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2.3 酸化发酵效果
2.3.1 酸化发酵性能
不同初始pH条件下膜混凝污泥的酸化发酵性能如图2所示,包括污泥的SCOD、PO43--P和pH随发酵时间的变化情况,以及发酵结束后反应器内的气体组分。
从图2(a)可以看出,对照组反应器R3中的SCOD在发酵过程中一直处于最低值,碱预处理反应器(R4~R7)中的SCOD均高于酸预处理反应器(R1、R2)。碱预处理反应器中的SCOD均在第1天达到最大值,分别为1610、3348、5641和10885mg/L,随后逐渐降低并趋于稳定。强化水解过程的持续作用是导致SCOD在第1天达到最大值的重要原因,随后微生物发酵作用逐步凸显出来,SCOD因转化为有机酸、CO2、CH4与H2等物质而出现降低。
2.3.2节会对发酵过程中有机酸产量和组成进行详细讨论,有机酸的产生以及发酵实验结束后检测到的气体组分[见图2(d)]证实了上述推测。酸化发酵过程中产生的有机酸会作为碱度对污泥的pH起到缓冲作用,因而会导致酸预处理反应器的pH升高和碱预处理反应器的pH降低[见图2(c)],逐渐适合发酵微生物的生长。然而,这种缓冲作用对反应器R1(pH=2)和R7(pH=12)的影响非常有限,在第5天时这两个反应器中依然保持强酸或强碱环境[见图2(c)],这会对微生物尤其是产甲烷古菌的代谢活性产生抑制。因此,与其他反应器相比,发酵结束时反应器R1和R7中的甲烷含量最低[见图2(d)]。
在酸化发酵阶段,反应器R2(pH=4)与R3(对照组)中的PO43--P含量一直维持在最低水平[见图2(b)]。反应器R1(pH=2)的PO43--P释放效果十分显著,第1天即达到最大值191.3 mg/L,随后开始降低。反应器R4(pH=9)、R5(pH=10)、R6(pH=11)中的PO43--P含量呈逐渐下降趋势。PO43--P含量下降的主要原因在于污泥pH的变化,使得原本溶出的PO43--P重新生成不溶物。值得注意的是,反应器R1,尤其是R7,它们的pH在酸化发酵期间变化不大,因此反应器中污泥释放出的PO43--P保持在较高水平,在第5天时分别达到118.3和154.0mg/L。
2.3.2 酸化产物特性
不同初始pH条件下反应器的最大酸化产物产量以及达到最大产量所需的时间见图3。与对照组(R3)和酸预处理组(R1、R2)相比,碱预处理组(R4~R7)的酸化产物总量普遍较高,这与图2(a)的SCOD结果一致。反应器R6(pH=11)的酸化发酵效果最优,其酸化产物产量在第2天达到最大值3 419.6mg/L,此时酸化率高达77.0%。
不同初始pH条件下反应器内酸化产物组成随发酵时间的变化见图4。反应器R2、R5和R6的最终酸化产物组成类似,但变化过程不尽相同。反应器R2和R6在发酵前期出现异丁酸累积现象,随后异丁酸占比开始降低,乙酸占比升高,这说明在发酵微生物的作用下,异丁酸开始向乙酸转化,最后各组分占比趋于稳定。反应器R5在发酵后期出现乙酸占比降低的现象,根据反应器中气体组分情况[见图2(d)]可知,这可能是因为部分乙酸转化为甲烷所致。反应器R1和R3的酸化产物产量非常低(见图3),与其他反应器不同的是,最终酸化产物中乳酸占比较高。反应器R4中全程乙酸占比极低,结合反应器气体组分情况[见图2(d)]可知,反应器内的丙酸和丁酸不断向乙酸转化后,再次被产甲烷菌利用,而且丁酸比丙酸更容易转换为乙酸,导致反应器R4的最终酸化产物中存在较高比例的丙酸。反应器R7在第3天开始出现正丁酸的大量累积,属于典型的丁酸型发酵过程,可以推断,高pH条件有利于丁酸型发酵的进行。
2.4 膜混凝污泥资源化潜力分析
资源化处理是当前我国农村生活污水处理领域的一个重要技术导向,这里提到的资源化不仅包括“水”资源,还包括污水中的碳、氮、磷等资源。在以生物氧化为核心的传统生化工艺中,好氧曝气是导致污水处理行业高能耗和高碳排放的重要因素之一。目前已经得到应用的化学强化一级沉淀技术以及本研究中的强化膜混凝技术都是能实现污水中碳、磷资源快速捕获的同类物化技术,为后续碳、磷资源的回收利用提供了良好的基础。强化膜混凝技术产生的污泥中COD和TP含量分别达到(26645.6±7116.1)、(480.9±238.2)mg/L,是化学强化一级沉淀污泥的4倍左右,具有更高的资源化潜力。
膜混凝污泥资源化既包括污泥中有机物和磷的回收利用,还包括污泥最终产品的利用。在有机物利用方面,本研究中,污泥释放的SCOD最高达到了10885mg/L(pH=12),最大酸化产物产量达到了3419.6mg/L(pH=11),不仅可以作为污水处理厂深度脱氮的反硝化替代碳源,而且可以作为微生物甲烷化的原料,以沼气形式回收有机物资源。在磷回收方面,Bi等和Chen等采用磷酸铵镁法分别从碱预处理的剩余污泥和化学强化一级沉淀污泥中回收磷酸盐,本研究中的膜混凝污泥在初始pH为2和12时释放的磷酸盐含量分别为105.8和122mg/L,明显高于上述文献中的磷酸盐含量,具有较好的磷回收潜力。在污泥最终产品利用方面,可首先利用厌氧消化技术对污泥进行稳定化处理,随后可就近就地用于农村园林绿化,补充土壤营养元素和改善土壤环境质量,但膜混凝污泥园林利用的适宜性和潜在风险需要作进一步研究。
03 结论
① 在农村生活污水处理示范工程中,强化膜混凝设备能在水力停留时间为60 min的条件下去除80%以上的COD和TP,出水COD低于50mg/L,出水TP低于0.5mg/L,产生的污泥中COD和TP的含量分别达到(26645.6±7116.1)mg/L和(480.9±238.2)mg/L,具有较好的资源化潜力。
② 酸预处理能强化膜混凝污泥中磷酸盐的释放,当污泥初始pH调为2时,在0.5h内PO43--P释放倍数达到117倍,而有机物释放倍数仅为3倍左右;碱预处理能促进有机物和磷酸盐的同步释放,当污泥初始pH调为12时,污泥水解后磷酸盐和SCOD含量分别可达到122、5214.5mg/L。
③ 酸碱预处理释放出的SCOD可进一步被污泥中的微生物转化,生成的有机酸导致污泥pH向中性方向变化,进而促进微生物酸化发酵过程,同时使得溶出的磷酸盐重新生成不溶物;当污泥初始pH调为11时,酸化发酵效果最优,酸化产物产量在第2天达到最大值(3419.6mg/L),此时酸化率高达77.0%,最终发酵产物中乙酸比例约占50%。
④ 强化膜混凝技术能实现农村生活污水中碳源资源的快速捕集,形成的富碳磷污泥可在有机物和磷回收的基础上用于园林绿化,但其适宜性和潜在风险需作进一步评估。
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