温度调节对污泥中有机质和氮磷溶出的影响研究

苑宏英，孙锦绣，王 亭，祁 丽

(天津城建大学 a. 天津市水质科学与技术重点实验室；b. 环境与市政工程学院，天津 300384)

环境与市政

温度调节对污泥中有机质和氮磷溶出的影响研究

苑宏英ab，孙锦绣ab，王 亭ab，祁 丽ab

(天津城建大学 a. 天津市水质科学与技术重点实验室；b. 环境与市政工程学院，天津 300384)

污泥热处理可以破坏污泥絮体，加快固体物质的溶解.对污泥进行50 ℃水浴加热以了解加热过程中污泥中有机质和氮磷的溶出情况.结果表明，加热有利于污泥中有机质的溶出，加热2 h后，溶解性蛋白质(SPN)、溶解性碳水化合物(SPS)、溶解性化学需氧量(SCOD)、氨氮(NH4＋-N)和磷酸盐(PO43--P)的溶出量均有提高，分别为36.03、9.41、60.59 mg/g VS，5.99、7.28 mg/g TS.

温度调节；剩余污泥；有机质；氮；磷

污泥是由污水处理构筑物所排出的以有机物为主要成分的沉淀物，易于腐化发臭，颗粒较细，比重较小(约为 1.02～1.006)，含水率高且不易脱水，属于胶状结构的亲水性物质．污泥具有氮、磷、钾、有机物含量高的特点，如果能采取某些处理技术，将污泥中的氮、磷、有机物等释放出来并加以利用，不仅能增加污水处理厂内部生物易利用的碳源，解决低碳城市污水和生物难降解有机废水生物除磷脱氮效率低的问题；还可以回收利用氮磷物质，实现污泥资源化利用．

污泥水解是限制污泥消化速率的关键[1]．国内外研究发现，通过对污泥进行预处理可以促进污泥水解及提高脱水性能．目前，国内外常用的污泥预处理方法有物理方法、化学方法、生物方法或几种预处理相结合的方法，目的是通过各种调质方法直接破坏污泥微生物的细胞壁，使有机质溶出以增大污泥的水解速率[2]．通常所说的污泥热处理只是对污泥进行升温，破坏污泥的絮体结构，而不关心细胞是否破碎、细胞物质是否水解[3]．加热能够破坏胶体颗粒的稳定性，破坏微生物的细胞壁，有利于污泥中氮、磷和有机质等的回收利用[4-5]．加热处理亦可杀灭病毒、寄生虫卵等，保证污泥利用的安全性．

1 材料与方法

1.1 污泥初始特性

试验所用剩余污泥取自天津某一污水处理厂的回流污泥泵房，污泥取回后静置24 h，并排出上清液，将剩下的污泥作为试验的初始污泥．初始污泥的特性见表1．

表1 剩余污泥初始特性

其中：ORP为氧化还原电位；TS为总固体浓度；VS为挥发性总固体浓度；NH4＋-N为氨氮；PO43--P为磷酸盐；TN为总氮；TP为总磷；TPN为总蛋白质；TPS为总碳水化合物；TCOD为总化学需氧量；SPN为溶解性蛋白质；SPS为溶解性碳水化合物；SCOD为溶解性化学需氧量．

1.2 试验方法

本试验加热温度设定为50 ℃．试验将同一初始特性的污泥混合均匀后分为5份，分别将其放入相同规格烧杯内并编号为1#、2#、3#、4#和5#．采用如下的控制方式：1#为不加热(室温 18 ℃左右)的空白对照；2#为在50 ℃的水浴锅中加热0.5 h；3#为加热1 h，4#为加热1.5 h；5#为加热2 h．加热后将装有污泥的烧杯从水浴锅中拿出冷却，待污泥温度降至室温后测定溶解性蛋白质、碳水化合物、化学需氧量、氮、磷等相关指标，由此分析加热时长对污泥水解的影响．

溶解性蛋白质、碳水化合物、化学需氧量、氨氮和磷酸盐的测定均按照标准方法[6]．

2 结果与讨论

2.1 有机质的溶出情况

2.1.1 SPN和SPS的溶出情况

不同加热时长条件下，SPN和SPS的浓度变化过程分别见图1和图2．

图1 SPN的溶出量随加热时间的变化

从图1-2中可以看出：污泥SPN和SPS在加热条件下的溶出量变化趋势相同，加热0.5 h效果已经比较明显，之后溶出量均随着加热时间的延长而缓慢增加；当加热时长为2 h时达到最大值，SPN的含量从最初的7.976 mg/g VS增加到36.034 mg/g VS，约增加了3.5倍；SPS含量从最初的3.052 mg/g VS增加到9.406 mg/g VS，约增加了2.1倍．

剩余活性污泥中的有机颗粒，通过热预处理被液化为可溶性碳水化合物、蛋白质或转化成较低分子量的化合物[7]．Tanaka等[8]的研究指出，PN、PS及脂类是城市污水污泥的最主要组成部分．通过加热处理，使污泥细胞壁发生破解，胞内有机质大量溶出，因此SPN和SPS溶出量逐渐增大．

2.1.2 SCOD的溶出情况

不同加热时长条件下 SCOD的浓度变化过程如图3所示．

图3 SCOD的溶出量随加热时间的变化

由图3可以看出，SCOD的浓度随着加热时间的延长而逐渐增大，0.5 h时加热效果不明显，1.5 h后趋于稳定，当加热2 h时达到最大值，SCOD的含量从最初的30.500 mg/g VS增加到60.591 mg/g VS，约增加了0.99倍．

SCOD同SPN、SPS一样，也是EPS中的一部分，当污泥细胞壁被破坏后，SCOD将大量溶出，Nges等[9]认为，SCOD的大量溶出是由于污泥细胞分解(扩散和絮体解体)，使其形成简单的单体化合物如VFAs、氨基酸和单糖．一般来说，更高的温度和更长的加热时间有利于有机质的溶出[10]．Wu Haiyan等[11]指出，SCOD溶出量的大小表征了污泥水解效果的好坏，这说明加热更有利于提高剩余污泥的水解程度．

2.2 NH4＋-N和PO43--P的溶出情况

不同加热时长条件下，NH4＋-N和PO43--P的浓度变化过程分别见图4和图5．

从图4和图5中可以看出，加热对氨氮和磷酸盐的溶出都有促进作用，加热2 h后达到最大值，氨氮的含量从最初的4.547 mg/g VS增加到5.994 mg/g VS，约增加了 32%，磷酸盐的含量从最初的 6.331 mg/g VS增加到7.281 mg/g VS，大约增加了15% ．

图4 氨氮随加热时长的变化

图5 磷酸盐随加热时长的变化

50 ℃的水浴加热并没有使磷快速溶出，这与薛涛等[4]的研究结果不同．加热对氨氮和磷酸盐溶出的促进作用不及对有机质的作用，可能的原因是50 ℃的水浴加热只是促进了固体物质的溶解及污泥絮体的破碎[12]，50 ℃不足以使污泥中的氮磷快速溶出，污泥中固态的氮磷部分溶解到液相中导致氨氮和磷酸盐略有增加．

3 结 论

(1)50 ℃水浴加热有利于污泥中蛋白质、碳水化合物、COD等有机质的快速溶出，对氨氮和磷酸盐的溶出促进作用不明显．

(2)加热2 h后，SPN、SPS、COD、氨氮和磷酸盐的溶出量都得到提高．SPN、SPS、COD、氨氮和磷酸盐的浓度分别增加了约3.5倍、2.1倍、99% 、32% 和15% ．

［1］ 任 贺，韩相奎，李 广，等． 剩余污泥预处理方法概述[J]. 中国资源综合利用，2014(3)：45-48．

［2］ MULLER J A．Prospects and problems of sludge pre-treatment processes[J]. Water Science Technology，2001，44(10)：121-128．

［3］ 肖本益，阎 鸿，魏源送．污泥热处理及其强化污泥厌氧消化的研究进展[J]．环境科学学报，2009(4)：673-682．

［4］ 薛 涛，黄 霞，郝王娟．剩余污泥热处理过程中磷、氮和有机碳的释放特性[J]．中国给水排水，2006(23)：22-25．

［5］ KURODA A，TAKIGUCHI N，GOTANDA T，et al．A simple method to release polyphosphate from activated sludge for phosphorus reuse and recycling [J]. Biotechnology and Bioengineering，2002，78(3)：333-338．

［6］ 国家环境保护总局．水和废水监测分析方法[M]. 北京：中国环境科学出版社，2002．

［7］ KIM J，PARK C，KIM T，et al．Effects of various pretreatments for enhanced anaerobic digestion with waste activated sludge [J]．Journal of Bioscience and Bioengineering，2003，95(3)：271-275．

［8］ TANAKA S，KOBAYASHI T，KAMIYAMA K，et al. Effects of thermochemical pretreatment on the anaerobic digestion of waste activated sludge [J]. Water Science and Technology，1997，35(8)：209-215.

［9］ NGES I A，LIU Jing．Effects of anaerobic pre-treatment on the degradation of dewatered-sewage sludge [J]. Renewable Energy，2009，34(7)：1795-1800．

［10］ APPELS L，DEGRÈVE J，VAN IMPE J，et al. Influence of low temperature thermal pre-treatment on sludge solubilisation，heavy metal release and anaerobic digestion [J]. Bioresource Technology，2010，101(15)：5743-5748．

［11］ WU Haiyan，YANG Dianhai，ZHOU Qi，et al．The effect of pH on anaerobic fermentation of primary sludge at room temperature [J]. Journal of Hazardous Materials，2009，172(1)：196-201．

［12］ 王治军，王 伟．污泥热水解过程中固体有机物的变化规律[J]. 中国给水排水，2004(7)：1-5.

Effect of Temperature Control on Dissolution of Organics and Ammonia and Phosphate in Sludge

YUAN Hong-yinga b，SUN Jin-xiua b，WANG Tinga b，QI Lia b
(a. Tianjin Key Laboratory of Aquatic Science and Technology；b. School of Environmental and Municipal Engineering，Tianjin Chengjian University，Tianjin 300384，China)

Heat treatment of sludge can destroy the sludge flocs and accelerate the dissolution of solid materials. Sludge was put in 50℃ hot water in order that people can observe the dissolution of organics and ammonia and phosphate in sludge in the heating process. The results show that the heating is benefit for the dissolution of organics，and the soluble protein(SPN)，soluble polysaccharide(SPS)and soluble chemical oxygen demand(SCOD)，ammonia nitrogen(NH4+-N)，phosphate(PO43--P)are increased in the 50 ℃ water bath pot after 2 hours. The release of these materials is 36.03mg/g VS，9.41mg/g VS，60.59mg/g VS，5.99mg/g TS and 7.28mg/g TS respectively.

temperature control；wasted sludge；organics；nitrogen；phosphorus

X703

A

2095-719 X(2015)06-0408-04

2015-01-13；

2015-03-19

国家自然科学基金(51308374)；天津市科技支撑项目(13ZCZDGX03100)

苑宏英（1974—），女，山西大同人，天津城建大学教授，博士．