王博，霍明昕，王淑莹，袁泉，李永波，彭永臻

(1. 北京工业大学 北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室，北京市污水脱氮除磷处理与过程控制工程技术研究中心，北京，100124；2. 东北师范大学 城市与环境科学学院，吉林 长春，130024)

随着城市生活污水量的增加，由此所产生的污泥量也越来越多[1-2]，污水厂剩余污泥的处理处置正日益成为环境领域关注的热点。利用水解酸化细菌破坏污泥细胞物质，这样不仅可以实现剩余污泥发酵产酸，使得产生的二次基质用来补充生物脱氮除磷所必需的碳源[3]，而且还可以实现污泥的减量。国内外对污泥内碳源开发技术进行了较深入研究，同时开发了相应的利用方法和工艺，但这些技术存在2 个问题：(1) 污泥发酵后泥水分离困难，使得产生的VFA(挥发性脂肪酸)很难被提取出来[4]；(2) 在完全厌氧的反应器中很难避免产甲烷反应产生，因此，发酵产物很可能被产甲烷菌大量消耗[5]。而污泥发酵耦合反硝化技术针对上述问题有如下优点：无需对发酵液与污泥进行分离，发酵产物产生后随即被周围的反硝化菌利用，这样不仅减少了泥水分离步骤，而且增加了发酵反应推动力；由于NO-x-N 的存在，避免了产甲烷反应的发生，防止了发酵产物被产甲烷菌消耗。可见，剩余污泥发酵耦合反硝化技术既可以很好地解决污水处理碳源缺乏的问题，还可以实现污泥发酵产物简捷利用，进一步促进污泥减量。pH 是影响污泥发酵的重要因素之一。许多研究者发现剩余污泥经过碱性处理后，其水解产酸速率得到有效提高[3-4]，也有人认为污泥在酸性和碱性环境发酵效果均比中性环境好，水解酸化效率高[6]。对于反硝化反应，许多研究者发现适宜的pH 范围大都为中性或偏碱性，在7.5～8.5 且当pH 偏离这一范围时，反硝化效率逐渐降低[7]。考虑到满足良好的污泥发酵与反硝化要求，本文作者对比研究了不同pH(5，7，9 及pH 不调)对剩余污泥发酵耦合反硝化系统的污泥溶解、基质释放、污泥减量及反硝化的影响，借以寻求最适宜的pH 范围。

1 材料与方法

1.1 剩余污泥

试验用剩余污泥取自以生活污水为处理对象的中试SBR 反应器(序批式反应器)，污泥初始性质如表1所示。剩余污泥在使用前用自来水淘洗3 次后配成悬浮固体(SS)质量浓度约为10 g/L 的泥水混合液。

1.2 试验装置和方法

剩余污泥发酵耦合反硝化以4个有效容积为1.5 L的密闭式玻璃瓶为反应器(装置如图1 所示)，控制温度为(30±1) ℃，每个反应器一次性投加剩余污泥1.5 L，用磁力搅拌器进行搅拌，维持转速为800 r/min，控制1 号、2 号、3 号反应器内pH 分别为5.0，7.0 和9.0，4 号反应器不调pH，作为对照，反应进行18 d。每天定时从4 个反应器中取泥水混合液15 mL，用0.45µm 的水系滤膜过滤，并保留滤液进行测定，定时一次性投加100 g(N)/L 的NaNO2溶液15 mL。每隔12 h，用3 mol/L 的HCl 或2 mol/L 的NaOH 溶液调节pH。

表1 pH=7.6 时试验用剩余污泥各组分含量(质量分数)Table 1 Initial properties of waste activated sludge (WAS) at pH=7.6 mg/L

图1 试验装置图Fig.1 Schematic diagram of experimental setup

1.3 分析方法

2 结果与讨论

2.1 pH 对多糖、蛋白质产生的影响

不同pH 条件下多糖质量浓度的变化情况如图2所示。由图2 可见：在不同pH 条件下，随着反应时间的增加，多糖质量浓度(ρ1)的变化呈现出不同的变化规律；当pH 为5 时，ρ1均比其他条件下高且随反应时间不断增加，在第18 天，ρ1达到最大值，为648.9 mg/L；当pH 为7 和9 时，ρ1整体上呈现出先增加、到第12 天后又下降的趋势；在pH 不调的条件下，ρ1表现为波动趋势，而这也恰恰反映出pH 对多糖的产生具有一定的影响。

图2 不同pH 条件下多糖质量浓度的变化情况Fig.2 Variation of carbohydrate mass concentrations at different pH values

不同pH 时蛋白质质量浓度的变化情况如图3 所示。由图3 可见：在不同pH 条件下，随着反应时间的增加，蛋白质浓度(ρ2)也呈现出不同的变化规律：当pH 为5 时，ρ2随反应时间不断增加；与此相反，当pH 为7 时，ρ2却呈现出下降的趋势；而pH 为9 与pH不调的条件下，ρ2呈现出波动的变化。

图3 不同pH 时蛋白质质量浓度的变化情况Fig.3 Variation of protein mass concentrations at different pH values

2.2 不同pH 时污泥减量性能

图4 不同pH 时污泥减量情况Fig.4 Sludge reduction at different pH values

2.3 pH 对PO-P 和NH-N 释放的影响

图5 不同pH 时的PO-P 和NH-N 释放情况Fig.5 PO-P and NH-N release at different pH values

2.4 不同pH 时反硝化效果

图6 不同pH 时电子受体NO-N 质量浓度的变化Fig.6 Variation NO-N mass concentrations at different pH values

图7 NO-N 反硝化总量与比反硝化脱氮率Fig.7 NO-N consumed and special denitrification nitrogen removal

3 结论

(1) 当pH 为7 和9 时，污泥溶解与反硝化效果均较好。而当pH 为5 时，多糖与蛋白质出现大量积累，原因是反硝化受到pH 的抑制。

(2) 不同pH 条件下，VSS 质量浓度均出现不同程度的降低，且pH 为7 和9 时污泥减量率较高，说明中性与碱性条件更有利于污泥溶解。

(4) 从污泥溶解，污泥减量和反硝化性能等方面综合分析，pH 为9 的条件下，即处于碱性环境时，剩余污泥发酵耦合反硝化系统发酵与反硝化性能较好。

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