)殘留的空氣,保持厭氧條件。采用蒸餾水代替同體積的基質(zhì)作空白實驗,以扣除厭氧污泥本身所產(chǎn)的氣體產(chǎn)量。測試過程中,水浴鍋溫度設(shè)置為(35.0±0.5)℃,反應(yīng)瓶產(chǎn)生的沼氣經(jīng)堿液吸收系統(tǒng)去除所含酸性氣體(CO2,H2S)后,余下的甲烷氣體通過濕式氣體流量計監(jiān)測

1.3.3微生物形態(tài)測定

向取出的污泥樣品中加入2.5%的戊二醛溶液,4℃條件下放置過夜。然后去掉固定液,用0.5mol·L.磷酸緩沖液(pH值7.0)漂洗樣品2次,每  次5min。之后依次用濃度為30%,50%,70%和  0%的乙醇進(jìn)行梯度脫水處理,每換一次乙醇溶液  都需經(jīng)3000r·mn離心5min,最后用叔丁醇置  換,冷凍干燥。將樣品固定在樣品臺上,噴金鍍膜后  用掃描電鏡(S-3400N型,日本日立公司)觀察

1.4數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計  

所有數(shù)據(jù)分析采用 Microsoft Office Excel200  進(jìn)行處理和分析,采用 Ringing8.5.1進(jìn)行作圖。

2結(jié)果分析與討論  2.1污泥與纖維素混合后的C/N變化  在沼氣池厭氧消化過程中,C/N對沼氣池厭氧消化系統(tǒng)的穩(wěn)  定運行具有先決性作用。C/N太高,細(xì)胞的氮量不  足,消化液的緩沖能力低,pH值較易降低;C/N太  低,氮量過多,pH值可能上升,銨鹽容易積累,會抑  制消化進(jìn)程。眾多研究表明,厭氧細(xì)菌生長的合適  映氮比為20-30之間,且最佳比例為25但  也有研究表明,大多數(shù)傳統(tǒng)沼氣池厭氧消化系統(tǒng)在較低的  C/N條件下才能穩(wěn)定運行。 Romano1等在中溫條  件下對洋蔥汁和污泥(含固率<5%)進(jìn)行厭氧共消  化時發(fā)現(xiàn),C/N維持在15時系統(tǒng)較穩(wěn)定,當(dāng)CN由13.7提高到20.3時,系統(tǒng)由于堿度過低而運行失敗。Zu等以沼氣池厭氧消化污泥作為接種物對玉米稈進(jìn)行中溫沼氣池厭氧消化,當(dāng)C/N超過21時,pH值發(fā)生驟降,系統(tǒng)運行失敗

本實驗采用的剩余污泥C/N為5.9±0.26,遠(yuǎn)低于沼氣池厭氧消化的合適CN。纖維素作為1種含碳量較高的物質(zhì)按照VS:VS維素=5:1,2:1,1的含量添加,如圖2所示,CA。CB,C這3個實整組進(jìn)泥的C/N分別達(dá)到7.4±0.03,9.8±0.13

9±0.98。沼氣池厭氧消化過程中,反應(yīng)器內(nèi)污泥的西  值為6.64-7.20,氧化還原電位為-315--2  mV,含水率均在97.40%左右波動,氨氮含量為  12.243741mg,L,pH值和氨氮含量隨纖維  素添加量增加而降低,但均符合沼氣池厭氧消化相關(guān)參數(shù)  要求,四組沼氣池厭氧消化反應(yīng)器運行良好。纖維素的  加有利于改善沼氣池厭氧消化混合物料的營養(yǎng)平衡,增加

系統(tǒng)中微生物的種類和數(shù)量,改善微生物的生存環(huán)  境和對污泥的消化,提高系統(tǒng)緩沖能力和沼氣產(chǎn)量,  對沼氣池厭氧消化具有促進(jìn)作用。  2.2污泥沼氣池厭氧消化過程中的日產(chǎn)氣量變化  污泥沼氣池厭氧消化不僅可以去除有機質(zhì),實現(xiàn)污泥的穩(wěn)定化,還可以產(chǎn)生可回收利用的能源(沼氣)  如圖3所示,纖維素含量的添加顯著增加了污泥厭  氧消化的日產(chǎn)氣量:CK,CA,CB,CC這4個實驗組  在半連續(xù)進(jìn)樣的前3d日產(chǎn)氣量逐漸升高,隨后呈  現(xiàn)波動現(xiàn)象。CK,CA兩個實驗組在第15天出現(xiàn)產(chǎn)  氣高峰,CB和CC兩個實驗組在第20天出現(xiàn)產(chǎn)氣  高峰,說明污泥固體濃度(TS)的增加(4個實驗組  的TS濃度分別為2.83%±0.17%,3.21%±  0.21%,3.63%±0.15%和4.31%±0.28%對厭氧  消化的日產(chǎn)氣高峰具有延遲效應(yīng)m。CK,CA,C  CC這4個實驗組的反應(yīng)系統(tǒng)在24d后趨向穩(wěn)定,  日產(chǎn)氣量也分別穩(wěn)定在250mL,600mL,1200mL和  2300m左右,3個實驗組(CA,CB,CC)日產(chǎn)氣量分  別約為CK組日產(chǎn)氣量的2.4倍,4.8倍和9.2倍。  Sosnowski3等將城市有機垃圾與剩余污泥1:3混合  后,C/N從93提高到14.2,產(chǎn)氣量是污泥單獨進(jìn)  行消化的2倍。袁海榮等將剩余污泥和小麥秸稈聯(lián)  合沼氣池厭氧消化,在CN為25時,日產(chǎn)氣量是污泥單獨進(jìn)  行消化的1.6倍。以上研究結(jié)果的日產(chǎn)氣量均低于本  研究的日產(chǎn)氣量,這可能是城市生活垃圾和小麥秸稈  中存在的其他物質(zhì)影響沼氣池厭氧消化的產(chǎn)氣效率。

2.3污泥沼氣池厭氧消化穩(wěn)定期氣體成分變化  

在聯(lián)合沼氣池厭氧消化穩(wěn)定期,通過7d連續(xù)監(jiān)測厭  氧消化系統(tǒng)中的CH4和CO2含量變化,CH4和CO2  含量的變化趨勢如圖4所示。由圖4可以看出,不  同含量的纖維素添加可以提高沼氣池厭氧消化系統(tǒng)中CH4

含量;CK,CA,CB,CC這4個實驗組中CH4所占比例分別約為25%,40%,50%和50%。污泥與其他有機物混合沼氣池厭氧消化,CH4含量在50%70%之間波動),這與本研究的結(jié)果基本一致。CK組CH4含量較低,這主要可能受污泥底物中有機成分的性質(zhì)影響”,纖維素的添加可改善沼氣池厭氧消化過程中的微生物生存環(huán)境,且可促進(jìn)纖維素酶的產(chǎn)生。纖維素酶能夠有效提高沼氣池厭氧消化過程中生物質(zhì)的水解2),使沼氣池厭氧消化系統(tǒng)中的有機成分和種類增加。CB和CC兩個實驗組CH4所占比例基本一致,主要可能是因為CC實驗組纖維素添加量相對于其它實驗組較高,有機負(fù)荷的增加可改變反應(yīng)器中微生物的生存環(huán)境,對不同產(chǎn)甲烷菌的豐度產(chǎn)生影響,從而影響了CH4的含量

由圖5可知,纖維素的添加可以增加沼氣池厭氧消化系統(tǒng)中的CO2含量,其中CB和CC兩個實驗組中的CO2含量增加比例明顯,CC實驗組中CO2比例達(dá)到30%左右,但CA實驗組中CO2含量增加不明顯。Quantin21等研究表明,通過添加纖維素處理的沼氣池厭氧消化實驗組中CO2含量升高,與本實驗的研究結(jié)果

致。沼氣中含30%~40%的CO2穩(wěn)定運行的厭氧反應(yīng)器體系內(nèi)的pH值<7(2。這與CC組中的pH值為6.64相互印證,且可以進(jìn)一步解釋CC組CH4所占比例與CB組相同,這也與CC組反應(yīng)體系中的pH值相對較低有關(guān)。

2.4污泥沼氣池厭氧消化穩(wěn)定期產(chǎn)甲烷活性

產(chǎn)甲烷菌是沼氣池厭氧消化的眾多微生物中對環(huán)境條件和操作條件最敏感的菌種。產(chǎn)甲烷活性( specificmethanogenic activity,SMA)即單位質(zhì)量的厭氧污泥(以ⅤSS計)在單位時間內(nèi)將特定基質(zhì)轉(zhuǎn)化成CH4的量,能夠評價出厭氧污泥去除COD生成CH4的潛力,是檢驗厭氧污泥活性和評估沼氣池厭氧消化反應(yīng)器運行效果的重要參數(shù)

利用甲烷勢自動測試系統(tǒng)對CK,CA,CB,CC這4個實驗組的產(chǎn)甲烷活性進(jìn)行了測試,4個實驗組的  甲烷累積產(chǎn)量在測試5天后趨于穩(wěn)定,如圖5所示。隨纖維素添加量的增大,4個實驗組累積CH4呈現(xiàn)不同程度的增加。

累積產(chǎn)氣量曲線的斜率最大值即為產(chǎn)甲烷活性,mL· g VSS.d-,CK,CA,CB,CC這4個實驗組的產(chǎn)甲烷活性結(jié)果如圖6所示。4個實驗組的產(chǎn)

甲烷活性分別為45mL·gVss·d-1,73mlg  Vss.d-,94mL·g-VSs·d和120mL,g's  d-。按照VS:VS樣素=5:1,2:1,1:1的添加條件,纖維素添加組的SMA相對對照組的SMA分別提高62.6%,110.3%和168.5%。實驗表明,纖維素的添加顯著促進(jìn)了產(chǎn)甲烷菌的產(chǎn)甲烷活性。這也與4個實驗組實際運行情況的甲烷含量變化趨勢一致。尹軍21研究表明,將初沉污泥、消化污泥和剩余污泥按照1:1:1混合后沼氣池厭氧消化,產(chǎn)甲烷相的SMA在50~310mL·gVss·d-波動。又有研究表明25,初沉污泥在投配率為5%的條件下,容積為5L的消化池中污泥的SMA為17~48mL·gvSS·d-1,。這與本實驗的對照組中污泥的產(chǎn)甲烷活性基本一致。

2.5污泥中沼氣池厭氧消化穩(wěn)定期細(xì)胞形態(tài)觀察

由圖8-圖15穩(wěn)定期的沼氣池厭氧消化污泥SEM圖  片可知:穩(wěn)定期的沼氣池厭氧消化污泥表面的微生物主要由球狀菌、桿狀菌和絲狀菌組成,微生物種類較為豐富微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。CK(見圖6)和CK2  (見圖7)表示對照組穩(wěn)定期沼氣池厭氧消化污泥中的微生  物分布,SEM顯示未添加纖維素的對照組主要菌群  有絲狀菌、短桿菌和球狀菌組成。各種菌群分布不  是十分均勻,大多數(shù)菌群都是混棲分布,絲狀菌纏繞  成團狀結(jié)構(gòu),對桿菌和球狀菌有包裹現(xiàn)象,這樣可能會產(chǎn)生不同菌群之間的相互競爭作用,厭氧微生物  難以形成菌膠團,微生物活性較低,這可以進(jìn)一步證  明CK組的產(chǎn)氣性能低于纖維素添加組

CA-1和CA2在纖維素添加量按照ⅤS污VS維素=5:1的條件下,穩(wěn)定期沼氣池厭氧消化污泥中的微生物主要為球狀菌和長桿狀菌,絲狀菌明顯減少。球狀菌菌落呈現(xiàn)成團生長,且以桿狀菌為骨架CB-1和CB2在纖維素添加量按照VS污泥:VS樣維素=  2:1的條件下,穩(wěn)定期沼氣池厭氧消化污泥中的微生物多數(shù)為球狀菌,部分為長桿菌和短桿菌,對比其它3個實驗組,球狀菌數(shù)量增加明顯且最多,菌落呈現(xiàn)成團生長。CC-1和CC-2在纖維素添加量按照ⅤS污VS纖維素=1:1的條件下,穩(wěn)定期沼氣池厭氧消化污泥中的微生物主要為絲狀菌和球狀菌,絲狀菌菌落數(shù)量最大絲狀菌成團纏繞生長,但整個實驗過程中未出現(xiàn)絲

菌膨脹現(xiàn)象。纖維素的添加明顯改變沼氣池厭氧消化污泥中的菌落結(jié)構(gòu),與CK組相比,CA和CB實驗組增加了球狀菌的數(shù)量,CC實驗組增加了絲狀菌的數(shù)  量,且纖維素的添加改變了沼氣池厭氧消化污泥中微生物生長的微生態(tài)環(huán)境,同一菌種成團生長,可以減小各菌種之間的互相抑制作用,微生物活性較高,這與前  面所得的CH4含量和產(chǎn)甲烷活性增大的研究結(jié)果相互印證

3結(jié)論

(1)污泥與纖維素按照VSs:V

2:1,1:1的含量添加,C/N從5.9分別提高到7.4,9.8,12.9,較大地提高了沼氣池厭氧消化混合物料的營養(yǎng)平衡,有利于沼氣池厭氧消化的進(jìn)行

(2)CA,CB,CC這3個實驗組日產(chǎn)氣量分別約為CK組日產(chǎn)氣量的2.4倍,4.8倍和9.2倍;CH所占比例分別約為25%,40%,50%和50%;SMA分別為45mL·gwss.d-,73mL·g"Vss·d94m.·gVss·d-和120mL·gvss·d-。

(3)穩(wěn)定期的沼氣池厭氧消化污泥表面的微生物組成與添加纖維素的含量有關(guān)。與絲狀菌、短桿菌和球狀菌混棲且不均勻分布的對照組相比,污泥與纖維

素按照VS污:VS樣維素=5:1,2:1的比例添加,可以促進(jìn)球狀菌和桿狀菌的生長,球狀菌菌落呈現(xiàn)成團生長,且以桿狀菌為骨架。球狀菌的數(shù)量隨著纖維素添加而增多;當(dāng)污泥與纖維素按照VS污:VS纖維素=1:1的比例添加時,穩(wěn)定期沼氣池厭氧消化污泥中的微生物主要為絲狀菌和球狀菌,絲狀菌菌落數(shù)量最大,絲狀菌成團纏繞生長。

摘自《中國沼氣》2018第2期 李新 李江 吳永貴 孫夢陽 楊釗 鄭磊

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