厌氧消化污泥生物沥浸法深度脱水效果及影响机制

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近年来我国城市化进程的加快和环境质量标准的提高使得污水处理量急剧增加,现行以活性污泥法为主的各种污水处理工艺导致污泥大量产生。为了使污泥稳定化并回收污泥中的生物质能,污泥厌氧消化在国际上被广泛应用。但污泥厌氧消化后采用常规机械脱水所获得的脱水污泥具有较高含水率(80%以上),严重制约污泥的后续处置或资源化,因此,对厌氧消化污泥进行深度脱水十分迫切。本课题组近20年来研发的微生物调理深度脱水技术—生物沥浸法,不仅能实现在不添加任何高分子絮凝剂的条件下实现污泥深度脱水的目标,而且还能去除重金属,消除恶臭和杀灭病原菌,污泥有益成分得到保全。然而已有的研究和工程实践都是针对在我国占绝大多数的未消化污泥,对厌氧消化污泥的研究极其有限。随着我国对污泥厌氧消化的重视和倡导,研究生物沥浸法对厌氧消化污泥的脱水效果并剖析其影响机理对寻找厌氧消化污泥深度脱水方法有重要意义。为此,本文以厌氧消化污泥作为研究对象,以未消化的初沉污泥、二沉污泥、浓缩污泥、以及好氧消化污泥作为参照,研究生物沥浸法对其深度脱水的效果,并深入探析影响生物沥浸法在厌氧消化污泥上应用的主要因素。研究结果表明:常规生物沥浸法能有效改善初沉污泥、二沉污泥和浓缩污泥的脱水性能,对好氧消化污泥也有较好效果,但不如浓缩污泥。而生物沥浸法对厌氧消化污泥脱水性不但没有改善而且造成恶化。观察发现,生物沥浸法中需要的曝气处理对厌氧消化污泥和其他类型污泥的影响有明显不同。初沉污泥、二沉污泥和浓缩污泥在曝气过程中污泥pH下降、脱水性改善,利用生物沥浸法进行深度脱水的进程加快,最佳脱水效果得到提升,而好氧消化污泥在生物沥浸处理中虽然pH下降最快,但脱水效果不如浓缩污泥。厌氧消化污泥在曝气过程中pH不降反升,导致后续生物沥浸很难实现其深度脱水,表现在厌氧消化污泥在曝气条件下pH上升至碱性、污泥比阻和毛细吸水时间分别上升到2.24×1014 m/kg和624 s。为探究厌氧消化污泥生物沥浸效果变差的原因,本文分别对厌氧污泥所特有的一些成分(主要为小分子有机酸和氨氮变化)进行了分析测试。检测发现,厌氧污泥中存在主要存在甲酸、乙酸和丙酸,但曝气24h以后,后两种小分子有机酸浓度非常少。虽然甲酸对两株生物沥浸硫杆菌(A.ferrooxidans和A.thiooxidans)的氧化活性均有较大抑制作用,例如,在8 mg DOC/L(30.7 mg/L)的浓度下对两株硫杆菌氧化活性的抑制率都在50%以上,在82mg DOC/L(314mg/L)的浓度下达到90%以上。但曝气处理后,甲酸浓度也在50%抑制率浓度范围以下。初步判断,有机酸不是厌氧污泥生物沥浸效果变差的主要原因。研究发现,在厌氧污泥中氨氮浓度大约是未消化污泥的3倍左右,但在该范围内,氨氮对两株生物沥浸硫杆菌(A.ferrooxidans和A.thiooxidans)的氧化活性并没有抑制作用,反而促进了对能源物质的氧化。在纯体系下,氨氮被两株硫杆菌作为氮源利用,进行了增殖,培养7d后有氨氮添加的处理中菌密度都高于初始值,而未添加氨氮的处理中菌密度降低。菌密度的增加导致了体系氧化活性的提升。显然,厌氧污泥中高氨氮也不是厌氧消化污泥生物沥浸效果不佳的限制因素。进一步发现,厌氧污泥生物沥浸后脱水性恶化主要因为在曝气过程中会产生大量胞外聚合物(EPS)。在曝气144 h内,厌氧消化污泥中slime EPS迅速从3.04 mg DOC/g VSS升高至8.19mg DOC/g VSS,增加2.7倍。快速升高的厌氧消化污泥slime EPS的主要成分是蛋白和多糖,这两种组分在曝气72 h内就分别升高了 2.41和3.02倍。经进一步证实,厌氧消化污泥在曝气过程中部分EPS来自于曝气过程中裂解释放的细胞内容物所。
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