北京协同创新研究院熊惠磊：剩余污泥中温和高温厌氧水解酸化产VFAs性能研究

文章来源： 《工业水处理》2022年第8期

第一作者 ：熊惠磊

通讯作者 ：施汉昌

合作单位 ：湘南学院；湖南大自然环保科技有限公司；农业农村部规划设计研究院；清华大学；

厌氧产酸过程中的中间产物（Uncertain）呈现“高积累，转化慢”现象，可能是导致中温发酵产酸效果明显低于高温条件的关键原因之一。经分析Uncertain物质可能是大分子物质（蛋白质或碳水化合物）分解过程中形成的中间产物。

通过对比中温（35 ℃）和高温（50 ℃）厌氧产酸过程中挥发性有机酸（VFAs）含量与成分的变化，研究温度对剩余污泥的颗粒粒径、颗粒有机物降解情况、可溶性化学需氧量（SCOD）及挥发性有机酸（VFAs）的影响。

结果表明，高温厌氧发酵可以显著促进污泥絮体解离，污泥分解率可达41.10%，微生物反应机率增加，反应效率提高。中温发酵和高温发酵过程中颗粒性有机物的水解过程均遵循一级反应动力学，且高温水解速率常数显著高于中温水解速率常数。中温水解液中未知溶解性有机物积累量高，转化慢，可能是中温发酵产酸效果低于高温条件的原因之一。 高温发酵获得的VFAs约为中温VFAs产量的2倍，其中有机酸异戊酸和异丁酸的比例较高，二者约占VFAs的50%；中温发酵过程VFAs的组分单一，主要为乙酸。水解液中氨氮的增加量与颗粒型蛋白质的分解量存在强相关关系，高温发酵下的氨氮转化因子显著高于中温发酵的氨氮转化因子。

高温（50 ℃）厌氧产酸过程优于中温（35 ℃）厌氧产酸过程是基于高温条件下，更有利于中间产物（Uncertain）的分解与转化，这就能解释高温发酵获得的VFAs约为中温VFAs产量的2倍。

在众多剩余污泥处理处置技术中，厌氧消化技术是降解污泥中有机物的一种高效且有潜力的技术，同时可产生沼气作为可再生能源。然而，作为厌氧消化过程的限制步骤厌氧水解酸化过程人们的研究相对较少。

本文通过研究温度对剩余污泥的颗粒粒径、颗粒有机物降解情况、可溶性化学需氧量（SCOD）及挥发性有机酸（VFAs）的影响，对比高温（50 ℃）和中温（35 ℃）厌氧产酸两个过程的优劣，具体总结如下：

（1）对污泥粒径的影响。

反应48 h 后高温和中温污泥颗粒平均粒径分别为121、234 μm。高温条件可促进污泥絮体解离，使污泥颗粒粒径减小，从而增加微生物与有机物的接触几率。高温条件下MLVSS 的减量率为41.10%，明显高于中温条件MLVSS的减量率32.69%。

（2）对颗粒性有机物降解的影响。

鉴于厌氧水解产酸过程中颗粒性脂肪（P-L）分解率小于5%，因此分析过程未考虑P-L。在厌氧发酵过程中MLVSS、颗粒性碳水化合物（P-C）和颗粒性蛋白质（P-P）的水解过程均遵循一级反应动力学，且高温水解速率常数显著高于中温水解速率常数。

（3）对溶出SCOD的影响。

中间产物（Uncertain）的“高积累，转化慢”可能是导致中温发酵产酸效果明显低于高温条件的关键原因之一。然而，高温厌氧产酸过程更有利于中间产物（Uncertain）的分解与转化，这就能解释厌氧产酸过程获得的VFAs约为中温VFAs产量的2倍。

（4）对VFAs的影响。

中温体系下产生的VFAs主要以小分子量的乙酸（HAc）和丙酸（HPr）为主，而高温体系下获取的VFAs主要以大分子量的戊酸（HVa）和丁酸（HBu）为主，有研究表明当以大分子量的戊酸（HVa）和丁酸（HBu）最为碳源时，更有利于聚羟基脂肪酸酯（PHA）合成菌生成聚羟基戊酸酯（PHV），从而增加PHA材料的柔韧性。

（5）对氮、磷溶出的影响。

中温和高温厌氧产酸体系下，氨氮增加量与颗粒性蛋白质（P-P）分解量都有较好的线型相关性，其中高温体系的蛋白质转换因子显著大于中温体系，说明高温环境中蛋白质分解产生的多肽和氨基酸被微生物进一步转化为氨氮和VFAs，未出现明显的中间产物积累。

高温厌氧产酸过程可利用总磷（TP）溶出量估算活性污泥（MLVSS）减量比例，并且水解阶段，MLVSS减量比的实测值与估算值非常接近；进入产酸阶段后，由于产酸微生物利用溶出的磷元素进行自身增殖，实测值与估算值会出现偏差。然而，中温厌氧产酸过程并未呈现上述规律。

第一作者 ：熊惠磊（1983— ），男，博士，高级工程师，主要从事有机废弃物资源化和场地修复相关的技术研发和工程实施等工作。E-mail：xionghuilei@163.com。

通讯作者 ：施汉昌（1950— ），男，博士，教授，长期从事水污染控制理论与技术、水环境监测与生物传感器技术等方向的研究工作。E-mail：shihc@bici.org。

（ 来源 ：《工业水处理 》 2022年第8期 ）