農村(cūn)生活污水(shuǐ)強化(huà)膜混凝性能及其污泥資源化(huà)潛力

摘要(yào)：農村(cūn)生活污水(shuǐ)和污泥的就(jiù)地(dì)處理與資源化(huà)利用近年來(lái)受到廣泛關注，與生物(wù)法相(xiàng)比，強化(huà)膜混凝技術能快(kuài)速捕獲污水(shuǐ)中的碳、磷資源，目前已在北(běi)京農村(cūn)地(dì)區的生活污水(shuǐ)處理中得到示範應用。爲此，分(fēn)析了強化(huà)膜混凝技術的示範應用效果，并以其産生的污泥爲研究對象，考察了污泥中碳、磷的回收性能。結果表明，強化(huà)膜混凝一體(tǐ)化(huà)示範設備能在水(shuǐ)力停留時間(jiān)爲60min的條件(jiàn)下實現(xiàn)80%以上COD和TP的去除，并産生富含碳、磷且具有較好資源化(huà)潛力的污泥。酸堿預處理能有效強化(huà)污泥水(shuǐ)解，尤其是(shì)堿性條件(jiàn)能促進污泥中有機物(wù)和磷酸鹽的同步釋放，最高(gāo)濃度分(fēn)别達到5214.5mg/L和122mg/L。酸化(huà)發酵是(shì)實現(xiàn)有機物(wù)進一步轉化(huà)利用的重要(yào)途徑之一，當污泥初始pH調爲11時，酸化(huà)發酵效果最優，酸化(huà)産物(wù)産量達到3419.6mg/L（以COD計），酸化(huà)率高(gāo)達77.0%。“強化(huà)膜混凝+污泥酸堿預處理+酸化(huà)發酵”有望促進農村(cūn)生活污水(shuǐ)中碳、磷資源的回收，但(dàn)其後續利用方式和潛在風險需作進一步研究。

強化(huà)膜混凝技術采用混凝/吸附-膜過濾複合過程分(fēn)離(lí)去除污水(shuǐ)中的碳、氮、磷污染物(wù)，對污水(shuǐ)的水(shuǐ)量、水(shuǐ)質和環境溫度等條件(jiàn)具有良好的适應性，能保證穩定的出水(shuǐ)水(shuǐ)質；在同等COD去除效果條件(jiàn)下，隻需要(yào)常規生物(wù)法10%左右的水(shuǐ)力停留時間(jiān)（HRT），極大(dà)地(dì)減少了設備尺寸和占地(dì)面積。依托該技術，目前京津冀地(dì)區已經建立多(duō)處農村(cūn)生活污水(shuǐ)處理示範工(gōng)程。然而，如何實現(xiàn)膜混凝污泥的快(kuài)速穩定化(huà)、碳和磷資源回收以及終端資源化(huà)處置是(shì)制(zhì)約該技術進一步發展的關鍵問(wèn)題之一。相(xiàng)關研究表明，若采用厭氧消化(huà)技術對其進行(xíng)穩定化(huà)和資源化(huà)，微(wēi)生物(wù)很(hěn)難接觸和降解包裹在混凝絮體(tǐ)中的有機物(wù)，有機物(wù)降解轉化(huà)率較低(dī)，磷酸鹽也很(hěn)難與鋁離(lí)子分(fēn)離(lí)，磷酸鹽釋放率通(tōng)常不(bù)到10%。因此，有必要(yào)尋求一種有效技術手段強化(huà)膜混凝污泥中有機物(wù)和磷酸鹽的溶出釋放，便于通(tōng)過厭氧消化(huà)實現(xiàn)污泥穩定化(huà)和無害化(huà)，同時爲後續污泥資源化(huà)利用提供條件(jiàn)。

酸堿預處理，即調節污泥pH，是(shì)加速污泥水(shuǐ)解最廣泛的預處理方法之一。但(dàn)目前尚未見(jiàn)針對膜混凝污泥強化(huà)水(shuǐ)解酸化(huà)的相(xiàng)關報道(dào)。鑒于此，筆者以強化(huà)膜混凝示範工(gōng)程爲研究對象，考察其運行(xíng)性能，尤其是(shì)其産生的膜混凝污泥性質；在此基礎上，研究酸堿預處理條件(jiàn)下膜混凝污泥中有機物(wù)、磷酸鹽的溶出和變化(huà)規律，并評價其就(jiù)地(dì)就(jiù)近資源化(huà)利用潛力。

01 材料與方法

1.1 強化(huà)膜混凝示範工(gōng)程簡介

該示範工(gōng)程位于北(běi)京市通(tōng)州區某村(cūn)，采用強化(huà)膜混凝—人(rén)工(gōng)濕地(dì)處理工(gōng)藝，設計規模爲200m3/d，設計出水(shuǐ)水(shuǐ)質滿足北(běi)京市地(dì)方标準《農村(cūn)生活污水(shuǐ)處理設施水(shuǐ)污染物(wù)排放标準》（DB 11/1612—2019）的二級A标準。研究期間(jiān)，示範工(gōng)程進水(shuǐ)COD、TP和NH4+-N分(fēn)别爲（235.9±105.9）、（3.9±0.5）、（35.5±6.1）mg/L。強化(huà)膜混凝設備占地(dì)15m2，采用浸沒式超濾膜組件(jiàn)，膜材質爲PVDF，膜孔徑爲0.02μm。設備運行(xíng)過程包括過濾産水(shuǐ)、停歇及脈沖曝氣等步驟，每個周期持續11min，其中，産水(shuǐ)階段時長9min，恒定出水(shuǐ)流量約爲10.5m3/h。每個運行(xíng)周期內(nèi)設置脈沖曝氣的目的在于制(zhì)造水(shuǐ)力條件(jiàn)，在膜表面形成側流剪切力，從(cóng)而緩解膜表面的污染物(wù)累積。大(dà)約每4 d通(tōng)過排放膜混凝污泥和氣水(shuǐ)反沖方式緩解膜污染，大(dà)約每3個月采用次氯酸鈉溶液（1000～3000mg/L）對膜組件(jiàn)進行(xíng)浸泡清洗。膜池內(nèi)混凝劑（聚合氯化(huà)鋁）投加量爲20～50mg/L，吸附劑（粉末活性炭，木(mù)質/煤質混合，平均粒徑爲26.5μm，碘值>800 mg/g）投加量爲0～20mg/L，HRT爲60min。

1.2 膜混凝污泥強化(huà)水(shuǐ)解酸化(huà)實驗

本實驗反應器爲7個恒溫厭氧發酵罐（35℃），編号爲R1～R7，有效容積爲2L，其中R3爲對照(zhào)組（實驗期間(jiān)不(bù)調節pH）。實驗過程分(fēn)爲強化(huà)水(shuǐ)解階段和酸化(huà)發酵階段。強化(huà)水(shuǐ)解階段：在純氮氣吹脫條件(jiàn)下向所有發酵罐內(nèi)裝入2L膜混凝污泥，采用4mol/L鹽酸将R1和R2中污泥初始pH分(fēn)别調爲2和4，采用4mol/L NaOH溶液将R4～R7中污泥初始pH分(fēn)别調爲9、10、11和12；反應0.5 h後，取樣測定污泥的SCOD、PO43--P濃度。酸化(huà)發酵階段：強化(huà)水(shuǐ)解階段結束後，即進入酸化(huà)發酵階段，利用膜混凝污泥中原有微(wēi)生物(wù)對水(shuǐ)解生成的有機物(wù)進行(xíng)酸化(huà)發酵，每天檢測反應器中污泥的pH、SCOD、PO43--P、乙醇、有機酸（乙酸、丙酸、丁酸、戊酸和乳酸等）的變化(huà)情況，實驗結束後，測定反應器中氣體(tǐ)組分(fēn)以及污泥的總固體(tǐ)（TS）和揮發性固體(tǐ)（VS）含量。

02 結果與討(tǎo)論

2.1 強化(huà)膜混凝示範工(gōng)程運行(xíng)效果

在示範工(gōng)程中，雖然強化(huà)膜混凝設備的進水(shuǐ)COD波動較大(dà)［（235.9±105.9）mg/L］，但(dàn)出水(shuǐ)COD基本穩定在50mg/L以下［（42.4±7.2）mg/L］，去除率爲82%；該設備對TP同樣具有較好的去除效果，出水(shuǐ)TP爲（0.48±0.19）mg/L，去除率達到85%以上；但(dàn)該設備對NH4+-N的去除作用有限，去除率約爲28%，去除途徑主要(yào)是(shì)活性炭和膜表面泥餅層的吸附截留作用。

強化(huà)膜混凝設備産生的污泥性質如表1所示，COD和TP含量遠高(gāo)于文獻報道(dào)的含鋁鹽混凝劑的初沉污泥，因此，膜混凝污泥具有更大(dà)的碳、磷資源回收潛力。另外(wài)，膜混凝污泥的SCOD和PO43--P含量非常低(dī)，這(zhè)說明污泥中絕大(dà)部分(fēn)的碳、磷是(shì)以懸浮态和膠體(tǐ)态形式存在，直接進行(xíng)碳、磷回收利用存在一定難度。

2.3 酸化(huà)發酵效果

2.3.1 酸化(huà)發酵性能

不(bù)同初始pH條件(jiàn)下膜混凝污泥的酸化(huà)發酵性能如圖2所示，包括污泥的SCOD、PO43--P和pH随發酵時間(jiān)的變化(huà)情況，以及發酵結束後反應器內(nèi)的氣體(tǐ)組分(fēn)。

從(cóng)圖2（a）可(kě)以看出，對照(zhào)組反應器R3中的SCOD在發酵過程中一直處于最低(dī)值，堿預處理反應器（R4～R7）中的SCOD均高(gāo)于酸預處理反應器（R1、R2）。堿預處理反應器中的SCOD均在第1天達到最大(dà)值，分(fēn)别爲1610、3348、5641和10885mg/L，随後逐漸降低(dī)并趨于穩定。強化(huà)水(shuǐ)解過程的持續作用是(shì)導緻SCOD在第1天達到最大(dà)值的重要(yào)原因，随後微(wēi)生物(wù)發酵作用逐步凸顯出來(lái)，SCOD因轉化(huà)爲有機酸、CO2、CH4與H2等物(wù)質而出現(xiàn)降低(dī)。

2.3.2節會(huì)對發酵過程中有機酸産量和組成進行(xíng)詳細討(tǎo)論，有機酸的産生以及發酵實驗結束後檢測到的氣體(tǐ)組分(fēn)［見(jiàn)圖2（d）］證實了上述推測。酸化(huà)發酵過程中産生的有機酸會(huì)作爲堿度對污泥的pH起到緩沖作用，因而會(huì)導緻酸預處理反應器的pH升高(gāo)和堿預處理反應器的pH降低(dī)［見(jiàn)圖2（c）］，逐漸适合發酵微(wēi)生物(wù)的生長。然而，這(zhè)種緩沖作用對反應器R1（pH=2）和R7（pH=12）的影響非常有限，在第5天時這(zhè)兩個反應器中依然保持強酸或強堿環境［見(jiàn)圖2（c）］，這(zhè)會(huì)對微(wēi)生物(wù)尤其是(shì)産甲烷古菌的代謝(xiè)活性産生抑制(zhì)。因此，與其他反應器相(xiàng)比，發酵結束時反應器R1和R7中的甲烷含量最低(dī)［見(jiàn)圖2（d）］。

在酸化(huà)發酵階段，反應器R2（pH=4）與R3（對照(zhào)組）中的PO43--P含量一直維持在最低(dī)水(shuǐ)平［見(jiàn)圖2（b）］。反應器R1（pH=2）的PO43--P釋放效果十分(fēn)顯著，第1天即達到最大(dà)值191.3 mg/L，随後開(kāi)始降低(dī)。反應器R4（pH=9）、R5（pH=10）、R6（pH=11）中的PO43--P含量呈逐漸下降趨勢。PO43--P含量下降的主要(yào)原因在于污泥pH的變化(huà)，使得原本溶出的PO43--P重新生成不(bù)溶物(wù)。值得注意的是(shì)，反應器R1，尤其是(shì)R7，它們的pH在酸化(huà)發酵期間(jiān)變化(huà)不(bù)大(dà)，因此反應器中污泥釋放出的PO43--P保持在較高(gāo)水(shuǐ)平，在第5天時分(fēn)别達到118.3和154.0mg/L。

2.3.2 酸化(huà)産物(wù)特性

不(bù)同初始pH條件(jiàn)下反應器的最大(dà)酸化(huà)産物(wù)産量以及達到最大(dà)産量所需的時間(jiān)見(jiàn)圖3。與對照(zhào)組（R3）和酸預處理組（R1、R2）相(xiàng)比，堿預處理組（R4~R7）的酸化(huà)産物(wù)總量普遍較高(gāo)，這(zhè)與圖2（a）的SCOD結果一緻。反應器R6（pH=11）的酸化(huà)發酵效果最優，其酸化(huà)産物(wù)産量在第2天達到最大(dà)值3 419.6mg/L，此時酸化(huà)率高(gāo)達77.0%。

不(bù)同初始pH條件(jiàn)下反應器內(nèi)酸化(huà)産物(wù)組成随發酵時間(jiān)的變化(huà)見(jiàn)圖4。反應器R2、R5和R6的最終酸化(huà)産物(wù)組成類似，但(dàn)變化(huà)過程不(bù)盡相(xiàng)同。反應器R2和R6在發酵前期出現(xiàn)異丁酸累積現(xiàn)象，随後異丁酸占比開(kāi)始降低(dī)，乙酸占比升高(gāo)，這(zhè)說明在發酵微(wēi)生物(wù)的作用下，異丁酸開(kāi)始向乙酸轉化(huà)，最後各組分(fēn)占比趨于穩定。反應器R5在發酵後期出現(xiàn)乙酸占比降低(dī)的現(xiàn)象，根據反應器中氣體(tǐ)組分(fēn)情況［見(jiàn)圖2（d）］可(kě)知，這(zhè)可(kě)能是(shì)因爲部分(fēn)乙酸轉化(huà)爲甲烷所緻。反應器R1和R3的酸化(huà)産物(wù)産量非常低(dī)（見(jiàn)圖3），與其他反應器不(bù)同的是(shì)，最終酸化(huà)産物(wù)中乳酸占比較高(gāo)。反應器R4中全程乙酸占比極低(dī)，結合反應器氣體(tǐ)組分(fēn)情況［見(jiàn)圖2（d）］可(kě)知，反應器內(nèi)的丙酸和丁酸不(bù)斷向乙酸轉化(huà)後，再次被産甲烷菌利用，而且丁酸比丙酸更容易轉換爲乙酸，導緻反應器R4的最終酸化(huà)産物(wù)中存在較高(gāo)比例的丙酸。反應器R7在第3天開(kāi)始出現(xiàn)正丁酸的大(dà)量累積，屬于典型的丁酸型發酵過程，可(kě)以推斷，高(gāo)pH條件(jiàn)有利于丁酸型發酵的進行(xíng)。

2.4 膜混凝污泥資源化(huà)潛力分(fēn)析

資源化(huà)處理是(shì)當前我國(guó)農村(cūn)生活污水(shuǐ)處理領域的一個重要(yào)技術導向，這(zhè)裡(lǐ)提到的資源化(huà)不(bù)僅包括“水(shuǐ)”資源，還包括污水(shuǐ)中的碳、氮、磷等資源。在以生物(wù)氧化(huà)爲核心的傳統生化(huà)工(gōng)藝中，好氧曝氣是(shì)導緻污水(shuǐ)處理行(xíng)業(yè)高(gāo)能耗和高(gāo)碳排放的重要(yào)因素之一。目前已經得到應用的化(huà)學強化(huà)一級沉澱技術以及本研究中的強化(huà)膜混凝技術都是(shì)能實現(xiàn)污水(shuǐ)中碳、磷資源快(kuài)速捕獲的同類物(wù)化(huà)技術，爲後續碳、磷資源的回收利用提供了良好的基礎。強化(huà)膜混凝技術産生的污泥中COD和TP含量分(fēn)别達到（26645.6±7116.1）、（480.9±238.2）mg/L，是(shì)化(huà)學強化(huà)一級沉澱污泥的4倍左右，具有更高(gāo)的資源化(huà)潛力。

膜混凝污泥資源化(huà)既包括污泥中有機物(wù)和磷的回收利用，還包括污泥最終産品的利用。在有機物(wù)利用方面，本研究中，污泥釋放的SCOD最高(gāo)達到了10885mg/L（pH=12），最大(dà)酸化(huà)産物(wù)産量達到了3419.6mg/L（pH=11），不(bù)僅可(kě)以作爲污水(shuǐ)處理廠深度脫氮的反硝化(huà)替代碳源，而且可(kě)以作爲微(wēi)生物(wù)甲烷化(huà)的原料，以沼氣形式回收有機物(wù)資源。在磷回收方面，Bi等和Chen等采用磷酸铵鎂法分(fēn)别從(cóng)堿預處理的剩餘污泥和化(huà)學強化(huà)一級沉澱污泥中回收磷酸鹽，本研究中的膜混凝污泥在初始pH爲2和12時釋放的磷酸鹽含量分(fēn)别爲105.8和122mg/L，明顯高(gāo)于上述文獻中的磷酸鹽含量，具有較好的磷回收潛力。在污泥最終産品利用方面，可(kě)首先利用厭氧消化(huà)技術對污泥進行(xíng)穩定化(huà)處理，随後可(kě)就(jiù)近就(jiù)地(dì)用于農村(cūn)園林綠(lǜ)化(huà)，補充土(tǔ)壤營養元素和改善土(tǔ)壤環境質量，但(dàn)膜混凝污泥園林利用的适宜性和潛在風險需要(yào)作進一步研究。

03 結論

① 在農村(cūn)生活污水(shuǐ)處理示範工(gōng)程中，強化(huà)膜混凝設備能在水(shuǐ)力停留時間(jiān)爲60 min的條件(jiàn)下去除80%以上的COD和TP，出水(shuǐ)COD低(dī)于50mg/L，出水(shuǐ)TP低(dī)于0.5mg/L，産生的污泥中COD和TP的含量分(fēn)别達到（26645.6±7116.1）mg/L和（480.9±238.2）mg/L，具有較好的資源化(huà)潛力。

② 酸預處理能強化(huà)膜混凝污泥中磷酸鹽的釋放，當污泥初始pH調爲2時，在0.5h內(nèi)PO43--P釋放倍數達到117倍，而有機物(wù)釋放倍數僅爲3倍左右；堿預處理能促進有機物(wù)和磷酸鹽的同步釋放，當污泥初始pH調爲12時，污泥水(shuǐ)解後磷酸鹽和SCOD含量分(fēn)别可(kě)達到122、5214.5mg/L。

③ 酸堿預處理釋放出的SCOD可(kě)進一步被污泥中的微(wēi)生物(wù)轉化(huà)，生成的有機酸導緻污泥pH向中性方向變化(huà)，進而促進微(wēi)生物(wù)酸化(huà)發酵過程，同時使得溶出的磷酸鹽重新生成不(bù)溶物(wù)；當污泥初始pH調爲11時，酸化(huà)發酵效果最優，酸化(huà)産物(wù)産量在第2天達到最大(dà)值（3419.6mg/L），此時酸化(huà)率高(gāo)達77.0%，最終發酵産物(wù)中乙酸比例約占50%。

④ 強化(huà)膜混凝技術能實現(xiàn)農村(cūn)生活污水(shuǐ)中碳源資源的快(kuài)速捕集，形成的富碳磷污泥可(kě)在有機物(wù)和磷回收的基礎上用于園林綠(lǜ)化(huà)，但(dàn)其适宜性和潛在風險需作進一步評估。

來(lái)源：北(běi)極星水(shuǐ)處理網