活性污泥法处理污水过程中会产生大量的剩余污泥,数量一般为污水处理量的0.3%-0.5%(以  含水率97%计),随  着我国工业化水平提高和城  镇化进程加快,大量污水处理厂兴建并投人运行,污泥产量也同步大幅提高。2015年全国污泥(含水率  80%)产生量约3400万12。污泥中的有机质和病原菌、持久性有机污染物、重金属等有毒有害物质若未经稳定、无害处理,进入环境后会引发水体和土壤的二次污染。污泥沼气池厌氧消化可以实现污泥处理的减量化、稳定化、无害化以及资源化,近年来,沼气池厌氧消化已经成为污泥稳定处理的有效方式之一3。但剩余污泥中的C/N值较低,进行沼气池厌氧消化处理往往产气率低且有机污染物降解效果差。污泥和高有机质物质联合沼气池厌氧消化成为目前沼气池厌氧消化领域研究热点之一,联合沼气池厌氧消化可改善污泥的营养结构和增加可降解有机物的负荷从而提高沼气产量

目前,关于污泥联合厌  氧消化的研究主要集中在污泥与秸秆和城市生活垃圾方面”,秸秆和城市生活坟圾中均含有半纤维素、纤维素和难降解的木质素。木质素及其改性物质可用于共混材料、高效液体燃料、高分子聚合树脂炭纤维和精细化学品等方面0,但其在沼气池厌氧消化过程中会延长联合沼气池厌氧消化的时间,降低联合沼气池厌氧消化的稳定性及产气效率。将半纤维素、纤维素和木质素分离,分离后的半纤维索或纤维素与污泥联合沼气池厌氧消化可能更有利于沼气池厌氧消化的进行,且纤维素是世界上最丰富的天然有机物,占植物界碳含量的50%以上,每年通过光合作用可合成约1.5×1021纤维素资源目前大部分未能被有效利用,开拓纤维素在新技术、新材料和新能源中的应用,已成为热点课题之一。武春燕和卜玉山通过对纤维素、蛋白胨淀粉和木质素的产气特性差异进行研究发现纤维素的累积产甲烷  量仅次于蛋白陈。而产甲烷还原条件下,关于纤维  素和污泥联合沼气池厌氧消化对产气性能的影响,目前鲜  纤维素联合沼气池厌氧消化对污泥产气性能及微生修多  见相关硏究报道。本文通过研究污泥与不同含的影响。以期为高产量、低CN的城市污泥与纤维  素含量较高的粘杆的资源化和能源化利用提供理论参考和技术支撑

1材料与方法

污泥与纤维素的来源与特征  实验所用剩余污泥均采集于贵阳市某污水处理

厂SBR工艺处理后的污泥浓缩池,命名为FS,剩余污泥采集过程中用1mm钢筛过滤,去除较大颗粒杂质,运回实验室后储存在4℃条件下备用。沼气池厌氧消化接种污泥采集于污泥与纤维素合适添加比例的沼气池厌氧消化预实验装置中,分别命名为AS-1,AS2,AS-3,AS4,其中AS-1为单一的剩余污泥沼气池厌氧消化,AS-2,AS-3,AS4分别按照ⅤS污泥:VS维素=5:1,2:1,1:1添加不同含量的纤维素所形成的沼气池厌氧消化污泥。实验所用纤维素购于国药集团化学试剂有限公司,白色粉末状,灼烧残渣量(以硫酸盐计)≤0.08%。剩余污泥和接种污泥的基本性质如表1所示。

1.2试验装置

沼气池厌氧消化反应器采用5mm厚有机玻璃制成  (见图1),反应器分内外两层,总体积为11L。内层  消化罐容积为7L,有效容积为5L;外层以功率2W  的微型潜水泵输送温度为35℃±1℃的恒温流动水  为内层反应保温和水封,流动相水采用恒温水浴锅  加热。反应器采用机械搅拌,搅拌轴与容器间采用  水封密闭,内层设有温度监测器。装置顶部设置有  进样口、排气口及氮气入口,其中排气口接湿式流量计监测每日产气量;氮气口接入氮气,在进出样过程中充人氮气,使厌氧环境处于平衡状态。取样口设置于反应器的中、下层。

1.3实验方法

3.1反应器的启动与运行

反应装置采用中温消化(35℃±1℃),机械搅拌,接种培养法启动反应器。分4个实验组探究纤维素对剩余污泥沼气池厌氧消化产气性能及微生物形态的  影响,4个实验组分别命名为CK,CA,CB,CC,其中CK组为未添加纤维素的对照组,CA,CB,CC组纤维素的添加量分别按照VSw:VS甲维素=5:1,2:1,1:1  的含量添加。进样污泥含水率分别为97.23%±0.07%,96.84%±0.19%,96.38%±0.15%和95.85%±0.21%,属于传统沼气池厌氧消化污泥含固率(3%-5%)的范围。实验首次投入反应器容积1/3

沼气池厌氧消化污泥作为接种污泥,之后按10%的投配率投加污泥至反应器有效体积。放置3d,之后每天按5%投配率投加剩余污泥1次,并排出等量消化污泥,并每天记录产气量变化。产气量稳定后采用BIOGAS5000(英国 GEOTECH公司)连续7d检测沼气成份

1.3.2产甲烷活性测试

厌氧污泥的产甲烷活性测试采用甲烷势自动测试系统( AMPTS II, Bioprocess Control,瑞典)。测试时,以乙酸盐为基质,配制浓度为2.0g·LCOD的乙酸钠溶液。厌氧污泥与基质的体积按VSsCOD为2:112。将基质与厌氧污泥装入反应瓶(总体积640mL,工作体积400mL),装上橡胶塞,插入搅拌器并拧紧,放入水浴锅,连接反应瓶与碱液吸收系统和气体流量计,向每个反应瓶充氮气4分钟,驱除反应瓶内残留的空气,保持厌氧条件。采用蒸馏水代替同体积的基质作空白实验,以扣除厌氧污泥本身所产的气体产量。测试过程中,水浴锅温度设置为(35.0±0.5)℃,反应瓶产生的沼气经碱液吸收系统去除所含酸性气体(CO2,H2S)后,余下的甲烷气体通过湿式气体流量计监测

1.3.3微生物形态测定

向取出的污泥样品中加入2.5%的戊二醛溶液,4℃条件下放置过夜。然后去掉固定液,用0.5mol·L.磷酸缓冲液(pH值7.0)漂洗样品2次,每  次5min。之后依次用浓度为30%,50%,70%和  0%的乙醇进行梯度脱水处理,每换一次乙醇溶液  都需经3000r·mn离心5min,最后用叔丁醇置  换,冷冻干燥。将样品固定在样品台上,喷金镀膜后  用扫描电镜(S-3400N型,日本日立公司)观察

1.4数据处理与统计  

所有数据分析采用 Microsoft Office Excel200  进行处理和分析,采用 Ringing8.5.1进行作图。

2结果分析与讨论  2.1污泥与纤维素混合后的C/N变化  在沼气池厌氧消化过程中,C/N对沼气池厌氧消化系统的稳  定运行具有先决性作用。C/N太高,细胞的氮量不  足,消化液的缓冲能力低,pH值较易降低;C/N太  低,氮量过多,pH值可能上升,铵盐容易积累,会抑  制消化进程。众多研究表明,厌氧细菌生长的合适  映氮比为20-30之间,且最佳比例为25但  也有研究表明,大多数传统沼气池厌氧消化系统在较低的  C/N条件下才能稳定运行。 Romano1等在中温条  件下对洋葱汁和污泥(含固率<5%)进行厌氧共消  化时发现,C/N维持在15时系统较稳定,当CN由13.7提高到20.3时,系统由于碱度过低而运行失败。Zu等以沼气池厌氧消化污泥作为接种物对玉米秆进行中温沼气池厌氧消化,当C/N超过21时,pH值发生骤降,系统运行失败

本实验采用的剩余污泥C/N为5.9±0.26,远低于沼气池厌氧消化的合适CN。纤维素作为1种含碳量较高的物质按照VS:VS维素=5:1,2:1,1的含量添加,如图2所示,CA。CB,C这3个实整组进泥的C/N分别达到7.4±0.03,9.8±0.13

9±0.98。沼气池厌氧消化过程中,反应器内污泥的西  值为6.64-7.20,氧化还原电位为-315--2  mV,含水率均在97.40%左右波动,氨氮含量为  12.243741mg,L,pH值和氨氮含量随纤维  素添加量增加而降低,但均符合沼气池厌氧消化相关参数  要求,四组沼气池厌氧消化反应器运行良好。纤维素的  加有利于改善沼气池厌氧消化混合物料的营养平衡,增加

系统中微生物的种类和数量,改善微生物的生存环  境和对污泥的消化,提高系统缓冲能力和沼气产量,  对沼气池厌氧消化具有促进作用。  2.2污泥沼气池厌氧消化过程中的日产气量变化  污泥沼气池厌氧消化不仅可以去除有机质,实现污泥的稳定化,还可以产生可回收利用的能源(沼气)  如图3所示,纤维素含量的添加显著增加了污泥厌  氧消化的日产气量:CK,CA,CB,CC这4个实验组  在半连续进样的前3d日产气量逐渐升高,随后呈  现波动现象。CK,CA两个实验组在第15天出现产  气高峰,CB和CC两个实验组在第20天出现产气  高峰,说明污泥固体浓度(TS)的增加(4个实验组  的TS浓度分别为2.83%±0.17%,3.21%±  0.21%,3.63%±0.15%和4.31%±0.28%对厌氧  消化的日产气高峰具有延迟效应m。CK,CA,C  CC这4个实验组的反应系统在24d后趋向稳定,  日产气量也分别稳定在250mL,600mL,1200mL和  2300m左右,3个实验组(CA,CB,CC)日产气量分  别约为CK组日产气量的2.4倍,4.8倍和9.2倍。  Sosnowski3等将城市有机垃圾与剩余污泥1:3混合  后,C/N从93提高到14.2,产气量是污泥单独进  行消化的2倍。袁海荣等将剩余污泥和小麦秸秆联  合沼气池厌氧消化,在CN为25时,日产气量是污泥单独进  行消化的1.6倍。以上研究结果的日产气量均低于本  研究的日产气量,这可能是城市生活垃圾和小麦秸秆  中存在的其他物质影响沼气池厌氧消化的产气效率。

2.3污泥沼气池厌氧消化稳定期气体成分变化  

在联合沼气池厌氧消化稳定期,通过7d连续监测厌  氧消化系统中的CH4和CO2含量变化,CH4和CO2  含量的变化趋势如图4所示。由图4可以看出,不  同含量的纤维素添加可以提高沼气池厌氧消化系统中CH4

含量;CK,CA,CB,CC这4个实验组中CH4所占比例分别约为25%,40%,50%和50%。污泥与其他有机物混合沼气池厌氧消化,CH4含量在50%70%之间波动),这与本研究的结果基本一致。CK组CH4含量较低,这主要可能受污泥底物中有机成分的性质影响”,纤维素的添加可改善沼气池厌氧消化过程中的微生物生存环境,且可促进纤维素酶的产生。纤维素酶能够有效提高沼气池厌氧消化过程中生物质的水解2),使沼气池厌氧消化系统中的有机成分和种类增加。CB和CC两个实验组CH4所占比例基本一致,主要可能是因为CC实验组纤维素添加量相对于其它实验组较高,有机负荷的增加可改变反应器中微生物的生存环境,对不同产甲烷菌的丰度产生影响,从而影响了CH4的含量

由图5可知,纤维素的添加可以增加沼气池厌氧消化系统中的CO2含量,其中CB和CC两个实验组中的CO2含量增加比例明显,CC实验组中CO2比例达到30%左右,但CA实验组中CO2含量增加不明显。Quantin21等研究表明,通过添加纤维素处理的沼气池厌氧消化实验组中CO2含量升高,与本实验的研究结果

致。沼气中含30%~40%的CO2稳定运行的厌氧反应器体系内的pH值<7(2。这与CC组中的pH值为6.64相互印证,且可以进一步解释CC组CH4所占比例与CB组相同,这也与CC组反应体系中的pH值相对较低有关。

2.4污泥沼气池厌氧消化稳定期产甲烷活性

产甲烷菌是沼气池厌氧消化的众多微生物中对环境条件和操作条件最敏感的菌种。产甲烷活性( specificmethanogenic activity,SMA)即单位质量的厌氧污泥(以ⅤSS计)在单位时间内将特定基质转化成CH4的量,能够评价出厌氧污泥去除COD生成CH4的潜力,是检验厌氧污泥活性和评估沼气池厌氧消化反应器运行效果的重要参数

利用甲烷势自动测试系统对CK,CA,CB,CC这4个实验组的产甲烷活性进行了测试,4个实验组的  甲烷累积产量在测试5天后趋于稳定,如图5所示。随纤维素添加量的增大,4个实验组累积CH4呈现不同程度的增加。

累积产气量曲线的斜率最大值即为产甲烷活性,mL· g VSS.d-,CK,CA,CB,CC这4个实验组的产甲烷活性结果如图6所示。4个实验组的产

甲烷活性分别为45mL·gVss·d-1,73mlg  Vss.d-,94mL·g-VSs·d和120mL,g's  d-。按照VS:VS样素=5:1,2:1,1:1的添加条件,纤维素添加组的SMA相对对照组的SMA分别提高62.6%,110.3%和168.5%。实验表明,纤维素的添加显著促进了产甲烷菌的产甲烷活性。这也与4个实验组实际运行情况的甲烷含量变化趋势一致。尹军21研究表明,将初沉污泥、消化污泥和剩余污泥按照1:1:1混合后沼气池厌氧消化,产甲烷相的SMA在50~310mL·gVss·d-波动。又有研究表明25,初沉污泥在投配率为5%的条件下,容积为5L的消化池中污泥的SMA为17~48mL·gvSS·d-1,。这与本实验的对照组中污泥的产甲烷活性基本一致。

2.5污泥中沼气池厌氧消化稳定期细胞形态观察

由图8-图15稳定期的沼气池厌氧消化污泥SEM图  片可知:稳定期的沼气池厌氧消化污泥表面的微生物主要由球状菌、杆状菌和丝状菌组成,微生物种类较为丰富微观形态结构较为复杂。CK(见图6)和CK2  (见图7)表示对照组稳定期沼气池厌氧消化污泥中的微生  物分布,SEM显示未添加纤维素的对照组主要菌群  有丝状菌、短杆菌和球状菌组成。各种菌群分布不  是十分均匀,大多数菌群都是混栖分布,丝状菌缠绕  成团状结构,对杆菌和球状菌有包裹现象,这样可能会产生不同菌群之间的相互竞争作用,厌氧微生物  难以形成菌胶团,微生物活性较低,这可以进一步证  明CK组的产气性能低于纤维素添加组

CA-1和CA2在纤维素添加量按照ⅤS污VS维素=5:1的条件下,稳定期沼气池厌氧消化污泥中的微生物主要为球状菌和长杆状菌,丝状菌明显减少。球状菌菌落呈现成团生长,且以杆状菌为骨架CB-1和CB2在纤维素添加量按照VS污泥:VS样维素=  2:1的条件下,稳定期沼气池厌氧消化污泥中的微生物多数为球状菌,部分为长杆菌和短杆菌,对比其它3个实验组,球状菌数量增加明显且最多,菌落呈现成团生长。CC-1和CC-2在纤维素添加量按照ⅤS污VS纤维素=1:1的条件下,稳定期沼气池厌氧消化污泥中的微生物主要为丝状菌和球状菌,丝状菌菌落数量最大丝状菌成团缠绕生长,但整个实验过程中未出现丝

菌膨胀现象。纤维素的添加明显改变沼气池厌氧消化污泥中的菌落结构,与CK组相比,CA和CB实验组增加了球状菌的数量,CC实验组增加了丝状菌的数  量,且纤维素的添加改变了沼气池厌氧消化污泥中微生物生长的微生态环境,同一菌种成团生长,可以减小各菌种之间的互相抑制作用,微生物活性较高,这与前  面所得的CH4含量和产甲烷活性增大的研究结果相互印证

3结论

(1)污泥与纤维素按照VSs:V

2:1,1:1的含量添加,C/N从5.9分别提高到7.4,9.8,12.9,较大地提高了沼气池厌氧消化混合物料的营养平衡,有利于沼气池厌氧消化的进行

(2)CA,CB,CC这3个实验组日产气量分别约为CK组日产气量的2.4倍,4.8倍和9.2倍;CH所占比例分别约为25%,40%,50%和50%;SMA分别为45mL·gwss.d-,73mL·g"Vss·d94m.·gVss·d-和120mL·gvss·d-。

(3)稳定期的沼气池厌氧消化污泥表面的微生物组成与添加纤维素的含量有关。与丝状菌、短杆菌和球状菌混栖且不均匀分布的对照组相比,污泥与纤维

素按照VS污:VS样维素=5:1,2:1的比例添加,可以促进球状菌和杆状菌的生长,球状菌菌落呈现成团生长,且以杆状菌为骨架。球状菌的数量随着纤维素添加而增多;当污泥与纤维素按照VS污:VS纤维素=1:1的比例添加时,稳定期沼气池厌氧消化污泥中的微生物主要为丝状菌和球状菌,丝状菌菌落数量最大,丝状菌成团缠绕生长。

摘自《中国沼气》2018第2期 李新 李江 吴永贵 孙梦阳 杨钊 郑磊

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