城镇污水厂剩余污泥厌氧发酵产酸工程示范研究

鉴于污泥厌氧发酵产酸技术的生产规模性研究较少,为深入了解城镇剩余污泥厌氧发酵产挥发性脂肪酸（VFAs）工程的长期运行特征,基于0.3 t/d规模的生产线平台进行了为期240 d的稳定运行研究,考察了长期运行条件下的污泥预处理效果、产酸水平、VFAs回收和经济可行性.结果表明:污泥经热-混碱预处理后溶解性有机物浓度〔ρ（SCOD）,以溶解性COD计〕比原污泥提高了29倍,水解率达到56%.当ρ（TSS）（TSS为总悬浮固体）分别为30和70 g/L时,污泥预处理水解率分别为56%和59%;厌氧发酵产酸率〔以每g污泥有机物生产多少mg VFAs计,R_VFAs〕分别为277和256 mg/g;ρ（TVFAs）（TVFAs为总挥发性脂肪酸）最高可达9.1 g/L,其中乙酸占61.6%.采用聚合氯化铝（PAC）和聚丙烯酰胺（PAM）联合调理能够有效提高发酵污泥的脱水性能,与对照组相比,泥饼的含水率由84.8%降至64.0%,发酵液的回收率由33.7%升至75.7%.经济效益分析表明,设置处理规模为100 t/d时,运行成本为346.6元/t,收益为451.4元/t.研究显示,城镇污水厂剩余污泥厌氧发酵产酸生产线运行稳定,能够实现较好的有机物生物转化与资源化效果,经济可行,具有显著的应用前景.      

低温热水解对剩余污泥DOM的溶出特征分析

为了研究剩余污泥在低温热处理条件下的理化性质及溶出特征,采用批次试验探究了热处理温度对剩余污泥溶解性有机物（SCOD）、溶解性碳水化合物（SC）、溶解性蛋白质（SP）的溶出变化情况,分析了溶解性有机物质（DOM）荧光组分的平行因子分析模型特征.研究发现,随着热处理温度的升高,SCOD在80℃的破解度增幅最高,在90℃溶出量最大;SC在70℃时溶出率增幅最高,在90℃质量浓度最高;SP在60℃质量浓度最大;挥发性脂肪酸（VFAs）在60℃达到最大含量;液相色谱-有机碳测定仪（LC-OCD）分析表明,溶解性有机碳在90℃分子质量浓度最大,但生物聚合类物质的比例在80℃最高;三维荧光平行因子分析（PARAFAC）显示,剩余污泥热处理后的DOM均包含类蛋白质C1（282,324nm）、代谢类蛋白质C2（310,364nm）、可见腐殖酸C3（278/338/358nm,424nm）、土壤富里酸C4（270/318/354nm,476/524nm）,对于热水解法预处理污泥,类蛋白质在80℃下具有最大荧光强度,代谢类蛋白质在60℃下具有最大荧光强度.在60min条件下,污泥中有机物溶出的最佳温度是80℃.     

污泥热水解过程中有机物分子量和荧光特征变化规律

运用三维荧光光谱技术对污泥热水解过程中不同分子量范围内有机物的荧光特性进行了研究.结果表明,在原污泥和热水解污泥各分子量范围内均有4 个明显的荧光峰:Peak A [Ex/Em 为(240~260nm)/(379~457nm)]、Peak B [Ex/Em 为(275~290nm)/(305~351nm)]、Peak C[Ex/Em 为(315~340nm)/(372~445nm)]和Peak D [Ex/Em 为(350~425nm)/(438~495nm)],分别为紫外区类富里酸荧光、类蛋白荧光、可见区类富里酸荧光、类腐殖酸荧光.污泥中的类富里酸荧光物质和类腐殖酸荧光物质在热水解过程中发生的主要反应是溶解液化,而类蛋白荧光物质发生的主要反应是水解反应.     

低温热水解对剩余污泥DOM的溶出特征分析

为了研究剩余污泥在低温热处理条件下的理化性质及溶出特征，采用批次试验探究了热处理温度对剩余污泥溶解性有机物（SCOD）、溶解性碳水化合物（SC）、溶解性蛋白质（SP）的溶出变化情况，分析了溶解性有机物质（DOM）荧光组分的平行因子分析模型特征.研究发现，随着热处理温度的升高，SCOD在80℃的破解度增幅最高，在90℃溶出量最大；SC在70℃时溶出率增幅最高，在90℃质量浓度最高；SP在60℃质量浓度最大；挥发性脂肪酸（VFAs）在60℃达到最大含量；液相色谱-有机碳测定仪（LC-OCD）分析表明，溶解性有机碳在90℃分子质量浓度最大，但生物聚合类物质的比例在80℃最高；三维荧光平行因子分析（PARAFAC）显示，剩余污泥热处理后的DOM均包含类蛋白质C1（282，324nm）、代谢类蛋白质C2（310，364nm）、可见腐殖酸C3（278/338/358nm，424nm）、土壤富里酸C4（270/318/354nm，476/524nm），对于热水解法预处理污泥，类蛋白质在80℃下具有最大荧光强度，代谢类蛋白质在60℃下具有最大荧光强度.在60min条件下，污泥中有机物溶出的最佳温度是80℃.     

污水处理厂污泥水溶解性有机物的光谱特性分析

污泥水是污水处理厂污泥浓缩、稳定、脱水等环节产生的废水,具有污染物浓度高、成分复杂的特点.采用三维荧光光谱和红外光谱研究了污泥水中溶解性有机物(DOM)的光谱特性.污泥水荧光性DOM(FDOM)可利用平行因子分析划分为6个荧光组分,分别为类蛋白质组分C1(275/355 nm)、C4(235/350 nm)和C6(275/305 nm),及类腐殖酸组分C2(250,340/440nm)、C3(320/380 nm)和C5(250/465 nm).重力浓缩和机械浓缩污泥水中COD与所有类腐殖酸组分均正显著相关(P0.01),类蛋白质组分对其影响不大.离心脱水污泥水中组分C1、C4和C5含量明显上升.深度脱水污泥水中FDOM荧光峰位置和强度与其它污泥水存在显著差异,C3和C6分别较离心脱水污泥水升高15.63和7.30倍.与浓缩污泥水相比,离心脱水污泥水中多糖和腐殖酸吸收峰增强,而深度脱水污泥水中蛋白质大量释放,金属离子会与腐殖酸和蛋白质络合引起DOM结构变化.     

热、热碱处理对污泥溶胞和溶解性有机物的影响

污泥有机物的水解是厌氧消化过程中的限速步骤,预处理可以有效地将污泥固体有机物转化为溶解态有机物,从而提高有机物降解速率和甲烷转化速率.本文研究了热、热碱处理(两种常用的预处理方法)对污泥溶胞释放溶解性有机物的组成、相对分子质量分布和结构的影响.结果表明,热、热碱处理均能大量释放溶解性有机物,相比对照组污泥,溶解性化学需氧量可分别增加21.9倍(热处理)和47.8倍(热碱处理).两种预处理会改变溶解性有机物相对分子质量分布,且含量最多的有机物相对分子质量减小.两种预处理均对污泥溶解性有机物中的主要组分(蛋白质)有水解作用,且热碱处理效果更显著.三维荧光光谱分析表明溶出的有机物中溶解性微生物副产物类物质和胡敏酸类物质难以被两种预处理进一步水解.另外,两种预处理不仅使污泥溶解性物质中出现新的有机结构,还会使原有的有机结构发生变化,甚至消失.     

超声-生物沥浸-氧化钙联合超高压压滤系统实现市政污泥深度脱水及其泥饼的毒性评估

本研究采用超声-生物沥浸-氧化钙调理联合超高压压滤系统对市政污泥进行深度脱水试验,探讨了其调理过程对污泥脱水效率的影响,并对调理后的脱水污泥的重金属含量及植物毒性进行评估.结果表明,经超声-生物沥浸-氧化钙调理后,比阻（SRF）去除率和结合水去除率分别达到90.12%和72.21%.经预调理联合超高压压滤系统处理后,泥饼含水率降低至49.94%,泥饼中Cr 、Cu、Cd、 Zn、As 和Pb的去除率分别为42.41%、36.50%、30.92%、27.97%、25.94%、22.11%,白菜发芽指数大于80%.通过分析污泥理化性质及滤液有机物含量,阐明该联合技术的作用机理.首先,超声预处理后,污泥结构被破坏,造成污泥粒径d_0.5减小、zeta电位上升,污泥中多糖和蛋白质被释放,从而改善脱水性能,促进污泥中重金属释放,植物毒性降低;经超声-生物沥浸调理后,污泥粒径d_0.5进一步减小、zeta电位趋近于中性,滤液中酪氨酸/色氨酸类氨基酸类有机物和酪氨酸/色氨酸类蛋白有机物被降解且疏水性的腐殖酸和富里酸类有机物含量升高,污泥脱水性能进一步提高,泥饼重金属含量进一步下降,但植物毒性反而加强;最后添加氧化钙后,污泥颗粒被重新絮凝,形成刚性骨架,增加了污泥的可压缩性能,在高压压滤过程释放出更多有机物,最终实现了污泥深度脱水,重金属总量减少,植物毒性显著降低.此外,经济分析表明该联合工艺具有一定潜在推广应用价值.     

游离亚硝酸预处理对剩余污泥电解及微生物群落结构的影响

为打破传统厌氧发酵周期长,有机质利用率低等瓶颈,增强污泥的资源利用和能源回收,探讨了游离亚硝酸（FNA）预处理对剩余污泥电解效果及微生物群落的影响.对比分析了FNA预处理前后剩余污泥在微生物电解池（MEC）中的电流和氢气产生、溶解性有机物和挥发酸的释放和利用及功能菌群的变化情况.结果表明,FNA预处理能有效地促进剩余污泥在MEC系统中的水解和酸化,其溶解性糖类、蛋白和挥发酸的含量远高于未预处理组,进而促进了水解发酵菌、产电菌及反硝化菌的生长和富集,最终挥发酸利用率均在97%以上,表现为电流（1.9mA）和氢气（0.86mL/g VSS）的增强,分别是空白组的3.8倍和5.1倍.     

基于微波-过氧化氢-碱预处理的污泥水解影响因素

预处理能有效提高污泥的碳源利用效果.本研究通过批量试验,考察了经过微波-过氧化氢-碱(MW-H2O2-OH)预处理后的污泥水解的影响因素,包括水解时间、接种比例和温度,并考察了优化条件下的污泥水解效果及其有机物特征.结果表明,预处理后的污泥优化水解时间为12 h,优化接种比例I/S为0.07.在此优化条件下(12 h,I/S为0.07),SCOD(溶解性COD)、溶解性蛋白质、溶解性糖类、总挥发性脂肪酸(VFA)的含量均随着温度的升高而增加,在65℃时达到最大.VFA的主要组分均为乙酸、丙酸和异戊酸,其中乙酸所占比例为42.7%~59.7%.在碳源组成方面,SCOD占污泥TCOD(混合液总COD)的37.8%~40.8%,其中溶解性蛋白质占SCOD的38.3%~41.3%,溶解性糖类占SCOD的9.0%~9.3%,VFA占总SCOD的3.3%~5.5%.污泥上清液中的COD/TN为15.79~16.50.三维荧光光谱和有机物表观分子质量分布的分析结果表明,污泥上清液中以溶解性微生物产物类酪氨酸荧光强度最强,并且荧光强度随着水解温度的升高而增强;经过MW-H2O2-OH预处理后,有机物大量释放,其中包括Mr100~350的小分子有机物,而经过水解后,Mr3 000~60 000的有机物得到降解.     

紫外耦合游离亚硝酸强化剩余污泥厌氧发酵产酸研究

为打破传统厌氧发酵过程中污泥破壁溶胞困难和产酸效能低的瓶颈,探究了紫外光（UV）耦合游离亚硝酸（FNA）预处理对污泥发酵产酸的影响,并与热（H）和超声法（US）耦合FNA预处理进行了对比分析.结果表明,UV辅助FNA联合预处理（FNA-UV）对细胞破碎和胞外聚合物的剥离具有协同效应,·OH和·O₂^-作为反应中间体,其强度远高于其他预处理组（FNA-US和FNA-H）,与·NO,·NO₂及ONOO^-等中间产物共同促进了溶解性有机物的释放,溶解性碳水化合物和蛋白质含量相比FNA组分别提升60%和90%,进而为后续水解产酸过程提供了充足的底物.FNA-UV组短链脂肪酸（SCFAs）浓度于第4d达到峰值,为（201.8±4.8） mg COD/g VSS,相比FNA组提升67%,乙酸占比高达56.8%.通过发酵末期对各体系进行碳平衡分析表明,紫外耦合FNA预处理在污泥减量、溶解性有机物的释放与转化、SCFAs的产生方面具有重要作用.微生物群落分析表明,FNA-UV对功能菌群的富集发挥重要作用,表现为厌氧发酵菌和反硝化菌的有效增强,相比其他各组提升了23.7%~270.6%.     

剩余污泥共厌氧消化改善脱水性能研究

为改善剩余污泥厌氧消化脱水性能,减少后续处理费用,研究了剩余污泥添加废物酒精糟液在高温(55℃)下共厌氧消化后污泥脱水性能,并对影响脱水性能因素进行了回归分析。结果表明:共厌氧消化提高了剩余污泥的碳氮比、有机负荷和产气率,减少了胞外聚合物中有机成分蛋白质和碳水化合物含量,增加颗粒尺寸,明显提高厌氧污泥脱水性能。当进样总体积为450mL、剩余污泥与酒精糟液二者体积比为2:1、污泥停留时间为11.1d时,厌氧消化污泥的脱水性能最好,毛细吸收时间为127s;当有机负荷继续提高时会出现酸化现象,可导致厌氧污泥脱水性能变差。对厌氧消化污泥脱水性能影响明显的因素是污泥颗粒尺寸、紧密粘附胞外聚合物含量。     

高碘酸钠与APAM联合调理对污泥脱水的影响

采用高碘酸钠与阴离子聚丙烯酰胺（APAM）联合调理改善污泥脱水性。以污泥比阻和污泥滤饼含水率作为衡量污泥脱水性的指标,分析胞外聚合物（EPS）中蛋白质和多糖含量,并测定污泥Zeta电位和粒径。结果表明:当污泥初始pH为8时,88 mg/g DS（干污泥）的高碘酸钠和2 mg/g DS的APAM可以有效改善污泥脱水,联合调理后污泥比阻降低至4.82×1012 m/kg,污泥滤饼含水率降低至69.67%。污泥经过高碘酸钠氧化后,Zeta负电性降低,可溶性胞外聚合物（S-EPS）中的蛋白质含量增加,荧光光谱显示腐植酸物质的荧光强度降低,污泥中值粒径经过高碘酸钠絮凝后减小。研究结果表明,组合调理剂可以有效改善污泥脱水性,并利于后续污泥处理与处置。     

pH值调控柠檬酸污泥厌氧发酵产酸及碳源潜力研究

以柠檬酸废水厌氧颗粒污泥为接种物,在不同pH值调控条件下开展柠檬酸生产废水剩余活性污泥厌氧发酵产酸研究。通过对发酵液挥发性脂肪酸(VFAs)、有机质、氮磷和污泥脱水性能的分析,探讨了柠檬酸污泥厌氧产酸机制。结果表明,pH³10的碱性条件更有利于有机质的溶出从而促进VFAs的产生。三维荧光光谱分析发现在恒定pH值下腐殖酸(HA)和富里酸(FA)会大量溶出降低VFAs的产量。初始pH=10是柠檬酸污泥厌氧产酸的最佳pH值,发酵4d的VFAs浓度最高达(6681.47±126.82)mg COD/L,是文献报道中市政污泥产酸量的近2倍,其中乙酸占比49.8%,发酵后产酸功能菌Chloroflexi、Bacteroidota的相对丰度分别由初始的9.52%、10.87%增至16.84%、14.39%,污泥归一化毛细吸水时间(n_CST)为(11.34±0.27)s×L/g,脱水性能良好,发酵液TP浓度为(20.45±0.33)mg/L。研究表明,利用柠檬酸剩余活性污泥碱性厌氧发酵产酸作为污水处理过程中的外加碳源具有较大潜力。     

丝状真菌调理对柠檬酸污泥脱水性能的影响

利用实验室分离的丝状真菌Aspergillus niger SS5对柠檬酸污泥进行了污泥脱水前的生物调理.结果表明,菌液浓度和调理时间是影响污泥脱水性能的主要因素,调理后污泥的脱水性能、沉降性能均有明显改善,调理后的污泥负电荷减少,粒径显著增大,结合水含量比未投加菌液的空白对照降低了近40%.同时,真菌调理显著降低了上清液COD及污泥各EPS层的蛋白质和多糖含量,EPS中蛋白质的降解与污泥结合水含量、D₅₀和Zeta电位显著相关,是影响柠檬酸污泥脱水性能改善的重要因素,且有机物的降解并未导致污泥pH值的显著变化,这和柠檬酸污泥拥有较大的酸碱缓冲容量有关.采用20mL/g DS的Aspergillus niger SS5调理柠檬酸污泥,调理3d可使泥饼含水率降至71.98%,且调理过程无化学药剂加入,更有利于柠檬酸等食品发酵类工业污泥的后续资源化综合利用.     

Effects of ultrasonic pretreatment on sludge dewaterability and extracellular polymeric substances distribution in mesophilic anaerobic digestion

Effect of ultrasonic pretreatment on sludge dewaterability was determined and the fate of extracellular polymeric substances (EPS) matrix in mesophilic anaerobic digestion after ultrasonic pretreatment was studied. Characteristics of proteins (PN), polysaccharides (PS), excitation-emission matrix (EEM) fluorescence spectroscopy and molecular weight (MW) distribution of dissolved organic matters (DOM) in different EPS fractions were evaluated. The results showed that after ultrasonic pretreatment, the normalized capillary suction time (CST) decreased from 44.4 to 11.1 (sec·L)/g total suspended solids (TSS) during anaerobic digestion, indicating that sludge dewaterability was greatly improved. The normalized CST was significantly correlated with PN concentration (R2 = 0.92, p 0.01) and the PN/PS ratio (R2 = 0.84, p 0.01) in the loosely bound EPS (LB-EPS) fraction. Meanwhile, the average MW of DOM in the LB- EPS and tightly bound EPS (TB-EPS) fractions also had a good correlation with the normalized CST (R2 0.66, p 0.01). According to EEM fluorescence spectroscopy, tryptophan-like substances intensities in the slime, LB-EPS and TB-EPS fractions were correlated with the normalized CST. The organic matters in the EPS matrix played an important role in influencing sludge dewaterability.     

氢氧化镁对剩余污泥碱性发酵及脱水性能的影响

剩余污泥厌氧发酵可产出短链脂肪酸(SCFAs)发酵液用作碳源时,可改善污水脱氮除磷效果,但发酵液中的氮磷会增加污水厂的氮磷负荷.此研究分别采用Mg(OH)2和NaOH调节剩余污泥厌氧发酵时的pH值,考察Mg(OH)2能否促进剩余污泥碱性发酵同时去除发酵液中的氨氮和磷,及其对发酵后污泥脱水性能的影响.结果表明:Mg(OH)2可促进剩余污泥碱性发酵,发酵液最大SCFAs含量为2336.3mgCOD/L,同时Mg(OH)2能去除发酵液中的磷,在发酵的第4d,其磷含量接近0;Mg(OH)2调节碱性发酵后的剩余污泥脱水性能优于NaOH调节的,前者剩余污泥毛细吸水时间(CST)较后者短42.3s.     

城市污水污泥微波热水解特性研究

在80～170 ℃进行1～30 min的城市污水污泥微波热水解,微波频率2 450 MHz,最大输出功率1 kW,考察挥发性悬浮固体(VSS)和悬浮固体(SS)溶解率,污泥上清液COD和TOC浓度、污泥粒径、形态变化和碳氢氮含量等污泥热水解特征,分析污泥离心脱水性能的改善和减量化效果.结果表明,微波加热使污泥有机物水解反应快速发生,水解过程受温度影响显著.热水解5 min时,150℃和170℃的VSS溶解率为15.8%和29.4%;10 min时COD溶解率达到19.07%和25.75%,COD和TOC浓度在170℃分别为9 860.0 mg/L和2 949.70 mg/L.超过5～10 min,VSS和COD水解率增加缓慢.通过扫描电镜(SEM)观察到污泥热水解后菌体细胞破裂.与碳和氢相比,污泥中氮的水解率更高,170℃微波热水解5 min氮的水解率达到67%.150℃和170℃热水解10 min离心脱水污泥含水率降低到73.1%和65.5%,脱水性能改善,相应减量化率为33.9%和51.7%.