高濃度城市污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸示范工程的啟動(dòng)與運(yùn)行

周光杰¹，劉宏波1，肖航¹，聶新宇²，張立2，陳宇²，劉和¹

(1.江南大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院環(huán)境生物技術(shù)研究室，江蘇無(wú)錫214122；2.無(wú)錫市

高新水務(wù)公司，江蘇無(wú)錫214000)

摘要：為探索污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）的工藝特征和可行性，在無(wú)錫某污水處理廠建設(shè)了一個(gè)處理規(guī)模為3 m³/d（含水率為90%）的污泥產(chǎn)酸示范工程，對(duì)高濃度進(jìn)泥條件下啟動(dòng)和運(yùn)行過(guò)程中的產(chǎn)酸特征以及技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，平均進(jìn)泥濃度為70 g/L時(shí)，經(jīng)熱堿預(yù)處理后污泥平均SCOD濃度比處理前增加了8.2倍，最高值為36 553 mg/L，TSS降解率為25.5%，VSS降解率為39.3%。在每天進(jìn)、排泥各3 m³的半連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)下，發(fā)酵罐中VFAs平均濃度為7.63 g/L，平均酸產(chǎn)率達(dá)330.25 mgCOD/gVSS。發(fā)酵液中SCOD的主要成分為VFAs，占57.90%，VFAs的主要成分為乙酸，占55.72%。污泥發(fā)酵液中TN、TP和氨氮的平均濃度依次為1 299.94、113.54、274.21mg/L，SCOD/N和SCOD/P的平均值分別為14.8和184.2，說(shuō)明發(fā)酵液可作為污水強(qiáng)化生物脫氮除磷的外加碳源。根據(jù)示范工程得到的成本和收益參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，一個(gè)規(guī)模為100 m³/d的污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸工程的成本投入為292.9元/m³，收益為374.8元/m³。

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，城市污泥的產(chǎn)量逐年升高。據(jù)環(huán)保部統(tǒng)計(jì)，至“十二五”末期我國(guó)濕污泥產(chǎn)量（含水率為80%）將突破4 600×10⁴ t，污泥處理與處置技術(shù)的開(kāi)發(fā)始終是國(guó)內(nèi)外污泥處理領(lǐng)域的重要研究課題。

近年來(lái)，通過(guò)厭氧發(fā)酵將污泥有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性脂肪酸（VFAs），然后將VFAs用于化工原料或脫氮除磷的補(bǔ)充碳源受到越來(lái)越多研究者的關(guān)注。本課題組在長(zhǎng)期研究的基礎(chǔ)上，在無(wú)錫某污水處理廠內(nèi)建設(shè)了一個(gè)處理規(guī)模為3 m³/d的污泥產(chǎn)酸發(fā)酵示范工程，該工藝設(shè)計(jì)進(jìn)泥濃度為10%，主要工藝單元包括污泥濃度調(diào)節(jié)、預(yù)處理、產(chǎn)酸發(fā)酵、調(diào)理、泥水分離、有機(jī)酸回用。為探索污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)VFAs的工藝特征和可行性，對(duì)高濃度進(jìn)泥條件下啟動(dòng)和運(yùn)行過(guò)程中的產(chǎn)酸特征以及技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行了研究。

本研究目的是：①探究實(shí)際工程中熱堿預(yù)處理對(duì)污泥的破解和釋碳效果；②探究污泥厭氧發(fā)酵罐的啟動(dòng)和運(yùn)行過(guò)程中VFAs產(chǎn)量和產(chǎn)率；③評(píng)估污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。以上基于工程規(guī)模下的研究結(jié)果將突破以往實(shí)驗(yàn)室小試的局限，有助于探索污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸工程的控制工藝，同時(shí)也進(jìn)一步驗(yàn)證污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸工藝的可行性，對(duì)污泥發(fā)酵資源化利用具有重要的推動(dòng)作用。

1 材料與方法

1.1 污泥來(lái)源及性質(zhì)

城市污泥為無(wú)錫某污水處理廠的脫水污泥，初始污泥的相關(guān)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 城市污泥的基本性質(zhì)

1.2 工藝規(guī)模及流程

城市污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸工藝流程如圖1所示，包括5個(gè)單元：污泥調(diào)漿、水解釋碳、厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸、脫水調(diào)理和板框脫水。

圖1 污泥厭氧發(fā)酵工藝流程

工程設(shè)計(jì)每天處理90%的污泥3 m³，調(diào)漿罐、預(yù)處理罐、熱水罐、發(fā)酵罐、調(diào)理罐的體積分別為1.6、1.9、3.6、30、2.0 m³。污泥經(jīng)污水處理廠帶式壓濾機(jī)脫水后（含水率約85%）進(jìn)入調(diào)漿池，調(diào)節(jié)污泥濃度至7%；調(diào)漿后污泥進(jìn)入預(yù)處理罐，在熱堿性條件下預(yù)處理，進(jìn)行水解破壁釋碳；預(yù)處理后污泥進(jìn)入?yún)捬醢l(fā)酵罐發(fā)酵生產(chǎn)VFAs，發(fā)酵罐通過(guò)水浴夾套進(jìn)行控溫；發(fā)酵后污泥經(jīng)調(diào)理罐調(diào)理后進(jìn)入板框壓濾機(jī)壓濾脫水，實(shí)現(xiàn)發(fā)酵液與泥渣的分離。分離得到的有機(jī)酸發(fā)酵液進(jìn)入污水處理系統(tǒng)作補(bǔ)充碳源以強(qiáng)化污水脫氮除磷效果。整個(gè)工程通過(guò)控制系統(tǒng)控制各單元的液位、預(yù)處理溫度、發(fā)酵溫度、攪拌轉(zhuǎn)速以及預(yù)處理和發(fā)酵pH值。

1.3 工程的啟動(dòng)和運(yùn)行

工程調(diào)試和正式運(yùn)行主要包括三個(gè)階段：污泥裝罐、接種啟動(dòng)和運(yùn)行。污泥裝罐為期4 d，每天接入預(yù)處理后污泥3 m³，泵入污泥12 m³。污泥進(jìn)罐前需進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理溫度為70 ℃,調(diào)節(jié)pH值為12處理2 h。接種啟動(dòng)期為11 d，泵入1.5m³馴化后的污泥，然后繼續(xù)泵入污泥7.5 m³，最后進(jìn)入啟動(dòng)階段，在該階段不排泥，發(fā)酵溫度控制為(35±2) ℃，攪拌速率為48 r/min，pH值維持在10～11之間。啟動(dòng)結(jié)束后開(kāi)始半連續(xù)運(yùn)行，歷時(shí)30 d。預(yù)處理和發(fā)酵條件不變，每天進(jìn)泥3 m³、排泥3 m³。污泥停留時(shí)間為7 d。污泥發(fā)酵前需要接種種泥，種泥先進(jìn)行馴化，歷時(shí)10 d，種泥馴化方法參見(jiàn)文獻(xiàn)。工程運(yùn)行期間，定期對(duì)調(diào)漿罐、預(yù)處理罐和發(fā)酵罐取樣，并分析相關(guān)指標(biāo)。

1.4 分析方法

揮發(fā)性脂肪酸：氣相色譜法；pH值：pH計(jì)；蛋白質(zhì)：考馬斯亮藍(lán)法；多糖：苯酚—硫酸法；污泥含水率、TSS、VSS、SCOD、TN、TP、氨氮：國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法。

2 結(jié)果與討論

2.1 污泥預(yù)處理效果

圖2為污泥在預(yù)處理罐中預(yù)處理前后SCOD濃度的變化。

圖2 半連續(xù)運(yùn)行過(guò)程中污泥預(yù)處理前后SCOD濃度的變化

從圖2可以看出，調(diào)漿后的城市污泥初始SCOD濃度<5 000 mg/L，最小為1 726 mg/L，最大為4 442 mg/L。經(jīng)過(guò)熱堿預(yù)處理后，SCOD的平均濃度為29 000 mg/L，較處理前增加了8.2倍，最大濃度達(dá)36 553 mg/L。這表明熱堿預(yù)處理能有效促進(jìn)污泥中有機(jī)質(zhì)的釋放。

預(yù)處理后的TSS和VSS濃度相比處理前都有所下降，平均TSS從處理前的70.8 g/L下降到52.7 g/L，平均VSS從43.3 g/L下降到26.3 g/L,分別下降了25.5%和39.3%。這進(jìn)一步說(shuō)明污泥中的有機(jī)質(zhì)大量轉(zhuǎn)移到液相，成為較易被微生物利用的碳源。經(jīng)過(guò)熱堿處理后城市污泥得到了初步的減量化。污泥的熱堿預(yù)處理主要機(jī)理是熱和堿的聯(lián)合作用，一方面促進(jìn)污泥絮體中的胞外聚合物（EPS）溶解釋放到液相，另一方面促進(jìn)細(xì)胞溶解，使得胞內(nèi)的有機(jī)質(zhì)釋放到液相中。

2.2 啟動(dòng)和運(yùn)行過(guò)程中的產(chǎn)酸效果

發(fā)酵罐中的VFAs濃度變化如圖3所示。

圖3 污泥發(fā)酵液中VFAs的濃度及產(chǎn)酸率

裝罐后第1天的VFAs濃度為1.13 g/L，第3天時(shí)上升到3.94 g/L，平均濃度為3.36 g/L，此后波動(dòng)不大。第14天進(jìn)入接種啟動(dòng)期，VFAs濃度明顯升高，平均濃度達(dá)到6.37 g/L。第25天進(jìn)入半連續(xù)運(yùn)行期，每天進(jìn)、排泥各3 m³。該階段的VFAs濃度有一定的波動(dòng)，但總體維持在一個(gè)較高的水平，平均為7.63 g/L。從以上各運(yùn)行階段的有機(jī)酸濃度變化情況看，總體呈現(xiàn)逐漸上升的過(guò)程，并在進(jìn)入半連續(xù)運(yùn)行期后基本保持穩(wěn)定。從接入種泥后VFAs濃度迅速上升的趨勢(shì)可知，接入種泥對(duì)城市污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸起了明顯促進(jìn)作用。

從有機(jī)酸產(chǎn)率的變化可知，產(chǎn)酸率最低是在第27天，為257.43 mgCOD/gVSS，最高是在第6天，為376.48 mgCOD/gVSS，平均產(chǎn)酸率為330.25 mgCOD/gVSS。馮延申在采用污泥固體停留時(shí)間為10 d、回流比為30%進(jìn)行剩余污泥發(fā)酵產(chǎn)酸中試中，產(chǎn)酸率達(dá)到0.36 gVFAs/gVSS。由于其進(jìn)泥濃度為11 g/L左右，有機(jī)酸濃度為350 mg/L左右。一般而言，低固體濃度有利于提高污泥的有機(jī)酸產(chǎn)率，但是過(guò)低的有機(jī)酸濃度不利于后續(xù)的回收和利用。本研究在工程規(guī)模條件下的有機(jī)酸產(chǎn)率略高于實(shí)驗(yàn)室小試結(jié)果［7］，說(shuō)明本工程各項(xiàng)工藝條件控制較為理想，達(dá)到了預(yù)期結(jié)果。

2.3 污泥發(fā)酵液的組成

發(fā)酵液中SCOD的主要成分為VFAs，占到了57.90%，蛋白質(zhì)、多糖和其他物質(zhì)分別占到9.82%、5.46%和26.82%。從VFAs的組成百分比來(lái)看，主要成分為乙酸，占到55.72%;其余有機(jī)酸按所占百分比大小排序?yàn)椋寒愇焖?10.83%)>異丁酸(10.53%)>丁酸(9.78%)>丙酸(7.46%)>戊酸(5.68%)。發(fā)酵液中SCOD和VFAs的組成決定了其作為碳源用于污水處理脫氮除磷的品質(zhì)。SCOD中VFAs為主要成分說(shuō)明城市污泥厭氧發(fā)酵液可以作為優(yōu)質(zhì)的碳源。有研究表明，以乙酸為主的混合酸作為碳源添加，可有效提升脫氮除磷效率。

2.4 污泥發(fā)酵過(guò)程中氮和磷的釋放

發(fā)酵過(guò)程中污泥發(fā)酵液TN、TP和氨氮濃度的變化如圖4所示。裝罐期TN、TP和氨氮的平均濃度分別為759.08、432.74、243.15mg/L;進(jìn)入接種啟動(dòng)期后三者的平均濃度依次變?yōu)? 316.69、137.77、357.69 mg/L;半連續(xù)運(yùn)行期三者的平均濃度依次為1299.94、113.54、274.21 mg/L。由于污泥預(yù)處理時(shí)，熱堿條件會(huì)促進(jìn)TN、TP釋放到液相中，因此，發(fā)酵過(guò)程中污泥的TN、TP含量不會(huì)大幅升高。因此接種啟動(dòng)期以及隨后運(yùn)行期TN、TP濃度的大幅升高是由于種泥的接入所導(dǎo)致。隨著運(yùn)行期的持續(xù)進(jìn)泥和排泥，種泥接種帶入的氮、磷逐漸被稀釋并最終回歸到預(yù)處理時(shí)的水平。COD/N和COD/P值一般作為衡量替代碳源強(qiáng)化生物脫氮除磷能力的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于生物脫氮過(guò)程COD/N值一般要高于4，生物除磷系統(tǒng)的COD/P值范圍為8～15。本研究中運(yùn)行期的發(fā)酵液SCOD/N平均值為14.8，SCOD/P平均值為184.2，均遠(yuǎn)高于該標(biāo)準(zhǔn)。另外，污泥發(fā)酵液在泥水分離過(guò)程中，由于絮凝劑的加入，對(duì)氮和磷有80%左右的去除率，因此SCOD/N和SCOD/P值會(huì)進(jìn)一步提高，即該發(fā)酵液完全可以作為強(qiáng)化生物脫氮除磷的替代碳源。

圖4 發(fā)酵液中TN、TP、氨氮的濃度

2.5 工程技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

工程的具體成本和效益分析如表2所示。

表2 污泥發(fā)酵產(chǎn)酸工程成本效益分析

為了衡算城市污泥產(chǎn)酸發(fā)酵工藝的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)本示范工程得到的關(guān)鍵參數(shù)(如有機(jī)酸轉(zhuǎn)化率、水耗、電耗以及藥耗等)進(jìn)行綜合分析。假定污泥發(fā)酵產(chǎn)酸工程日處理污泥量為100 m³（含水率為80%）。

在以上計(jì)算中，100 m³、80%含水率的污泥含有干泥20 000 kg，如VSS含量按60%計(jì)，則含有機(jī)質(zhì)為12000 kg。根據(jù)本研究結(jié)果，污泥厭氧發(fā)酵中有機(jī)質(zhì)的降解率按53.3%、VSS產(chǎn)酸轉(zhuǎn)化率按0.311 gVFAs/gVSS計(jì)，則100 m3污泥可以產(chǎn)生VFAs約1 996.6kg。由于發(fā)酵液中有機(jī)酸濃度高，不需要提取，可直接回流至污水處理池中作為補(bǔ)充碳源，因此不需要考慮提取成本。VFAs的市場(chǎng)價(jià)格按6 520 元/t計(jì)，則1 m³污泥的收益為124.8元。本工程實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中工業(yè)燒堿和PAM的消耗量分別為0.190 kg/kgTSS和1.5 g/kgTSS。那么，1 m³污泥消耗燒堿和PAM的量分別是38 kg和0.3 kg，工業(yè)燒堿和PAM的市場(chǎng)價(jià)格分別為1 000和26 000元/t，則1 m³污泥消耗的藥劑費(fèi)為45.8元。配備兩個(gè)工作人員，每人工資為4 000元/月。設(shè)備折舊按固定資產(chǎn)投入為4 000萬(wàn)元、折舊期為10年計(jì)，則設(shè)備折舊費(fèi)為110 元/m³。污泥經(jīng)過(guò)高干脫水后含水率從80%降低到60%，體積減半，處置費(fèi)用為125元/m³。綜合上述，污泥通過(guò)厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的凈收益為81.9 元/m³，每年凈收益為298.9萬(wàn)元。

3 結(jié)論

① 污泥經(jīng)預(yù)處理后平均SCOD增加了8.2倍，最大濃度達(dá)36553 mg/L，說(shuō)明熱堿預(yù)處理能有效促進(jìn)污泥中有機(jī)質(zhì)的釋放。

② 接種種泥對(duì)污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸起著重要作用，半連續(xù)運(yùn)行過(guò)程中，VFAs的平均濃度達(dá)7.63 g/L，平均產(chǎn)酸率為330.25 mgCOD/gVSS，比接種前提高了127%。

③ 污泥發(fā)酵液中VFAs占57.90%，VFAs中乙酸占55.72%，說(shuō)明發(fā)酵液品質(zhì)較好，平均氮、磷雖然分別達(dá)到1 299.94 mg/L和113.54 mg/L，但其SCOD/N和SCOD/P值分別為14.8和184.2，經(jīng)脫水后，不會(huì)影響其作為碳源添加的負(fù)擔(dān)。

④ 當(dāng)污泥工程放大至處理量為100 m³/d時(shí)，產(chǎn)生的凈效益為81.9元/m³，每年凈收益為298.9萬(wàn)元。

（本文發(fā)表于《中國(guó)給水排水》雜志2015年第15期“論述與研究”欄目）

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