剩余污泥细胞破壁技术初探.doc

剩余污泥细胞破壁技术初探
王芬  王暄  杨海松  张书廷
（天津大学环境科学与工程学院）
　　摘　要：本文采用加碱、加热、加热联合加碱3种预处理方式，对剩余活性污泥进行细胞破壁的研究，以探讨加快污泥消化速率，提高沼气产率的新途径。结果表明，pH=12时的碱解处理效果显著，反应4hr后，污泥的SCOD／TCOD值可达30％；60℃下热解2hr后，SCOD/TCOD值可达25％；加热联合加碱破壁处理8hr的结果表明，60℃下，pH=11时，2hr后，SCOD／TCOD值可达29％。加热联合加碱方法，不仅可以加大水解程度，还可以加快污泥的破壁，内含物的流出。
　　关键词：污泥处理；细胞破壁反应
1　引言
　　城市污水生物处理厂剩余污泥的处理与处置是一个较为棘手的问题。其处理费用占到污水处理厂总运行费用的25％～40％，甚至高达60％[1]；通常采用的污泥中温厌氧消化工艺，存在着反应速度慢，污泥在池内的停留时间过长，池体体积庞大，操作管理复杂，产气中甲烷含量低等缺点。
　　污泥厌氧消化过程中，污泥水解是限速步骤[2]。采用一定的预处理方式，可以使细胞壁破裂，细胞内含物溶出，加速污泥的水解过程。从而达到缩短消化时间，减少消化池容积，提高甲烷产量的目的。例如，国外的研究表明，使用超声波（3.6KW,31KHz,64sec）预处理污泥，污泥中溶解性化学需氧量（SCOD）由630mg／L上升到2270mg／L，而且可以使污泥消化的停留时间缩短到8天[3]；采用碱（40meq／L）与超声波（120W,20 KHz,14.4sec／ml）结合的方法进行预处理可以污泥中78%的总化学需氧量（TCOD）溶出[4]；用搅拌球磨机及高压均化器的机械处理方式可以使污泥中TCOD溶出90%，同时使厌氧消化的停留时间减少到6天[5]；采用高压灭菌器（120℃，1bar）处理污泥45min,可以使35±7%的TCOD溶出[6]。目前，国内关于污泥细胞破壁技术的研究较少。本文采用加碱、加热、加热联合加碱3种方式，初步探讨了剩余污泥破壁的技术方法。
2　实验方法
2.1　污泥来源
　　本实验所采用的污泥取自一容积为40L的SBR反应器，种泥取自天津市纪庄子污水处理厂。SBR反应器内的污泥停留时间为20d。每天运行3个周期，处理人工模拟废水，主要基质为葡萄糖，进水COD浓度为500mg／L。按照BOD:N:P为100:5:1的比例，投加葡萄糖、氯化铵、磷酸二氢钾作为碳、氮、磷源。反应器内MLSS为4000～5000mg／L。取反应器内每一个运行周期末的污泥，经重力沉降，使污泥浓缩至原体积的一半时，弃去上清液，用浓缩污泥（含水率为99%左右）进行破壁实验。
2.2 实验装置及方法
　　加碱的实验装置如图1所示，加热及加热联合加碱的实验装置如图2所示。

2.2.1　加碱破壁的实验方法
　　在室温条件下（25±3℃），取浓缩后的污泥5ml，稀释10倍后，测定TCOD。同时，取适量浓缩后的污泥，用滤纸过滤，测定滤液的COD，该值即污泥处理前的SCOD值。向1000ml的广口瓶内加入500ml浓缩后的污泥，根据实验要求的pH值加入一定量的0.001M～1 M 的NaOH溶液。用磁力搅拌器搅拌均匀之后，开始计时，静置反应12hr，每隔3hr，用磁力搅拌器搅拌均匀后，取一次泥样，用滤纸过滤后，滤液放置在4℃冰箱内以备测量。
2.2.2　加热破壁的实验方法
　　处理前污泥的TCOD及SCOD的测量方法同上。污泥样的pH值约为6～7。向1000ml的广口瓶内加入500ml浓缩后的污泥，将广口瓶置于水浴锅内。根据实验要求，调节温度，使瓶内污泥温度升高到热解温度。自温度升到实验要求温度开始计时，反应8h，每隔1～2h，用磁力搅拌器搅拌均匀后，取一次泥样，用滤纸过滤后，滤液放置在4℃冰箱内以备测量。
2.2.3　加热联合加碱破壁的实验方法
　　处理前污泥的TCOD及SCOD的测量方法同上。向1000ml的广口瓶内加入500ml浓缩后的污泥，根据实验要求的pH值加入0.001M～1 M 的NaOH溶液。将广口瓶置于水浴锅内。根据实验要求，调节温度使瓶内污泥温度升高到热解温度。自温度升到实验要求温度开始计时，反应8h，每隔1～2h，用磁力搅拌器搅拌均匀后，取一次泥样，用滤纸过滤后，滤液放置在4℃冰箱内以备测量。
2.3 分析项目及方法
2.3.1 污泥浓度（MLSS）、总固体（TS）、挥发性固体物（VS）
　　参照《水和废水的水质分析监测方法》一书中有关的分析方法进行测定。
2.3.2　化学需氧量（COD）
　　溶解性化学需氧量（SCOD）为经过滤纸过滤后滤液的COD值。总化学需氧量（TCOD）为被处理污泥混合液的COD值，COD测定为重铬酸钾法。测定方法为密封微量比色法[7]。COD仪采用HACH DR－2000型。
3　实验结果与讨论
3.1 碱解破壁的实验结果
　　本实验进行了pH值为8、9、10、11、12的碱解破壁实验。结果如图3、图4所示。图中SCOD／TCOD表示加碱破壁后污泥上清液COD扣除未破壁时污泥上清液COD后与污泥混合液的TCOD的比值，表示了污泥破壁的程度。
　　由图3可以看出，随着pH值的升高，SCOD／TCOD值增加，也即污泥的水解程度加大。pH值为12时的水解效果明显优于其它pH值时的处理效果。可以得出，存在一个加碱量的下限，当加碱量低于该下限值时，碱解效果较差。加碱量一旦超过该值，污泥的碱解效果就会有明显的改观。由图3可以看出，在pH=12时，反应12hr，SCOD／TCOD可达30～40％。而且，反应4hr后，就可以完成80％以上的碱解。
3.2 加热破壁的实验结果

　　本研究进行了40℃、50℃、60℃的加热破壁实验。实验结果如图5、图6所示。图中SCOD／TCOD表示加热破壁污泥上清液COD扣除未破壁时污泥上清液COD后与污泥混合液的TCOD的比值，表示了污泥破壁的程度。

　　由图5可以看出，随着热解温度的升高，SCOD／TCOD值增加，即污泥的水解程度加大。由图6可以看出，60℃下热解时，污泥温度升至60℃始，反应2hr后，就可以完成85%以上的水解，SCOD／TCOD值达25%，反应速度很快。
3.3 加热联合加碱的实验结果
　　本研究进行了50℃、60℃下，pH=9、10、11时的热碱破壁实验，实验结果如图7～10所示

　　由图7～10可以看出，在pH值为9、10、11时加热破壁，随着pH值的升高，污泥的水解率从25%升高到35%，即随着pH值的升高，水解率增大。60℃下进行的反应，在反应2hr后，就可以完成85%左右的水解，SCOD／TCOD值可达29%，由上述60℃下的热解实验的结果：在反应2hr后SCOD／TCOD值可达25%，可知，加碱加大了水解程度。由图8可以看出，50℃处理时，未加碱时，反应4hr后，仅可完成60～75%的水解；而加碱后，反应4hr后，可以完成85%的水解，所以，加碱后使得破壁速度加快，即加碱降低了污泥对于温度的耐受力，加速了污泥的破壁，内含物的流出。

4　结论
　　（1）对剩余污泥进行碱解处理，可以在12hr内使30～40％的TCOD溶出；60℃下热解时，反应2hr后，已经完成85％以上的水解，SCOD／TCOD值可达25%。加热联合加碱的研究表明，60℃下，pH值为11时，反应2hr后，可以完成85％左右的水解，SCOD／TCOD值可达29%。可知，加碱加大了水解程度。50℃下的加热联合加碱的实验还表明，加碱可以降低污泥对热的耐受力，加速污泥的破壁。
　　（2）对污泥采取一定的破壁预处理技术，可以加速污泥的水解过程，使胞内物质快速溶出。从而可以加快后续的厌氧消化进程。
参考文献：
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　　[2]Eastman,J.A. and Ferguson, J.F.(1981).Solubilization of particulate organic carbon during the acid phase of anaerobic digestion .JWPCF ,53(3),352—366
　　[3]Tiehm,A,Nickel,K.and Neis,U.The use of ultrasound to accelerate the anaerobic digestion of sewage sludge[J].Wat.Sci.Tech.,1997,36(11),121—128
　　[4]Chiu,Y.C.Chang ,C.N.,Lin,J.G.and Huang,S.J.,Alkaline and ultrasonic pre-treatment of sludge before anaerobic digestion . Wat.Sci.Tech.,1997. 36(11),155—162
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