不同电解质对电化学预处理剩...氧发酵产挥发性脂肪酸的影响_董鑫磊.pdf

第 40 卷第 12 期2022 年 12 月环境工程Environmental EngineeringVol40No12Dec2022收稿日期:20220319基金项目:国家自然科学基金(52100040);国家重点研发计划项目(2019YFC1904005);湖北省自然科学基金(2020CFB403)第一作者:董鑫磊(1998)，男，硕士研究生，主要研究方向为污泥处理及资源化。1909535582 qqcom*通信作者:郭刚(1987)，男，副教授，主要研究方向为含硫废水、污泥处理及资源化。ceguogang husteducnDOI:10.13205/jhjgc202212010董鑫磊，林青山，林亚楠，等 不同电解质对电化学预处理剩余污泥厌氧发酵产挥发性脂肪酸的影响J 环境工程，2022，40(12):7178不同电解质对电化学预处理剩余污泥厌氧发酵产挥发性脂肪酸的影响董鑫磊1林青山1林亚楠2习诗浩1程伯夷1陈磊1张达1王宗平1郭刚1*(1华中科技大学 环境科学与工程学院，武汉 430074;2中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)摘要:电化学预处理剩余污泥(waste activated sludge，WAS)厌氧发酵(anaerobic fermentation，AF)产挥发性脂肪酸(volatile fatty acids，VFAs)具有良好的应用价值和环境效益，然而不同电解质对电化学预处理剩余污泥以及厌氧发酵的效果具有较大影响。因此，实验考查了不同电解质(空白对照，NaCl，Na2SO4和 CaCl2)在电流强度为 1 A、预处理时间为 60 min 的电化学处理条件下，对剩余污泥厌氧发酵产 VFAs 的影响。结果表明:当 0.05 mol/L NaCl 作为电解质时，在电化学预处理阶段污泥有机质(溶解性 COD、多糖、蛋白质等)溶出效果较其他电解质更好。在厌氧发酵阶段，该条件下 VFAs 最大累积量可达到 2625.8 mg COD/L，相比空白对照组提升了 51.6%，表明 NaCl 作为电解质的电化学预处理不仅能够有效促进剩余污泥中有机质溶出，而且有利于产酸微生物(如 Firmicutes 和 Bacteroidetes)的富集，从而促进厌氧发酵产 VFAs，达到提高污泥资源化利用率的目的。关键词:电化学预处理;厌氧发酵;挥发性脂肪酸;剩余污泥EFFECTS OF ELECTOLYTES ON ACIDOGENIC FEMENTATION OF WASTE ACTIVATEDSLUDGE FO VOLATILE FATTY ACIDS PODUCTION VIA ELECTOCHEMICAL PETEATMENTDONG Xinlei1，LIN Qingshan1，LIN Yanan2，XI Shihao1，CHENG Boyi1，CHEN Lei1，ZHANG Da1，WANG Zongping1，GUO Gang1*(1Huazhong University of Science and Technology School of Environment Science Engineering，Wuhan 430074，China;2China ailway Siyuan Survey and Design Group Co，Ltd，Wuhan 430074，China)Abstract:Anaerobic fermentation(AF)of waste activated sludge(WAS)via electrochemical pretreatment(EPT)is apractical，effective and cost-saving protocol for volatile fatty acids(VFAs)production However，AF performance issignificantly affected by the different electrolytes during EPT This study aimed to investigate the effects of different types ofelectrolytes(Control，NaCl，Na2SO4and CaCl2)on VFAs production from AF of WAS via EPT with a current intensity at 1 Afor 60 min The results showed that by using 0.05 mol/L NaCl as the electrolyte during EPT，the amount of organic matterreleased from WAS，such as soluble COD，glycogen，protein etc，was the highest compared to other electrolytes Thus themaximal VFAs accumulation during AF via EPT by using NaCl as the electrolyte reached 2625.8 mg COD/L，which was51.6%higher than that of the control These results indicated that EPT with NaCl as the electrolyte could effectively improvethe hydrolysis of WAS，increase the amount of organic matter released from WAS and promote the enrichment of anaerobicfermentative bacteria(such as Firmicutes and Bacteroidetes)All of these subsequently promoted the AF of WAS and thusincreased VFAs production，which in turn enhanced the resource recovery from WAS treatmentKeywords:electrochemical pretreatment;anaerobic fermentation;volatile fatty acid;waste activated sludge环境工程第 40 卷0引言随着我国城市化速度加快和人民生活水平的提高，我国用水量和污水量不断增加，导致剩余污泥产量也随之增加1。我国 2020 年污泥产量已超过6000 万 t，预计到 2025 年我国污泥年产量将达到9000 万 t2。由于剩余污泥具有亲水性强、有机质含量多、有毒有害物质含量高等特点，导致剩余污泥存在难脱水、易腐败、易二次污染等问题，因此剩余污泥的无害化及资源化处理被广泛关注。厌氧发酵是厌氧消化反应过程的中间阶段，具有处理时间短、处理要求低、在发酵过程中可产生很多高附加值产物，如挥发性脂肪酸使其具有降低污染和回收资源等特点3，被认为是一种很好的污泥无害化及资源化处理技术。在剩余污泥厌氧发酵过程中，水解阶段通常被认为是限速阶段4。适当的预处理能够促进剩余污泥水解，提高 VFAs 累积量。目前，促进剩余污泥水解过程的预处理方法包括热处理5、酸碱处理6、超声波处理7、化学处理8 等，但这些方法存在着处理时间长、成本较高或对环境造成二次污染等问题6。电化学预处理是利用电化学直接氧化生成的 OH 或间接氧化生成的 O3、Fe3+、HClO 等氧化性物质对污泥进行处理的方法。与其他方法相比，电化学预处理具有占地面积小，处理时间短、可控性强的优势9，10。据报道，电化学处理剩余污泥主要利用阳极直接氧化反应对细胞组织、胞外聚合物等进行降解，但其受电极材料接触面积、活性氧浓度等因素的限制，使得直接氧化的速率较低，这限制了电化学预处理效果11。通过投加含有特定离子(Fe2+、Cl)的电解质，不仅能够促进电化学间接氧化反应，增加电化学预处理效果，还能够改善污泥导电性能，节省能耗12。例如，曾丽等13-15 报道 NaCl、CaCl2、Na2SO4、NaHNO3等作为电化学电解质均可有效提高污泥的破解效果，促进污泥脱水。但鲜有不同电解质对电化学预处理剩余污泥厌氧发酵产 VFAs 的影响研究。因此本实验考查了在电流强度为 1 A、预处理时间为60 min 的电化学条件下，投加不同电解质(空白对照，NaCl，Na2SO4和 CaCl2)情况下，首先对比了电化学预处理阶段污泥特性的变化，接着通过厌氧发酵实验比较产酸效果。本实验结果可为电化学预处理强化污泥厌氧发酵产挥发性脂肪酸提供技术参考。1材料与方法1.1剩余污泥和接种物来源及特征实验所用剩余污泥取自武汉市汤逊湖污水处理厂二沉池，污泥取回后经 5 mm 筛网过滤，静置沉淀除去上清液于 4 储存。厌氧发酵接种污泥取自实验室稳定运行的两相厌氧反应器产酸相，接种前将其在 35 摇床内放置 12 h，以保持活性。剩余污泥和接种污泥的特性如表 1 所示。表 1剩余污泥和接种污泥的特性Table 1Characteristics of waste activated sludge andthe inoculated sludge指标剩余污泥接种污泥total solids(TS)/(g/L)21.60.214.80.1volatile solids(VS)/(g/L)11.60.113.90.3总 COD/(g/L)21.60.520.30.5溶解性 COD/(mg/L)148.21.1872.63.2溶解性多糖/(mg/L)13.50.233.70.4溶解性蛋白/(mg/L)43.80.5107.11.1总碳水化合物/(g/L)2.50.33.90.5腐殖酸/(mg/L)4.00.825.41.31.2实验装置电化学预处理实验装置由电源、电极反应器、支撑柱、烧杯、搅拌器和循环泵组成(图 1)。电源用于提供电化学所需要的电流，采用直流稳压电源(MS3010D，迈胜，东莞)。电极反应器为圆柱形玻璃容器(长 15 cm，直径 5 cm)，两端分别连接电源正极和负极，内部有 3 块正极板和 4 块负极板，正极板为Ti/uO2-IrO2(长15 cm宽3 cm)，负极板为钛板电极(长12 cm宽3 cm)。电极反应器与循环泵导管相连接，用于剩余污泥循环。烧杯用于预处理剩余污泥，搅拌器采用择磁力搅拌(85-1 型，科尔，武汉)，转速为 200 r/min，用于电解过程污泥的搅拌。循环泵选择蠕动泵(BT100-2J，上海)，用于污泥在电极反应器和烧杯中的循环。图 1电化学预处理实验装置Figure 1Experimental device for electrochemical pretreatment1.3实验方法1.3.1电化学预处理阶段在电化学预处理剩余污泥阶段，考察不同电解质27第 12 期董鑫磊，等:不同电解质对电化学预处理剩余污泥厌氧发酵产挥发性脂肪酸的影响对剩余污泥特性变化的影响，实验条件如表 2 所示。按照电解质种类(NaCl、Na2SO4、CaCl2和未投加电解质)将对照组分别记为 1、2、3 和 4，剩余污泥浓度控制为 20 g/L，循环泵流量为 800 ml/min，处理量为 800 mL。在添加所需电解质后，搅拌 5 min 后进行电化学预处理，每隔 10 min 取样测定 pH、氧化还原电位(OP)等指标，对比不同电解质的预处理效果。每组实验设置 2 个平行实验，处理前污泥样品编号0。表 2预处理阶段实验条件Table 2Experimental conditions duringelectrochemical p