作者：江水英，吳聲東

　　摘要：近年來，污泥厭氧消化得到了廣泛關(guān)注，一方面能夠?qū)崿F(xiàn)污泥的減量化，另一方面又能得到有價值的消化產(chǎn)品。

　　由于水解過程是限制厭氧反應(yīng)的重要步驟，因此利用CaO2強化污泥厭氧消化中水解和酸化過程。結(jié)果表明，適量的CaO2的投加量能夠顯著促進(jìn)污泥的水解和酸化過程，但對甲烷化有抑制作用。當(dāng)CaO2投加量為0.2g/g(污泥以揮發(fā)性懸浮固體(VSS)計)時，揮發(fā)性脂肪酸(VFA)的最大積累量為253.6mg/g，但CaO2對VFA的組成影響不大。

　　活性污泥法是目前生活污水處理廠中應(yīng)用最廣泛的污水處理方法，該方法具有投資低、處理效率高等優(yōu)點。但是該工藝會產(chǎn)生大量的剩余污泥，剩余污泥中含有有毒有害物質(zhì)，若處置不當(dāng)會造成環(huán)境的二次污染。另一方面，剩余污泥中含有大量的蛋白質(zhì)和碳水化合物，是一種可利用資源。污泥厭氧消化技術(shù)可以很好地處置污泥，實現(xiàn)污泥的減量化、無害化和資源化[1]。

　　厭氧消化過程主要包括水解、酸化和甲烷化3個主要步驟[2]。水解過程是限制污泥厭氧消化的主要步驟，原因在于污泥外包裹的微生物胞外聚合物(EPS)和細(xì)胞壁阻止了該步驟中微生物胞內(nèi)物質(zhì)的釋放，使得揮發(fā)性脂肪酸(VFA)、氫氣和甲烷等的產(chǎn)量很低。

　　YUAN等[3]研究發(fā)現(xiàn)，pH=10的堿性條件可以強化污泥水解反應(yīng)，使得VFA大量積累。LI等[4]報道，1.8mg/L游離亞硝酸(FNA)能夠有效地破解EPS和細(xì)胞壁。YAN等[5]應(yīng)用超聲技術(shù)很好地實現(xiàn)了污泥減量和VFA積累。ZHENG等[6]發(fā)現(xiàn)，堿性消化反應(yīng)過程中的主要微生物為水解細(xì)菌和酸化細(xì)菌。CaO2是一種白色或淡黃色的固體，具有高能過氧化共價鍵。CaO2能夠在水化介質(zhì)中緩慢釋放氧氣，同時生產(chǎn)強氧化性物質(zhì)H2O2和堿性物質(zhì)Ca(OH)2。

　　在水處理中，CaO2生產(chǎn)H2O2和Ca(OH)2的速率比較容易控制，因此投放CaO2比直接投放H2O2效率更高。目前，CaO2已經(jīng)成功應(yīng)用到地下水的處理，用于氧化分解難降解物質(zhì)[7]。然而，將其用來處理污泥尚未見文獻(xiàn)報道，因此本研究探究了CaO2對污泥厭氧消化性能的影響。

　　1材料與方法

　　1.1實驗材料實驗中所用污泥取自海口某污水處理廠，污泥取回后在實驗室4℃冰箱內(nèi)沉淀24h。沉淀后污泥基本性質(zhì)如下：pH=6.8±0.1，總懸浮固體(TSS)=(12130±256)mg/L，揮發(fā)性懸浮固體(VSS)=(9815±240)mg/L，總蛋白質(zhì)=(8412±125)mg/L，總糖=(1542±82)mg/L。

　　CaO2純度≥98%。

　　1.2污泥厭氧消化反應(yīng)

　　在5個相同的600mL厭氧反應(yīng)器中加入500mL污泥，CaO2投加量分別為0、0.1、0.2、0.3、0.4g/g(污泥以VSS計，下同)。當(dāng)投加完污泥和CaO2后，充氮氣10min以排出厭氧反應(yīng)器內(nèi)的空氣，保證厭氧環(huán)境。厭氧反應(yīng)器內(nèi)置攪拌器，轉(zhuǎn)速控制為150r/min，初始pH控制為7.0±0.1，溫度為25℃，反應(yīng)時間為15d。

　　1.3分析方法

　　溶解性化學(xué)需氧量(SCOD)采用重鉻酸鉀法測定，氨氮采用納氏試劑比色法測定，TSS和VSS采用重量法測定。VFA和甲烷的分析采用氣相色譜法[8-9]，其中VFA以COD計，甲烷以標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積計�？偟鞍踪|(zhì)和總糖的分析分別以牛血清蛋白和葡萄糖作為標(biāo)準(zhǔn)物，以COD計[10]。溶解性總蛋白質(zhì)和溶解性總糖過濾后測定。

　　2結(jié)果與討論

　　2.1CaO2對SCOD的影響

　　SCOD的變化能夠反映水解程度的大小。圖1為不同CaO2投加量下SCOD的變化。CaO2投加量為0g/g時，SCOD隨反應(yīng)時間的延長而緩慢增長。在相同反應(yīng)時間條件下，SCOD隨CaO2投加量的增加而急速上升，反應(yīng)時間為3d時SCOD出現(xiàn)最大值，而后趨于穩(wěn)定，故而圖1中只給出了0～8d的數(shù)據(jù)。

　　由此可見，CaO2能夠強化污泥的水解過程，使得消化液中SCOD的含量增加，反應(yīng)時間為3d時水解達(dá)到平衡。

圖1CaO2對SCOD的影響

　　2.2CaO2對VSS的影響

　　VSS的削減率也能反映污泥的水解情況。圖2為反應(yīng)時間10d時，不同CaO2投加量下VSS的削減率。由圖2可知，CaO2投加量越大，VSS削減率越大，與SCOD的變化趨勢一致，進(jìn)一步說明CaO2能夠強化污泥的水解過程。

圖2CaO2對VSS削減率的影響

　　CaO2能夠使污泥減量，一方面是因為CaO2能夠產(chǎn)生Ca(OH)2，形成堿性環(huán)境，有利于EPS和細(xì)胞壁的破解；另一方面是因為CaO2能產(chǎn)生強氧化性物質(zhì)H2O2，能夠加速細(xì)胞的破解和有機物的分解。

　　2.3CaO2對溶解性總蛋白質(zhì)和溶解性總糖的影響

　　污泥中固有的蛋白質(zhì)和糖類化合物一般以顆粒態(tài)存在，只有溶解性蛋白質(zhì)和和溶解性糖才能被厭氧微生物所利用。表1為不同CaO2投加量下溶解性總蛋白質(zhì)和溶解性總糖的變化。由表1可知，CaO2投加量為0g/g時，溶解性總蛋白質(zhì)和溶解性總糖的含量隨反應(yīng)時間的延長而呈現(xiàn)上升趨勢，這和SCOD的變化也相吻合。

　　然而，當(dāng)有CaO2投加后，溶解性總蛋白質(zhì)和溶解性總糖都呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，且在反應(yīng)時間為3d時出現(xiàn)最大值，這說明CaO2能夠促進(jìn)溶解性蛋白質(zhì)和溶解性糖的生成，反應(yīng)時間為3d時生成量最大。CaO2作用下溶解性蛋白質(zhì)和溶解性糖在前3d迅速升高的主要原因是CaO2使污泥大量水解，顆態(tài)有機物被分解成溶解性有機物；3d后溶解性蛋白質(zhì)和溶解性糖下降主要原因是被合成了VFA。

　　2.4CaO2對VFA的影響

　　VFA是厭氧消化過程中的重要產(chǎn)物，可以用作碳源以解決生活污水處理廠進(jìn)水碳源不足的問題。圖3為不同CaO2投加量對VFA積累量的影響。由圖3可知，當(dāng)CaO2投加量為0.1、0.2g/g時，VFA積累量隨CaO2投加量增大而增大。CaO2投加量為0.2g/g時，VFA最大積累量為253.6mg/g；當(dāng)CaO2投加量為0.3、0.4g/g時，VFA積累量明顯低于CaO2投加量為0.1、0.2g/g時。

　　當(dāng)CaO2投加量為0.4g/g時，VFA積累量甚至低于CaO2投加量為0g/g時。由此可以得出，適量的CaO2投加量可以強化污泥的酸化過程，但過高CaO2投加量會抑制VFA的積累。這是因為過量的CaO2容易導(dǎo)致消化液呈強堿性使產(chǎn)酸微生物活性降低。

表1CaO2對溶解性總蛋白質(zhì)和溶解性總糖的影響

　　VFA的組成對其后續(xù)利用至關(guān)重要，消化液中乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高有助于生物脫氮，而消化液中丙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高有助于生物除磷[11]。CaO2投加量對VFA組成的影響見圖4。由圖4可知，不同CaO2投加量下，都是乙酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大，丙酸其次，因此CaO2對VFA組成的影響不大。

　　2.5CaO2對甲烷產(chǎn)量的影響

　　甲烷化是厭氧消化的最后一步反應(yīng)，在這一過程中，產(chǎn)甲烷菌利用前面酸化產(chǎn)生的VFA生成能源物質(zhì)甲烷，CaO2投加量對甲烷產(chǎn)量的影響見圖5。由圖5可知，CaO2的存在會嚴(yán)重抑制甲烷產(chǎn)量，且隨CaO2投加量增加而抑制程度加劇。

　　這是因為CaO2形成的堿性環(huán)境不適合產(chǎn)甲烷菌(其最適pH為7.0)的生長，H2O2作為一種強氧化性物質(zhì)也會抑制產(chǎn)甲烷菌的活性。

　　3結(jié)論

　　適量的CaO2能夠促進(jìn)污泥的水解和酸化過程，使得VFA大量積累。當(dāng)CaO2投加量為0.2g/g時，VFA的最大積累量為253.6mg/g。但CaO2對VFA的組成影響不大，不同CaO2投加量下，VFA的最主要成分都是乙酸和丙酸。CaO2的存在對產(chǎn)甲烷菌有嚴(yán)重的抑制作用，從而影響甲烷產(chǎn)量。