杜海霞 區(qū)恒煜 張蕾 吳艷霞

摘 ?要：為了探究活性污泥好氧及厭氧消化過(guò)程中添加給水污泥對(duì)其的影響和效果，分析了在剩余污泥好氧、厭氧消化不同時(shí)間段添加不同投加量給水污泥混凝沉淀后的總固體（TS）、揮發(fā)性固體（VS）降解效果，以對(duì)比不同條件對(duì)剩余污泥穩(wěn)定性的影響。通過(guò)化學(xué)需氧量（COD）、濁度、氨氮及總氮的變化來(lái)分析加入給水污泥混凝沉淀后剩余污泥好氧、厭氧消化出水水質(zhì)的變化。結(jié)果表明：在厭氧消化第8天，投加量為3000mg/L時(shí)，剩余污泥總固體（TS）下降了34.0%，揮發(fā)性固體（VS）下降了14.6%;添加給水污泥進(jìn)行混凝沉淀后，最終產(chǎn)物出水水質(zhì)變好，氨氮濃度降低;剩余污泥脫水性得到提高。在給水污泥投加量為1000mg/L時(shí)，氨氮含量下降了50.26%。

關(guān)鍵詞：剩余污泥;給水污泥;好氧消化;厭氧消化;混凝沉淀

中圖分類號(hào)：X703.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2020）20-0001-05

Abstract： In order to explore the influence and effect of adding water sludge in the process of aerobic and anaerobic digestion of activated sludge， the degradation effects of total solid（TS） and volatile solid（VS） after adding different amount of feed sludge in different periods of aerobic and anaerobic digestion of excess sludge were analyzed， and the effects of different conditions on the stability of excess sludge were compared. The changes of effluent quality of aerobic and anaerobic digestion of excess sludge after coagulation and sedimentation of feed sludge were analyzed through the changes of chemical oxygen demand（COD）， turbidity， ammonia nitrogen and total nitrogen. The results showed that on the 8th day of anaerobic digestion， when the dosage was 3000mg/L， the total solid

（TS） of excess sludge decreased by 34.0%， and the volatile solid（VS） decreased by 14.6%. After adding water sludge for coagulation

and sedimentation， the effluent quality of the final product became better， the concentration of ammonia nitrogen decreased， and the dewatering of excess sludge was improved. When the dosage of feed sludge was 1000mg/L， the content of ammonia nitrogen decreased by 50.26%.

Keywords： excess sludge; feed sludge; aerobic digestion; anaerobic digestion; coagulation and sedimentation

前言

都市化與人口增加導(dǎo)致市政污水處理廠數(shù)量的急劇增加，從而伴隨著產(chǎn)生大量的剩余活性污泥[1-2]。剩余活性污泥含水率高、有機(jī)物含有量高、容易腐爛，從而嚴(yán)重影響自然環(huán)境與生活環(huán)境，其有效的處理與處置已成為包括我國(guó)在內(nèi)的許多工業(yè)化新興國(guó)家迫切需要解決的問(wèn)題[3]。很多工業(yè)化國(guó)家所采用的焚燒等方法除了投資費(fèi)用高、運(yùn)行管理費(fèi)用高等問(wèn)題外，從溫室氣體減排減量的觀點(diǎn)來(lái)看，其耗能與焚燒產(chǎn)生的氣體排放也是必須重新認(rèn)識(shí)與解決的課題[4]。因此，我們急需研究新型高效的方法以實(shí)現(xiàn)剩余活性污泥的穩(wěn)定化及提高處理水水質(zhì)。給水污泥是城市給水處理的副產(chǎn)物[5-6]，主要來(lái)自初沉池和過(guò)濾器的反沖洗排水，其水量一般約占給水廠總凈水量的4%-7%[7]。污泥中固體以無(wú)機(jī)成分為主，有機(jī)物含量較少，屬于無(wú)機(jī)污泥[8]。主要無(wú)機(jī)物成分為SiO2、Al2SiO5（OH）2、AlPO4和Fe3FeSiO4

（OH）5，有機(jī)物含量與原水中的有機(jī)質(zhì)含量相關(guān)[8-9]。目前在我國(guó)，給水污泥主要通過(guò)棄地填埋、土地應(yīng)用、衛(wèi)生填埋場(chǎng)、海洋處置等[10]方法進(jìn)行處理，污泥大量填埋在廢棄土壤和垃圾填埋場(chǎng)會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題和健康問(wèn)題，如嚴(yán)重的土地污染和地下水污染等[11]。由于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，近幾十年來(lái)我國(guó)人口的增長(zhǎng)及城市水處理廠的數(shù)量不斷增加導(dǎo)致給水污泥的量顯著增加。在上述背景及現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，本實(shí)驗(yàn)利用給水污泥來(lái)提高活性污泥處理最終產(chǎn)物的穩(wěn)定性及處理水水質(zhì)。利用該方法，期待可以實(shí)現(xiàn)活性污泥穩(wěn)定化處理的同時(shí)，提高處理水水質(zhì)，并且達(dá)到高效處理給水污泥的目的。為包括我國(guó)在內(nèi)的許多工業(yè)化新興國(guó)家所面臨的急需解決的活性污泥與給水污泥的問(wèn)題提供一種高效、環(huán)境負(fù)荷低、且資源可循環(huán)利用型的新方法。

本實(shí)驗(yàn)主要研究剩余活性污泥好氧及厭氧處理不同時(shí)間段添加不同投加量給水污泥進(jìn)行混凝沉淀對(duì)剩余活性污泥的減量化、穩(wěn)定化及最終出水水質(zhì)的影響和效果，確定使剩余活性污泥穩(wěn)定性以及出水水質(zhì)達(dá)到最佳狀況的給水污泥投加量和投加時(shí)間。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)pH、總固體（TS）、揮發(fā)性固體（VS）降解效果，以對(duì)比不同條件對(duì)剩余活性污泥穩(wěn)定性的影響。通過(guò)總化學(xué)需氧量（COD）、氨氮的變化來(lái)分析加入給水污泥混凝沉淀后剩余活性污泥好氧、厭氧消化后出水水質(zhì)的變化。

1 材料與方法

1.1 污泥準(zhǔn)備

剩余活性污泥為取自南京市某污水處理廠的回流污泥，給水污泥為取自南京市某給水處理廠的沉淀池污泥。給水污泥離心后密封備用。剩余活性污泥從污水廠取回，靜置4小時(shí)，倒去上部分液體后備用。剩余活性污泥和給水污泥的物理化學(xué)特性如表1。

表1 污泥的基本特性

1.2 剩余活性污泥好氧/厭氧消化不同時(shí)間與不同投加量給水污泥混合實(shí)驗(yàn)

1.2.1 剩余活性污泥好氧與厭氧消化實(shí)驗(yàn)

好氧及厭氧消化裝置為不透光聚乙烯反應(yīng)器，容量為50L。分別取30L剩余活性污泥進(jìn)行好氧與厭氧消化實(shí)驗(yàn)，好氧消化反應(yīng)器蓋子上方開(kāi)孔通入空氣管，泵抽空氣鼓進(jìn)裝水的錐形瓶，濕潤(rùn)的空氣進(jìn)入好氧污泥罐中進(jìn)行曝氣;厭氧消化反應(yīng)器保持密封，維持厭氧環(huán)境，由于厭氧消化中發(fā)揮作用的細(xì)菌多為兼性厭氧菌，因此厭氧條件比較容易控制;反應(yīng)器置于常溫避光處。取樣時(shí)分別從兩個(gè)反應(yīng)器中取剩余污泥，取完后立即蓋上蓋子。

1.2.2 剩余活性污泥好氧消化不同時(shí)間段與給水污泥混凝沉淀實(shí)驗(yàn)

剩余活性污泥好氧消化第 0，4，8，14天分別取2L剩余活性污泥，分為4等份置于500mL燒杯，然后分別添加不同濃度（0，500，1000，3000mg/L）給水污泥進(jìn)行混凝沉淀實(shí)驗(yàn)：急速攪拌10min，緩速攪拌30min，沉淀2h。實(shí)驗(yàn)后，上清液直接取樣用于測(cè)定其濁度，用0.2μm纖維膜過(guò)濾后測(cè)定COD、氨氮、總氮等指標(biāo);沉淀物質(zhì)直接取樣測(cè)定其TS、VS等指標(biāo)的同時(shí)做靜態(tài)實(shí)驗(yàn)，測(cè)定其放置不同時(shí)間的脫水性、臭氣產(chǎn)生量的變化，同時(shí)進(jìn)行固液分離，測(cè)定固液相的性狀差異。

1.2.3 剩余活性污泥厭氧消化不同時(shí)間段與給水污泥混凝沉淀實(shí)驗(yàn)

剩余活性污泥厭氧消化第 0，4，8，14天分別取2L剩余活性污泥，分為4等份置于500mL燒杯，然后分別添加不同濃度（0，500，1000，3000 mg/L）給水污泥進(jìn)行混凝沉淀實(shí)驗(yàn)：急速攪拌10min，緩速攪拌30min，沉淀2h。具體做法與1.2.2相同。

1.3 測(cè)定與分析

1.3.1 pH、濁度的測(cè)定

pH為pH計(jì)（pH Meter HM-21P，TOAOK）直接測(cè)量;濁度為便攜式濁度測(cè)量?jī)x測(cè)量。

1.3.2 氨氮（NH4+）的測(cè)定

氨氮的測(cè)定方法選用納氏試劑光度法，使用的測(cè)定儀器為分光光度計(jì)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用50ml磨口瓶和燒杯若干，同樣的，在氨氮的測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，也應(yīng)全程使用無(wú)氨水進(jìn)行操作。納氏試劑光度法是利用碘化汞和碘化鉀與氨的反應(yīng)原理來(lái)測(cè)量氨氮含量的，碘化汞與碘化鉀在堿性條件下與氨反應(yīng)生成淡紅棕色膠狀化合物質(zhì)，這種顏色在較寬的波長(zhǎng)內(nèi)能夠被強(qiáng)烈吸收，一般情況下氨氮的測(cè)量波長(zhǎng)為410～425nm。此外，氨氮的測(cè)量需要設(shè)置全程序空白實(shí)驗(yàn)，是指以無(wú)氨水代替水樣進(jìn)行同樣的實(shí)驗(yàn)步驟，最后作為參照組進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)。

1.3.3 COD的測(cè)定

COD的測(cè)定方法選用微波消解法進(jìn)行測(cè)量。在強(qiáng)酸性溶液中，準(zhǔn)確加入過(guò)量的重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液，加熱回流，將水樣中還原性物質(zhì)（主要是有機(jī)物）氧化，過(guò)量的重鉻酸鉀以試亞鐵靈作指示劑，用硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)溶液回滴，根據(jù)所消耗的重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液量計(jì)算水樣化學(xué)需氧量。實(shí)驗(yàn)中用移液管移水樣5.00mL催化劑（硫酸-硫酸銀溶液），搖勻。另作一空白樣，加5.00mL蒸餾水，其他照加。放入微波爐消解，3罐-5min，4罐-6min，5罐-7min，消解液倒入錐形瓶中，沖洗消解罐3次，加兩滴指示劑，用硫酸亞鐵銨回滴，顏色由黃經(jīng)藍(lán)綠至紅褐色，即為終點(diǎn)。

1.3.4 總固體（TS）、揮發(fā)性固體（VS）的測(cè)定

總固體（TS）、揮發(fā)性固體（VS）采用重量法測(cè)定。先將洗凈灼燒至恒重（600℃條件下大約60min）的坩堝稱重G1;用量移液管量取10ml污泥，放入坩堝，將坩堝放入105℃的烘箱中烘烤24小時(shí)后取出，放在干燥器中冷卻至室溫，然后稱重G2;將坩堝放入600℃的馬弗爐中灼燒2小時(shí)，取出后放入干燥器中冷卻至室溫后稱重G3;用G2-G1除以污泥的體積得到污泥的TS;用G2-G3除以污泥的體積得到污泥的VS。

2 結(jié)果與討論

2.1 剩余活性污泥與給水污泥混凝沉淀實(shí)驗(yàn)后出水水質(zhì)變化

2.1.1 COD變化

將消化過(guò)程不同時(shí)間好氧污泥與不同濃度給水污泥混合后進(jìn)行混凝沉淀，測(cè)得的COD含量由圖1可見(jiàn)?？梢钥闯霾煌瑫r(shí)間投加不同濃度給水污泥對(duì)COD的含量有一定的影響。隨著好氧消化的進(jìn)行，剩余污泥上清液中的COD含量逐漸升高。在消化過(guò)程中，上清液的COD從33.6mg/L上升到134.4mg/L。這是因?yàn)楹醚跸^(guò)程中微生物有機(jī)體內(nèi)源代謝，利用氧氣分解生物可降解的有機(jī)物質(zhì)及細(xì)胞原生質(zhì)，使污泥絮體解體，形成細(xì)小的顆粒，因此上清液的COD上升。張艷萍等在研究pH的調(diào)節(jié)對(duì)好氧消化污泥沉降和脫水性能的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)在未進(jìn)行pH控制的反應(yīng)器中，好氧消化污泥上清液中的COD隨著消化的進(jìn)行而上升，通過(guò)調(diào)節(jié)pH，上清液的COD有所降低[12]。第0、4、8天投加給水污泥都使好氧污泥中COD升高。相對(duì)于未添加給水污泥的對(duì)照組，COD分別提高了100%、75%、52%。這說(shuō)明加入給水污泥后進(jìn)行混凝沉淀，造成被吸附有機(jī)物的釋放、被吸附有機(jī)物微生物不完全代謝產(chǎn)物的釋放、細(xì)胞內(nèi)容物的釋放等[13]，使得水中的有機(jī)物含量增加。從不同時(shí)間厭氧污泥與不同濃度給水污泥混合后進(jìn)行混凝沉淀的實(shí)驗(yàn)中也可以看出同樣的趨勢(shì)（圖2）。相對(duì)于未添加給水污泥的對(duì)照組，COD濃度分別提高了100%、66.7%、25%。楊光等在驗(yàn)證微量元素Fe、Ni對(duì)污泥厭氧消化優(yōu)化調(diào)理時(shí)發(fā)現(xiàn)在厭氧污泥水解產(chǎn)酸過(guò)程中添加微量元素Fe，相比于未添加的對(duì)照組，添加微量元素的SCOD濃度高出了15.3%[14]。

2.1.2 氨氮（NH4+）濃度變化

剩余活性污泥好氧消化不同時(shí)間段添加不同濃度給水污泥的氨氮變化如圖3所示。從圖中可以看出，氨氮濃度總體變化趨勢(shì)是先上升后下降。這表明在剩余活性污泥好氧消化的初始階段，微生物分解生成的氨溶于水中以氨氮的形式存在，隨著好氧消化的進(jìn)行，經(jīng)過(guò)硝化細(xì)菌的硝化作用，氨氮的含量有所下降。李曉娟等在探究城市剩余活性污泥好氧消化的過(guò)程中，對(duì)好氧污泥進(jìn)行曝氣也證明了好氧消化這一規(guī)律[15]。

將好氧消化不同時(shí)間段剩余活性污泥與不同濃度給水污泥混合后進(jìn)行混凝沉淀，測(cè)得的氨氮含量如圖3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，在剩余活性污泥好氧消化不同時(shí)間投加不同投加量給水污泥對(duì)氨氮的含量有一定的影響。添加給水污泥進(jìn)行混凝沉淀后，氨氮的含量都有不同程度的下降。添加給水污泥混凝沉淀后氨氮去除率最高分別達(dá)到了91.7%、12.0%、20.4%、50.3%。這說(shuō)明投加給水污泥增加了水中金屬離子的含量，從而通過(guò)電中和作用降低了水中氨氮的含量。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表示，在14天添加1000mg/L的給水污泥，氨氮去除率達(dá)到了50.3%。

剩余活性污泥厭氧消化不同時(shí)間段添加不同濃度給水污泥的氨氮變化如圖4所示。剩余活性污泥厭氧消化過(guò)程中，氨氮濃度總體變化趨勢(shì)是先上升后下降，這是因?yàn)閰捬鯒l件下微生物內(nèi)有機(jī)體內(nèi)源代謝產(chǎn)生氨氮，使氨氮含量升高，后又由于微生物的同化作用、硝化及反硝化作用使氨氮含量降低。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表示，在第8天氨氮含量達(dá)到峰值。胡述龍等在厭氧消化實(shí)驗(yàn)中也得出了相似的結(jié)論，上清液氨氮濃度呈現(xiàn)總體上升的變化趨勢(shì)，上清液氨氮濃度在厭氧貯存12天左右分別達(dá)到峰值并趨于穩(wěn)定[16]。

2.1.3 濁度變化

從圖5及圖6可以看出，添加不同濃度給水污泥進(jìn)行混凝沉淀后，剩余活性污泥好氧及厭氧消化不同時(shí)間段的出水濁度除有少量波動(dòng)外，都有不同程度的降低，這說(shuō)明添加不同濃度給水污泥混凝沉淀可以使剩余活性污泥消化出水水質(zhì)變好。在好氧消化第14天投加3000mg/L給水污泥濁度去除率最高達(dá)到了39.4%。在厭氧消化第14天投加1000mg/L給水污泥濁度去除率最高達(dá)到了66.2%。這是因?yàn)榻o水污泥中的混凝劑成分能形成高分子聚合物，吸附剩余污泥中的細(xì)小顆粒，并通過(guò)吸附架橋作用形成絮體，絮體增大到一定程度會(huì)沉淀下來(lái)，從而降低了剩余污泥液相中的膠體顆粒[17]。

2.2 剩余活性污泥與給水污泥混凝沉淀實(shí)驗(yàn)后沉淀物穩(wěn)定性變化

添加給水污泥混凝沉淀后，剩余污泥沉淀后沉淀物中總固體含量及揮發(fā)性固體含量變化如圖7及圖8所示?？梢钥闯?，剩余污泥沉淀后沉淀物中總固體含量下降，揮發(fā)性固體也得到有效去除。在厭氧消化第8天投加3000mg/L給水污泥總固體下降了33.9%。在厭氧消化第4天投加1000mg/L給水污泥總固體下降了26.8%。ABBOTT等在研究微量元素對(duì)厭氧消化有機(jī)物的去除率實(shí)驗(yàn)中，結(jié)果表明添加FeCl3使污泥厭氧消化有機(jī)物去除率降低了6.8%[18]。楊光等研究添加不同濃度Fe微量元素對(duì)污泥厭氧消化中有機(jī)物去除的影響，結(jié)果表明添加后厭氧消化后VS去除率在21%-30%之間[14]。

3 結(jié)束語(yǔ)

（1）投加給水污泥混凝沉淀可以釋放剩余污泥中的有機(jī)物質(zhì)，在好氧消化第4天，與不添加給水污泥相比，投加1000mg/L以及1500mg/L后上清液的濁度明顯降低，說(shuō)明經(jīng)過(guò)給水污泥調(diào)理可以降低剩余污泥液相中的懸浮物和膠體顆粒濃度，進(jìn)而提高剩余污泥的脫水性能。

（2）投加給水污泥混凝沉淀可以釋放剩余污泥中的有機(jī)物質(zhì)，在厭氧消化第4天、第8天以及第14天剩余污泥上清液的濁度均有所降低，且好氧消化后的濁度遠(yuǎn)低于厭氧消化后的濁度，可以看出厭氧過(guò)程會(huì)使脫水性能變差。因?yàn)閰捬踹^(guò)程會(huì)使微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)破壞，形成眾多小顆粒釋放到液相中。

（3）給水污泥的投加，增加了水中金屬離子的含量，通過(guò)電中和作用降低了水中氨氮的含量。在好氧消化第14天，投加量為3000mg/L時(shí)，剩余污泥氨氮總量下降了50.3%。

（4）給水污泥的投加，污泥中總固體含量下降，揮發(fā)性固體也得到有效去除。在厭氧消化第8天，投加量為3000mg/L時(shí)，剩余污泥總固體下降了34.0%，揮發(fā)性固體下降了14.6%。

（5）給水污泥中的混凝劑成分可用于活性污泥的減量化，經(jīng)混凝沉淀后可以去除上清液中的膠體物含量，上清液水質(zhì)得到改善。

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