污泥是污水处理系统在运行过程中的主要副产物，若不及时处理，将会对周围环境造成巨大污染。随着经济的不断发展，污水处理厂排出的污泥量不断增多。在污泥最终处置之前，厌氧消化为污泥减量化、稳定化的最常用技术。但传统污泥厌氧消化存在一些弊端，如停留时间太长、消化池容积大、甲烷产率低等〔1-2〕。为提高污泥厌氧消化效率，一些污泥预处理技术被开发，如微生物电解〔3〕、高温碱处理〔4〕、盐酸处理〔5〕等。Cuihong Zhou等〔6〕采用微波预处理污泥后进行厌氧消化，研究发现，在微波强度为600 W，辐射时间为180 s的条件下，系统甲烷产量和有机物去除率可得到有效提高。Zisheng Zhao等〔7〕用单室无膜微生物电解池（MEC）处理污泥，在外加电压为0.6 V的条件下，甲烷产量和污泥VSS去除率可分别提高12.9%和17.2%。但到目前为止，有关微波与MEC联合处理污泥的研究很少。本研究以微波预处理污泥作为单室无膜MEC发酵底物，着重考察了外加电压对系统运行性能的影响。
1 材料与方法
1.1 底物与接种物
生污泥取自哈尔滨市市政污水处理厂脱水机房干污泥（含水率80%），污泥经过滤网筛分去除粒径≥0.5 mm的颗粒并用自来水淘洗5次后，贮存在冰箱内（4 ℃）待用。厌氧消化污泥作为接种物，取自同一污水厂厌氧消化池，污泥经过滤网筛分去除粒径≥0.5 mm的颗粒并用自来水淘洗5次后待用。生污泥和厌氧消化污泥的组分见表1。
表1 污泥组分
| 参数 | 生污泥 | 厌氧消化污泥 | 微波预处理污泥 | 混合污泥 |
| pH | 7.0±0.2 | 7.2±0.2 | 9.2±0.1 | 7.1±0.1 |
| TCOD/(mg·L-1) | 15 336.3±107.2 | 4 660.4±60.1 | 14 998.5±78.3 | 13 275.4±97.4 |
| SCOD/(mg·L-1) | 86.4±5.5 | 630.5±56.3 | 12 678.3±89.2 | 10 670.3±69.5 |
| TSS/(g·L-1) | 22.7±0.3 | 6.17±0.2 | 10.0±0.3 | 9.4±0.3 |
| VSS/(g·L-1) | 14.9±0.3 | 3.33±0.1 | 6.2±0.2 | 5.72±0.2 |
注：混合污泥为生污泥与微波预处理污泥以1:5的比例进行混合。
1.2 污泥微波处理
采用参考文献〔6〕的微波装置及方法，对生污泥在微波强度600 W下辐射180 s。预处理后的污泥冷却至室温后贮存在冰箱（4 ℃）内。
1.3 实验设计
单室无膜MEC装置由圆柱形有机玻璃制成，内径7.0 cm，高度9.0 cm，有效容积和总容积分别为240、350 mL。阳阴两极为宽1.8 cm、长3 cm的不锈钢毡电极，电极间距1.5 cm。每个MEC装置投加200 mL微波预处理污泥和40 mL生污泥，充氮气10 min排出空气密封后，置于恒温培养箱中在35 ℃下以150 r/min震荡培养。MEC装置施加外界电压分别为0、0.3、0.6、0.9、1.2、1.6 V，每组MEC重复设置3组。
1.4 分析方法
TCOD、SCOD、TSS、VSS、pH采用国家标准方法〔8〕测定。产气量采用湿式气体流量计（LML-1，山东桑泽仪器）测定。气体组分及含量采用GC型气相色谱仪（7890B，美国安捷伦）测定，气相色谱仪配置热电导检测器，并采用氮气作为载体（40 mL/ min），柱温和检测室温度分别为150 ℃和90 ℃。挥发性有机酸（VFAs）浓度采用LC型液相色谱仪（1260 Infinity，美国安捷伦）测定，液相色谱仪配置氢火焰离子检测器，并采用氮气作为载体（30 mL/min），柱温和检测室温度分别为190 ℃和220 ℃。
2 结果与讨论
2.1 系统累积产甲烷量变化
图1为6组MEC装置累积甲烷产量的变化情况。
图1
从图1可以看出，在运行的第1~7天内，由于厌氧微生物需适应新的环境，系统产甲烷活动比较微弱，产气量很少。从第7天开始，系统甲烷产量随时间的推进逐渐增多（1.6 V电压组除外），0.3、0.6、0.9、1.2 V电压组的甲烷产量均高于0 V电压组；而1.6 V电压组的甲烷产量增长缓慢，且低于0 V电压组的甲烷产量。除1.6 V电压组外，其他组均未检测到氢气的存在，这表明MEC系统中不存在部分污泥组分电解过程。在运行的第22天，6组MEC系统的甲烷产量达到最大值，分别为151（0 V）、186（0.3 V）、226（0.6 V）、257（0.9 V）、286（1.2 V）、56（1.6 V）mL。与0 V电压组相比，0.3~1.2 V电压组甲烷产量分别提高了约23.2%（0.3 V）、49.7%（0.6 V）、70.2%（0.9 V）和89.4%（1.2 V），而1.6 V电压组却下降了约62.9%。经计算，系统甲烷产率分别为110.2（0 V）、135.8（0.3 V）、165.0（0.6 V）、173（0.9 V）、194.2（1.2 V）、40.9（1.6 V）mL/gVSS。由此可以确定，1.2 V电压为本MEC系统最佳运行条件。本研究结果与其他研究结果不同，B. Y. Xiao等〔1, 9〕曾研究了MEC的产甲烷性能，并确定最优的外加电压分别为1.8、0.8 V。这主要与MEC结构（如电极材料、电极间距）及底物组分等因素有关。本实验MEC装置电极材质为不锈钢毡，发酵底物为微波预处理的污泥，B. Y. Xiao等〔1〕采用的电极材料和底物分别为Ti/Ru合金和热碱预处理的污泥，Aqiang Ding等〔9〕采用的电极材料和底物分别为碳纤维毡和乙酸钠。另外电极距离也会影响实验结果，因为较大的电极距离会导致更高的电阻，本研究电极距离为1.5 cm，高于Aqiang Ding等〔9〕的电极距离1 cm。较高的内阻及电压损失需要更高的外加电压来获得相应的电流密度，以提高厌氧微生物的代谢活性〔10〕。从实验数据可以看出，在外加电压为0.3~1.2 V的范围内，微生物代谢活性随电压的提高而增强，当外加电压为1.6 V时，过高的电流密度反而会抑制厌氧微生物的代谢活动，并发生部分污泥组分电解现象。实验结果表明，MEC系统可有效提高污泥的厌氧发酵性能。
2.2 系统SCOD变化
由于污泥经微波处理后，大部分大分子有机物发生水解转化成小分子物质，因此在MEC系统中，有机物主要通过酸化和产甲烷过程而被去除。图2为6组MEC系统运行过程中SCOD的变化情况。
图2
从图2可以看出，在第1~7天内，由于微生物代谢活性不强，SCOD去除率较低。从第7天开始，SCOD去除率随微生物的代谢活性增强而逐渐提高。在运行的第25天，SCOD去除质量浓度分别为5 790（0 V）、6 432（0.3 V）、7 641（0.6 V）、8 368（0.9 V）、9 083（1.2 V）、4 315（1.6 V）mg/L，对应的SCOD去除率分别为54.3%、60.3%、71.6%、78.4%、85.1%和40.4%。与0 V电压组相比，0.3~1.2 V电压组对SCOD的去除率分别提高了11.1%（0.3 V）、32.0%（0.6 V）、44.5%（0.9 V）和56.9%（1.2 V），而1.6 V电压组却下降了约25.5%。根据图1和图2数据计算可知，理论甲烷产量（1 g COD=350 mL CH4）分别为487（0 V）、540（0.3 V）、638（0.6 V）、692（0.9 V）、741（1.2 V）、363（1.6 V）mL，实际甲烷产量约占理论甲烷产量的31.0%（0 V）、34.4%（0.3 V）、37.5%（0.6 V）、39.2%（0.9 V）、40.3%（1.2 V）和15.4%（1.6 V）。这表明，在外加电压为0~1.2 V的范围内，甲烷转化效率随电压的升高而增加。
2.3 系统VFAs浓度与pH变化
图3
经检测，VFAs组分主要包括乙醇、乙酸、丁酸、丙酸等。从图3可以看出，在外加电压为0~1.2 V的范围内，系统VFAs均呈先升高（1~7 d）后降低（7~25 d）的变化趋势。这是因为运行初期，污泥中有机物水解酸化产生大量VFAs，但不能被产甲烷菌充分利用，因而造成VFAs积累。随着反应的进行，产甲烷菌逐渐适应环境并能够充分利用产生的VFAs，导致其浓度降低，最终系统VFAs分别为227（0 V）、216（0.3 V）、211（0.6 V）、188（0.9 V）、175（1.2 V）mg/L。而在外加电压1.6 V下，系统VFAs一直呈下降趋势，主要原因为过高的电流密度间接抑制了污泥的水解和酸化。
图4为6组MEC系统pH的变化情况。
图4
2.4 系统VSS去除率变化
图5
从图5可以看出，在运行的第1~7天内，VSS去除率很低，仅为4.6%~7.7%，主要原因为微生物代谢活动较弱，而且微生物主要以降解可溶性有机物为主。从第7天开始，VSS去除率快速升高，并在1.2 V电压下达到最大值。最终VSS去除率分别为42.6%（0 V）、45.2%（0.3 V）、47.8%（0.6 V）、51.8%（0.9 V）、59.6%（1.2 V）和24.8%（1.6 V）。与0 V电压组相比，0.3~1.2 V电压组VSS去除率分别提高了6.1%（0.3 V）、12.2%（0.6 V）、21.6%（0.9 V）和39.9%（1.2 V），而1.6 V电压组却下降了约41.8%，这表明在外加电压1.6 V下，过高的电流密度抑制了水解微生物的代谢活动。
3 结论
（1）构建单室无膜MEC系统处理经微波预处理后的污泥，在外电压为0.3~1.2 V的范围内，可有效提高系统运行性能，甲烷产量、SCOD去除率及VSS去除率均随电压的升高而增加。
（2）在1.6 V外加电压下，系统甲烷产量、SCOD去除率及VSS去除率均低于0 V电压组，这表明过高的电压不利于MEC系统的运行。
（3）在外加电压为1.2 V条件下，MEC系统可实现最大甲烷产量、SCOD去除率及VSS去除率，分别为286 mL、85.1%和59.6%，与0 V电压组相比，分别提高了89.4%、56.9%和39.2%。
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津公网安备 12010602120337号
