1、202312基础研究17Modern Chemical Research当代化工研究热水解过程中污泥有机物的变化规律刘研萍1 闫旭升1 熊建军2 叶美瀛3 刘茹飞4 李伟5 夏洲5（1.北京化工大学环境科学与工程系 北京 1000292.北京城市排水集团有限责任公司 北京 1000443.中国环境科学研究院 北京 1000124.中城院（北京）环境科技股份有限公司 北京 1001205.成都瑞耘环境科技有限公司 四川 610041）摘要：开展了不同工艺条件的热水解预处理对污泥有机物溶出规律的影响研究。结果表明，预脱水污泥经过热水解处理后，可溶性化学需氧量（SCOD）、可溶性蛋白和氨氮等指标的含
2、量明显升高，在200/40min条件下，均达到最大值，分别为33895mg/L、19285mg/L和2228mg/L；可溶性多糖含量随反应温度的升高呈现先增后减的趋势，在170/40min条件下达到最大值3724mg/L；此时，可溶性蛋白与多糖之和在SCOD中的占比达到71.5%；在190/40min条件下，挥发性脂肪酸（VFAs）含量达到最大，相比预脱水污泥提升了300%。热水解有效改善了污泥厌氧消化效性。关键词：污泥；热水解；有机物中图分类号：X703 文献标识码：ADOI：10.20087/ki.1672-8114.2023.12.006Changes of Organic Matter
3、 in Sludge During Thermal HydrolysisLiu Yanping1,Yan Xusheng1,Xiong Jianjun2,Ye Meiying3,Liu Rufei4,Li Wei5,Xia Zhou5(1.Department of Environmental Science and Engineering,Beijing University of Chemical Technology,Beijing,100029 2.Beijing Drainage Group Co.,Ltd.,Beijing,1000443.Chinese Research Acad
4、emy of Environmental Sciences,Beijing,1000124.Zhongchengyuan(Beijing)Environmental Technology Co.,Ltd.,Beijing,1001205.Chengdu Ruiyun Environmental Technology Co.,Ltd.,Sichuan,610041)Abstract：The influence of thermal hydrolysis under different technological conditions on the dissolution law of sludg
5、e organic matter was studied.The results showed that the contents of soluble chemical oxygen demand(SCOD),soluble protein and ammonia nitrogen in pre-dewatered sludge increased obviously after thermal hydrolysis treatment,and reached the maximum at 200/40 min,which were 33895 mg/L,19285 mg/L and 222
6、8 mg/L respectively.Soluble polysaccharide first increased and then decreased with the increase of temperature,and reached the maximum value of 3724 mg/L at 170/40 min.At this time,the sum of soluble protein and polysaccharide accounted for 71.5%in SCOD.Under the condition of 190/40 min,the content
7、of volatile fatty acids(VFAs)reached the maximum,which was 300%higher than that of pre-dewatered sludge,and the proportion of acetic acid also increased.Key words：sludge；thermal hydrolysis；organic compound污泥的处理处置制约着污水处理厂的发展，我国对污泥处理处置越来越重视1。热水解技术是污泥厌氧消化常用的预处理方法。经过热水解后，提高了污泥脱水性能，利于后续污泥脱水减量2；细胞内的有机质被释放
8、出来3，污泥的厌氧消化性能得到改善，增加了产甲烷量4。热水解的研究温度范围为40200，以100为分界线，分别为低温热水解和高温热水解5。已有学者研究了热水解温度的影响6-8，本文开展了热水解预处理对污泥有机物溶出规律的影响研究，通过改变热水解反应的时间和温度，探究热水解预处理对污泥的改性效果。1.材料与方法(1)污泥原料表1 预脱水污泥性质项目单位数值TS%16.440.4VS%10.760.2pH-7.080.1TCODg/L129.343.6SCODmg/L3122115可溶性蛋白mg/L63625可溶性多糖mg/L60822试验原料为预脱水污泥，取自北京城市排水集团202312基础研究
9、18Modern Chemical Research当代化工研究高碑店再生水厂。预脱水污泥，由初沉污泥和剩余污泥以7:3的比例进行混合，经过离心机过滤后，被输送到预脱水污泥仓中待处理。预脱水污泥基本性质见表1所示。(2)试验设计将污泥置于热水解高温反应釜中，反应釜容积为2L。分别设置9个温度梯度（120200，以10为梯度单元）在20min、30min、40min下进行热水解，搅拌器的搅拌速度150r/min。热水解后污泥存放于冰箱（4）中待测。2.污泥有机物性质的变化(1)SCOD的变化污泥热水解前后的SCOD含量变化如图1所示。由图1 可知，预脱水污泥经过热水解预处理后，SCOD含量明显增
10、高，并且随着温度的升高，SCOD含量变化呈现上升趋势。预脱水污泥的SCOD含量为3122mg/L，不同反应温度下热水解后污泥的SCOD含量，以30min试验组的数据为例，分别为13991mg/L、14144mg/L、17667mg/L、18774mg/L、22456mg/L、25401mg/L、30608mg/L、30684mg/L和33058mg/L，其最小值和最大值分别比预脱水污泥SCOD含量提高了3.48倍和9.59倍。另外，在相同温度下，随着反应时间的延长，SCOD含量也有所增大，30min和40min试验组的增溶效果比20min的更好。这说明热水解反应20min时，胞内物质的溶出还未
11、完全，当反应时间延长时，有机物进一步溶解。当温度偏低时（120和130），反应时间对SCOD含量的影响不大，当温度偏高时（140），反应时间对SCOD含量的影响较大。图1 污泥SCOD含量图2 热水解污泥增溶率预脱水污泥在热水解处理后，胞外聚合物的紧密结构被破坏，大量有机物溶出，以SDcod表示增溶率，直接反映有机物释放至液相的程度，采用式（1）9进行计算，计算结果见图2。由图2可知，随着时间延长和温度升高，增溶率也越来越大。当反应时间为20min时，SDcod从120的8.46%增加到200的21.16%。当温度同为200时，40min的热水解污泥增溶率更大，达到了24.98%。而且，从图中
12、可以明显看出，20min的热水解污泥增溶率偏小，30min的热水解污泥增溶率有明显增加趋势，40min的热水解污泥增容效果最好。污泥内的固体物质不断溶解，同时伴随着水解，大分子转化为小分子物质10。（1）式中，SDcod：增溶率，%；SCODf：热水解污泥的SCOD，mg/L；SCOD0：预脱水污泥的SCOD，mg/L。(2)可溶性蛋白的变化污泥热水解前后的可溶性蛋白含量如图3所示。未经热水解的污泥可溶性蛋白含量较低，仅为636mg/L，预脱水污泥中的蛋白质大部分集中在固相部分，细胞内部。在热水解预处理后，蛋白质溶出，可溶性蛋白含量增加。以30min的试验组为例，从反应温度120到200对应的
13、可溶性蛋白含量分别为4359mg/L、4946mg/L、6342mg/L、7179mg/L、8718mg/L、9526mg/L、11240mg/L、12632mg/L和13714mg/L。随着反应温度的升高和时间的延长，可溶性蛋白含量越高，而且在温度较高（大于140）的条件下，时间越长，可溶性蛋白含量也越高。陶梅平等11的研究结果类似。图3 热水解污泥可溶性蛋白含量图4 热水解污泥的可溶性多糖含量(3)可溶性多糖的变化污泥热水解前后的可溶性多糖含量如图4所示。经过热水解处理后，污泥释放出大量多糖，可溶性多糖含量明显升高。预脱水污泥中的可溶性多糖为608mg/L，在120/20min条件下，热水
14、解污泥的可溶糖质量浓度为1125mg/L，增长率为85%。随着温度的升高和时间的延长，可溶性多糖的浓度逐渐呈现上升趋势，直到170，三个时间段的可溶性多糖含量均达到最大值，分别为3132mg/L、3612mg/L和3724mg/L，提升效果分别达到4.15倍、4.94倍和5.13倍。多糖集中分布在污泥的细胞外层，胞外聚合物中，影响污泥的凝胶状絮体结构12，而蛋白质主要分布在细胞内部。当污泥处于高温环境时，首先被破坏的是胞外聚合物，多糖首先溶出，之后细胞壁被破碎，蛋白质才得以溶出。因此，多糖的增加优先于蛋白质，这也是在低温（120和130的）条件下，可溶性多糖变化要比可溶性蛋白变化明显的原因。另
15、一202312基础研究19Modern Chemical Research当代化工研究方面，可溶性多糖含量的增多也会对蛋白质的溶出造成负面影响13，因此，在反应温度相对较低的条件下，蛋白的增加延迟与多糖。(4)挥发性脂肪酸的变化热水解污泥的VFAs变化趋势如图5所示。预脱水污泥中的VFAs质量浓度为1094mg/L，随着温度的升高，VFAs质量质量浓度呈阶梯式上升，当反应温度为190时，浓度有一个陡增的情况，并达到最大值，三个时间点的最大值分别为4166mg/L、4224mg/L和4377mg/L，提升率分别为281%、286%和300%。(a)20min试验组 (b)30min试验组 (c)
16、40min试验组图5 热水解污泥的VFAs分布污泥热水解前后VFAs的各组成分占比如图6所示，预脱水污泥的乙酸占比为45%，丙酸为21%，丁酸和戊酸为均17%；经过热水解处理后，随着反应温度的升高，乙酸的含量在逐渐增多，且占比也逐步增加，在200达到最大60%。当反应温度为200时，丙酸占比降至15%，戊酸降至11%，这说明温度越高越有利于水解为相对稳定的产物（乙酸）。王治军等14的研究结果类似。这种向乙酸转变的情况有利于厌氧消化，因为丙酸会影响细胞活性15，过多的丙酸会抑制产甲烷菌进行正常的生命活动，而乙酸和丁酸更易于被产甲烷菌利用。图6 热水解污泥VFAs成分占比3.结论（1）污泥在经过热水解后，SCOD随着时间的延长和温度的升高明显变大，尤其是140之后，时间的影响更明显。当热水解温度为200，反应40min后，污泥的增溶率达到了24.98%。（2）可溶性蛋白和可溶性多糖含量在热水解后均有大幅度增加，可溶性蛋白随时间和温度改变的趋势与SCOD相似，当反应条件为200/40min时，达到了19285mg/L，比未预处理的污泥提高了29倍。可溶性多随着温度的升高先上升后下降，在170