引言

市政污泥是污水處理廠的主要副產物，隨著我國污水治理事業的迅速發展，市政污泥產量大大增加。剩余污泥含水率高，并含有豐富的氮、磷等元素，以及多種微量元素。中溫厭氧消化（ＭＡＤ）既可實現良好的污泥穩定化、無害化、減量化效果，還可產沼氣進行回收利用，符合國家環保政策的日益嚴格和可持續發展戰略要求，目前已成為國內外較常用的污泥處理工藝。

污泥厭氧消化通常經歷水解、產酸和產甲烷３個過程，細胞外的胞外聚合物和細胞壁限制了胞內有機物的釋放，緩慢的水解速率是污泥厭氧消化的限速步驟。目前研究多采用超聲、酸堿、冷熱預處理、輻射等技術強化污泥厭氧水解，但需要輸入大量能源，成本較高。游離亞硝酸（ＦＮＡ）是亞硝酸鹽的質子化形態，能改變胞外聚合物的結構組成，使污泥更加松散，使有機物快速釋放。ＦＮＡ偶聯污泥厭氧消化能夠促進有機物的水解和酸化過程進而為產甲烷菌提供了充足的消化基質。ＦＮＡ可通過結合短程硝化工藝處理沼液時控制ｐＨ值和維持低曝氣獲得，具有較高的經濟性。ＺＨＡＯ等單獨應用ＦＮＡ處置污泥時發現ＦＮＡ能夠促進污泥的水解過程，研究發現ＦＮＡ偶聯生物表面活性劑鼠李糖脂能顯著促進污泥的水解及短鏈脂肪酸的累積，ＭｅｎｇＪｉａ等使用４.９～６.１ｍｇＮ·Ｌ－１的ＦＮＡ溶液對剩余污泥作２４ｈ的預處理后進行常溫厭氧發酵，甲烷產率提高３７％。現有研究主要集中在燒瓶實驗或中試裝置上ＦＮＡ預處理對剩余污泥厭氧發酵的提高產沼氣能力研究，而在工程應用或工程試驗上的可行性研究鮮有報道。

因此本文根據前述文獻資料，利用工程項目中沼液好氧生化處理系統，通過控制曝氣量的方法獲得含一定濃度ＦＮＡ的短程硝化液與市政剩余污泥在序批式中溫厭氧工藝段進行聯合消化產沼，通過監測消化過程中物料溶解性ＣＯＤ（ＳＣＯＤ），揮發性脂肪酸

（ＶＦＡ），ｐＨ值和沼氣產量探究ＦＮＡ對剩余污泥中溫厭氧消化在工程應用上的效果。本試驗為工業生產規模試驗，利用現有工藝進行，重點考察了污泥消化過程的一系列參數，以便為后續工藝優化提供技術支撐。

１ 污泥處理工藝

１.１項目工程簡介

桂平市污泥處理廠（一期）主要收集桂平市污水處理廠及桂平市長安工業園集中區污水處理廠剩余污泥進行厭氧發酵產沼氣，沼氣熱電聯產，沼渣制做園林綠化有機肥。市政污泥處理采用序批式中溫厭氧發酵工藝進行厭氧發酵和產沼氣。

１.２項目工藝流程

該項目工藝流程見圖２

１.２.１ 原料調節池

原料調節池包含原料調節池１個，二期設置２個，調節池采取土建一二期合建、設備先上一期的做法。調節池為地上半封閉式，池內設置攪拌裝置，池頂部設廢氣收集口，觀測口及檢修人孔。污泥運至調節池，剩余市政污泥（含水率８０％）、部分回流沼液和自來水按照一定比例進入原料調節池內，攪拌均勻，待污泥呈粥樣化（含水率９０％～９５％）時，停止加水，先打開中溫厭氧一體化裝置進料閥門后開啟進料泵（干井泵）將粥樣化污泥輸送至中溫厭氧一體化裝置內。

１.２.２中恒溫厭氧反應裝置

中溫聯合厭氧消化系統基本工藝流程如下：

（１）調配好的剩余市政污泥在原料調節池進行濃度及ｐＨ值調節后進入中溫厭氧消化池中進行厭氧反應。

（２）污泥在中溫厭氧一體化裝置中通過攪拌系統保持均質，通過太陽能加熱裝置維持污泥最適宜的發酵溫度，發酵時間為２４ｄ左右，發酵期間所產生的沼氣進入頂部的沼氣收集裝置，沼氣進入沼氣輸送管，輸送至沼氣凈化裝置及儲存利用系統。一期項目共建有１２組中恒溫厭氧反應裝置，中恒溫厭氧反應裝置采用地上封閉式建造，單池容積有效容積９６ｍ３，內置污泥切割泵定時定量進行內部循環攪拌，頂部設置水封、集氣、檢修于一體的沼氣收集裝置，加熱方式為太陽能加熱保溫水箱，熱水經池內的換熱管加熱物料后返回保溫箱，循環利用。每２天進料２０ｔ，發酵２４ｄ后卸料，實現每天１０ｔ市政剩余污泥的處理產能。

（３）完成２４ｄ的中溫厭氧發酵后，沼渣、沼液通過底部卸料的方式進入卸料池，具體為首先打開中溫厭氧池的泄料閥待沼渣沼液泄至預設液位時，關閉泄料閥停止泄料后，再進下一批污泥。每次卸料均留有約２０％的沼渣作為接種污泥。

１.２.３固液分離

沼渣為經厭氧消化后的殘渣，有機成分含量較低，固液分離性能較好，易于進一步分離水分。

沼渣深度脫水系統（簡稱沼渣壓榨系統）主要是將厭氧反應后的殘渣利用板框式壓濾機進行深度脫水，以達到廢渣穩定，便于存放、減量化，利于后續利用的目的。厭氧反應池內消化后的殘渣通過渣漿泵輸送至板框式壓濾機內進脫水。沼渣通過螺旋輸送機輸送至沼渣暫存區，在重金屬不超標的情況下加工成有機肥。

１.２.４沼液污水處理系統

本項目污水來自污泥經厭氧消化后的污泥殘體壓濾液，處理工藝采用多級生化組合處理工藝，主要由濾液池、常溫厭氧池、多級生化池、化混池、沉淀池、消毒池等組成。污泥殘渣經板框式壓濾機脫水后濾液進入濾液池，混合均勻后經泵提升至常溫厭氧池，在降解有機物的同時進行水解酸化。常溫厭氧出水排入多級生化池，生化池分成若干個的單元池，通過調節風機曝氣量控制厭氧、缺氧及好氧等不同水環境，在通過微生物降解有機污染物的同時，進行水解酸化，有機物分解，硝化和反硝化過程脫氮。有機污染物再在后續的單元池逐步被徹底氧化分解，基本不產生剩余污泥。生化池出水進入化混池，經消毒后作中水回用。經過常溫厭氧、多級好氧與深度處理后出水可作為景觀用水或其他用途。

２ 試驗方法與材料

２.１試驗原料

本工程項目所處理的污泥來源于桂平市污水處理廠運出的含水率約８０％的市政污泥，為保證污泥性質的基本一致，試驗用的污泥均選取同一間污水處理廠出來的污泥，污泥特性見表１。含ＦＮＡ的短程硝化液是通過控制沼液污水處理系統中好氧生化池前半段的曝氣量來獲得，當池內ＤＯ控制在１～１.５ｍｇ·Ｌ－１，ＨＲＴ為１．１ｄ的時候，可有效實現池內ＦＮＡ的積累，通過使用Ｎ?（１?萘基）?乙二胺分光光度法監測好氧生化池內ＦＮＡ濃度達到１７０～２００ｍｇ·Ｌ－１，即完成短程硝化液的制備，并使用臨時管道和抽水泵抽至預處理池與污泥混合。

２.２試驗設計

本次工程試驗設置１組空白對照組和１組試驗組來考察ＦＮＡ對污泥中溫厭氧消化過程及產氣產沼的影響。試驗組將２０ｔ含水率８０％的市政污泥投至預處理池中，加入２.１所述的短程硝化液，攪拌均勻，待污泥呈粥樣化（含水率９０％～９５％）時，開啟進料泵（干井泵）將粥樣化污泥輸送至中溫厭氧一體化裝置內。取樣測定反應器內ＦＮＡ的濃度為１７８ｍｇ·Ｌ－１。空白組用自來水調節污泥含水率，其余操作與試驗組相同。

污泥在中溫厭氧一體化裝置中通過攪拌系統保持均質，通過太陽能加熱裝置維持反應器內物料溫度為３６℃±１℃，發酵時間為２４ｄ，發酵期間所產生的沼氣進入頂部的沼氣收集裝置，產氣量通過沼氣

在線流量計監測，每天讀值并記錄。污泥消化過程中的物料溶解性ＣＯＤ（ＳＣＯＤ），ｐＨ值，揮發性脂肪酸（ＶＦＡ）和ＦＮＡ濃度通過取樣口每天采樣并在廠內的化驗室分析測定。

２.３分析方法

所取泥水混合液先在１００００ｒ·ｍｉｎ－１轉速下離心２ｍｉｎ，取上清液采用孔徑為０.４５μｍ微孔濾膜后得到的液體樣品。ＴＳ和ＶＳ：稱重法；ｐＨ值：采用ｐＨ計進行測定；ＶＦＡ：滴定法；ＳＣＯＤ：重鉻酸鹽法；ＦＮＡ：分光光度法；產沼氣量、產甲烷量：渦街流量計［１５］。

３ 結果與討論

３.１對ＳＣＯＤ含量的影響

有機質厭氧發酵需要經過水解、酸化和甲烷化３個連續過程，污泥中有機物需經過破壁釋放進入水中才能被產酸菌和產甲烷菌利用，緩慢的水解速率是污泥厭氧消化的限速步驟。ＦＮＡ對細胞壁破降到最低值１２５ｍｇ·Ｌ－１；實驗組在第３天達到了１１４３ｍｇ·Ｌ－１，第１９天降到最低值９５ｍｇ·Ｌ－１，對比實驗組與空白組的ＳＣＯＤ含量變化，污泥與短程硝化液聯合中溫厭氧發酵的實驗組比污泥單獨中溫厭氧發酵的空白組水解時間縮短了５０％，溶出ＳＣＯＤ濃度提高了７７.７６％，實驗結果表明，ＦＮＡ的投加在污泥中溫厭氧發酵中的破壁水解過程有加速作用，并且可降低后續沼液中ＣＯＤ濃度。

３.２對ＶＦＡ含量的影響

揮發性脂肪酸（ＶＦＡ）是污泥厭氧發酵中產酸發酵階段的產物，包括乙酸、丙酸、丁酸、異丁酸、戊酸、異戊酸、正丁酸等，不僅可以作為產甲烷的底物，而且是脫氮除磷微生物所必需的碳源^{［１６－１８］}。ＶＦＡ的含量及其組分對污泥厭氧發酵后續的產甲烷階段至關重要。ＶＦＡ含量上升主要是因為產酸菌利用水解產物合成ＶＦＡ，含量下降是由于產甲烷菌的消耗。

可以看出，反應器中ＳＣＯＤ濃度在發酵初期快速增長，然后保持平穩，隨反應進行，快速下降至最低濃度后基本不變。這主要由于消化底物充足，水解、酸化細菌分泌的水解酶能徹底分解有機物而導致ＳＣＯＤ含量上升，到達頂峰后基本維持１０ｄ，說明這期間ＳＣＯＤ的生產量與消耗量基本維持平衡，１５ｄ之后由于消化底物有機質減少的同時產甲烷菌消耗ＳＣＯＤ產生沼氣導致ＳＣＯＤ含量大幅下降。空白組ＳＣＯＤ在第６天達到最大值６４３ｍｇ·Ｌ－１，第２５天可以看出，空白組與實驗組ＶＦＡ濃度都呈現快速上升后平穩保持，再快速下降至較低水平維持平衡。實驗組與空白組在發酵第５天差異顯著，空白組為４７６ｍｇ·Ｌ－１，實驗組為９７８ｍｇ·Ｌ－１，提高了１０５％，在發酵第９天達到最大值，分別為７６８ｍｇ·Ｌ－１和１３６８ｍｇ·Ｌ－１，較空白組提高了７８％；第１２天實驗組出現了極值１４２５ｍｇ·Ｌ－１且維持在較高值；在第２２天產氣基本完成，ＶＦＡ濃度降至最低。ＶＦＡ變化趨勢與ＳＣＯＤ基本一致，但達到最大值時間長于ＳＣＯＤ，主要由于ＶＦＡ的產生和累積發生在多糖和蛋白質水解后。上述實驗結果表明，ＦＮＡ的投加可提高污泥中溫厭氧發酵的ＶＦＡ產量。

３.3對污泥產氣量的影響

３.3.１日產氣量

空白組發酵初期產沼氣量和產甲烷量逐步上升，第１個產氣小高峰出現在第５天，沼氣流量計讀值為２９.８４ｍ３，甲烷流量計讀值為１２.５３ｍ３。第５～１０天日產沼氣量和產甲烷量逐漸下降，這主要因為反應器內ＶＦＡ的累積導致ｐＨ值下降，酸性環境下產甲烷菌受一定程度地抑制，隨著ＶＦＡ的逐漸消耗，反應器內ｐＨ值緩慢上升，日產氣量逐漸上升，第２個產沼氣高峰出現在第１７天，沼氣流量計讀值為４９.０２ｍ３，甲烷流量計讀值為２８.４３ｍ３，為整個發酵周期的最高值，隨著反應器內的有機質消耗殆盡，日產氣量逐漸下降，到２４ｄ污泥的厭氧發酵基本完成。試驗組的日產氣量走勢與空白組相似，產氣高峰也有２個，第１個產氣小高峰出現在第４天，沼氣流量計讀值為0 5 10 15 20 25 30 35消化時間/d３６.８ｍ３，比空白組的第１個產氣小高峰高１８.９１％，甲烷流量計讀值為１５.４６ｍ３，比空白組高２３.３８％。

第２個產氣高峰出現在１７ｄ，沼氣流量計讀值為５６.３０４ｍ３，比空白組高１４.８６％，甲烷流量計讀值為３３.２２ｍ３，比空白組高１６.８５％。空白組沼氣中甲烷含量初期均值為４０.６％，實驗組為４２％，隨著反應進行空白組均值逐步上升至５７.７１％，實驗組上升至６０.６４％。

３.4. 累積產氣量

空白組與試驗組累積產氣量的變化趨勢是一致的，都是先增長后趨于平穩，空白組的累積產氣量是５９８.２６ｍ３，試驗組的累積產氣量是７１０.７ｍ３，產氣量提升１８.８％，這說明ＦＮＡ的投加在污泥中溫厭氧發酵的工程應用中有效提高污泥的產氣量和產氣率。污泥中溫厭氧發酵的資源化利用有較大的提升。但工程應用中的產氣量提升率（１８.８％）不及ＭｅｎｇＪｉａ［１４］等在文獻報道中的３７％，由于本次工程試驗中ＦＮＡ是通過短程硝化工藝獲得的，與文獻中所使用的由純水配制而成的ＦＮＡ溶液相比還包含了重金屬等抑制產甲烷菌活性的物質，故需進一步的試驗優化與機理探究揭示工程應用中產氣量提升較少的原因所在。

４ 結論

（１）含ＦＮＡ的短程硝化液與市政剩余污泥聯合中溫厭氧發酵可顯著提高污泥的水解、酸化及產氣效率，當ＦＮＡ濃度為１７８ｍｇ·Ｌ－１時，對照空白組ＳＣＯＤ和ＶＦＡ分別提高了７７.７６％，７８.１３％，３３.１５％和７４.０３％；甲烷產率提高了１８.８％；中溫厭氧有助于降低污泥ＣＳＴ，短程硝化液的回流投加可進一步降低污泥ＣＳＴ，提高污泥脫水性能。發酵后沼渣脫水率提高了１３.３％。

（２）短程硝化液中的ＦＮＡ在發酵過程中被快速消耗，不會抑制產甲烷菌的活性。

（３）短程硝化工藝與市政剩余污泥中溫厭氧發酵工藝的結合運用可節省沼液生化處理需氧量、碳源，縮短污泥消化系統停留時間，減少占地面積，為用地稀缺情況下污泥厭氧消化池改造提供了一條新路徑。

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