沼液短程硝化出水预处理强化剩余污泥发酵的研究

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2022-1232

摘要/Abstract

摘要：

厌氧消化是剩余污泥减量化的一种重要方法，游离亚硝酸（FNA）预处理剩余污泥可改善其水解效果、增加产酸量和提高污泥减量化程度。采用污泥消化液（沼液）短程硝化出水作为FNA来源，考察沼液短程硝化出水预处理强化污泥解体和对剩余污泥发酵性能的影响。结果表明，沼液经过短程硝化处理后，亚硝态氮质量浓度可达1 224 mg/L，分别采用200、300、400、500、600 mg/L亚硝态氮（对应FNA质量浓度分别为4.88、7.35、9.62、11.9、14.35 mg/L，以N计）处理剩余污泥，剩余污泥的SCOD、VS、厌氧发酵过程中产气量以及发酵气体中甲烷的含量均随着FNA浓度的增加呈先增加后减少趋势。FNA预处理可使剩余污泥发酵系统SCOD最高增加2.1倍，污泥中VS产量可提高11%，厌氧发酵产气量提高2.1~7.2倍，发酵气体甲烷含量也有显著提高，对于污水处理厂沼液资源化利用和剩余污泥的减量化处理具有指导意义。

关键词: 短程硝化, 沼液, FNA, 剩余污泥, 发酵

Abstract:

Anaerobic digestion is an important method for the reduction of residual sludge. Free nitrous acid （FNA） pretreatment of residual sludge can improve the hydrolysis effect，increase the acid production and increase the reduction degree of sludge. The biogas slurry short-cut nitrification effluent was used as the source of FNA，its effect on the enhancement of sludge disaggregation and the fermentation performance of residual sludge were investigated. The results showed that the nitrite nitrogen concentration of sludge digester could reach 1 224 mg/L after short-cut nitrification. Different concentrations of nitrite（200，300，400，500，600 mg/L，corresponding FNA mass concentrations were 4.88，7.35，9.62，11.90，14.35 mg/L，calculated by nitrogen respectively）were used to treat residual sludge. The SCOD，VS of sludge，gas production during anaerobic fermentation and methane content in fermentation gas all increased first and then decreased with the increase of FNA concentration. FNA pretreatment could increase SCOD of residual sludge fermentation system by up to 2.1 times，VS production in sludge by up to 11%，anaerobic fermentation gas production by 2.1-7.2 times，and fermentation gas methane content. It is of guiding significance for the utilization of biogas slurry and the reduction and treatment of surplus sludge in sewage treatment plants.

Key words: short-cut nitrification, biogas slurry, FNA, residual sludge, fermentation

中图分类号:

X703

李玉明, 金述宝, 张静, 毕博秋. 沼液短程硝化出水预处理强化剩余污泥发酵的研究[J]. 工业水处理, 2023, 43(12): 140-145.

Yuming LI, Shubao JIN, Jing ZHANG, Boqiu BI. Enhancement of residual sludge fermentation by short-cut nitration effluent of biogas slurry pretreatment[J]. Industrial Water Treatment, 2023, 43(12): 140-145.

https://www.iwt.cn/CN/Y2023/V43/I12/140

图/表 10

表1 剩余污泥有机成分组成

Table 1 Organic composition of residual sludge

有机物种类	质量分数（占干重）/%
总有机物	60~80
蛋白质	32~41
油脂和脂肪	5~12
纤维素	5~10
氮	2.4~5.0
磷	0.6~2.3

图1 FNA处理污泥机理

Fig.1 Mechanism of FNA treatment on sludge

表2 剩余污泥及接种污泥的性质

Table 2 Characteristic of residual sludge and inoculation sludge

分析项目	剩余污泥	接种污泥
pH	7.5	8.1
SNH₄ ⁺-N/（mg·L^-1）	168.0	1 917.0
含水率/%	84.0	92.0
STN/（mg·L^-1）	270.4	2 284.0
SCOD/（mg·L^-1）	1 489.0	2 317.0
VS/%	50.9	47.4
NO₂ ^--N/（mg·L^-1）	0	0

表3 沼液短程硝化出水的性质

Table 3 Characteristic of short-cut nitration effluent of biogas slurry

分析项目	数值
pH	7.9
NH₄ ⁺-N/（mg·L^-1）	34.0
NO₂ ^--N/（mg·L^-1）	1 224.0
NO₃ ^--N/（mg·L^-1）	120.0
COD/（mg·L^-1）	1 200.0
TN/（mg·L^-1）	1 568.0

表4 检测指标和方法

Table 4 Index and testing methods

指标	检测方法
TS	重量法
VS	重量法
TN/STN	碱性过硫酸钾消解法（GB 11893—1989）
NH₄ ⁺-N/SNH₄ ⁺-N	纳氏试剂分光光度法（HJ 636—2012）
NO₂ ^--N	N-（1-萘基）-乙二胺分光光度法
pH	pH计
SCOD	COD快速测定仪
产气量	排水法
甲烷含量	气相色谱法
含水率	烘干法

图2 不同质量浓度NO₂ ^--N预处理下污泥SCOD变化情况

Fig.2 Variation of SCOD under the pretreatment of NO₂ ^--N with different mass concentration

图3 不同质量浓度NO₂ ^--N预处理下污泥VS含量变化及预处理后剩余NO₂ ^--N质量浓度

Fig.3 Variation of VS under the pretreatment of NO₂ ^--N with different concentration and residual NO₂ ^--N concentration after the pretreatment

图4 不同质量浓度NO₂ ^--N预处理下污泥发酵产气量的变化

Fig.4 Variation of gas production under the pretreatment of NO₂ ^--N with different mass concentration

图5 不同质量浓度NO₂ ^--N预处理下污泥发酵产气中甲烷含量变化

Fig.5 Variation of methane content in fermentation gas under the pretreatment of NO₂ ^--N with different mass concentration

图6 不同质量浓度NO₂ ^--N预处理下污泥发酵消化液中TN变化

Fig.6 Variation of TN in digestion solution of anaerobic fermentation sludge under the pretreatment of NO₂ ^--N with different mass concentration

参考文献 21

1	尹军，谭学军. 污水污泥处理处置与资源化利用［M］. 北京：化学工业出版社，2005：13-15.
	YIN Jun， TAN Xuejun. Sewage sludge disposal and resource utilization［M］. Beijing：Chemical Industry Press，2005：13-15.
2	ZAHEDI S， ICARAN P， YUAN Z，et al. Assessment of free nitrous acid pre-treatment on a mixture of primary sludge and waste activated sludge：Effect of exposure time and concentration［J］. Bioresource Technology，2016，216：870-875. doi:10.1016/j.biortech.2016.06.038
3	JIANG Guangming， GUTIERREZ O， YUAN Zhiguo. The strong biocidal effect of free nitrous acid on anaerobic sewer biofilms［J］. Water Research，2011，45（12）：3735-3743. doi:10.1016/j.watres.2011.04.026
4	WEI Wei， WANG Qilin， ZHANG Liguo，et al. Free nitrous acid pre-treatment of waste activated sludge enhances volatile solids destruction and improves sludge dewaterability in continuous anaerobic digestion［J］. Water Research，2018，130：13-19. doi:10.1016/j.watres.2017.11.050
5	孙巍，丁燕玲，张丽娟，等. 亚硝酸盐型厌氧甲烷氧化过程与应用研究进展［J］. 生态环境学报，2019，28（5）：1064-1070.
	SUN Wei， DING Yanling， ZHANG Lijuan，et al. A review of study on nitrite-dependent anaerobic methane oxidation process and its application［J］. Ecology and Environmental Sciences，2019，28（5）：1064-1070.
6	WANG Qilin， YE Liu， JIANG Guangming，et al. Free nitrous acid（FNA）-based pretreatment enhances methane production from waste activated sludge［J］. Environmental Science & Technology，2013，47（20）：11897-11904. doi:10.1021/es402933b
7	吴福满. 亚硝酸盐预处理剩余污泥厌氧发酵产酸研究［D］. 大连：大连理工大学，2018. doi:10.1016/j.biortech.2019.121977
	WU Fuman. Study on nitrite pretreatment for anaerobic acidification of waste activated sludge［D］. Dalian：Dalian University of Technology，2018. doi:10.1016/j.biortech.2019.121977
8	吴佳伟. 游离亚硝酸在剩余污泥处理过程中的机理研究：作用于胞外聚合物或微生物细胞膜［D］. 长沙：湖南大学，2018. doi:10.1016/j.cej.2017.11.038
	WU Jiawei. Role of free nitrous acid in the pretreatment of waste activated sludge：Extracellular polymeric substances disruption or cells lysis［D］. Changsha：Hunan University，2018. doi:10.1016/j.cej.2017.11.038
9	郭凯成，刘文如，宋家俊，等. 短程硝化的影响因素及其耦合工艺的研究进展［J］. 工业水处理，2022，42（4）：46-56. doi:10.19965/j.cnki.iwt.2021-0238
	GUO Kaicheng， LIU Wenru， SONG Jiajun，et al. Research progress on influencing factors of partial nitrification and its coupling process［J］. Industrial Water Treatment，2022，42（4）：46-56. doi:10.19965/j.cnki.iwt.2021-0238
10	王晋，李习伟，方新磊，等. 基于氨氮抑制效应的污泥厌氧产酸［J］. 环境工程学报，2017，11（5）：3091-3098. doi:10.12030/j.cjee.201512185
	WANG Jin， LI Xiwei， FANG Xinlei，et al. Sludge anaerobic acidification based on ammonia-nitrogen inhibition［J］. Chinese Journal of Environmental Engineering，2017，11（5）：3091-3098. doi:10.12030/j.cjee.201512185
11	李璐，马娟，宋相蕊. FNA在污水生物脱氮除磷中的抑制效应［J］. 工业水处理，2014，34（6）：5-9. doi:10.11894/1005-829x.2014.34(6).005
	LI Lu， MA Juan， SONG Xiangrui. Inhibitory effect of free nitrous acid（FNA） on wastewater biological denitrification and dephosphorization［J］. Industrial Water Treatment，2014，34（6）：5-9. doi:10.11894/1005-829x.2014.34(6).005
12	赵杰俊，刘祖文，蔡晓媛，等. 短程硝化-厌氧氨氧化工艺控制方法与机理分析［J］. 工业水处理，2021，41（10）：36-43. doi:10.19965/j.cnki.iwt.2020-0823
	ZHAO Jiejun， LIU Zuwen， CAI Xiaoyuan，et al. Control method and mechanism analysis of partial nitrification-anammox process［J］. Industrial Water Treatment，2021，41（10）：36-43. doi:10.19965/j.cnki.iwt.2020-0823
13	侯玲玲. 热碱预处理对剩余污泥的溶胞率及发酵产酸的影响研究［D］. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011.
	HOU Lingling. Study on the ratio of cell lysis of disposed sewage sludge under alkaline thermal condition and short-chain fatty acids accumulation in the mesothermal anaerobic digestion［D］. Harbin：Harbin Institute of Technology，2011.
14	EASTMAN JOHN A， FERGUSON JOHN F. Solubilization of particulate organic carbon during the acid phase of anaerobic digestion［J］. Journal（Water Pollution Control Federation），1981，53（3）：352-366.
15	王博，王淑莹，袁悦，等. 典型酸碱条件下NO₂ ^-对剩余污泥水解产酸的影响［J］. 中国环境科学，2014，34（9）：2252-2258.
	WANG Bo， WANG Shuying， YUAN Yue，et al. Effect of NO₂ ^- on waste activated sludge hydrolysis and acidification under typical acidic and alkaline conditions［J］. China Environmental Science，2014，34（9）：2252-2258.
16	委燕，王淑莹，马斌，等. 游离亚硝酸预处理强化剩余污泥发酵同步反硝化性能［J］. 中国环境科学，2015，35（3）：742-747.
	WEI Yan， WANG Shuying， MA Bin，et al. Free nitrous acid pretreatment enhances performance of waste activated sludge anoxic fermentation and denitrification system［J］. China Environmental Science，2015，35（3）：742-747.
17	彭永臻，王晓玲，张亮，等. 亚硝酸盐投加方式对剩余污泥发酵性能的影响［J］. 北京工业大学学报，2019，45（11）：1057-1062. doi:10.11936/bjutxb2019070029
	PENG Yongzhen， WANG Xiaoling， ZHANG Liang，et al. Effects of nitrite dosing modes on sludge fermentation performance［J］. Journal of Beijing University of Technology，2019，45（11）：1057-1062. doi:10.11936/bjutxb2019070029
18	LI Xiaoming， ZHAO Jianwei， WANG Dongbo，et al. An efficient and green pretreatment to stimulate short-chain fatty acids production from waste activated sludge anaerobic fermentation using free nitrous acid［J］. Chemosphere，2016，144：160-167. doi:10.1016/j.chemosphere.2015.08.076
19	刘芝宏，魏瑶丽，樊雅欣，等. 游离亚硝酸预处理对剩余污泥电解及微生物群落结构的影响［J］. 中国环境科学，2019，39（7）：2953-2959. doi:10.3969/j.issn.1000-6923.2019.07.032
	LIU Zhihong， WEI Yaoli， FAN Yaxin，et al. Role of free nitrous acid on waste activated sludge bio-electrolysis and key microflora shift［J］. China Environmental Science，2019，39（7）：2953-2959. doi:10.3969/j.issn.1000-6923.2019.07.032
20	熊惠磊，张晓聪，杨海洋，等. 剩余污泥中温和高温厌氧水解酸化产VFAs性能研究［J］. 工业水处理，2022，42（8）：78-86.
	XIONG Huilei， ZHANG Xiaocong， YANG Haiyang，et al. Study on VFAs production performance of anaerobic hydrolytic acidification of excess sludge at mesophilic and thermophilic condition［J］. Industrial Water Treatment，2022，42（8）：78-86.
21	杨雪. 强化污泥厌氧发酵产酸的效能及发酵液碳源的利用研究［D］. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2012.
	YANG Xue. Enhancements of fermentated volatile fatty acids producing by wasted activated sludge and recovery of fermentation liquid［D］. Harbin：Harbin Institute of Technology，2012.

[1]	范存文, 郭佩洁, 胡予佳, 刘新福, 邱清荣, 苏昊, 张大超. 离子型稀土矿山氨氮废水生物脱氮技术研究进展[J]. 工业水处理, 2025, 45(1): 9-16.
[2]	赵莹莹, 陈涛, 沈耀良, 刘文如. 硼对受高氨氮冲击后短程硝化系统效能恢复的影响研究[J]. 工业水处理, 2024, 44(6): 172-178.
[3]	李冰, 吴迪, 石岩, 李海翔, 李甫, 马毅. 膜耦合技术对沼液浓缩及净水效果的影响[J]. 工业水处理, 2024, 44(5): 156-163.
[4]	王昊龙, 张恩泽, 王梓诚, 赵瑜涵, 南军, 孙彦民, 马爱静, 周立山, 刘丽强, 蔡巷, 段兴宇. Noria-PEI改性PVA载体固定化溶菌酶用于污泥发酵产VFAs研究[J]. 工业水处理, 2024, 44(4): 155-163.
[5]	车冬妮, 张利强, 张铭慧, 刘永霞, 李宁. 矿区餐厨垃圾厌氧发酵液作为污水处理厂碳源研究[J]. 工业水处理, 2024, 44(12): 147-152.
[6]	秦微. 隔膜电化学耦合Fenton氧化预处理发酵制药废水[J]. 工业水处理, 2024, 44(11): 148-154.
[7]	张亚斌, 党腾飞, 李志国, 郭笑盈, 郭琼, 王岩, 万俊锋. 菌藻共生技术在畜禽养殖沼液资源化治理领域的研究进展[J]. 工业水处理, 2024, 44(10): 32-39.
[8]	王森, 王盈, 张苑茹, 李晨, 董志魁, 陈文慧, 孙福乐, 吉人杰. 壳聚糖改性水热炭对制革生化尾水中Cr（Ⅵ）的去除研究[J]. 工业水处理, 2024, 44(10): 123-132.
[9]	陈圩, 杨萧帆, 王成刚, 邝乃强, 陈纯福, 张立秋. 沸石原位生物再生强化短程硝化处理高氨氮废水[J]. 工业水处理, 2024, 44(10): 165-173.
[10]	王锌针, 张哲, 罗娜, 孙晨, 熊川懿, 王圣智, 万瀚宇, 陈建新, 李昆. 藻菌共生体处理猪场沼液的参数优化研究[J]. 工业水处理, 2024, 44(1): 96-102.
[11]	黄生林, 吴健, 陈卫华, 乐亮亮, 苏醒, 胡念, 陈小光. 餐厨垃圾沼液的超滤膜错流过滤数学模型[J]. 工业水处理, 2023, 43(9): 138-143.
[12]	王文海, 李梅, 王宁, 王洪波, 张伟, 徐冠虎. 高铁酸盐预处理剩余污泥强化厌氧消化研究进展[J]. 工业水处理, 2023, 43(9): 51-58.
[13]	刘壮壮, 唐玉朝, 伍昌年, 薛莉娉, 陈园, 蔡丽丽, 刘俊. 低温-次氯酸钠对污泥减量化及可生化性研究[J]. 工业水处理, 2023, 43(4): 105-112.
[14]	丁凡, 梁东博, 李东岳, 李朋, 李军, 陈筱秋. 游离亚硝酸预处理实现MBBR短程硝化的快速启动[J]. 工业水处理, 2023, 43(4): 113-120.
[15]	蔡成坤, 魏红福, 刘希阳, 王亚洲. 生物发酵前处理生物炭对亚甲基蓝的吸附研究[J]. 工业水处理, 2023, 43(3): 80-86.

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