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中國給水排水2024年城鎮(zhèn)污泥處理處置技術(shù)與應用高級研討會(第十五屆)邀請函 (同期召開固廢滲濾液大會、工業(yè)污泥大會、高濃度難降解工業(yè)廢水處理大會)
 
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唐建國 | 城鎮(zhèn)污水處理廠污泥穩(wěn)定化處理產(chǎn)物轉(zhuǎn)化機理及可利用價值揭示 作者:梅曉潔、唐建國、張悅

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核心提示:唐建國 | 城鎮(zhèn)污水處理廠污泥穩(wěn)定化處理產(chǎn)物轉(zhuǎn)化機理及可利用價值揭示 作者:梅曉潔、唐建國、張悅
中國給水排水2024年城鎮(zhèn)污泥處理處置技術(shù)與應用高級研討會(第十五屆)邀請函 (同期召開固廢滲濾液大會、工業(yè)污泥大會、高濃度難降解工業(yè)廢水處理大會)

中國給水排水2024年城鎮(zhèn)污泥處理處置技術(shù)與應用高級研討會(第十五屆)邀請函 (同期召開固廢滲濾液大會、工業(yè)污泥大會、高濃度難降解工業(yè)廢水處理大會)
 
唐建國 | 城鎮(zhèn)污水處理廠污泥穩(wěn)定化處理產(chǎn)物轉(zhuǎn)化機理及可利用價值揭示
   來源:污泥研究所       作者:梅曉潔、唐建國、張悅      

前言
城鎮(zhèn)污水處理廠污泥穩(wěn)定化處理產(chǎn)物的土地利用的處置方式是解決污泥處理產(chǎn)物出路最重要和最主要的形式,是實現(xiàn)污泥處理產(chǎn)物有機質(zhì)循環(huán)利用最重要的途徑。“處置決定處理,處理必須滿足處置要求”,要保證處理產(chǎn)物滿足土地利用的要求,以厭氧消化、好氧發(fā)酵為代表的穩(wěn)定化處理是最匹配和最核心的處理手段,也是國內(nèi)外污泥處理工程廣泛應用的工藝。

 

包括德國工業(yè)標準(DIN4045)在內(nèi)的多個文獻對污泥穩(wěn)定化處理給出了一致定義,即經(jīng)穩(wěn)定化處理后,污泥中的固體物質(zhì)、產(chǎn)生氣味的物質(zhì)和病原菌得到減少;其內(nèi)涵是處理后的產(chǎn)物不再腐敗發(fā)臭,不腐敗發(fā)臭的根本原因在于微生物對穩(wěn)定化處理后產(chǎn)物的分解作用是緩慢的。已有研究表明,厭氧消化后的沼渣和好氧發(fā)酵產(chǎn)物富含生物腐殖酸,其主要成分為水溶性小分子的富里酸和非水溶性大分子的胡敏酸,這類物質(zhì)也被證實是微生物作用緩慢的物質(zhì)。這類物質(zhì)在自然生態(tài)系統(tǒng)中是重要的有機碳源,對土壤保水保肥、農(nóng)林作物增產(chǎn)有重要意義。厭氧消化和好氧發(fā)酵(包括產(chǎn)物陳化)不僅是簡單有機物的降解過程,也是這些穩(wěn)定化物質(zhì)的合成過程。這一穩(wěn)定化過程同時也實現(xiàn)了對產(chǎn)物的滅菌消毒,滿足園林綠化等土地利用方式的基本要求并具有改良土壤的作用,故稱之為“有機炭土”或“生物炭土”。行業(yè)內(nèi)也逐步認識到穩(wěn)定化處理的重要意義和產(chǎn)物重要價值。

 

但是穩(wěn)定化處理產(chǎn)物中的生物腐殖酸是如何形成的,穩(wěn)定化又是如何衡量的,其產(chǎn)物價值又是如何體現(xiàn)的,國內(nèi)尚無以實際工程為對象的研究;谏鲜鰡栴},本研究以國內(nèi)實際運行的十余座厭氧消化(包括高溫熱水解厭氧消化、與餐廚協(xié)同厭氧消化)和好氧發(fā)酵工程為對象,開展了污泥穩(wěn)定化處理過程的物質(zhì)轉(zhuǎn)化機理研究,成果揭示了處理產(chǎn)物的穩(wěn)定化特性和土地資源化利用價值,提出了與穩(wěn)定化產(chǎn)物性質(zhì)相一致的產(chǎn)物穩(wěn)定化水平判定方法,為我國污泥處理采用正確的方法和穩(wěn)定化產(chǎn)物的土地資源化利用提供了科學依據(jù)。

 

 


1材料與方法


 

1.1 污泥采樣點

 

本試驗的污泥樣本來自于全國16座污水處理廠的污泥處理工程,其中,9座采用厭氧消化處理工藝,記為A1~A9,7座采用好氧發(fā)酵處理工藝,記為B1~B7;兩種污泥處理工藝流程及采樣點分布如圖1所示。

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1.2 樣品預處理與分析方法

 

1.2.1 樣品的預處理

 

各廠各采樣點的樣品先經(jīng)冷凍干燥(-56 ℃,50 Pa)24 h以上,至含水率低于5%,取冷干樣品研磨,過80目(0.2 mm)篩網(wǎng),棄去篩上物(主要為污泥中的雜質(zhì)或殘余輔料),篩下物收集,依次放入密封袋中并編號,避光干燥保存。

 

1.2.2 有機質(zhì)的測定

 

腐殖酸和蛋白質(zhì)的提取與測定:采用焦磷酸鈉堿溶酸析法提取腐殖酸,具體步驟為:稱取0.5g冷干的污泥粉末,置于250mL具塞錐形瓶中,加入100mL焦磷酸鈉與氫氧化鈉混合提取劑(0.1 mol/L Na4P2O7和0.1 mol/L NaOH),室溫下浸提14 h,浸提液為腐殖酸與蛋白質(zhì)的混合液;量取50 mL浸提液,通過酸堿調(diào)節(jié)(用2 M H2SO4調(diào)浸提液pH<3,80 ℃水浴30 min,此時有沉淀析出,室溫下靜置12 h,沉淀用0.45 μm濾膜過濾,濾液為富里酸,濾紙上的沉淀再用0.1 M NaOH重新溶解為胡敏酸),分離出富里酸和胡敏酸,并分別定容至100 mL,最后采用修正后的lowry法測定腐殖酸和蛋白質(zhì)的濃度。

 

多糖的提取與測定:稱取0.1 g冷干污泥粉末,置于10 mL哈希比色管中,加入5 mL 2.5 M HCl,旋緊瓶蓋,置于哈希消解儀中,100 ℃下消解3 h,冷卻至室溫,加固體碳酸鈉中和液體(約0.6 g),直到泡騰停止;用蒸餾水定容至50 mL,過0.45 μm濾膜,采用蒽酮-硫酸法測定濾液中的多糖濃度。

 

1.2.3 三維熒光光譜的測定與分析

 

蛋白質(zhì)類和腐殖酸類物質(zhì)是具有熒光特性的有機物,三維熒光(3D-EEM)圖譜能定性或半定量地分析這兩類物質(zhì)的相對含量,從而將蛋白質(zhì)的減量和腐殖酸的增量耦合起來。三維熒光圖譜采用三維熒光光譜儀(FluoroMax-4,Horiba,日本)測定。光譜數(shù)據(jù)使用Origin 8.5軟件進行繪圖,并使用ImageJ軟件(https://imagej.nih.gov/ij/)對光譜圖進行半定量分析。以牛血清蛋白、富里酸和胡敏酸標準物質(zhì)的熒光圖譜作為參照,分析樣品出峰位置所代表的熒光物質(zhì)。

 

對3D-EEM光譜的定性分析通過熒光區(qū)域整合法(Fluorescence Regionalization Integration,F(xiàn)RI)進行。早期有學者將熒光光譜分為5個區(qū);后續(xù)有研究者將熒光光譜進一步劃分為七類熒光區(qū)。在本研究中,參照七類熒光分區(qū)法,將三維熒光圖譜進一步歸類為2個區(qū):復雜有機物區(qū)和簡單有機物區(qū);復雜有機物區(qū)包括類富里酸、類胡敏酸以及腐殖化中間產(chǎn)物,簡單有機物區(qū)包括類蛋白質(zhì)以及蛋白質(zhì)中間代謝產(chǎn)物。

 

參考Muller等的方法,在FRI法的基礎(chǔ)上,借助Origin和ImageJ軟件對光譜圖進行半定量分析。首先,將得到的彩色光譜圖轉(zhuǎn)化為黑白圖,再利用ImageJ軟件讀取各區(qū)域的面積和熒光信號強度。根據(jù)式(1)計算各區(qū)域的熒光值:

 

Vf(i)=VimageJ(i)×∑2i=1S(i)S(i)(1)

 

式中S(i)——區(qū)域面積;

       VimageJ(i)——區(qū)域內(nèi)熒光信號強度。

 

根據(jù)式(2)計算出的值稱為熒光復雜指數(shù)(Complexity Index, CI),即類腐殖酸與類蛋白熒光值的比值。

CI=Vf(2)Vf(1)(2)

CI指數(shù)反映了復雜有機物與簡單有機物含量的比值,一定程度上反映了物料中易生物降解組分(蛋白質(zhì)類物質(zhì))的減少和復雜、穩(wěn)定組分(腐殖質(zhì)類物質(zhì))的增加。該指數(shù)越大,說明簡單有機物降解越徹底,有機物腐殖化程度越高,也說明樣品的化學性質(zhì)越穩(wěn)定。

 

 


2厭氧消化處理產(chǎn)物特征及轉(zhuǎn)化機理研究


 

2.1 厭氧消化處理產(chǎn)物特征分析

 

9座厭氧消化廠的進泥泥質(zhì)及穩(wěn)定化處理產(chǎn)物(消化沼渣)的性質(zhì)見表1。由表1可知,9座廠以蛋白質(zhì)和多糖為代表的有機物降解率排序為A4>A6>A5>A7>A8>A2>A9>A1>A3,其中A4~A8為高溫熱水解-厭氧消化處理工藝,其有機物降解率普遍高于傳統(tǒng)工藝,說明高溫熱水解在提高厭氧消化效率上具有重要意義。根據(jù)我國現(xiàn)行《室外排水設(shè)計規(guī)范》(GB 50014—2006,2016年版)中關(guān)于污泥穩(wěn)定化控制的相關(guān)標準,厭氧消化的有機物降解率需達到40%以上。在9座廠中,僅A4~A6達到這一要求。觀察發(fā)現(xiàn),這3座廠的進泥有機物含量均高于60%,可見有機物降解率與進泥泥質(zhì)密切相關(guān);進泥有機物含量越高,有機物降解率也越高。但在我國南方地區(qū),有些廠的進泥有機物含量尚不足50%,如A1、A7和A9,實現(xiàn)40%的有機物降解率就比較困難,即使采用高溫熱水解預處理(如A7),有機物降解率的提升效果也十分有限。數(shù)據(jù)分析還發(fā)現(xiàn),蛋白質(zhì)的減量與工藝有關(guān),高溫熱水解-厭氧消化處理工藝的蛋白質(zhì)減量明顯高于傳統(tǒng)工藝,這也佐證了高溫熱水解的重要作用;但是多糖的減量相對不明顯(如A9),采用與餐廚廢棄物協(xié)同厭氧消化,產(chǎn)物中的多糖含量反而增加。所以受厭氧消化工藝和進泥泥質(zhì)的差異,采用污泥有機物降解率作為穩(wěn)定化的指標就值得商榷了。

 

從表1還發(fā)現(xiàn),厭氧消化不僅是有機物(蛋白質(zhì)、多糖等)的降解過程,同時也是物質(zhì)的合成過程(腐熟或腐殖化)。經(jīng)厭氧消化處理后,腐殖酸的含量(富里酸與胡敏酸的總和)都有不同程度的增加,除A9外,其余各廠的產(chǎn)物中腐殖酸的含量均有不同程度的提高,提升幅度為24~117 mg/gVS。而A9,因其協(xié)同餐廚廢棄物處理,餐廚廢棄物占比50%,在有限的消化時間(20 d)內(nèi),有機物降解地尚不夠徹底,產(chǎn)物中仍有98.1 mg/gVS的蛋白質(zhì)和86.5 mg/gVS的多糖。而腐殖酸的合成原料來源于有機物降解的中間產(chǎn)物,可見腐殖酸的合成與有機物的降解是相輔相成的。

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2.2 產(chǎn)物轉(zhuǎn)化機理解析

 

為闡述厭氧消化過程有機物向有機質(zhì)的轉(zhuǎn)化機理,以A4為例,其采用高溫熱水解-中溫兩級厭氧消化-板框脫水處理工藝,污水處理規(guī)模100萬m3/d。圖2為各采樣點物料中蛋白質(zhì)、多糖和腐殖酸含量的變化規(guī)律。分析可知,污泥經(jīng)過熱水解和厭氧消化后,蛋白質(zhì)從136.3 mg/gVS減少到70.3 mg/gVS,減量64.6%;多糖從62.3 mg/gVS減少到40.4 mg/gVS,減量55.5%,這體現(xiàn)了污泥中有機物的降解。但是,腐殖酸總量從140.6 mg/gVS增加到253.6 mg/gVS,增量23.8%,這體現(xiàn)了厭氧消化過程中,簡單有機物向復雜有機質(zhì)的轉(zhuǎn)化。經(jīng)過板框脫水(藥劑調(diào)理)后,消化產(chǎn)物中的有機物含量略有降低,其中,腐殖酸含量由253.6 mg/gVS降至176.5 mg/gVS。試驗也分析了脫水濾液(取樣點e)中有機物的含量,檢測出濾液中含有139.2 mg/L的多糖和911.0 mg/L的腐殖酸,結(jié)合水質(zhì)水量計算可知,脫水濾液中的腐殖酸占消化出泥腐殖酸總量的14.2%,可見,板框脫水帶走了沼渣中的水溶性腐殖酸;加之脫水濾液含有大量的腐殖酸和無機氮(氨氮),證明脫水濾液也具有作為液態(tài)營養(yǎng)液的再利用價值,為厭氧消化沼液的處理及再利用提供了思路。

 

利用三維熒光圖譜可以定性或半定量地分析蛋白質(zhì)類和腐殖酸類物質(zhì)的相對量,圖3為A4在厭氧消化過程各采樣點的三維熒光圖譜及熒光復雜指數(shù)分析。與標準物質(zhì)的光譜圖比對可知,峰A(Ex/Em=335/400)介于牛血清蛋白和富里酸標準物質(zhì)熒光峰的中間位置,在厭氧消化后消失,其代表一類具有熒光特性的蛋白質(zhì)類物質(zhì);峰B1(Ex/Em=385/(470~475)在富里酸標準物質(zhì)的位置出峰,其代表富里酸類物質(zhì);峰B2(Ex/Em=425/490)介于富里酸和胡敏酸熒光峰的中間位置,在厭氧消化后出現(xiàn),代表富里酸向胡敏酸轉(zhuǎn)化的中間產(chǎn)物;峰C(Ex/Em=475/540)在胡敏酸標準物質(zhì)的位置出峰,代表胡敏酸類物質(zhì)。

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在明晰了各類熒光峰所代表的物質(zhì)之后,結(jié)合圖3可知:

 

(1)在進泥和熱水解出泥中,樣品中的熒光物質(zhì)主要為蛋白質(zhì)類和富里酸類物質(zhì),熱水解后富里酸熒光峰(B1)增強,說明熱水解也是富里酸的合成過程。

 

(2)在消化出泥和脫水沼渣中,類蛋白熒光峰(峰A)消失,類富里酸熒光峰發(fā)生偏移(峰B1→峰B2),同時出現(xiàn)類胡敏酸熒光峰(峰C),說明在厭氧消化過程,類蛋白物質(zhì)被降解,類富里酸物質(zhì)逐漸轉(zhuǎn)化、聚合成類相對分子質(zhì)量更大、更復雜和更穩(wěn)定的胡敏酸物質(zhì);結(jié)合前述化學分析,再次證實了厭氧消化過程不僅是簡單有機物(蛋白質(zhì))降解的過程,也是復雜、穩(wěn)定的大分子有機物(胡敏酸)合成的過程。

 

(3)在脫水濾液中,熒光物質(zhì)(峰B3)主要為腐殖化中間產(chǎn)物。

 

熒光復雜指數(shù)可表征物料中類蛋白物質(zhì)和類腐殖酸物質(zhì)的相對含量,將蛋白質(zhì)的減量和腐殖酸的增量耦合在一起。從表1計算結(jié)果來看,采用熱水解的廠蛋白質(zhì)降解較徹底,產(chǎn)物中蛋白質(zhì)含量低于100 mg/gVS、腐殖酸含量高于150 mg/gVS(增量大于60 mg/gVS),如A4~A6和A8,CI指數(shù)均在5.0以上;而未采用熱水解的廠蛋白質(zhì)降解不徹底,腐殖酸增量不明顯(增量20~50 mg/gVS),如A1~A3,產(chǎn)物的CI指數(shù)增幅也不大;餐廚廢棄物協(xié)同處理,但未采用熱水解則蛋白質(zhì)降解不徹底,腐殖酸無增量(如A9),CI指數(shù)幾乎不變。此外,值得注意的是,A7雖然采用了熱水解工藝,腐殖酸也增量了33 mg/gVS,但產(chǎn)物的CI指數(shù)仍很低(CI=1.0),分析發(fā)現(xiàn),A7的進泥有機物含量在所有廠中最低,僅為40.3%。由此可見,用厭氧消化工藝處理有機物含量低的市政污泥,處理效率較低,穩(wěn)定化程度有限。

 

為分析厭氧消化過程CI指數(shù)的變化規(guī)律,以A4為例,測定各采樣點的CI指數(shù)繪于圖3f。分析可知,熱水解前后,CI指數(shù)變化不大;厭氧消化后,CI指數(shù)顯著增加(CI=7.45),板框脫水后,液態(tài)腐殖酸隨脫水液帶走,CI指數(shù)降至5.36。這與化學分析和熒光分析結(jié)果相吻合,也進一步證實了CI指數(shù)受物料中蛋白質(zhì)含量和腐殖酸含量的雙重影響,將物質(zhì)的降解與合成耦合在一起,可作為厭氧消化穩(wěn)定化程度的判定標準之一。

 

 


3好氧發(fā)酵處理產(chǎn)物特征及轉(zhuǎn)化機理研究


 

3.1 好氧發(fā)酵處理產(chǎn)物特征分析

 

7座好氧發(fā)酵廠的進泥泥質(zhì)和最終發(fā)酵產(chǎn)物的性質(zhì)見表2。由表2可知,各廠的有機物降解率差異較大,這主要是由于好氧發(fā)酵過程加入大量輔料,如蘑菇渣、稻殼、木屑等,造成發(fā)酵產(chǎn)物的有機物含量高于進泥,也說明采用有機物降解率≥50%來衡量好氧發(fā)酵產(chǎn)物的穩(wěn)定化是不合適的。從蛋白質(zhì)的減量來看,好氧發(fā)酵過程蛋白質(zhì)的減量明顯高于厭氧消化,且產(chǎn)物中蛋白質(zhì)的殘余量也更低,產(chǎn)物中的蛋白質(zhì)含量均低于50 mg/gVS;再看多糖的降解,由于輔料的主要成分是多糖(纖維素類物質(zhì)),所以產(chǎn)物中多糖的減量不明顯,甚至比進泥還高,這也是好氧發(fā)酵有機物降解率存在缺陷的根本原因所在。同樣的,試驗結(jié)果顯示好氧發(fā)酵同樣作為穩(wěn)定化方式,不僅是有機物的降解過程,也是有機質(zhì)的合成過程。除廠B2和B3外,好氧發(fā)酵后腐殖酸均有顯著增加,且產(chǎn)物中的腐殖酸含量均高于200 mg/gVS。而廠B2和B3,因進泥有機物含量較低,低于40%,且添加了大量輔料以維持一定的碳氮比,發(fā)酵過程輔料釋放有機物(以多糖的形式),導致發(fā)酵產(chǎn)物的有機物含量高于進泥,腐殖酸的相對含量也下降了。

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3.2 產(chǎn)物轉(zhuǎn)化機理解析

 

為分析好氧發(fā)酵產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化機理,以廠B4為例,其污泥處理工藝規(guī)模600t/d,采用蘑菇渣作輔料,混合比例為回料∶原泥∶輔料=2∶1∶0.2,一次倉發(fā)酵14d,二次倉發(fā)酵20d,共計34d(冬季),部分發(fā)酵產(chǎn)物再陳化1個月。表3為各采樣點物料中蛋白質(zhì)、多糖和腐殖酸含量的變化。分析可知,發(fā)酵過程蛋白質(zhì)減量顯著,多糖減量明顯但不徹底,陳化產(chǎn)物中仍含有64.5 mg/gVS的多糖,這主要是由于輔料(蘑菇渣)的加入,引入的多糖(以纖維素為主)所致。從腐殖酸總量上來看,經(jīng)過發(fā)酵和陳化后,腐殖酸增量28.0%。從腐殖酸組分上來看,原泥中的腐殖酸以富里酸為主(125.5 mg/gVS),經(jīng)過與輔料和回料的調(diào)理后,混料的腐殖酸總量增加,這主要是輔料和回料中腐殖酸的貢獻。經(jīng)過一次發(fā)酵,蛋白質(zhì)含量顯著下降,富里酸含量顯著增加,說明這一階段是蛋白質(zhì)的降解過程,也是富里酸的合成過程;經(jīng)過二次發(fā)酵,蛋白質(zhì)有略微地下降,富里酸幾乎無增長,胡敏酸開始累積,說明二次發(fā)酵階段是富里酸向胡敏酸的轉(zhuǎn)化過程,即腐殖化過程;在后續(xù)長時間的陳化過程,胡敏酸大量累積,也證明好氧發(fā)酵需要足夠長的時間來保證發(fā)酵效果。胡敏酸作為非水溶性的大分子腐殖酸,比富里酸的化學穩(wěn)定性更好,在土壤中不易擴散和遷移,對土壤的保水保肥具有重要意義。

 

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同樣,采用熒光光譜法分析廠B4在好氧發(fā)酵過程物質(zhì)的降解與合成機理,測定得到的光譜圖見圖4。

 

 

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與標準物質(zhì)的圖譜比對可得各熒光峰所代表的物質(zhì),并結(jié)合化學分析可知:

 

(1)污泥經(jīng)過一次發(fā)酵后,類蛋白熒光峰(峰A)消失,腐殖化中間產(chǎn)物的熒光峰發(fā)生偏移(B1→B2),說明在一次發(fā)酵過程,類蛋白物質(zhì)被降解,并轉(zhuǎn)化為腐殖化中間產(chǎn)物(富里酸)。

 

(2)二次發(fā)酵后,富里酸(峰B2)含量減少,胡敏酸(峰C)含量增加,說明二次發(fā)酵是有機物腐殖化的過程,但產(chǎn)物中仍有大量中間產(chǎn)物(峰B2),說明

在有限的發(fā)酵時間內(nèi),腐殖化程度尚不完全。

 

(3)在陳化過程,胡敏酸含量顯著增加,可見陳化過程促進了富里酸向胡敏酸的轉(zhuǎn)化,促進了有機物的腐殖化。經(jīng)過長時間的陳化后,僅剩下類胡敏酸熒光峰(見圖4e),說明好氧發(fā)酵產(chǎn)物經(jīng)過一段時間的陳化,對進一步加強腐殖化過程是非常有必要的。

 

從各個廠的CI指數(shù)來看(見表2),除廠B2和B3外,其余各廠的CI指數(shù)均在5.0以上。由于多糖不具有熒光特性,而CI指數(shù)耦合了蛋白質(zhì)和腐殖酸的相對含量,因此該指數(shù)的使用可避免外加碳源而導致降解率不準確的問題,從而準確、有效地判斷發(fā)酵產(chǎn)物的穩(wěn)定化水平。

 

為分析好氧發(fā)酵過程CI指數(shù)的變化規(guī)律,以廠B4為例,測定各采樣點的CI指數(shù)如圖4f。分析可知,經(jīng)過兩次發(fā)酵后,CI指數(shù)顯著增加(CI=10.6),陳化后,CI指數(shù)激增至69.3。由此可見,無論是厭氧消化,還是好氧發(fā)酵,這一指數(shù)綜合反映了物質(zhì)的降解與合成,可用于污泥處理產(chǎn)物穩(wěn)定化程度的判定。

 


4污泥穩(wěn)定化過程物質(zhì)轉(zhuǎn)化機理揭示


 

總結(jié)厭氧消化和好氧發(fā)酵過程物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程,引用土壤學普遍認同的腐殖酸多酚合成理論來解釋污泥穩(wěn)定化過程有機質(zhì)合成的過程機理,用傳統(tǒng)的厭氧兩階段理論和好氧三羧酸循環(huán)理論解釋有機物的降解過程。如圖5所示,在一定的條件下(有氧、無氧、適宜溫度等),污泥中的有機物(游離的碳水化合物)以及細菌細胞裂解釋放到胞外的有機物(蛋白質(zhì)、多糖等)在微生物和氧化酶的作用下,一部分有機物經(jīng)過好氧的三羧酸循環(huán)或厭氧的兩階段(水解酸化和產(chǎn)甲烷),逐步分解為小分子有機物(丙酮酸、氨基酸等),再進一步轉(zhuǎn)化為CO2、H2O、NH3(或NH+4)、CH4等無機小分子物質(zhì);另一部分有機物先轉(zhuǎn)化為小分子有機物,如多酚、醌類(丙酮酸的前驅(qū)物)、氨基化合物等,再在微生物和酶的作用下,與含氮化合物聚合成富里酸,這一過程主要發(fā)生在厭氧消化的熱水解階段和好氧發(fā)酵的一次發(fā)酵階段;接著,生成的富里酸進一步聚合,并逐步生成胡敏酸,胡敏酸進一步聚合形成腐黑物;這一過程主要發(fā)生在厭氧消化的消化階段和好氧發(fā)酵的二次發(fā)酵和陳化階段。至此,完成了有機物的降解與腐殖酸類物質(zhì)的合成。其中,有機物的降解過程相對較快,腐殖酸的合成過程相對緩慢,特別是經(jīng)過長時間的陳化過程,胡敏酸和腐黑物才緩慢形成。

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5產(chǎn)物可利用價值的揭示


 

污泥穩(wěn)定化產(chǎn)物(目前廣泛稱之為有機炭土、生物炭土)因富含有機質(zhì)、腐殖酸、微量營養(yǎng)元素、多種氨基酸和酶類等,被認為有重要的土地利用潛力。其中,腐殖酸是一種富含多種活性含氧官能團的大分子有機物,是土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定劑、改良劑、重金屬的固定劑、微量元素的溶解劑和植物養(yǎng)料的“倉庫”。其膠體性能能改善土壤的團粒結(jié)構(gòu),使土壤吸水量增大,透氣性增強,孔隙度和持水量增加,有助于提高土壤的保水、保肥能力。同時,腐殖酸還含有多種活性含氧官能團,鹽基交換容量大,能夠吸附土壤中的可溶性鹽,阻礙有害陽離子進入植物體內(nèi),降低土壤鹽濃度和酸堿度,起到改良鹽堿土壤的作用。腐殖酸的活性官能團也能與重金屬離子、放射性核素以及芳香化合物等物質(zhì)發(fā)生吸附、離子交換、氧化還原、絡合鰲合等各種物理化學反應,對轉(zhuǎn)化和降解污染物、凈化土壤環(huán)境起重要作用。腐殖酸還能與中、微量元素發(fā)生螯合反應,生成溶解性好、可被植物吸收和利用的螯合物,從而有利于植物對其吸收和利用。此外,腐殖酸能激活土壤酶從而加速微生物的生長,加快有機氮的礦化速度,減少氮的流失;其活性含氧官能團可促使天然磷礦石的分解,增加可溶性磷,活化土壤中的難溶性磷,也能夠吸收和儲存鉀離子,防止鉀離子在沙土及淋溶性強的土壤中隨水流失。

 

腐殖酸按其在環(huán)境中的形態(tài)又分為富里酸和胡敏酸,富里酸是一類水溶性的小分子腐殖酸,胡敏酸是一類非水溶性的大分子腐殖酸,富里酸在土壤中有較好的擴散性和滲透性,可被植物直接吸收利用,而胡敏酸化學結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定,因其是非水溶性有機質(zhì),在土壤中的遷移性較差,也不能被植物直接吸收利用,但在固定、儲存營養(yǎng)元素、改善土壤肥力等方面發(fā)揮著重要功能。另一方面,在全球碳循環(huán)中,腐殖酸是動植物、微生物殘體回歸自然生態(tài)系統(tǒng)的中間介質(zhì),是能量交換的載體,也是化石能源(煤、石油、天然氣)形成的前驅(qū)物。污泥穩(wěn)定化過程是模仿自然過程,用工程化手段實現(xiàn)了微生物殘體、有機物向腐殖酸的轉(zhuǎn)化,促進了腐殖酸在地球化學中的碳循環(huán)。污泥穩(wěn)定化產(chǎn)物的土地利用,不僅是有益物質(zhì)再利用如此簡單的意義,更多的還在于對全球資源能源的可持續(xù)發(fā)展以及地球生物化學物質(zhì)循環(huán)的重要意義。

 


6結(jié)論


 

本文以全國16座污泥處理工程實際數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),研究了厭氧消化和好氧發(fā)酵過程物質(zhì)的轉(zhuǎn)化機理,揭示和評價了產(chǎn)物的資源化利用潛力和價值。歸納總結(jié)如下:

 

(1)污泥的穩(wěn)定化處理過程(厭氧消化、好氧發(fā)酵)不僅是簡單有機物(蛋白質(zhì)、多糖等)降解的過程,也是復雜、穩(wěn)定的大分子有機質(zhì)(富里酸、胡敏酸等)合成的過程。穩(wěn)定化產(chǎn)物的價值不僅在于其富含氮磷等營養(yǎng)元素,更大的意義在于穩(wěn)定化過程形成的富里酸和胡敏酸,這類物質(zhì)對土壤保水保肥、改善土壤結(jié)構(gòu)、減少重金屬的環(huán)境影響、凈化土壤起著重要作用,也是微生物殘體回歸自然生態(tài)系統(tǒng)的中間介質(zhì),是化石能源形成的前驅(qū)物。腐殖酸化學結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定,微生物對其作用緩慢,所以不易腐敗發(fā)臭,是環(huán)境中可長期存在的有機質(zhì)。

 

(2)我國采用有機物降解率來評價穩(wěn)定化程度,存在一定的缺陷;腐殖酸的合成不僅體現(xiàn)了產(chǎn)物的有益價值,也證實了可用于污泥穩(wěn)定化程度的評價;因此,將物質(zhì)的合成與降解結(jié)合起來,是準確評價污泥穩(wěn)定化處理效果的真正內(nèi)涵。本文提出用腐殖酸總量和熒光復雜指數(shù)來判斷污泥處理產(chǎn)物的穩(wěn)定化程度。其中,熒光復雜指數(shù)反映了物料中易生物降解組分(蛋白質(zhì)類物質(zhì))的減少和復雜、穩(wěn)定組分(腐殖質(zhì)類物質(zhì))的增加。該指數(shù)越大,說明簡單有機物降解地越徹底,腐殖化程度越高。該指數(shù)綜合了物質(zhì)的合成與降解,適用范圍廣(不同工藝的厭氧消化和好氧發(fā)酵),且能有效避免進泥泥質(zhì)差異對穩(wěn)定化程度判斷的影響。

 

(3)本文在研究厭氧消化、好氧發(fā)酵物質(zhì)轉(zhuǎn)化機理的基礎(chǔ)上,揭示了其穩(wěn)定化處理產(chǎn)物的構(gòu)成、在土壤中的作用發(fā)揮方式、對土壤改良和植物生長的積極意義,相關(guān)研究為我國污泥處理產(chǎn)物的土地資源化利用提供重要的科學依據(jù),具有重要的科學意義和工程使用價值。


 

 
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BEST論壇講座報告第十三期(cnwww1985):全球碳預算和未來全球碳循環(huán)的不穩(wěn)定性風險 The global carbon budget and risks of futur 國際水協(xié)IWA 3月17日直播:3月17日 國際水協(xié)IWA創(chuàng)新項目獎PIA獲獎項目介紹分享會 直播時間:2023年3月17日 9:00—11:30 2023-03-17 09:00:00 開始
中國給水排水直播:云中漫步-融合大數(shù)據(jù)、人工智能及云計算的威立雅智慧水務系統(tǒng)Hubgrade 直播時間:2023年3月15日 中國給水排水直播平臺會議通知 | 2023污泥處理處置技術(shù)與應用高峰論壇(清華大學王凱軍教授團隊等)
中國污水千人大會參觀項目之一: 云南合續(xù)環(huán)境科技股份有限公司  ?谑形鞅捞端|(zhì)凈化中心 中國給水排水 Water Insight直播:劉銳平  清華大學 環(huán)境學院 教授 博士生導師—高濃度硝酸鹽廢水反硝化脫氮過程強化原理與應用 會議時間:2023.1.7(周六)10:00—11:00
智慧水務的工程全生命周期實踐分享 直播時間:2023年1月6日 15:00-16:00 對話嘉賓:竇秋萍  華霖富水利環(huán)境技術(shù)咨詢(上海)有限公司  總經(jīng)理 主持人:李德橋   歐特克軟件(中國)有限 蘇伊士 直播時間:12月30日14:00-16:00直播題目:污泥處理處置的“因地制宜和因泥制宜” 主講人:程忠紅,蘇伊士亞洲  技術(shù)推廣經(jīng)理 特邀嘉賓:劉波 中國市政工程西南設(shè)計研究總院二院總工 教
蘇伊士 直播時間:12月27日14:00-16:00;復雜原水水質(zhì)下的飲用水解決方案    陳智,蘇伊士亞洲,技術(shù)推廣經(jīng)理,畢業(yè)于香港科技大學土木與環(huán)境工程系,熟悉市政及工業(yè)的給水及污水處理,對蘇伊士 曲久輝  中國工程院院士,美國國家工程院外籍院士,發(fā)展中國家科學院院士;清華大學環(huán)境學院特聘教授、博士生導師;中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心研究員
基于模擬仿真的污水處理廠數(shù)字化與智慧化:現(xiàn)狀與未來 直播時間:2022年12月28日(周三)9:30—12:00 2022城鎮(zhèn)溢流污染控制高峰論壇|聚焦雨季溢流污染控制的技術(shù)應用與推廣 中國給水排水
王愛杰 哈爾濱工業(yè)大學教授,國家杰青,長江學者,國家 領(lǐng)軍人才:廣州大學學術(shù)講座|低碳水質(zhì)凈化技術(shù)及實踐 直播時間:2022年12月18日 9:30 國際水協(xié)會哥本哈根世界水大會成果分享系列網(wǎng)絡會議 直播時間:2022年12月15日 20:00—22:00
德國專場直播主題:2022 中國沼氣學術(shù)年會暨中德沼氣合作論壇 2022 中國沼氣學術(shù)年會暨中德沼氣合作論壇德國專場 時間:2022年12月20日  下午 15:00—17:00(北京時間) 2022中國沼氣學會學術(shù)年會暨第十二屆中德沼氣合作論壇的主論壇將于12月15日下午2點召開
技術(shù)交流 | 德國污水處理廠 計算系列規(guī)程使用介紹 城建水業(yè) WaterInsight首期丨王志偉教授:膜法水處理技術(shù)面臨的機遇與挑戰(zhàn) 直播時間:2022年12月10日 10:00—11:00
處理工藝專場|水業(yè)大講堂之六——城市供水直飲安全和智慧提質(zhì) 直播時間:2022年12月8日 8:30—12:15 建設(shè)管理專場|水業(yè)大講堂之六——城市供水直飲安全和智慧提質(zhì) 直播時間:2022年12月7日 14:00—17:15
國際水協(xié)會哥本哈根世界水大會成果分享系列網(wǎng)絡會議 直播時間:2022年12月8日 20:00—22:00 Training Course for Advanced Research & Development of Constructed Wetland Wastewater Treatment Tech
12月3日|2022IWA中國漏損控制高峰論壇 直播時間:2022年12月3日(周六)9:00—17:00 2022-12-03 09:00:00 開始 國際水協(xié)會哥本哈根世界水大會成果分享系列網(wǎng)絡會議(第八期) 直播時間:2022年12月1日 20:00—22:00 2022-12-01 20:00:00 開始
中國給水排水直播:智慧輸配專場|水業(yè)大講堂之六——城市供水直飲安全和智慧提質(zhì) 直播時間:2022年11月30日 14:00—17:05 2022-11-30 14:00:00 開始 國際水協(xié)會哥本哈根世界水大會成果分享系列網(wǎng)絡會議(第七期) 直播時間:2022年11月25日 20:00—22:00 2022-11-25 20:00:00 開始
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