热碱促进污泥水解的试验研究

摘要：生物污泥中含有大量的有机质，通常是运用厌氧或者好氧进行稳定化处理，为了加速污泥消化进程以及减量化效果，增加沼气成分回收，本试验采用低温热处理（T≦100℃），常温加碱破解（30℃）、升温加碱破解手段对剩余生物活性污泥进行处理，试验结果表明，热碱联合破解污泥溶出的SCOD值远远高于单纯加热、常温加碱处理的水平，在80℃～100℃过程中存在溶出减少现象。

关键词：污泥处理 细胞破壁 低温热处理 低温热碱处理

前言

中温厌氧消化是一种使用最广泛的城市下水道生物污泥稳定化技术，其生物学的水解被认为是制约其消化速度的阶段。国外的研究认为是由于半刚性惰性物质细胞壁妨害了细胞内含物的溶出水解，并提出通过机械的^[1]、加碱加酸[^2]、氧化^[3]、热解^[4]以及超声波^[5]等处理方式，促使细胞壁破裂，溶出生物细胞中含有的大多数有机物质，从而加速污泥的水解过程，达到缩短消化时间，改善污泥的脱水性能，减少消化池容积，提高甲烷产量的目的^[6]。但是从一些学者的研究可以看出，污泥机械破解、超声破解的输入能量以及运行费用较高，从节约能源角度上，日本学者平冈正胜提出并且提倡通过60℃低温热处理来增加污泥分解量^[7]，那么从适用性的角度来看，如果存在废热以及废碱可以利用时，我们是否可以通过低温热处理和碱的联合处理来增加生物污泥中含有的有机物溶出呢？鉴于以上目的，本文主要集中研究在低温条件下（T≦100℃）剩余生物污泥热处理、常温碱处理以及加热碱破壁的效果。

1 实验方法

1.1试验用料来源

实验所用剩余生物活性污泥取自天津大学中水回用处理反应器。进行沉淀浓缩后，所得污泥作为实验用料。剩余污泥主要特性指标如表1所示。（其中TCOD、SCOD说明见2.4）

1.2 实验装置 　低温热碱破壁的实验装置主要为恒温水浴锅、反应容器以及磁力搅拌器组成的系统。如图1所示。

1.3污泥破解实验方法　

根据实验目的将四个水浴锅温度分别保持在30℃、40℃、50℃、60℃、80℃、100℃四个阶段，每个水浴锅中放入三个1000ml广口瓶，然后每个广口瓶内加入800ml浓缩活性污泥，并且用搅拌器连续搅拌。待广口瓶内污泥温度达到水浴温度后8小时测定SCOD值。在污泥热碱处理过程中，首先进行常温条件下（30℃）的加碱破解效果试验，然后对40℃、50℃、60℃、80℃、100℃温度下的热碱破解试验，在加碱试验中，操作步骤严格控制同污泥热处理相同，待广口瓶内污泥温度达到水浴温度后，用NaOH溶液（2.0 mol/L）迅速将三个广口瓶内污泥的pH值分别调节为9、10、11、12。

1.4 分析项目及方法 　　

污泥破解试验中主要以污泥上清液SCOD(溶解性化学需氧量)变化来确定效果。其中TCOD（总化学需氧量）为处理剩余污泥混合液的COD值， SCOD为破壁试样离心分离后过滤所得上清液的COD值^{[7 ]}。COD测定为重铬酸钾法。离心机的转数4000r/min，作用时间为20分钟。

2 污泥低温热碱破壁实验效果

试验首先通过污泥加热处理、常温条件下（30℃）加碱处理来考察温度、碱量（即不同pH）、处理时间三个因素对细胞溶出效果的影响。所得污泥上清液SCOD增加如图1、2所示。

从图1我们可以看出随着温度的逐渐升高，污泥中SCOD（24h后）溶出量增加。在污泥温度超过50℃～80℃间的溶出增加明显，污泥温度在80℃左右出现峰值，约为900mg/L左右，而污泥温度由80℃增至100℃时出现SCOD值变小的现象，实验中可以观察到热作用后的污泥混合液表层有一层油层浮膜产生。笔者认为SCOD溶出量减缓的原因可能是微生物细胞中溶出的一部分蛋白质发生变性，发生凝固反应产生浮膜，降低了SCOD中可溶性蛋白质含量^[8]。

图2是在常温（30℃）条件下，pH＝10、11、12三种不同碱量处理24h过程中污泥的SCOD溶出量变化。图2显示出加碱量m和作用时间t之间的关系，在温度一定的情况下（30℃），不同加碱量处理的污泥SCOD曲线溶出在时间上呈现的几乎相同规律，只是具体处理水平存在差异。当污泥初始pH＝12时的SCOD值为1960mg/L,较pH＝11增加了569mg/L。通过图2，我们可以认为碱处理8小时比较有效。8小时后的16个小时内SCOD值增加得很少，最大的增幅只有100mg/L左右。

基于以上试验的研究，我们在其后进行的污泥低温热碱联合水解的实验中，主要选取了40℃、50℃、60℃、80℃、100℃几个温度段，污泥初始pH值调节为10、11、12的污泥破壁实验。实验过程中，热碱联合处理24个小时后的污泥上清夜SCOD变化如图3所示。

通过图3我们可以得到在污泥水解过程中热碱联合处理的意义。当热碱联合作用后，其SCOD增加值远远高于单纯加热和加碱作用二者之和，投加相同碱量时，在30℃～80℃内，污泥上清液的SCOD溶出随着污泥预处理温度的升高而出现大幅度增加，pH＝10、 pH＝11、pH＝12的污泥试样在100℃时的SCOD值达到分别2770mg/l、3880mg/l、4258mg/l，是污泥常温下（30℃）加碱分解溶出SCOD值的4倍、3.5倍、2.5倍，而当温度高于80℃时，同样出现污泥单纯热处理的现象，也出现SCOD值变化减缓的现象。在温度相同的条件下，由图可以看出，随着pH值的升高，污泥上清液SCOD值也升高，即增加污泥中碱的投加量可以提高污泥水解程度，笔者认为加碱溶解了生物细胞体的脂类物质，降低了污泥中生物细胞壁对温度的耐受力，促使细胞生物体内含物的流出，为加速厌氧消化进程或者回流曝气池处理提供了良好的条件，可以达到污泥减量化的目的。

3 结论

生物细胞内所含有有机质的溶出对于污泥的减量化和稳定化处理有着直接的影响，是一种很有应用前景的技术手段，在国外被广泛的研究。作为初步的研究，我们通过以上试验可以得知：

① 在较低的温度（<100℃）作用下，可以获得一定污泥生物有机质的溶出。在80℃～100℃间出现溶出减少现象，原因有待进一步确定研究。

② 污泥加碱低温破壁24小时后, SCOD达到曲线高峰，作用时间8h即可达到80 ％的SCOD数值。pH＝12时存在溶出SCOD值的突跃。

③ 在温度一定的情况下, pH＝10、pH＝11、pH＝12的剩余活性污泥具体处理水平存在差异。对于相同的pH来说，温度的上升会提高SCODD的溶出。在相同的污泥温度（30℃、40℃、50℃、60℃）条件下，提高碱量（pH＝10、pH＝11、pH＝12）也可以增加污泥中SCOD的溶出。 并且热碱联合作用后，SCOD增加值远远高于单纯加热和加碱作用二者之和，达到了相乘效果。