城鎮汙水處理廠汙泥穩定化處理產物轉化機理及可利用價值揭示

前言

城鎮汙水處理廠汙泥穩定化處理產物的土地利用的處置方式是解決汙泥處理產物出路最重要和最主要的形式，是實現汙泥處理產物有機質循環利用最重要的途徑。「處置決定處理，處理必須滿足處置要求」，要保證處理產物滿足土地利用的要求，以厭氧消化、好氧發酵為代表的穩定化處理是最匹配和最核心的處理手段，也是國內外汙泥處理工程廣泛應用的工藝。

包括德國工業標準(DIN4045)在內的多個文獻對汙泥穩定化處理給出了一致定義，即經穩定化處理後，汙泥中的固體物質、產生氣味的物質和病原菌得到減少;其內涵是處理後的產物不再腐敗發臭，不腐敗發臭的根本原因在於微生物對穩定化處理後產物的分解作用是緩慢的。已有研究表明，厭氧消化後的沼渣和好氧發酵產物富含生物腐殖酸，其主要成分為水溶性小分子的富裡酸和非水溶性大分子的胡敏酸，這類物質也被證實是微生物作用緩慢的物質。這類物質在自然生態系統中是重要的有機碳源，對土壤保水保肥、農林作物增產有重要意義。厭氧消化和好氧發酵(包括產物陳化)不僅是簡單有機物的降解過程，也是這些穩定化物質的合成過程。這一穩定化過程同時也實現了對產物的滅菌消毒，滿足園林綠化等土地利用方式的基本要求並具有改良土壤的作用，故稱之為「有機炭土」或「生物炭土」。行業內也逐步認識到穩定化處理的重要意義和產物重要價值。

但是穩定化處理產物中的生物腐殖酸是如何形成的，穩定化又是如何衡量的，其產物價值又是如何體現的，國內尚無以實際工程為對象的研究。基於上述問題，本研究以國內實際運行的十餘座厭氧消化(包括高溫熱水解厭氧消化、與餐廚協同厭氧消化)和好氧發酵工程為對象，開展了汙泥穩定化處理過程的物質轉化機理研究，成果揭示了處理產物的穩定化特性和土地資源化利用價值，提出了與穩定化產物性質相一致的產物穩定化水平判定方法，為我國汙泥處理採用正確的方法和穩定化產物的土地資源化利用提供了科學依據。

1材料與方法

1.1 汙泥採樣點

本試驗的汙泥樣本來自於全國16座汙水處理廠的汙泥處理工程，其中，9座採用厭氧消化處理工藝，記為A1～A9，7座採用好氧發酵處理工藝，記為B1～B7;兩種汙泥處理工藝流程及採樣點分布如圖1所示。

1.2 樣品預處理與分析方法

1.2.1 樣品的預處理

各廠各採樣點的樣品先經冷凍乾燥(-56 ℃，50 Pa)24 h以上，至含水率低於5%，取冷幹樣品研磨，過80目(0.2 mm)篩網，棄去篩上物(主要為汙泥中的雜質或殘餘輔料)，篩下物收集，依次放入密封袋中並編號，避光乾燥保存。

1.2.2 有機質的測定

腐殖酸和蛋白質的提取與測定：採用焦磷酸鈉鹼溶酸析法提取腐殖酸，具體步驟為：稱取0.5 g冷幹的汙泥粉末，置於250 mL具塞錐形瓶中，加入100 mL焦磷酸鈉與氫氧化鈉混合提取劑(0.1 mol/L Na4P2O7和0.1 mol/L NaOH)，室溫下浸提14 h，浸提液為腐殖酸與蛋白質的混合液;量取50 mL浸提液，通過酸鹼調節(用2 M H2SO4調浸提液pH<3，80 ℃水浴30 min，此時有沉澱析出，室溫下靜置12 h，沉澱用0.45 μm濾膜過濾，濾液為富裡酸，濾紙上的沉澱再用0.1 M NaOH重新溶解為胡敏酸)，分離出富裡酸和胡敏酸，並分別定容至100 mL，最後採用修正後的lowry法測定腐殖酸和蛋白質的濃度。

多糖的提取與測定：稱取0.1 g冷幹汙泥粉末，置於10 mL哈希比色管中，加入5 mL 2.5 M HCl，旋緊瓶蓋，置於哈希消解儀中，100 ℃下消解3 h，冷卻至室溫，加固體碳酸鈉中和液體(約0.6 g)，直到泡騰停止;用蒸餾水定容至50 mL，過0.45 μm濾膜，採用蒽酮-硫酸法測定濾液中的多糖濃度。

1.2.3 三維螢光光譜的測定與分析

蛋白質類和腐殖酸類物質是具有螢光特性的有機物，三維螢光(3D-EEM)圖譜能定性或半定量地分析這兩類物質的相對含量，從而將蛋白質的減量和腐殖酸的增量耦合起來。三維螢光圖譜採用三維螢光光譜儀(FluoroMax-4，Horiba，日本)測定。光譜數據使用Origin 8.5軟體進行繪圖，並使用ImageJ軟體(https://imagej.nih.gov/ij/)對光譜圖進行半定量分析。以牛血清蛋白、富裡酸和胡敏酸標準物質的螢光圖譜作為參照，分析樣品出峰位置所代表的螢光物質。

對3D-EEM光譜的定性分析通過螢光區域整合法(Fluorescence Regionalization Integration，FRI)進行。早期有學者將螢光光譜分為5個區;後續有研究者將螢光光譜進一步劃分為七類螢光區。在本研究中，參照七類螢光分區法，將三維螢光圖譜進一步歸類為2個區：複雜有機物區和簡單有機物區;複雜有機物區包括類富裡酸、類胡敏酸以及腐殖化中間產物，簡單有機物區包括類蛋白質以及蛋白質中間代謝產物。

參考Muller等的方法，在FRI法的基礎上，藉助Origin和ImageJ軟體對光譜圖進行半定量分析。首先，將得到的彩色光譜圖轉化為黑白圖，再利用ImageJ軟體讀取各區域的面積和螢光信號強度。根據式(1)計算各區域的螢光值：

Vf(i)=VimageJ(i)×∑2i=1S(i)S(i)(1)

式中 S(i)——區域面積;

VimageJ(i)——區域內螢光信號強度。

根據式(2)計算出的值稱為螢光複雜指數(Complexity Index, CI)，即類腐殖酸與類蛋白螢光值的比值。

CI=Vf(2)Vf(1)(2)

CI指數反映了複雜有機物與簡單有機物含量的比值，一定程度上反映了物料中易生物降解組分(蛋白質類物質)的減少和複雜、穩定組分(腐殖質類物質)的增加。該指數越大，說明簡單有機物降解越徹底，有機物腐殖化程度越高，也說明樣品的化學性質越穩定。

2厭氧消化處理產物特徵及轉化機理研究

2.1 厭氧消化處理產物特徵分析

編輯：王媛媛