厌氧消化和好氧消化工艺是两种常见的实现污泥生物稳定的技术^[1], 其中厌氧消化技术能够实现高效的能量回收和较低的环境影响^[2,3], 而好氧消化工艺的优点是处理效率高、需要的处理设施体积小、投资较少、卫生条件较好等。但是, 这两种工艺也存在各自不足, 如厌氧消化后污泥具有较高的植物毒性, 限制了后续的土地利用, 而好氧消化工艺则运行成本较高^[4]。

　　 近年来, 基于厌氧和好氧条件下污泥有机物降解存在互补性^[5], 厌氧消化和好氧消化联合处理污泥技术受到人们的关注。Jang等^[6]研究表明采用高温好氧消化作为中温厌氧消化的预处理, 可显著提高污泥的甲烷产率和有机物降解率。Parravicini等^[7]和Tomei等^[8]研究表明采用好氧消化处理厌氧消化后污泥可使VS降解率分别提高16%和17%。Kumar等^[5]研究表明采用好氧消化处理消化后污泥不仅可提高VS降解率, 还可改善脱水性能, 并降低臭味40%。这些研究表明厌氧消化和好氧消化联合处理污泥技术有利于实现两种工艺的优势互补, 从而进一步改善和提高污泥的有机物降解率、甲烷产率及土地利用性能。然而它们存在两种组合方式, 即厌氧—好氧和好氧—厌氧, 目前关于这两种组合方式工艺性能的比较研究较少。

　　 此外, 随着研究的不断深入, 厌氧消化和好氧消化技术得到不断的发展。高含固中温厌氧消化工艺 (high-solid mesophilic anaerobic digestion, HS-MAN) 可直接处理污水处理厂脱水污泥, 与传统低含固厌氧消化技术相比更具优势^[9], 而高温自热式好氧消化工艺 (autothermal thermophilic aerobic digestion, ATAD) 被认为是一种高级的污泥好氧消化工艺, 可有效杀灭致病菌, 且能量消耗较低^[10,11], 因此本文拟通过比较分析高含固中温厌氧消化和高温自热式好氧消化工艺的2种组合方式的工艺性能差异, 以期为厌氧消化和好氧消化联合处理污泥技术的发展提供理论依据和技术指导。

　　 试验用污泥取自深圳市某污水处理厂脱水污泥, 样品保存在4℃冰箱备用, 其理化特性如表1所示, 这表明该污泥样品具有较高的有机质含量, 且重金属含量较低。

　　 厌氧—好氧联合工艺第一级厌氧消化装置采用序批式方式运行, 运行温度为35~37℃, 进泥为脱水污泥, 生污泥和接种污泥的质量比为2∶1, 总质量为7.6kg;采用湿式流量计对反应装置的产气量进行测定, 并定期收集污泥样品, 保存在20℃备用, 运行时间为22d。厌氧—好氧联合工艺第二级好氧消化装置采用三角锥形瓶, 体积为1.2L, 运行温度为55℃, 其进泥为第一级反应装置出料 (含水率约为87%) , 每隔12h将空气完全置换, 并测定空气中氧气含量, 运行时间为10d。好氧—厌氧联合工艺第一级好氧消化装置采用序批式、微好氧方式运行, 溶解氧含量控制在0.5mg/L左右, 运行温度为55℃, 进泥为经稀释后脱水污泥 (含固率6%) , 初始污泥基质质量为6kg。好氧—厌氧联合工艺第二级厌氧消化装置采用树脂玻璃瓶, 体积为1.2L, 消化污泥和接种污泥质量比为1∶0.8, 总质量约为550g, 通过回转式摇床保持基质混合, 转速为160r/min, 温度为35~37℃;每日采用注射器测定厌氧消化产气量。每组试验重复3次。

　　 总固体含量 (TS) 和挥发固体含量 (VS) 均采用重量法进行测定。生物气产量的甲烷比例采用气相色谱仪进行分析。比耗氧速率 (SOUR) 根据文献[12]进行测定。

　　 植物毒性采用种子发芽试验进行测定, 所试植物种子选用萝卜和小麦种子, 方法参考《城镇污水处理厂污泥处置园林绿化用泥质》 (GB/T 23486-2009) 。所选用种子经过初试, 发芽率均大于98%, 其中小麦种子经蒸馏水浸泡10h, 萝卜苗种子浸泡6h, 冲洗干净后自然晾干备用。污泥样品按水∶物料=10∶1浸提, 室温下160r/min混合震荡1h后过滤, 过滤液即为污泥样品过滤液。测试方法简述如下:吸取5mL污泥样品过滤液于铺有滤纸的培养皿中, 滤纸上放置20颗萝卜苗或小麦种子, 27℃下避光培养, 并在培养24h后向滤纸上喷洒等量的滤液保证滤纸湿润, 48h后测定种子的发芽数量和平均根长。同时采用离子水代替污泥样品过滤液, 作为空白对照组。

　　 污泥中溶解性物质含量的提取方法:首先样品解冻并稀释10倍, 在涡旋振荡器上振荡1min, 经过离心 (4 000r/min, 20 min) , 过滤 (尼龙66微孔滤膜, 0.45μm) 处理, 收集上清液用于pH、溶解性化学需氧量 (DCOD) 、氨氮 (NH₃-N) 、蛋白质、多糖、总磷 (TP) 的测定。pH采用梅特勒pH计, 溶解性化学需氧量采用快速密闭催化消解法^[13], NH₃-N采用钠氏试剂法进行分析, 蛋白质含量采用考马斯亮蓝显色法进行测定, 多糖含量采用蒽酮—浓硫酸法进行分析, 总磷含量采用钼酸铵分光光度法进行分析。

　　 厌氧—好氧和好氧—厌氧两种联合工艺对污泥有机质的降解率如图1所示。

　　 厌氧—好氧和好氧—厌氧工艺对污泥有机物的降解率分别为48.0%和43.4%, 这表明与好氧—厌氧工艺相比, 厌氧—好氧工艺对污泥有机物降解率较高, 说明其对污泥有机物的稳定化效果较好。好氧—厌氧第一级好氧消化工艺对污泥VS的去除率仅为20.8%, 明显低于厌氧—好氧第一级厌氧消化工艺 (43.4%) , 从而导致好氧—厌氧联合工艺总VS降解率较低。一些研究表明ATAD工艺容易导致氨氮和挥发性脂肪酸含量过高^[10,14], 而较高的氨氮和挥发性脂肪酸含量会抑制好氧微生物的新陈代谢及降解活性^[15~17], 从而影响该工艺对污泥有机物的降解效果。采用硝酸铁投加和磷酸铵镁化学沉淀可有效消除挥发性脂肪酸和氨氮的抑制作用, 提高ATAD工艺对污泥VS的降解率^[10,14]。

　　 厌氧—好氧和好氧—厌氧工艺的每日和累积生物产气量如图2所示。结果表明厌氧—好氧第一级厌氧消化的总产气量为197L, 每日产气量最高达到约30L/d, 其中生物气的甲烷含量为69%, 由此可知其甲烷产率为0.55m³/kgVS_去除量, 这与郝晓地等^[18]的研究结果较为接近, 表明该市政污泥具有较好的厌氧消化产甲烷潜力。好氧—好氧联合工艺第二级厌氧消化总产气量为6.41L, 每日产气量最高达到340 mL/d (见图2) , 生物气的甲烷含量约为57%, 由此可知其甲烷产率为0.78 m³/kgVS_去除量, 与第一级厌氧消化的甲烷产率相比较高。这可能存在两个原因:一方面可能是因为好氧消化可作为预处理工艺改善后续厌氧消化性能, 目前已有较多文献进行相关报道^[6,19,20]。另一方面可能是因为第一级厌氧消化采用实验室自主研发的卧式反应装置, 采用湿式流量计测定厌氧产气量, 可能存在一定的漏气或试验误差, 从而导致结果偏低。

　　 比耗氧速率被认为是评价污泥好氧稳定化的重要指标^[21]。因此本试验将其用于评价生污泥和厌氧消化污泥的好氧稳定特性, 结果如图3所示。随着运行时间的增加, 污泥样品的比耗氧速率SOUR均呈先增加后减少的趋势, 最高值出现在第2天, 这表明经好氧处理后, 污泥好氧稳定性呈逐渐增加的趋势。最高值比耗氧速率出现在第2天可能是因为污泥中好氧微生物需要一定的适应期。与好氧—厌氧第一级生污泥相比, 在整个处理期间厌氧—好氧第二级厌氧消化污泥的比耗氧速率均较低, 这表明经厌氧消化处理后, 污泥的好氧稳定性明显提高, 经过较短时间的好氧稳定处理即可获得较为稳定的污泥基质。

　　 为进一步探讨厌氧—好氧和好氧—厌氧工艺对污泥土地利用特性的影响, 分别分析了这两种联合工艺第一级和第二级出料对萝卜种子、小麦种子种子发芽指数的影响, 结果如图4所示。厌氧—好氧第一级出料和好氧—厌氧第二级出料均具有较低的种子发芽指数, 表现出较高的植物毒性, 这表明厌氧消化污泥出料在进行土地利用仍需进一步的稳定化处理, 以降低其对植物生长的不利作用。然而, 厌氧—好氧第二级出料和好氧—厌氧第一级出料均具有较高的种子发芽特性, 表现出较低的植物毒性, 这表明好氧稳定处理可显著改善污泥的土地利用特性, 因此与好氧—厌氧工艺相比, 厌氧—好氧工艺可获得更有利于土地利用的污泥基质。

　　 一些研究表明污泥中溶解性物质含量与它的植物毒性具有较大的相关性。研究表明有机酸物质和pH会产生植物毒性^[22]。另一些研究发现氨、氨基酸、短链脂肪酸、酚类等化合物对种子发芽有潜在的抑制作用^[23]。此外, 水溶性提取物的高离子电荷和电导率可引起渗透效应, 从而产生植物毒性。为进一步探讨这两种组合工艺处理后基质植物毒性存在差异的原因, 着重对比了厌氧—好氧和好氧—厌氧第一级出料中pH、溶解性COD、氨氮、溶解性蛋白质、溶解性多糖、溶解性总磷的变化情况, 结果如图5所示。与好氧—厌氧第一级出料相比, 厌氧—好氧第一级出料具有较高的pH、溶解性COD、氮氮、溶解性蛋白质、溶解性多糖、溶解性总磷, 这一方面说明厌氧消化后污泥中具有较高的有机营养物质, 可作为土壤有机改良剂, 有利于改善土壤的营养结构;另一方过高的氨氮等溶解性物质容易形成较高的渗透性, 引起植物烧苗现象, 从而产生较高的植物毒性^[24]。同时, 经厌氧—好氧第二级好氧稳定后, 有利于去除部分的溶解性物质, 减少污泥基质的植物毒性, 改善厌氧消化污泥的土地利用特性。

　　 (1) 与好氧—厌氧工艺相比, 厌氧—好氧工艺具有较高的污泥有机物降解效果, 但其甲烷产率相对较低。

　　 (2) 经厌氧消化处理后污泥稳定化程度较高, 但其植物毒性仍较强, 通过后续好氧稳定处理后污泥基质的植物毒性可明显改善。

　　 (3) 与好氧消化污泥相比, 厌氧消化污泥含有较高的pH、氨氮、DCOD、溶解性蛋白、溶解性多糖、溶解性总磷, 这可能是导致其植物毒性较高的重要原因。