（环境工程专业论文）微波预处理剩余污泥的研究.pdf

摘要 摘要 厌氧消化是污泥稳定化和资源化处理最经济有效的方法。但由于污 泥属于难降解生物固体，厌氧消化存在反应速度慢，消化时间长，池体 体积庞大，生物气中甲烷含量低等缺点。为了提高厌氧消化效率，在污 泥进行厌氧消化前进行破解预处理，即破坏污泥絮体结构，使污泥中微 生物的细胞壁破裂，细胞内含物溶出，可加速污泥的水解过程，从而达 到缩短消化时间，减少消化池容积，提高甲烷产量的目的。现行的各种 物理、化学预处理方法，均存在诸多的不足，本课题采用一种新型的预 处理方法一微波处理技术处理污泥，研究改变微波的作用时间对污泥 含水率、有机物解析、总氮含量及磷酸盐含量的影响；对比研究微波对 后续厌氧反应的促进情况；研究扩大到中试规模，微波对于污泥的效果 是否还是与我们的期望值一致，是否还有进行工业化的可行性。 试验结果表明，采用微波技术预处理剩余污泥，可以破坏污泥中微 生物细胞，使胞内物质由污泥相进入水相，导致水相中c o d 值、总氮含 量的增加及磷酸盐的释放，有助于这些污染物的降解和去除。小试实验 中，在条件相同的情况下，通过对不同含水率的污泥消解，发现静置2 4 h 的污泥在微波的外因素下解析效果最佳，在7 m i n 达到最佳值。过长时 间的微波处理，不但不能增加c o d 等物质含量，还会加速它们的挥发及 降解，从而呈下降趋势。中试试验表明，在一定试验时间范围内，污泥 浓度越高，污泥细胞破解所需要的时间越短，水中c o d 值、总氮及磷酸 武汉工程大学硕士论文 盐含量的增加值幅度也越大：污泥浓度稀，则反之。长时间的微波作用， 使得水中c o d 等物质浓度很大，加重了后续厌氧污泥负荷。对比可知， 微波作用5 m i n 后的污泥最易被降解，无论是产气速率还是产气总量上 均好于微波作用0 m i n 、l o m i n 、1 5 m i n 的污泥。 本试验较为成功地进行了利用微波技术预处理污泥的小试和中试， 全面地研究了微波预处理对污泥中c o d 、总氮、磷酸盐含量及后续污泥 厌氧消化、提高甲烷产率的影响，为进一步工业性试验的开展奠定了基 础。本研究对污泥资源利用和减量化排放具有应用价值。 关键词：微波预处理剩余污泥细胞破解c o d 总氮磷酸盐 i i a b s t r a c t a b s t r a c t a n a e r o b i c d i g e s t i o n i st h em o s t c o m m o n l ya p p l i e dt e c h n i q u e f o r s t a b i l i z a t i o no fw a a s t ea c t i v a t e ds l u d g e h o w e v e r , t h ew a s t ea c t i v a t e ds l u d g e i sd i f f i c u l tt od e g r a d e ，w h i c hr e s u l t si nt h es l o wd e g r a d a t i o n ，l o n gr e s i d e n c e t i m ea n d l a r g e f e r m e n t e rv o l u m e i fs o m em e t h o d sa le a p p l i e d a s p r e t r e a t m e n tt od i s i n t e g r a t et h es l u d g ef l o c sa n dd i s r u p tb a c t e r i a lc e l l sw a l l ， t h eh y d r o l y s i sc a nb ei m p r o v e dal o t ，s ot h a tt h er e s i d e n c et i m ec a nb e s h o r t e n e d ，f e r m e n t e r v o l u m eb e r e d u c e d ，m e t h a n ep r o d u c t i o nb e s i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e d t h e r ea r em a n ys h o r t c o m i n g si n t h e e x i s t i n g v a r i e t yo fp h y s i c a l ，c h e m i c a lp r e t r e a t m e n tm e t h o d s t h i si s s u eu s i n gan o v e l m e t h o do f p r e t r e a t m e n t m i c r o w a v et e c h n o l o g yt ot r e a ts l u d g ew h i c ho nt h e r o l eo fc h a n g e si nm i c r o w a v et i m eo nt h em o i s t u r ec o n t e n to fs l u d g e ， o r g a n i ca n a l y s i s ，n i t r o g e na n dp h o s p h a t ec o n t e n to ft h ei m p a c to f c o m p a r a t i v e ，s t u d yo fm i c r o w a v eo nf o l l o w u pt op r o m o t ea n a e r o b i c r e a c t i o n t oe x p a n dt h ep i l o ts c a l e ，t h ee f f e c to fm i c r o w a v ef o rs l u d g eo r w h e t h e rc o n s i s t e n tw i t ho u r e x p e c t a t i o n s a n dt h e f e a s i b i l i t y o f i n d u s t r i a l i z a t i o n t h er e s u l to fe x p e r i m e n ti n d i c a t e dt h a t u s i n gm i c r o w a v et e c h n o l o g yt o c r a c k e ds l u d g ec a nd a m a g ec e l l sa n dm a d et h ec e l l so ft h em a t e r i a lb e c h a n g e df r o mt h es l u d g ei n t ot h ew a t e rw h i c hw i l ld e s t r o yt h eq u a l i t yo f i i i 武汉工程大学硕士论文 w a t e r t h u s ，t h ec o n t e n to fo r g a n i c ，t o t a ln i t r o g e na n dp h o s p h a t ew i l lb e r a i s e da tt h es a m et i m ew h i c hw i l ld a m a g et h ef l o cs l u d g e ，m a k ei tc o m p a c t a n de v e nc a r b o n a t e s m a l le x p e r i m e n t a lt r i a li n d i c a t e dt h a t2 4h o u ro f s l u d g es t a n d i n gi nt h em i c r o w a v ea n di n7m i na c h i e v et h eb e s tv a l u e t h r o u g ht h ed i f f e r e n tw a t e rc o n t e n to ft h es l u d g ed i g e s t i o nu n d e rt h es a m e c o n d i t i o n t o ol o n gt h ep r e t r e a t m e n to fm i c r o w a v ew i l ln o to n l yd e c r e a s e t h ec o n t e n to fm a t e r i a lb u ta l s oa c c e l e r a t et h e i rv o l a t i l i t ya n dd e g r a d a t i o n a n dt h ed o w n w a r dt r e n dw i l la p p e a r p i l o tt e s t ss h o w e dt h a tt h eh i g h e r c o n c e n t r a t i o no f s l u d g e ，t h es h o r t e rt i m en e e d e dt ob r e a ks l u d g ec e l l sa n d t h e c o dv a l u ei nt h ew a t e r , n i t r o g e na n dp h o s p h a t ec o n t e n tw i l lb eg r e a t e r d u r i n gac e r t a i np e r i o do ft e s t i ft h es l u d g ec o n c e n t r a t i o ni sd i l u t e ，t h e r e s u l ti so nt h ec o n t r a r y l o n gp e r i o do fm i c r o w a v ef u n c t i o nc a ni n c r e a s et h e c o dc o n t e n ti nt h ew a t e ra n dm a k et h ef o l l o w u pa n a e r o b i cr e s p o n s eb e h e a v i e r f r o mt h ec o n t r a s t ，i tw i l lb ec o n c l u d e dt h a tt h es l u d g ea f t e r5m i n m i c r o w a v ep r e t r e a t m e n tc a nb ee a s l i e rd e g r a d a t et h a nt h er o l ei nt h e m i c r o w a v e0m i n ，10 m i n ，15 m i no fs l u d g en om a t t e rt h eg a sp r o d u c t i o nr a t e o rt h et o t a lg a sp r o d u c t i o n t h i ss m a l l e x p e r i m e n t a l t r i a la n dt h e p i l o t t e s t ss u c c e e di n p r e c o n d i t i o n i n gt h es l u d g em a k i n gu s eo ft h e m i c r o w a v et e c h n i q u e t h e i n f l u e n c eo nt h ec o d ，t h et o t a ln i t r o g e na sw e l la st h ep h o s p h a t ec o n t e n ti n t h es l u d g eu n d e rt h em i c r o w a v ep r e c o n d i t i o n i n gt e c h n i q u ei sb ei n v e s t i g a t e d i v c o m p r e h e n s i v e l ya n dt h o r o u g h l yb yt h em e a n t i m e ，w h i c hi sb e n e f i t f u l lt o e s t a b l i s ht h ef o u n d a t i o nf o rt h ef u r t h e ri n d u s t r i a lt e s t s t h i sr e s e a r c hi s b r i m m i n g w i t h p r a c t i c a l v a l u ei nt h es l u d g er e s o u r c eu t i l i z a t i o na n d r e d u c t i o no fe m i s s i o n k e yw o r d s ：p r e t r e a t m e n t m i c r o w a v er e m a i n i n gs l u d g e c e l l sb r e a k c o dt n p h o s p h a t e v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导f 进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对 本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 o毛 学位论文作者签名：蒴尧 友 3 年占月乡日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解我校有关保留、使用学位论文的规定， 即：我校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅。本人授权武汉工程大学研究生处可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密o ，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密酣 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名李诜， 毒、确6 年6 月乡日 指导教师签名： t 1 夫眵 矾年6 月弓日 第一章绪论 1 1 课题的研究意义 第一章绪论 随着我国社会经济和城市化的发展，城市污水的产生及其数量在不 断增长。目前全国已建成并运转的城市污水处理厂4 2 7 余座，年处理能 力为1 1 1 3 6x1 0 8 m 3 。根据有关预测，我国城市污水量在未来2 0 年还会 有较大增长，2 0 1 0 年污水排放量将达到4 4 0 1 0 8 m 3 d ，2 0 2 0 年污水排放 量将达到5 3 6 1 0 8 m 3 d 。 污泥是污水处理后的副产物，是一种由有机残片、细菌菌体、无 机颗粒、体等组成的极其复杂的非均质体。污泥量通常占污水量的 0 3 o 5 ( 体积如果属于深度处理，污泥量会增加0 5 1 倍) 。污水 处理效率的提高，必然导污泥数量的增加，2 0 0 0 年我国工业和城市污水 排放总量为4 1 5 亿t ，其中工业废水排放量为1 9 4 亿t ，处理率为9 4 7 ； 城市生活污水排放量为2 2 1 亿t ，处理率为2 5 。目前我国污泥产量约 为1 5 0 0 万t ( 按含水率9 7 计) ，预计到2 0 年污泥产量将是现在的5 倍 乜1 。欧盟2 0 0 8 年的污泥产量将是2 0 0 1 年的两倍口1 。在美国，污泥投放 海洋已被禁止，污泥的土地利用也受到越来越严格的限制n 1 。一般污水 厂，污泥处理费用约占全厂费用的2 0 5 0 ，甚至为7 0 咖。 污泥如果处理或处置不当，会对环境形成危害。因此，如何经济 有效地处置污泥，减少污泥产量，使污泥快速稳定，以保证污水处理厂 1 武汉工程大学硕士学位论文 的正常运行和处理效果，保护环境、变害为利、变废为宝是我们面对的 一个重要问题。 近年来微波技术在环保领域的应用研究十分活跃。与传统技术相 比，它具有快速、高效、资源回收利用率高、不会造成二次污染、成本 低等方面的显著优点。目前处于实验室研究阶段的相关技术主要包括以 下方面：( 1 ) 含油污泥微波脱油技术：( 2 ) 微波焚烧法处理废电路板回收 贵金属技术：( 3 ) 微波一氯化锌法制取锯末活性炭处理含铬废水：( 4 ) 微 波法制取原油泄漏处理用高吸油性复合体技术。 微波技术已用于传染性废物处理、土壤污染消除和环保材料制取等 方面的研究，随着微波环保设备的研制及规模化生产后设备费用的降 低，其在环保领域将得到更广泛的推广和应用。但微波在污泥处理及资 源化方面的应用研究还不多，资料表明，目前国内外均没有微波技术用 于污泥预处理过程的工艺研究。 1 2 研究方向 1 2 1 研究内容 厌氧消化处置污泥能耗低，污泥消化后稳定度高，并且能够产生甲 烷等可利用的资源，是污泥处理经常采用的方式之一。但是厌氧消化反 应速率慢，对外界条件要求较高。一方面大量污泥产生给人类带来了巨 大的压力：另一方面，资源紧缺日益成为社会发展的瓶颈。水解阶段是 2 第一章绪论 污泥厌氧消化的限制性阶段。为此，在污泥消化前采用微波对污泥进行 预处理，加速污泥的厌氧消化速率。微波的能量投入和污泥厌氧消化产 生沼气量的多少，不仅关系到污泥消化的最终效果，同样也同污水厂运 营效益息息相关。目前国内外采用物理、化学方法进行预处理，但均有 诸多的不足，未能工业化生产。本实验以微波小试为基础，研究微波对 污泥在含水率、有机物解析、富营养化物质及对污泥厌氧消化效果的影 响；并进行放大实验，研究工业可行性。 本研究以武汉市龙王嘴污水处理厂( 以处理生活污水为主) 的剩余 污泥为研究对象，探索符合我国国情的、能量产出投入比高的污泥处理 方法。使其减量化、资源化。 主要研究内容如下： 1 研究对污泥进行微波预处理后，含水率变化情况； 2 研究对污泥进行微波预处理后，原先吸附于污泥上没有降解完全的 有机污染物解析情况； 3 研究对污泥进行微波预处理后进行其中温厌氧消化情况。即微波预 处理工艺是否加速厌氧进程。 4 在小试的基础上，将处理污泥容积放大1 0 0 0 倍，即中试试验；研 究对污泥批量预处理后，含水率变化、有机物解析情况、富营养化 物质变化情况及对后续厌氧消化的影响效果。 3 武汉工程大学硕士学位论文 1 2 2 研究思路 剩余污泥中吸附了大量的未经降解的有机物，如直接将其送至垃圾 填埋场，本质上是将水中的有机污染物转移到固体废弃物中，最终这部 分有机物还是要进入水体；另外，还要占据大量宝贵垃圾填埋用地。 厌氧消化是目前无污染排放污泥广泛采用的处理工艺，其限速步骤 是水解反应，而水解的限速反应在于细胞壁的破裂，所以如何快速有效 的破坏污泥的结构及细胞壁，使污泥絮体结构发生变化，成为污泥预处 理要解决的核心问题。 本实验对欲进入厌氧消解的污泥采用微波预处理工艺，使单纯吸附 于污泥上的有机物解析进入水体。通过厌氧方式进一步完善处理，产生 的甲烷等可燃气体提供能量来保证微波预处理的进行，达到一个减量 化、高效能的污泥处理新思路。工艺思路见图卜1 。 1 2 3 创新点 图卜1污泥处理处置新思路 f i g u r e l 一1n e ww a yo ft r e a t i n gs i u d g e 本试验主要研究采用微波技术预处理剩余污泥，创新点如下： 4 第一章绪论 1 、全面地研究了微波预处理对剩余污泥中c o d 、总氮及磷酸盐含量 的影响； 2 、进行了中试，为项目的工业性试验和工业化应用奠定了基础。 5 第二章文献综述 第二章文献综述 2 1 污泥的性质及污泥的处理与处置方法 2 1 1 污泥的产生 城市污水厂产生的污泥是指处理污水过程中产生的一种介于液体 和固体之间的浓稠废弃物。污泥是污水处理后的副产物，其体积通常占 污水量的0 3 , - - , 0 5 ；如果是深度处理，污泥量会增加0 5 1 。 2 1 2 污泥的特性 与国外发达国家相比，我国城市污水污泥有如下特点3 ： ( 1 ) 有机物含量低 由于我国居民的营养结构和发达国家不同，加上室内卫生设施的不 完善，致部分生活污水不能收集并排入城市污水管网，因此，我国城市 污水污泥的有机物含量较低，一般为5 0 左右，而发达国家的这一数值 为7 0 - - - - 8 0 。 ( 2 ) 污泥泥质差，碳水化合物含量高而脂肪类含量低。 与发达国家( 如美国和西欧的一些国家) 相比，我国人均肉类和牛奶 的消量偏低，导致我国生活污水污泥的挥发性悬浮物( v s s ) 含量低，而 碳水化合物( 如淀粉、糖类和纤维素) 的含量较高。这使得污泥中的有机 7 武汉工程大学硕士学位论文 物主要是碳水化合物，参见表2 1 。 表2 1污泥主要组成一览表 t a b i e2 _ 1 m a i nc o m p o n e n t so fs l u d g e ( 3 ) 碳氮比( c n ) 我国城市污水中工业废水占的比重比较大，尤其在工业发达的城市， 因此城市污水污泥中的氮含量在3 左右，这使得我国城市污水污泥的 c n 值约为( 1 0 - - 一2 0 ) ：1 。在这样的c n 值下，污泥的厌氧消化效果较好。 ( 4 ) p h 值和酸碱度 p h 值和酸碱度是影响污泥厌氧消化的重要因素。我国城市污水污泥 的值在6 7 之内，总碱度介于1 6 2 6 m g 乙，对厌氧消化的影响不大。 ( 5 ) 重金属 城市污水污泥中重金属的含量取决于城市污水中工业废水的比例 以及工业性质。城市污水经二级处理后，污水中的重金属5 0 以上转移 到污泥中去阳1 。我国由于对工业废水管理不严格，所以污泥中的重金属 含量常常相当高。 2 1 3 污泥处理与处置的方法 污泥处理和处置的目的是：1 、减量化，这样可降低污泥处理和处 8 第二章文献综述 置的费用；2 、稳定化，经过稳定后的污泥不会被再次降解，这样可以 避免污泥引起的二次污染；3 、无害化，使污泥无害化并达到卫生要求； 4 、资源化，尽可能利用污泥中的有用物质，特别是生活污泥凹1 。 可用于污泥的处理技术单元很多，包括：物理处理( 筛网、沉淀、 气浮、过滤和离心分离等) 、生物处理( 厌氧消化、好氧消化和堆肥等) 和热处理( 湿式氧化和焚烧等) 。现在最常用的污泥稳定技术就是好氧和 厌氧消化。可以使化学稳定技术，但是它的使用是有诸多限制的。好氧 消化多用于小型的污水处理厂，而对于大型的污水处厂多采用厌氧消化 处理工艺。 好氧消化 好氧消化是在不投加底物的条件下，对污泥进行较长时间的曝气， 使污泥中微生物处于内源呼吸阶段进行自身厌氧。因此微生物机体的可 生物降解部分( 约占m l v s s 的8 0 ) 可被氧化去除，消化程度高，剩余消 化污泥量少。但运行费用高；不能回收沼气；又因好氧消化不宜加热， 所以污泥有机物分解程度随温度波动大；消化后的污泥进行重力浓缩 时，上清液s s 浓度高。 厌氧消化 厌氧消化是在厌氧条件下，通过一系列复杂的生物作用使有机物降 解的过程。这种方法在降解有机物的同时产生沼气，作为能量回收利用。 化学稳定 污泥的化学处理方法就是加入化学药剂。人们普遍认为当污泥p h o 武汉工程大学硕士学位论文 值大于1 1 时所有的生物过程会大大削弱。通常情况下是加入石灰。化 学稳定的方法费用高但容易控制，同时磷酸盐和一部分重金属会转换到 溶解相中，污泥中的病原菌会被杀死。 2 2 污泥的厌氧消化 厌氧消化是目前广泛采用的污泥处理工艺。在厌氧消化过程中污泥 中的有机物得到降解，同时共生的细菌反应和有机碳以生物气的形式释 放出来，生物气主要包括甲烷和二氧化碳。厌氧消化另一个目的就是使 污泥的生物活性降到最低。 2 2 1 污泥厌氧消化的原理 厌氧消化是在厌氧条件下，利用兼性菌及专性厌氧菌，使有机物经 液化、气化而分解成稳定物质的过程。在这一过程中，部分病菌、寄生 虫卵被杀死，固体达到减量化的目的。 污泥厌氧消化是一个极其复杂的过程。厌氧消化分为三个阶段。第 一阶段是在水解与发酵细菌作用下，使碳水化合物、蛋白质、脂肪水解 与发酵转化成单糖、氨基酸、脂肪酸、甘油、及二氧化碳、氢等：第二 阶段是在产氢产酸菌的作用下，将第一阶段的产物转化成氢，二氧化碳 和乙酸；第三阶段是甲烷化过程，即通产甲烷菌的作用，生成甲烷。 1 0 第二章文献综述 2 2 2 厌氧消化工艺的优越性 污泥的厌氧消化工艺具有如下优点： 1 ) 产生能量( 甲烷) ； 2 ) 使最终需要处置的污泥体积减少4 0 5 0 ； 3 ) 消化完全时，可以消除恶臭； 4 ) 杀灭病原微生物，特别是高温消化时； 5 ) 消化污泥容易脱水，含有有机肥效成分，适用于改良土壤。 2 3 污泥预处理技术 2 3 1 厌氧消化处理工艺存在的问题 目前在我国应用最广泛的厌氧消化技术是中温厌氧消化技术。污泥 中温厌氧消化工艺作为一种传统的处理工艺存在着一些问题。由于污泥 固体属难生物降解物质，因此厌氧消化停留时间长，一般在2 0 3 0 天 的停留时间下才能达到中等程度的降解，约3 0 - - - 5 0 n0 | ；污泥在池内的 停留时间过长，造成池体体积庞大，操作管理复杂；产气中甲烷含量低 等。国内许多大型污水处理厂一般均建有污泥消化池，但真正能够正常 运行使用的却不多。 近期研究表明n ：厌氧消化的速率决于污泥中基质的种类。废弃活 性污泥的降解速率一般都很低，并且认为厌氧消化过程的限速步骤是水 武汉工程大学硕士学位论文 解反应n 引。主要原因是：污泥中大多数有机物存在于微生物细胞内，微 生物细胞的细胞壁是一个稳定的半刚性结构，起着保护细胞的作用。细 胞壁属于生物难降解惰性物质，细胞壁的水解较为困难，导致污泥厌氧 消化过程需要较长的时间。为了加速厌氧消化的速率，缩短污泥停留时 间，减少污泥量和消化池体积，国内外对污泥的预处理技术进行了多项 研究。污泥预处理的目的就是破坏污泥的结构及细胞壁，使污泥絮体结 构发生变化，细胞内的内含物溶出，进入水相，在胞外酶的作用下快速 水解为小分子化合物，提高厌氧消化的效率。 2 3 2 污泥预处理技术研究现状 2 3 2 1 生物方法 酶可以作为一种催化剂加速有机基质的降解速率。它通过作用于长 链的蛋白质、碳水化合物和脂质来改善生物粘土和凝胶体的降解，提高 其在水相中的释放能力n 引。m b a r j e n b r u h c 等人研究了使用碳水化合物 分解酶作为污泥预处理技术对厌氧消化的影响n 引。通过显微镜观察污泥 结构发现，经酶预处理后的污泥与对照组比较没有什么太大的变化，主 要是因为酶对污泥的作用需要一个较长的时间，短时问的作用不明显。 随后的厌氧消化试验表明，酶预处理对产气量的影响很小，但是对有机 物的降解程度很高，这个结果还没有得到最终的确定。 1 2 第二章文献综述 2 3 2 2 化学方法 ( 1 ) 碱解法 碱可以溶解脂类物质使污泥的细胞壁破裂。在室温条件下，投加一 定量的n a o h 可以使污泥溶解。a l l e m a n n 朝等人研究表明，加碱预处理可 以将军需品的消化纤维溶解为有机碳的形式。w o o d a r d 和w u c k a s c h 对制 药废水生物处理后产生的污泥进行加碱预处理，发现在室温条件，较短 的水力停留时间下大约有5 0 - - 一6 0 的物质溶出n 引。j i n g a wl i n 等人n 7 3 研究了废弃活性污泥加碱预处理对中温厌氧消化影响。试验中设置了4 组厌氧反应器：a 组饲入含i t s 的废弃活性污泥，不作任何处理，为控 制组。b 组饲入经2 0 m e q ln a 0 h 预处理的含1 t s 的废弃活性污泥。c 组饲入经4 0 m e q ln a 0 h 预处理的含i t s 的废弃活性污泥。d 组饲入的 污泥为将含i t s 的重力沉降，使固体部分浓缩至原总体积一半时，倒 掉上清液，然后将此浓缩污泥( 约2 t s ) 经2 0 m q e l n a o h 预处理。试验中 共设置了4 个水力停留时间2 0 、1 3 、1 0 和7 5 天。试验结果表明，根 据c o d 、v s 和产气量的结果知道b 、c 和d 的处理效果好于a 组。在l o 天的水力停留时间下，a 、b 、c 和d 组对c o d 的去除率分别为3 8 、4 6 、 5 1 和5 2 。b 、c 、o 组产气量较a 组增加了3 3 、3 0 , i1 6 3 。b 、c 、o 组的脱水性大大改善。在试验过程中所经历的污泥停留时间范围内，结 果显示以碱预处理的废弃活性污泥，在厌氧消化时基质去除率及反应速 率均有较佳的结果。加碱法存在的主要问题是，需要投加碱，增加了运 武汉工程大学硕士学位论文 行了费用，并且在系统中引入了新的物质。而且认为碱预处理过程中若 p h 太高，则伴随着褐变反应( b r o w n i n gr e a c t i o n ) 的发生，反而降低了 生物可分解度，因而降低预处理的效果n 。 ( 2 ) 臭氧氧化法 臭氧具有强氧化性，它可以破坏生物细胞膜，组织结构的蛋白质及 核糖核酸等。在一定的投加量下，可以将部分污泥矿化为二氧化碳和水； 同时，将污泥溶解为生物可降解物质。m w e e m a e s 等人n 卅研究了污泥经 臭氧氧化预处理后对后续厌氧消化影响。试验结果表明：臭氧预处理可 以对污泥中6 7 的有机物产生作用，其中2 9 3 被溶解，3 8 9 被去除。 厌氧降解试验研究表明，预处理段可以提高后续的厌氧消化效率。当 l g c o d 投加0 1 9 0 。时，甲烷的产量增加了1 8 倍，产气率较控制组增加 了2 2 倍，同时还可以缩短污泥的停留时间。更高的臭氧投加量当然也 会促进厌氧消化但效果不是很明显。臭氧氧化存在的问题是，臭氧与有 机物的反应是没有选择性的，它可能与其他还原性物质反应，从而降低 对污泥的氧化率。有研究发现乜污泥对臭氧的消耗在最初非常地高，达 到了3 0 m g o 。g v s s 。另一方面，臭氧的氧化效率取决与污泥的结构和操 作条件，这对于确定污泥最佳投量和投加方式很难。 ( 3 ) 氯氧化 氯的氧化性较臭氧的氧化性稍弱，但它与臭氧氧化机理基本相同。 s b a y 等人晗研究表明，当投加量为1 3 3 m g c l ：g m l s s d 时，与控制组比 较，污泥量减少约6 5 9 6 。从运行费用来看，氯氧化优于臭氧氧化，但是 1 4 第二章文献综述 由于氯与臭氧相比是弱氧化剂，所以在污泥的预处理过程中，它的投加 量是臭氧预处理时的7 1 3 倍。氯氧化存在的问题是，氯氧化后会形成 一些副产物，例如三卤甲烷，这对于后续的污泥回用及厌氧消化都会造 成不利的影响。 ( 4 ) 湿式氧化法 1 9 5 8 年，h u r w it z 等瞳2 1 在探索大芝加哥区污水处理厂污泥处置途径 的过程中，提出了湿式氧化是一项有效的技术。其研究表明：当反应温 度在1 0 0 1 5 0 时，反应速度很慢，在几小时内都达不到平衡：而当反 应温度为3 0 0 。c 时，反应速度很快，在几分钟内达到反应平衡。同时， 他们的研究还表明，当污泥中含固率较高时，整个处理系统可向外供热。 第一座通空气的污泥处理装置是1 9 6 7 年在宾州的莱维城建立的。 l e s o n n e r 等人乜3 3 1 9 7 7 年研究应用湿式氧化技术处理美国s p e e d w a y 和 t e r r e h a n t e 两个污水厂的污泥，实验结果表明，两个厂的污泥经湿式氧 化处理后悬浮固体浓度分别提高3 4 8 倍和6 1 倍，污泥体积缩小近8 0 以上。上清液中氨氮、总氯和重金属浓度都有增加。1 9 8 8 年f r i e d m a n a a 等人的研究表明，湿式氧化可减少污泥体积达9 6 以上晗引。 t e l e h k e 等进行了湿式氧化对污泥中各种成分的影响研究。其研 究结果认为，淀粉类物质在任何温度下都非常容易降解：而脂类在2 0 0 以下不易被氧化，在2 0 0 。c 以上时，与淀粉一样容易被氧化：蛋白质及 纤维素在2 0 0 。c 以下时，其氧化性介于淀粉与脂类之间，在2 0 0 。c 以上 时，氧化性较淀粉与脂类为低。可见污泥经湿式氧化后可增加后续厌氧 1 5 武汉工程大学硕士学位论文 消化的消化效率，增加污泥的可生化性。但是，由于湿式氧化是在高温 高压下进行的，因而对设备的要求比较高，设备的投资费用相应提高。 2 3 2 3 物理方法 目前国外经常使用的物理方法主要有机械和加热预处理。 ( 1 ) 加热法 污泥在压力容器内经过高温，可以使蛋白质水解，细胞壁破解，并 放出可溶性的有机物和氨氮乜6 i 。在热解过程中，污泥中大部分有机物可 被分解掉，特别是污泥挥发性组分大量减少，同时污泥颗粒内和颗粒间 结合水被脱除。h u a g 等人伫7 屯印研究了污泥热处理对厌氧消化的影响。结 果表明在1 7 5 下加热3 0 t o n i 后进行厌氧消化甲烷产量较控制组增加约 6 0 7 0 。p i n n e k a m p 等人伽认为加热温度小于1 7 0 。c 的产气率要比 1 7 0 , - - , 1 8 0o c 时低，并且当温度高于1 8 0 。c 时产气率急剧降低。h i r o a k a 等人妇发现当加热温度低于1 0 0 。c 甚至在6 0 - - 一8 0 。c 时气体产量较控制组 增加约3 0 ，但是低温必然要延长反应的接触时间。 目前国外经常将加碱与热处理同时使用。有研究对碱解、加热和热 碱三种预处理方式进行比较，发现热碱预处理在处理混合污泥时效果明 显优于其他两种预处理方式。在1 3 0 。c 下，n a o h 投加量为0 3 9 n a o h g v s s 时，处理5 m i n v s s 的溶解率为4 0 5 0 ，甲烷产气量较控制组增加2 0 0 。 采用热碱预处理城市废弃活性污泥后进行中温厌氧消化试验，表明v s s 的溶解率为7 0 - - - 8 0 ，甲烷产量较控制组增加3 0 。分析城市废弃活性 1 6 第二章文献综述 污泥的组成，其中包含4 1 蛋白质，2 5 脂质，1 4 的碳水化合物，该污 泥经热碱预处理后，蛋白质、脂质和碳水化合物的溶出率分别达到6 4 、 6 1 、9 0 。这对于后续的厌氧消化是非常有利的口列。 ( 2 ) 高压喷射法 高压喷射的方法是：污泥经过一孔径为7 1 01 1m 的筛网，除去砂子 等杂质，进入贮泥池；利用一高压泵将污泥加压，经过直径很小的喷 嘴( 1 2 m m ) ，高速( 3 0 - - - 1 0 0 m s ) 喷射至一平板上，强大的撞击力是导 致污泥破解的主要原因，而后污泥进入贮泥池，完成一次处理。c h o i 等人船3 1 研究了污泥经高压喷射法预处理后对厌氧消化的影响。污泥经预 处理后蛋白质的浓度显著增加，并且随着喷射时间和压力的增加而增 加。在厌氧消化的静态试验中，喷射压力为3 0 b a r ，处理1 次，在2 2 6 d 的消化时间内，v s 的去除率为1 3 5 0 ，未经任何处理的污泥厌氧 消化后，v s 的去除率为2 3 5 。 ( 3 ) 珠磨法 珠磨法的主要设备是珠磨机。其主体是一圆筒形的腔体，内带有圆 盘状的轴，腔体内装有钢或玻璃制的小珠，在珠磨机内由于电机带动的 圆盘高速旋转，使污泥与珠子搅动，细胞的破解由于剪切力层间的碰撞 与珠的滚动引起b a i e r 等人b 们对珠磨破解后的污泥进行中温厌氧消化试 验。试验结果表明，珠磨法可以打破微生物和植物的细胞壁，使胞内碳 源和营养物质大量溶出，s c o d t c o d 由破解前的l 5 增加到破解后的 4 7 。厌氧消化对溶解性的胞外物质具有很高的降解率，对污泥中总c o d 1 7 武汉工程大学硕士学位论文 的降解增加了1 2 1 5 倍，产气量也提高了1 2 5 倍。 ( 4 ) 超声波法 利用超声波研究污泥并不算一项新技术，早在7 0 年代b r a n k s 和 w a l k e r b 5 1 就利用超声波产生的微小气泡来计算细菌的数量眺1 。b r o w n 和 l e s t e r 7 3 用超声波来提取细胞壁上的聚合物进而研究污泥中微生物的 表面特性碡8 | 。而利用超声波降解污水中的污染物，是近几年来发展起来 的一项新型水处理技术。目前，研究的重点都集中在利用超声波强化有 机废水的降解或直接利用超声波降解有机废水。研究的内容涉及降解机 理、降解动力学、中间体检测、影响超声降解过程的因素等。但是，在 利用超声波技术对污泥处理方面，国内几乎一片空白，只有台湾大学在 这方面做了一些初步的试验9 1 。国外，德国尽管在这方面走在世界各国 前面，但还是处于工业化实验阶段。 2 3 3 小结 污泥破解技术对于我国中小型污水处理厂( 1 0 万m 3 d ) 很有吸引 力，这类污水处理厂由于技术或经济以及技术政策的原因，不愿建设厌 氧消化池，即使建成厌氧消化池也不能正常运行，而且该类污水厂污泥 产量较低。所以，能够促进厌氧消化反应速率，使厌氧消化操作管理简 单，甚至不需厌氧消化就可以使污泥稳定的污泥破解技术，比较容易在 这类污水厂得到推广。上述所列举的污泥预处理技术中，化学方法需要 投加大量的药剂，投加量控制复杂，并且一般若采用化学方法大都是直 1 8 第二章文献综述 接使污泥达到稳定化，而不需后续的厌氧消化工艺：物理方法中，加热 法易造成反应器的腐蚀，污泥量大时，操作管理复杂：机械方法破解效 果最好但该类方法一般能耗比较高。高压喷射法和珠磨法要求设备材料 耐高压、耐腐蚀，比较复杂；而超声波的高能耗、预处理时间长( 6 0 r a i n 以上) 及污泥分解程度不高等问题制约了其工业化的进程。所以必须开 拓新思路，寻找一条有别与前者的处理新工艺。 2 4 微波预处理技术在污泥处理中的研究及进展 2 4 1 微波简介 微波是一种频率范围介于无线电波与红外波之间的电磁波，频率 3 0 0 m h z 3 0 0 g h z ，其中2 4 5 g h z 是家用微波炉最常用频率。微波技术起源 于2 0 世纪3 0 年代，最初应用于通讯领域。微波技术在通讯以外的使用始于 2 0 世纪7 0 年代，主要应用于食品加工、木材干燥、塑料、橡胶处理、陶 瓷的固化和预处理；而它在环境保护领域，特别是在废物处理中的应用 则鲜有探讨。直到最近十几年，许多研究表明：用微波处理废物比传统 的处理方法具有更多的优点，如污染物明显减容、快速加热、可达到高温、 选择性加热、处理过程迅速、易于控制等，其在废物的处理中的应用具 有非常广阔的前景。 微波加热物料主要有三种机制h 叫：第一种机制，极性分子在j l - , d n 微波电磁场的作用下，原来杂乱无章的分子随之快速改变方向，分子或 1 9 武汉工程大学硕士学位论文 原子的电子云发生偏移导致偶极子发生运动，呈现正负极性，由于电磁 场的变化速度高达2 4 5 亿次，如此高速的轮摆运动，使分子间摩擦产生热 能；第二种机制，磁性物质在微波场作用下，磁性组分会发生变化，这 种变化的迟滞作用产生热能；第三种机制，具有导电性的材料在微波场 作用下会产生电流，电流的流动产生热能。微波辐射引起物质温度上升 的速率主要与微波频率及其相应波长、材料( o r 质) 内电场的尺度、被加 热材质常数、介质损失或介质耗散能量的能力) 等因子有关。微波并非从 物质材料的表面开始加热，而是从各方向均衡地穿透材料后均匀加热， 但微波穿透介质仅及有限深度。目前已经对微波加热技术在许多领域的 应用进行了研究，这使微波具有的节约能源和处理时间等优点得到充分 发挥。与传统的加热技术相比，微波加热具有如下优点h ：( 1 ) 高效快速； ( 2 ) 节能省电；( 3 ) 热源与加热材料不直接接触；( 4 ) 能进行选择性加热； ( 5 ) 便于控制；( 6 ) 设备体体积小且无废物生成。 近年来微波技术在环保领域的应用十分活跃。与传统技术相比，它 具有快速、高效、资源回收利用率高、不会造成二次污染、成本低等显 著优点。 2 4 2 微波技术对污泥的作用 目前污泥在厌氧处理前都需要进行预处理，消耗很多的药剂和能源， 整个处理方法工艺复杂，运行费用高。微波技术是一种简便、经济和高效 第二章文献综述 的污泥脱水技术，与常见的污泥脱水和干燥系统相比，微波干燥污泥呈现 出不少优点：蒸发能量输入直接针对水的挥发( 过程中固体加热属次 要) ；由于热量并非限于表面传递，而是在整个污泥中传递，使得设备体 积大为减少；无需对污泥进行预处理；水的去除有赖于空气流的速度； 无二次污染废气产生，属清洁热能源；污泥含水量分布均匀。 微波产生的热效应在短时间内可破坏污泥的稳定结构，辐射作用也 能引起污泥胞外聚合物( e p s ) 的扩散，污泥颗粒脱稳；同时带负电的污 泥在微波高频电磁场中通过高速旋转破坏絮体结构，出现颗粒粗大化形 象，明显的改善污泥的脱水性。但过量的微波辐射能引起微生物细胞壁 结构过度破坏、胞内物质大量溢出，从而破坏原有的污泥脱水性能。微 波作用污泥的同时也到了灭菌的效果。细菌等微生物在极短的时间内受 到高能热波的辐射，使其体内蛋白质变质；再者如微波的频率与细菌本 身震荡周期一致，就能造成谐振状态，造成细菌的细胞膜受破进而消亡。 国内有不少微波干燥污泥的研究，表明污泥的升温与含水率密切相 关： 表2 - 2污泥开始沸腾的温度 t a b i e2 - 2 t e m p e r a t u r eo fs i u d g