CN109187460A - 污泥稳定化程度的判定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种污泥稳定化程度的判定方法，包括如下内容：用稳定化过程合成的腐殖酸总量和稳定化产物的荧光稳定化指数来判定污泥处理工艺的稳定化程度，所述的腐殖酸总量为富里酸与胡敏酸的总和，尤其是厌氧消化和好氧发酵过程稳定化程度的判定以及稳定化产物的价值评估。本发明提出的稳定化程度判定标准，使用科学的测定方法和计算方法，操作性强，重复性高，可替代现有评价标准，广泛应用于各种污泥处理工艺的稳定化程度的判定。
Description
技术领域
本发明涉及固废处理与其产物资源化利用技术领域，尤其涉及污泥厌氧消化和好氧发酵稳定化程度的判定方法。
背景技术
污泥是污水处理的“副产物”，也是氮磷资源和能源的载体。污泥处理处置需遵循“处置决定处理，处理必须满足处置要求”的原则。污泥处理产物采用土地利用处置是国内外城镇污水处理厂鼓励采用且行之有效的处置方式。要保证处理产物满足土地利用的要求，稳定化处理是最重要的处理手段。这种处理和产物的土地利用体现了“绿色、循环、低碳”的生态文明理念，被认为是城镇污水处理厂污泥与污水同步处理最有效的方式。
污泥稳定化处理是指污泥中的固体物质、产生气味的物质和病原菌得到减少，其内涵是稳定化处理后的产物不再腐败发臭，而不腐败发臭的根本在于微生物对产物发生作用是缓慢的。厌氧消化(包括高温热水解厌氧消化)和好氧发酵是最基本和最主要的稳定化处理方式，其处理后的产物是厌氧消化后的脱水沼渣或是好氧发酵后的陈化产物，因富含有机质、腐殖酸、微量营养元素、多种氨基酸和酶类等，能起到改良土壤的作用，故也称之为“有机炭土”或“生物炭土”，有重要的土地利用潜力。
然而，我国市政污泥泥质具有特殊性和复杂性(有机物含量低、含砂量高等特点)，加之现有稳定化程度的判定方法不科学，污泥土地利用标准不合理，对污泥稳定化处理产物的“恐惧”等，使得以土地利用为代表的资源化处置方式应用受阻。具体来讲，一方面，国内外尚缺少衡量稳定化程度的统一标准。我国衡量产物稳定化程度的指标是有机物降解率。如，现行的《室外排水设计规范》等标准、规程规定厌氧消化的有机物降解率应大于40％。而我国南北方污泥泥质差异较大。据调查，北方污泥有机物含量高达65％，南方污泥有机物含量低至35％，采用统一的评价标准就不能准确判断不同地区处理工艺的稳定化水平。再如，规范规程中规定好氧发酵的有机物降解率应大于50％，而好氧发酵过程往往加入大量辅料(如蘑菇渣、玉米棒、稻壳、木屑等)，引入外碳源，导致有机物降解率无法准确计算。由此可见，现有的稳定化程度判定标准是片面的也是不合理的。另一方面，对稳定化过程认识不足。过去一直强调稳定化过程有机物的降解率，但事实上，污泥的稳定化过程不仅是简单有机物(糖、蛋白、脂类等)的降解过程，也是复杂、稳定、大分子有机物(富里酸、胡敏酸等)的合成过程。前期研究表明，稳定化过程物质的降解与合成过程如下：在有氧、无氧、适宜温度等条件下，污泥中的有机物以及细菌细胞裂解释放到胞外的蛋白质、多糖等在微生物和氧化酶的作用下，一部分有机物经过好氧的三羧酸循环或厌氧的水解酸化和产甲烷阶段，逐步分解为小分子有机物(丙酮酸、氨基酸等)，再进一步转化为CO2、H2O、NH3(或NH4 +)、CH4等无机小分子物质；另一部分有机物先转化为小分子有机物，如多酚、醌类(丙酮酸的前驱物)、氨基化合物等，再在微生物和酶的作用下，与含氮化合物聚合成富里酸，这一过程主要发生在厌氧消化的热水解阶段和好氧发酵的一次发酵阶段；接着，生成的富里酸进一步聚合，并逐步生成胡敏酸，胡敏酸进一步聚合形成腐黑物；这一过程主要发生在厌氧消化的消化阶段和好氧发酵的二次发酵和陈化阶段。至此，完成了有机物的降解与腐殖酸类物质的合成。但这一过程的认识尚未在业内得到普及。再者，稳定化产物的价值尚未得到充分挖掘。稳定化产物富含有机质、腐殖酸、微量营养元素、多种氨基酸和酶类等，对土壤保水保肥、固定重金属以及丰富土壤微生物群落有重要作用；同时，腐殖酸作为微生物残体回归自然生态系统的中间介质，是能量交换的载体，也是化石能源(煤、石油、天然气)形成的前驱物，在地球的碳循环中有着重要意义。但这一内涵也未得到充分揭示和重视。
针对上述问题，提出有效、合理的稳定化控制指标，对准确判断稳定化程度和有效评价稳定化产物的价值大有裨益，也对我国污泥资源化处置的推进提供有利的理论支撑。
发明内容
鉴于上述现有技术的缺陷，本发明的技术目的在于提供一种操作性强，重复性高、可替代现有规范标准的污泥稳定化程度的判定方法。
为实现上述技术目的，本发明提供了如下技术方案：本发明的污泥稳定化程度的判定方法，用稳定化过程合成的腐殖酸总量和稳定化产物的荧光稳定化指数来判定污泥处理工艺的稳定化程度，所述的腐殖酸总量为富里酸与胡敏酸的总和，尤其是厌氧消化和好氧发酵过程稳定化程度的判定以及稳定化产物的价值评估。
进一步地，用腐殖酸总量作为稳定化程度的判定指标，富里酸和胡敏酸的分级提取方法如下：
(1)将污泥样品冷冻干燥至粉末，称取0.5g冷干的污泥粉末，置于250mL具塞锥形瓶中，加入100mL焦磷酸钠与氢氧化钠混合提取剂，室温下静提14h，浸提液为富里酸和胡敏酸的混合液；所述的焦磷酸钠Na4P2O7和氢氧化钠NaOH的摩尔浓度均为0.1mol/L；
(2)取50mL浸提液，用2M H2SO4调浸提液至pH<3，80℃水浴30min，此时有沉淀析出，室温下静置12h；
(3)混合液用0.45μm无机滤膜过滤，用0.1M H2SO4反复冲洗滤膜，收集滤液即为富里酸，滤纸上的沉淀用0.1M NaOH重新溶解，需水浴加热，溶解的液体即为胡敏酸，此步分离出富里酸和胡敏酸；
(4)将步骤(3)得到的两种溶液分别定容至100mL，采用修正后的Lowry法测定富里酸和胡敏酸的浓度，分别以富里酸和胡敏酸的标准溶液做标准曲线；再结合产物中有机质含量的分析，计算出单位重量有机质中腐殖酸的含量。
步骤(1)、步骤(2)、步骤(3)、步骤(4)所述的测定方法中样品的质量，实验容器的大小、规格，浸提液的体积和定容的体积可根据实际情况调整，等比例调整或在给定数值上下浮动。
进一步地，用荧光稳定化指数FSI作为稳定化程度的判定标准；荧光稳定化指数FSI综合反映了复杂有机物与简单有机物含量的比值，在一定程度上反映了物料中易生物降解组分的减少和复杂稳定组分的增加；所述的易生物降解组分为蛋白质类物质；所述的复杂稳定组分为腐殖质类物质。荧光稳定化指数FSI的计算方法如下：
(1)荧光光谱图采用三维荧光光谱仪测定得到，激发波长扫描范围为300～600nm，发射波长扫描范围为300～600nm，扫描间隔均为5nm，使用Origin软件对光谱数据进行绘图；
(2)将得到的彩色图谱在Origin中转化为黑白图，设定参数为：色阶从黑(RGB 0,0,0)到白(RGB 255,255,255)，色阶过渡为limited mixi；
(3)将黑白图谱分为上下两个区，简单有机物区和复杂有机物区，激发波长在350～360nm以下的区域称为简单有机物区，激发波长在350～360nm以上的区域称为复杂有机物区；
(4)使用ImageJ软件读取各区域的面积和荧光信号强度，
根据式计算各区域的荧光值，跟据式计算荧光稳定化指数。
进一步地，当稳定化产物中的腐殖酸总量，所述的腐殖酸总量为富里酸和胡敏酸之和≥150mg/gVS(产物每克有机质中不低于150毫克的腐殖酸)，且产物的荧光稳定化指数≥5.0，认为污泥处理工艺达到稳定化水平，否则未达到稳定化水平。
本发明的有益效果：
本发明提出的稳定化程度判定标准，使用科学的测定方法和计算方法，操作性强，重复性高，可替代现有评价标准，广泛应用于各种污泥处理工艺的稳定化程度的判定。
与现有评价指标相比，本发明提出的判定方法具有以下优点：
(1)本发明提出用腐殖酸总量判定污泥的稳定化程度，强调了稳定化过程不仅是有机物(蛋白质、多糖、脂类等)的降解过程，也是有机质(富里酸、胡敏酸等)的合成过程，突出了稳定化产物的资源化利用价值；
(2)本发明提出用荧光稳定化指数判定污泥的稳定化程度，将蛋白质的降解和腐殖酸的合成耦合在一起，充分考虑了稳定化过程物质的降解与合成，有效避免了进泥泥质差异对处理工艺稳定化程度判定的影响；
附图说明
图1(a)为本发明污泥稳定化过程物质的降解原理示意图；
图1(b)为本发明污泥稳定化过程物质的合成原理示意图；
图2为本发明富里酸和胡敏酸的分级提取方法；
图3(a)为本发明荧光稳定化指数的荧光光谱图分区方法示意；
图3(b)为本发明荧光稳定化指数计算方法的ImageJ测量的荧光区域面积和信号强度示意。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的构思、具体技术及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
实施例1
如图1所示，本发明污泥稳定化过程物质的降解与合成原理示意图；图2为本发明富里酸和胡敏酸的分级提取方法；
本发明的一种污泥稳定化程度的判定方法，包括如下内容：用稳定化过程合成的腐殖酸总量和稳定化产物的荧光稳定化指数来判定污泥处理工艺的稳定化程度，所述的腐殖酸总量为富里酸与胡敏酸的总和，尤其是厌氧消化和好氧发酵过程稳定化程度的判定以及稳定化产物的价值评估。
用腐殖酸总量作为稳定化程度的判定指标，富里酸和胡敏酸的分级提取方法如下：
(1)将污泥样品冷冻干燥至粉末，称取0.5g冷干的污泥粉末，置于250mL具塞锥形瓶中，加入100mL焦磷酸钠与氢氧化钠混合提取剂，室温下静提14h，浸提液为富里酸和胡敏酸的混合液；所述的焦磷酸钠Na4P2O7和氢氧化钠NaOH的摩尔浓度均为0.1mol/L；
(2)取50mL浸提液，用2M H2SO4调浸提液至pH<3，80℃水浴30min，此时有沉淀析出，室温下静置12h；
(3)混合液用0.45μm无机滤膜过滤，用0.1M H2SO4反复冲洗滤膜，收集滤液即为富里酸，滤纸上的沉淀用0.1M NaOH重新溶解，需水浴加热，溶解的液体即为胡敏酸，此步分离出富里酸和胡敏酸；
(4)将步骤(3)得到的两种溶液分别定容至100mL，并采用修正后的Lowry法测定富里酸和胡敏酸的浓度，分别以富里酸和胡敏酸的标准溶液做标准曲线；再结合产物中有机质含量的分析，计算出单位重量有机质中腐殖酸的含量。
在步骤(1)、步骤(2)、步骤(3)、步骤(4)中，所述的测定方法中样品的质量，实验容器的大小、规格，浸提液的体积和定容的体积可根据实际情况调整。
进一步地，用荧光稳定化指数FSI作为稳定化程度的判定标准；荧光稳定化指数FSI综合反映了复杂有机物与简单有机物含量的比值，在一定程度上反映了物料中易生物降解组分的减少和复杂稳定组分的增加；所述的易生物降解组分为蛋白质类物质；所述的复杂稳定组分为腐殖质类物质。
如图3(a)和图3(b)所示，荧光稳定化指数FSI的计算方法如下：
(1)荧光光谱图采用三维荧光光谱仪测定得到，激发波长扫描范围为300～600nm，发射波长扫描范围为300～600nm，扫描间隔均为5nm，使用Origin软件对光谱数据进行绘图；
(2)将得到的彩色图谱在Origin中转化为黑白图，设定参数为：荧光强度0～5.0E6(此范围可根据实测情况调整)，层级20，色阶从黑(RGB 0,0,0)到白(RGB 255,255,255)，色阶过渡为limited mixi；
(3)将黑白图谱分为上下两个区，简单有机物区和复杂有机物区，激发波长在350～360nm以下的区域称为简单有机物区，激发波长在350～360nm以上的区域称为复杂有机物区；
(4)使用ImageJ软件读取各区域的面积和荧光信号强度，
根据式计算各区域的荧光值，根据式计算荧光
稳定化指数。
试验1
北方某再生水厂采用热水解-厌氧消化工艺处理剩余活性污泥，处理污泥为含固率15.3％、有机物含量69.7％的离心脱水污泥，经过热水解和中温厌氧消化(20天)后，总有机物减量61.3％，厌氧消化后腐殖酸合成量为253.7mg/gVS，板框脱水后，部分游离态腐殖酸随脱水液带走，产物(脱水沼渣)中仍含有腐殖酸175mg/gVS，荧光稳定化指数为5.36。经判定，处理后污泥已达到稳定化水平，可进行后续资源化处置。
试验2
南方某污泥处置中心采用热水解-高温厌氧消化工艺处理市政污泥，进泥为含固率14.0％、有机物含量40.3％的离心脱水污泥，经过热水解和高温厌氧消化(20天)后，总有机物减量42.5％，厌氧消化后腐殖酸合成量146.1mg/gVS，板框脱水后，部分游离态腐殖酸随脱水液带走，产物脱水沼渣中仍含有腐殖酸128.4mg/gVS，荧光稳定化指数为1.05。经判定，处理后污泥尚未达到稳定化水平，需进一步稳定化处理。
试验3
北方某污泥处理处置中心采用好氧发酵工艺处理板框脱水污泥，进泥泥质为含固率75.1％，有机物含量65.9％。采用蘑菇渣作为辅料，混合比例为回料：原泥：辅料＝2:1:0.2，一次发酵14天，二次发酵20天。发酵产物中腐殖酸合成量242.4mg/gVS，荧光稳定化指数为10.6，经过一个月的陈化后，陈化产物中腐殖酸含量为305.7mg/gVS，荧光稳定化指数激增至509.4。经判定，发酵后的产物已达到稳定化水平，可进一步资源化处置。
试验4
南方某污泥处理处置示范工程采用覆膜好氧发酵工艺处理市政污泥，处理污泥为含固率23.9％、有机物含量35.4％的离心脱水污泥。采用木屑作为辅料，混合比例为原泥：辅料：回料＝1.5:1:0.5，一次发酵12天，二次发酵8天。发酵产物中腐殖酸合成量92.5mg/gVS，荧光稳定化指数3.2，经过一年的陈化后，陈化产物中腐殖酸含量增加至161.9mg/gVS，荧光稳定化指数增至23.9。经判定，发酵后的产物尚未达到稳定化水平，但经过长时间的陈化后，产物达到稳定化水平，可进行后续资源化处置。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (5)
1.一种污泥稳定化程度的判定方法，其特征在于：用稳定化过程合成的腐殖酸总量和稳定化产物的荧光稳定化指数来判定污泥处理工艺的稳定化程度，所述的腐殖酸总量为富里酸与胡敏酸的总和，尤其是厌氧消化和好氧发酵过程稳定化程度的判定以及稳定化产物的价值评估。
2.根据权利要求1所述的污泥稳定化程度的判定方法，其特征在于：用腐殖酸总量作为稳定化程度的判定指标，富里酸和胡敏酸的分级提取方法如下：
(1)将污泥样品冷冻干燥至粉末，称取0.5g冷干的污泥粉末，置于250mL具塞锥形瓶中，加入100mL焦磷酸钠与氢氧化钠混合提取剂，室温下静提14h，浸提液为富里酸和胡敏酸的混合液；所述的焦磷酸钠Na4P2O7和氢氧化钠NaOH的摩尔浓度均为0.1mol/L。
(2)取50mL浸提液，用2M H2SO4调浸提液至pH<3，80℃水浴30min，此时有沉淀析出，室温下静置12h；
(3)混合液用0.45μm无机滤膜过滤，用0.1M H2SO4反复冲洗滤膜，收集滤液即为富里酸，滤纸上的沉淀用0.1M NaOH重新溶解，需水浴加热，溶解的液体即为胡敏酸，此步分离出富里酸和胡敏酸；
(4)将步骤(3)得到的两种溶液分别定容至100mL，采用修正后的Lowry法测定富里酸和胡敏酸的浓度，分别以富里酸和胡敏酸的标准溶液做标准曲线；再结合产物中有机质含量的分析，计算出单位重量有机质中腐殖酸的含量。
3.根据权利要求2所述的富里酸和胡敏酸分级提取方法，其特征在于：步骤(1)、步骤(2)、步骤(3)、步骤(4)所述的测定方法中样品的质量，实验容器的大小、规格，浸提液的体积和定容的体积可根据实际情况调整，等比例调整或在给定数值上下浮动。
4.根据权利要求1所述的污泥稳定化程度的判定方法，其特征在于：用荧光稳定化指数FSI作为稳定化程度的判定标准；荧光稳定化指数FSI的计算方法如下：
(1)荧光光谱图采用三维荧光光谱仪测定得到，激发波长扫描范围为300～600nm，发射波长扫描范围为300～600nm，扫描间隔均为5nm，使用Origin软件对光谱数据进行绘图；
(2)将得到的彩色图谱在Origin中转化为黑白图，设定参数为：色阶从黑(RGB 0,0,0)到白(RGB 255,255,255)，色阶过渡为limited mixi；
(3)将黑白图谱分为上下两个区，简单有机物区和复杂有机物区，激发波长在350～360nm以下的区域称为简单有机物区，激发波长在350～360nm以上的区域称为复杂有机物区；
(4)使用ImageJ软件读取各区域的面积和荧光信号强度，
根据式计算各区域的荧光值，根据式计算荧光稳定化指数。
5.根据权利要求2或3所述的污泥稳定化程度的判定方法，其特征在于：当稳定化产物中的腐殖酸总量，所述的腐殖酸总量为富里酸和胡敏酸之和≥150mg/gVS(产物每克有机质中不低于150毫克的腐殖酸)，且产物的荧光稳定化指数≥5.0，认为污泥处理工艺达到稳定化水平，否则未达到稳定化水平。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20190111 |