（环境工程专业论文）温室太阳能热水器组合增温系统用于污泥厌氧消化试验研究.pdf

摘要 温室一太阳能热水器组合增温系统用于污泥厌氧消化试验研究 摘要 温度是影响污泥厌氧消化最重要的因素之一，为了实现污泥的高效厌 氧消化，并节约能源，本文提出了用温室一太阳能热水器组合增温系统( 以 下简称太阳能组合增温系统) 来对厌氧消化反应器增温保温，以期在对污 泥实现减量化、资源化的同时节约处理能耗。 试验中考察了该太阳能组合增温系统在一年四季对反应器i i 的增温 保温效果，并以剩余污泥为原料，考察了反应器的产气性能和对污泥 的减量化效果，并与自然环境下运行的普通反应器i 作对比，最后对各季 节能量产出和消耗情况进行对比分析，得出了如下主要结论： ( 1 ) 反应器i i 在一年四季的温度保持在3 6 7 + 0 7 、5 1 4 士1 0 、 3 6 4 4 - 0 5 和3 6 1 + 0 7 ，温度波动不超过2 ，达到了高效厌氧消化的 温度需求，该太阳能组合增温系统增温保温效果良好。 ( 2 ) 反应器i i 在春夏秋三季的累积产气量分别比反应器i 提高了 1 7 6 1 、9 8 8 和1 0 9 9 ，产气高峰提前了6 1 0 天，产气性能得以改善。 ( 3 ) 反应器i i 在春夏秋三季对污泥t s 的去除率分别为2 3 o 、4 2 6 和2 1 9 ，比反应器i 提高了8 5 、2 7 1 和7 8 ，对污泥减量化效果增 强。 ( 4 ) 通过对能量产出和消耗情况分析，发现了反应器i i 在春夏秋三 季的能量转化效率比反应器i 提高了2 0 7 、4 4 1 和3 1 8 ，但是冬季试 验中维持反应器i i 高效稳定运行的耗能大于产能，需进一步研究如何降 低能耗。 太阳能增温系统的运用，保证了厌氧消化处理污泥所需的温度，并节 约了能源，具有很大的环境效益和经济效益。 关键词：厌氧消化，剩余污泥，太阳能，温度，沼气，产气量 l i a b s t ra c t i n t e g r a t e dg r e e n h o u s ea n ds o l a re n e r g y h e a t i n gs y s t e mf o rt h ea n a e r o b i cd i g e s t i o no f e x c e s sa c t i v a t e ds l u d g e a b s t r a c t t e m p e r a t u r ei so n eo ft h em o s ts i g n i f i c a n tf a c t o r so f ar e g u l a ra n a e r o b i c d i g e s t i o np r o c e s s t oa c h i e v eb e t t e rb i o l o g i c a lc o n v e r s i o ne f f i c i e n c ya n d r e d u c es y s t e me n e r g yc o s t ，a ni n t e g r a t e dg r e e n h o u s ea n ds o l a re n e r g yh e a t i n g s y s t e m ( i g s e h s ) w a sd e v e l o p e dt op r o v i d et h ee s s e n t i a lh e a ta n di s o l a t i o nt o a na n a e r o b i cd i g e s t e r ( d e n o t e da sr e a c t o ri i ) u s i n g e x c e s sa c t i v a t e ds l u d g ea s i n f l u e n t ，h e a ti n s u l a t i o ne f f e c t o f i g s e h s ，b i o g a sp r o d u c t i o n ，a n dt h ee n e r g yo u t p u ta n dc o n s u m p t i o nw e r e i n v e s t i g a t e di nf o u rd i f f e r e n ts e a s o n s ，c o m p a r i n gw i t ht h er e a c t o r ( i ) o p e r a t e d u n d e rn a t u r a lc o n d i t i o n ，f i n a l l yc o n c l u s i o n sa sf o l l o w sw e r eo b t a i n e d ： ( 1 ) t h et e m p e r a t u r e o fr e a c t o r ( i i ) i nf o u rd i f f e r e n ts e a s o n sw a s m a i n t a i n e di n3 6 7 + 0 7 ，51 4 土1 0 ，3 6 4 + 0 5 a n d3 6 1 士0 7 ， r e s p e c t i v e l y t h et e m p e r a t u r ef l u c t u a t i o nw a sl e s st h a n2 c t h et e m p e r a t u r e o fr e a c t o r ( i i ) s a t i s f i e dt h ed e m a n do fe f f i c i e n ta n a e r o b i cd i g e s t i o n ( 2 ) t h ec u m u l a t i v eb i o g a sp r o d u c t i o no fr e a c t o r ( i i ) i n c r e a s e db y17 6 1 ， 9 8 8 a n d10 9 9 i ns p r i n g ，s u m m e ra n da u t u m n ，r e s p e c t i v e l y t h ed a i l y b i o g a sp r o d u c t i o ns u m m i tb e c a m e 6 1o d a y e a r l i e r i i i 北京化t 人学硕 ：学位论义 ( 3 ) t sr e d u c t i o no ft h ef e e d s t o c ki nr e a c t o r ( i i ) w e r e2 3 o ，4 2 6 a n d 21 9 ，a n dw e r ei n c r e a s e db y8 5 ，2 7 1 a n d7 8 ，r e s p e c t i v e l y , i ns p r i n g ， s u m m e ra n da u t u m n ( 4 ) t h r o u g h t h e c o m p a r a t i v ea n a l y s i s o fe n e r g yp r o d u c t i o na n d c o n s u m p t i o nb e t w e e nt w or e a c t o r s ，i tw a sf o u n dt h a tt h ee n e r g yc o n v e r s i o n e f f i c i e n c i e so fr e a c t o r ( i i ) w e r ee n h a n c e db y2 0 7 ，4 4 1 a n d31 8 ， r e s p e c t i v e l y , i ns p r i n g ，s u m m e ra n da u t u m n w i t ht h es t e a d yr u n n i n go ft h e r e a c t o r ( i i ) ，e n e r g yc o n s u m p t i o nw a sh i g h e rt h a nt h ee n e r g yo u t p u ti nw i n t e r f u r t h e r r e s e a r c ho nl o w e re n e r g yc o n s u m p t i o nw a sn e e d e d w i t ht h ea p p l i c a t i o no fi g s e h s ，i tn o to n l yg u a r a n t e e dt h e r e q u i r e d t e m p e r a t u r eo fa n a e r o b i cd i g e s t i o n ，b u ta l s os a v e de n e r g ya n db r o u g h ta b o u t e n v i r o n m e n t a la n de c o n o m i cb e n e f i t s k e yw o r d s ：a n a e r o b i cd i g e s t i o n ，e x c e s sa c t i v a t e ds l u d g e ，s o l a re n e r g y , t e m p e r a t u r e ，m e t h a n e ，b i o g a sp r o d u c t i o n i v 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已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。 作者签名：亟- 啦日期：2 写l 生l 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名： 圣叁j 耷 导师签名：耋刍驻 日期： 翻：垦：z 日期：哗旦l 一 符号说明 t s v s s s m l s s h l 盯 嘲 c o d b o d 符号说明 t o t a ls o l i d ，总固体 v o l a t i l es o l i d , 挥发性固体 s u s p e n d e ds o l i d ，悬浮固体 m i x e dl i q u i ds u s p e n d e ds o l i d , 混合液悬浮固体 h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ，水力停留时间 v o l a t i l ef a t t ya c i d ，挥发性脂肪酸 c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d , 化学需氧量 b i o c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d ，生化需氧量 i x 第一章绪论 1 1 污泥产生与处理现状 第一章绪论 城市污泥是污水处理过程中产生的固态或半固态的沉淀物质，通常包括初沉污泥 和剩余活性污泥。随着我国城市污水处理率的逐年提高，污泥产量也在急剧增加。同 时，浓缩在其中的有毒有害物质的数量和种类也逐年增多，污泥处理越来越成为污水 处理的一个重要环节。虽然产生污泥的体积比处理废水的体积要小的多，约占处理水 量的0 3 o 5 左右( 以含水率为9 7 计) ，但是污泥处理费用约占污水处理厂总投 资费用的3 0 - - - - 4 0 ，有时甚至超过5 0 t 1 1 。污泥中不但含有大量的有机质和氮、磷、 钾等植物营养元素，而且还含有大量的有毒有害物质，如寄生虫卵、病原菌、重金属 离子等。因此如何妥善、科学地处理污泥已成为当前一个亟待解决的环境问题【2 1 。 目前常用的污泥生物处理方法有：污泥厌氧消化，堆肥化。 污泥的厌氧消化处理是利用厌氧微生物的分解作用，使污泥中的有机物分解，趋 于稳定，并产生以甲烷为主的沼气的过程。厌氧消化操作最大的特点是要在专门密封 的厌氧反应器中进行，处理之后，污泥体积明显减少、容易脱水、性质稳定，可以有 效的实现减量化。而且可以回收一部分能源，厌氧消化产生的沼气可用于自身消化系 统的升温，多余的沼气还可以用来发电。但是该方法存在着运行不稳定、设备要求高 等问题。 堆肥化就是依靠自然界广泛分布的细菌、放线菌、真菌等微生物，在一定的人工 条件下，有控制地促进可被生物降解的有机物向稳定的腐殖质转化的生物化学过程， 其实质是一种发酵过程【3 】。在堆肥化过程中，有机物由不稳定状态转化为稳定的腐殖 质物质，物理性状明显改善，便于储存、运输和使用。高温堆肥还可以杀灭堆料中的 病原菌、虫卵等，使堆肥产品更适合作为改良剂和植物营养源。但是堆肥过程还存在 着供氧不充分、堆肥时间长、卫生条件差等缺点。 其他污泥处理处置方法还有：污泥热干燥、污泥焚烧、土地填埋等。 厌氧消化作为处理污泥的一种有效方法，不但可以有效实现污泥的减量化、无害 化，而且还能产生出高效、洁净的高品位能源一生物气，有效地实现污泥的资源回收 利用。然而厌氧消化对设备要求高，运行受外界影响较大。比如温度是影响厌氧消化 处理的关键因素之一。研究表明，温度突然上升或者下降5 。c ，产气量将显著下降【钔。 目前，为了达到较好的厌氧消化效果，大多采用外部供热方式为厌氧消化反应器提供 热量。较常见的方法有锅炉蒸汽加热、电加热、天然气加热或沼气加热等【5 】 但是能 北京化丁大学坝i j 学位论文 量消耗大、成本较高。 1 2 厌氧消化技术概论 1 2 1 厌氧消化反应机理 厌氧消化是由兼性微生物及专性厌氧微生物的共同作用，使复杂有机物分解成无 机物，最终生成甲烷、二氧化碳、硫化氢等过程。厌氧消化是一个及其复杂的过程， 多年来厌氧消化被概括为两阶段过程。随着对厌氧消化微生物研究的不断深入，厌氧 消化不产甲烷细菌和产甲烷细菌之间的相互关系更加明确。1 9 6 7 年b r y a n t 报告认为， 复杂有机物的厌氧消化过程经历三个阶段，此后人们又归纳出四阶段的厌氧微生物代 谢过程【6 。，如图1 1 所示。 ( 1 ) 水解阶段 水解是大分子不溶性复杂有机物在胞外酶的作用下，转化为小分子溶解性高级脂 肪酸，然后渗入细胞内的过程。非溶解性有机物是以胶体或悬浮固体形态存在的高分 子有机物，因相对分子质量大，不能透过细胞膜，因此不能为细菌直接利用，它们需 在第一阶段被胞外酶分解成小分子有机物。例如：纤维素被纤维素酶水解为纤维二糖 和葡萄糖，淀粉被淀粉酶分解为麦芽糖和葡萄糖，蛋白质被蛋白质酶水解为短肽和氨 基酸等。水解过程通常较缓慢，因此被认为是含高分子有机物或悬浮物废液厌氧降解 的限速阶段。影响水解速度和水解程度的因素主要有水解温度、有机质在反应器内的 保留时间、有机质的组成( 如木质素、碳水化合物、蛋白质、脂肪的质量分数等) 、 有机质的颗粒大小、p h 值、氨的浓度、水解产物的浓度( 如挥发性脂肪酸) 等1 7 1 。 胞外酶能否有效接触到底物是影响水解速率的关键，所以大的颗粒比小颗粒底物 降解要缓慢得多。例如，来自植物中的底物，其生物降解性很大程度地取决于纤维素 和半纤维素被木质素包裹的程度。纤维素和半纤维素是可以生物降解的，但木质素难 以降解，当木质素包裹在纤维素和半纤维素表面时，酶无法接触纤维素与半纤维素， 导致降解缓慢。 ( 2 ) 发酵阶段 发酵是有机化合物既作为电子受体也作为电子供体的生物降解过程，在此过程中， 水解阶段产生小分子化合物在发酵细菌的细胞内转化为以挥发性脂肪酸( v f a ) 为主 的末端产物，并分泌到细胞外【8 1 。因此，这一过程也称为酸化过程。这一阶段的末端 产物主要有挥发性脂肪酸、醇类、乳酸、二氧化碳、氢气、氨、硫化氢等。因为发酵 产物作为产甲烷细菌的底物，所以发酵产物种类和产率对产甲烷过程影响较大。 2 第一章绪论 产酸发酵细菌种类繁多，其中重要的类群有梭状芽孢杆菌属和拟杆菌属。产酸发 酵的末端产物组成取决于厌氧生态条件、底物种类和参与的微生物种群。例如：如果 发酵过程在一个专门的反应器( 如两相厌氧反应器的产酸反应器) 中进行，末端产物 将主要是丁酸、丙酸、乙酸、二氧化碳和氢气等混合物。如果发酵过程在一个稳定的 单相反应器内进行，则乙酸、二氧化碳和氢气是酸化细菌的主要末端产物。 图1 - 1 有机物厌氧分解过程 f i g 1 - 1t h ep r o c e s so f a n a e r o b i cd i g e s t i o n 1 发酵细菌；2 产氢产乙酸菌；3 同型产乙酸菌； 4 利用h 2 和c 0 2 的产甲烷菌； 5 分解乙酸的产甲烷菌 ( 3 ) 产乙酸阶段 在此阶段，第二阶段的末端产物( 挥发性脂肪酸、醇类、乳酸等) 被产乙酸菌进 一步转化为乙酸、氢气和二氧化碳等，并产生新的细胞物质。 在反应器中，各类菌群构成了微生态系统，在此系统中，产氢产乙酸细菌靠近利 用氢的细菌生长，因此氢很容易被消耗掉并使产乙酸过程顺利进行。在标准状况下， 同型产乙酸过程可自发进行。但事实上，此代谢过程只有当氢分压较高时，细菌为维 持生态环境处于适宜条件才会发生。一般来说，当生态系统存在足够的氢利用细菌， 或可将氢气及时排出的生态系统时，同型产乙酸过程不会发生。 ( 4 ) 产甲烷阶段 3 北京化t 大学硕十学位论义 产甲烷阶段是将前面阶段产生的乙酸、甲酸、甲醇、二氧化碳和氢气等转化为甲 烷和二氧化碳的过程，参与作用的微生物是绝对厌氧的产甲烷菌。 根据产甲烷细菌对底物利用的类型，可将其分为三类：氧化氢产甲烷细菌、氧化 氢利用乙酸产甲烷细菌和非氧化氢利用乙酸细菌。甲烷菌对生态条件要求苛刻，并对 环境改变较为敏感，因此对甲烷菌的生理生态特性的了解是至关重要的。由于产甲烷 细菌的代谢速率一般比较缓慢，对于溶解性有机物厌氧生物处理，产甲烷阶段是整个 厌氧生物处理工艺的限速步骤。 1 2 2 厌氧消化的影响因素 由于甲烷发酵阶段是厌氧消化的限速步骤，而且产甲烷菌是一种严格的专性厌氧 菌，对营养要求较简单，而对环境条件变化的反应特别敏感。影响甲烷菌活性的主要 生态因子对整个厌氧消化过程的影响是至关重要的，因此需首先了解不同生态因子下 产甲烷菌生理、生态变化规律。 ( 1 ) 温度 温度是影响厌氧消化过程的主要因素 9 】。一般认为，厌氧生物适应温度的范围较 宽( 5 - - 8 3 ) ，但是经大量研究发现，在5 - - 8 3 之间，有两个最佳温度范围，分 别是3 0 - - 3 8 和5 0 - 5 7 ，相应的菌群分别称为嗜温微生物和嗜热微生物。在这两 个区间内，厌氧消化产生物气量和有机质的去除率均较高。另外，厌氧消化过程中温 度波动不能过大，否则会影响到厌氧菌的活性，抑制反应速率，甚至会停止产气。研 究表明，温度突然上升或者下降5 ，产气量将显著下降【3 1 。 由于中温菌种类较多，易于驯化，活性高，因此厌氧消化多采用中温消化，但是 由于中温消化的温度与人体温度接近，固对寄生虫卵和大肠菌的杀灭率较低。高温消 化相对中温消化有较高产气量和产气速率，而且对寄生虫卵的杀灭率高达9 9 ，大肠 菌指数可达1 0 - - 1 0 0 ，能满足卫生要求【1 0 1 。但是高温消化需消耗大量能量供应。 ( 2 ) p h 值 厌氧微生物的生命活动、物质代谢与p h 有密切的关系，p h 值的变化直接影响着 消化过程和消化产物。不同的微生物要求不同的p h 值，过高或过低的p h 对微生物是 不利的，主要表现在：由于p h 的变化引起微生物体表面的电荷变化，进而影响微生物 对营养物的吸收；影响培养基中有机化合物的离子化作用，从而对微生物有间接影响， 因为多数非离子状态化合物比离子状态化合物更容易渗入细胞；酶只有在最适宜的p n 值时才能发挥最大活性，不适宜的p h 值使酶的活性降低，进而影响微生物细胞内的生 物化学过程。 甲烷菌对p h 值有一个适应范围，为6 6 7 5 t 1 1 】。而且对环境p h 波动十分敏感。相 对甲烷菌，水解菌、发酵菌和一些产酸菌对p h 值的适应范围较宽，其范围为5 o 8 5 。 4 第一章绪论 因此反应器的p h 值应维持在一固定范围内，比如6 5 7 5 ，最佳范围为6 8 7 2 左右。 ( 3 ) 有机负荷率和碳氮比( c n ) 有机负荷率直接反映了底物与微生物之间的平衡关系，是生物处理的重要参数， 厌氧过程也不例外。有机负荷、处理程度和产气量三者存在平衡关系。一般而言，较 高的有机负荷可以获得较高的产气量，但处理率会降低。无论在厌氧生物处理的实验 研究或在实际运转中，欲维持底物与微生物量之间的平衡，维持产酸发酵与产甲烷发 酵阶段的平衡，负荷率都起到非常重要的作用。 碳氮比是影响厌氧消化的一个重要因素【1 2 1 。碳源提供合成细胞反应过程中的能源 和物质。碳氮比过高，细胞的氮量不足，消化液的缓冲能力低，p h 值容易降低；碳 氮比过低，氮量过多，p h 值可能上升，铵盐容易累积，会抑制消化过程。实际操作 一般以底物的c 烈保持在( 1 0 - 2 0 ) ：1 为宜。 ( 4 ) 氧化还原电位( o r p ) 无氧环境是严格厌氧的产甲烷菌繁殖的最基本条件之一。对厌氧反应器介质中的 氧浓度和电位的关系判断，可由o r p 表达。 氧化环境具有正电位，还原环境具有负电位。厌氧环境的主要标志是发酵液具有 低的氧化还原电位。一般情况下，氧的溶入是引起厌氧消化系统的氧化还原电位升高 的最主要和最直接的原因。不同的厌氧消化系统和不同的厌氧微生物对氧化还原电位 的要求不同。兼性厌氧微生物在1 0 0m v 以上时进行好氧呼吸，o r p 为1 0 0m v 以下 时进行无氧呼吸；产酸菌对氧化还原电位的要求不甚严格，可以在1 0 0 - + 1 0 0m v 的 兼性条件下生长繁殖；中温及浮动温度厌氧消化系统要求的氧化还原电位应低于 3 8 0 - + 3 0 0m v ；高温厌氧消化系统要求适宜的氧化还原电位为6 0 0 - - - + 5 0 0m v 。氧对 产甲烷菌有毒害作用，因此在消化罐内不允许有氧的出现。如果因为机械或结构的问 题使消化罐内有了大量的氧，产甲烷反应将会减弱，厌氧消化将受到影响，而且还会 引起爆炸。 ( 5 ) 毒性物质 毒性物质是对厌氧消化起抑制作用的物质。但是任何有毒物质都是相对的，事实 上任何一种物质对甲烷菌都有两方面的作用，关键在于它们的浓度界限，即毒阀浓度。 这些物质，在其毒阈浓度之下，对甲烷菌的生长起促进作用；在毒阈浓度范围内，对 甲烷细菌的生长有中等抑制作用，如果浓度逐渐增加，则甲烷细菌可被驯化；但是如 果超过毒阈浓度上限，则对甲烷菌有强烈的抑制作用。研究表明【l3 1 ，重金属浓度为 0 0 0 0 1 - - 0 0 1 州l 时，厌氧消化灌内的生物活性抑制了5 0 ，但只有溶解态重金属才 产生毒性，碳酸盐和二价硫离子可以沉淀重金属，因此如果有足够的碳酸盐和硫离子 就可以防止重金属产生的毒性。常见的毒性物质有重金属离子、某些阴离子，如s 2 。、 氨以及含有特殊基团或者活性键的有机化合物。 ( 6 ) 搅拌和混合 5 北京化- t 人学硕一i ：学位论文 搅拌的目的就是让微生物和营养物质充分接触，加速热传导，提高消化速率。但 是许多研究表明，连续、剧烈的搅拌会使有机废物在厌氧消化过程变得不稳定，而且 会导致产甲烷区域受到破坏而使甲烷菌不能快速增殖【l4 1 。因此，对于产甲烷细菌来说， 缓慢搅拌与急剧搅拌对于不同形式的反应器可以产生不同的效果，以不影响甲烷菌所 需稳定的环境为宜。搅拌的方法一般有：泵加水射器搅拌法、消化气循环搅拌法和混 合搅拌法等。 1 2 3 厌氧消化技术的特点 厌氧消化是目前国际上最常用的污泥生物处理方法，也是大型污水处理厂最为经 济的污泥处理方法。厌氧消化技术特点体现在： ( 1 ) 过程可控制，生产过程全封闭，易操作，与好氧处理相比厌氧消化不需要 通风设施，运行成本低，属于节能型处理方法。 ( 2 ) 厌氧消化处理有机废物可以产生生物能。污泥的厌氧消化能产生大量沼气， 而沼气的热值较高，可作为能源利用。早在上世纪2 0 年代，人们已经开始有计划地 利用有机质产生沼气，作为炊事和供热用。在城市污水处理厂中，厌氧消化处理初沉 池和二沉池的污泥，不仅是为了稳定污泥，而且在处理过程所产生的沼气可用来加热 消化污泥和发电，为水泵和鼓风机提供电力。根据相关资料显示，发达国家的城市污 水处理厂所产生的沼气转化所产生的电能可以解决处理污水时所需电力的3 3 1 0 0 ，其热值一般为2 0 - 2 4m j m - 3 ( 沼气) ，每立方米沼气约可发电1 5 1 3 8k w h ， 并可回收余热8 - - 9m j 。利用沼气发的电可供本厂使用，其所产生的余热可作为消化 池加热用，也可作为热水供应及采暖。 ( 3 ) 节省动力消耗。好氧生物处理废水、有机废物时需要大量的溶解氧供应， 消耗了大量的动力。而厌氧生物处理过程中无需溶解氧供应。理论上充lk g 氧到水 中约需消耗0 5 1 0k w h 电力。如果采用厌氧消化方法处理废水废渣，可以节省大 量电能。环境效益与经济效益十分显著。 ( 4 ) 厌氧生物处理的污泥产量少，厌氧菌世代期长，如产甲烷菌的倍增时间约4 6 天。所以厌氧反应污泥产率系数比好氧反应要d , , t l s a 6 l 。 有机物如碳水化合物，在好氧降解时，其中约有2 3 被合成细胞，约有1 3 被氧 化分解提供能量。厌氧降解时，只有少量有机物被同化为细胞，而大部分被转化为甲 烷和二氧化碳。所以好氧处理产泥量高，而厌氧处理产泥量低，且污泥已稳定，可降 低污泥处理费用。 ( 5 ) 采用厌氧生物法不会去除底物中的氮和磷，氮和磷等营养物是组成细胞的重 要元素。采用生物处理废水，如废水中缺少氮磷元素，必须投加氮和磷，以满足细菌 合成细胞的需要。 6 第一章绪论 由于厌氧生物处理要去除1k gb o d ，所合成细胞量远低于好氧生物处理，因此， 可减少n 和p 的需要量，一般情况下只要满足b o d - n - p = ( 2 0 0 3 0 0 ) ：5 - 1 。对 于缺乏n 和p 的有机废水采用厌氧生物处理可大大节省n 和p 的投加量，使运行费 用降低。含氮和磷的有机物通过厌氧消化，其所含的氮和磷被转化为氨氮和磷酸盐。 由于只有较少的氮和磷被细胞合成利用，所以绝大部分的氮和磷以氨氮和磷酸盐的形 式存在于剩余物中。氮和磷是营养物质，排入水体可引起湖泊发生富营养化，但同时 又是植物生长不可缺少的元素，用作农业有机肥可以起到较好的作用。 1 3 太阳能利用发展概况 1 3 。1 太阳能的特点 太阳能作为一种新兴的可再生能源，是目前开发研究最多、应用最广的清洁能源。 随着全球能源日益短缺、环境日益恶化，太阳能越来越受到人们的青睐和关注。可以 说，未来全球理想代替能源的主流将是太阳能。中国f 1 2 0 世纪7 0 年代以来，太阳能利 用有了较大的发展，太阳能利用技术也趋于完善。太阳能在可再生能源中具有其独特 的优势，主要表现在： ( 1 ) 储量丰富 太阳每秒钟放射的能量大约是1 6 x 1 0 2 3k w ，年内到达地球表面的太阳能总量折 合标准煤共约1 8 9 2 x 1 0 1 3 千亿吨，是目前世界主要能源探明储量的一万倍【1 7 1 。相对于 常规能源的有限性，太阳能取之不尽，用之不竭。 据中国太阳能学会秘书长孟宪淦介绍【1 3 】，我国有荒漠面积1 0 8 万平方公里，主要 分布在光照资源丰富的西北地区。l 平方公里面积可安装1 0 0 兆瓦光伏阵列，每年可发 电1 5 亿度，如果开发利用1 的荒漠，就可以发出相当于我国2 0 0 3 年全年的耗电量。 另外，全国总面积2 3 以上地区年日照时数大于2 0 0 0 x 时，与同纬度的其他国家相比， 与美国相近，比欧洲、日本优越得多。 ( 2 ) 存在的普遍性 虽然由于纬度的不同、气候条件的差异造成了太阳能辐射的不均匀，但相对于其 他能源来说，太阳光普照大地，没有地域的限制。无论陆地或海洋，高山或岛屿， 处处皆有，可直接开发和利用，且勿须开采和运输。相对于其他能源来说，太阳 能对于地球上绝大多数地区具有存在的普遍性，可就地取用。这就为常规能源缺乏的 国家和地区解决能源问题提供了美好前景。 ( 3 ) 利用的清洁性 7 北京化_ 【：大学硕。卜学位论文 与传统化石能源相比，太阳能的使用不会消耗其他资源，没有核污染安全问题， 不会产生任何废气废物。大规模利用太阳能，可以大幅度减少煤炭等化石能源的消耗， 大幅度降低二氧化硫、二氧化碳的排放量，对减少环境污染、弱化温室效应、改善生 态环境，具有十分重大的现实意义。 开发利用太阳能不会污染环境，它是最清洁的能源之一，在环境污染越来越 严重的今天，这一点是极其宝贵的。 ( 4 ) 利用的经济性 可以从两个方面看太阳能利用的经济性。一是太阳能取之不尽，用之不竭，可直 接开发和利用，不用开采和运输；二是在目前的技术发展水平下，太阳能利用不仅可 能而且可行。随着太阳能关键技术的突破，太阳能必将在世界能源结构转换中担纲重 任。同时，太阳能利用也有缺点，如能量密度低、不稳定、受季节气候昼夜影响大等。 但总体来说，太阳能有很多其他能源无法比拟的优点，应用前景广阔。 在太阳能利用方面具有经济价值的地区是年辐射总量高于2 2 0 0h 的地区。 我国是太阳能资源丰富的国家，具有得天独厚的开发利用太阳能的优越条件。因 此，在我国大部分地区推广应用太阳能技术已具备充分的条件。 1 3 2 太阳能的利用形式 太阳能应用领域广泛，目前主要应用于：太阳能光电转换和太阳能光热转换。 太阳能光电转换主要表现在t 太阳能电池和太阳能发电。1 9 5 4 年美国贝尔实验室 制成了世界上第一个实用的太阳电池，效率仅为4 ，光电池成本仍比传统能源发电 高几十倍，因而光电转换的推广受到了限制。1 9 7 4 - 1 9 9 7 年，美国、日本等发达国家 硅半导体光电池发电成本降低了一个数量级【1 9 】。目前，世界太阳能电池年销售量己超 过6 0m w ，电池转换效率提高到1 5 以上，系统造价和发电成本己分别有了很大程 度上的降低。而我国太阳能热发电与国外相比，差距较大，无论是在研究程度上还是 商业化应用规模上。 太阳能光热转换主要集中在太阳能热水器和太阳能温室领域【2 0 1 。目前，太阳能热 水器上使用的集热器有平板型、真空集热管和热管真空管三种类型。平板型集热器的 价格相对较低，普通平板集热器的热效率受工质温度和环境温度的影响比较大，冬季 不能正常使用。真空集热管的热工性能非常优良，其热效率受工质和环境温度的影响 比较小，可在高温工质和低温环境下正常使用。热管真空管的价格高于全玻璃真空管， 但其具有单向导热和等温传热的特性，通过热管向周围散失的热量非常少。同时，管 内封存的少量防冻工作液长期循环工作，管内不结垢、不冻结、不炸管、启动快、集 热效率高，在置换破损的真空管时不影响系统正常运行，是目前值得积极研究推广使 用的产品。太阳能温室又称太阳能暖房，简称太阳房，分主动式和被动式两类。被动 8 第一章绪论 式太阳房不需要辅助能源，结构简单，造价较低，因此应用较多。中国的被动式太阳 房颇有特色，发展迅速，设计规范合理，选型多样，节能明显。1 9 9 8 年全国已达9 3 0 万 m 2 ，是世界上最多的，主要分布在华北、东北和西北地区。 1 4 国内外研究现状 污泥厌氧消化技术通过多年的发展，以逐渐趋于成熟与完备。目前关于污泥厌氧 消化，温度对厌氧消化的影响和温室保温方面的研究成果主要有： 预处理对污泥后续厌氧消化处理作用明显【2 嵫】。杨顺生、贾磊研究了超声处理对 污泥消化效率的影响，在大坦沙污水处理厂做了现场对比试验。所用的污泥分别为经 过和未经过超声处理的污泥。发现超声处理可以显著缩短消化罐的调试周期并提高消 化效率，不同的混合比例可以使产气率提高3 0 6 0 【2 3 1 。 上海交通大学刘荣厚等人，以猪粪为发酵原料、以中温厌氧发酵瓶的底物为接种 物，研究了温度条件对猪粪厌氧发酵产气特性的影响。结果表明，在发酵初期和中期， 中温( 3 7 ) 温度组显现了明显的优势，日产气量和累积产气量都高于高温( 5 2 ) 和室温温度组。当发酵进行到后期时，高温温度组日产气量高于室温和中温温度组【2 4 1 。 庞云芝等人的实验显示，中温消化产气量比常温提高了1 3 9 2 2 8 1 8 ，消化时间 缩短了8 - 1 6d ，氢氧化钠和氨预处理都可明显提高生物气产量，其中氢氧化钠的效 果最好。把中温消化和化学处理相结合可以提高厌氧消化效率和产气量【2 5 】。吴满昌等 人在t s 的质量分数为1 5 5 的半干式条件下，对城市生活垃圾厌氧消化进行批量实 验，研究了温度对厌氧消化过程的影响，探讨了不同消化温度对产气量、发酵启动时 间以及温度从5 5 突降到2 0 时对厌氧反应器产气量的影响等方面的问题。发现城 市生活垃圾厌氧消化的较佳温度为5 5 ，消化时间短，产气率高，启动时间较快， 沼气中的甲烷的平均体积分数为6 6 3 f 2 6 捌。h a n k i s h a n 等人研究发现，有机负荷为 5 8 2gv s ( l d ) 一，中温发酵的生物气产量约为5 0l d 1 ，而高温发酵的生物气产量约为 2 7 0l d 1 ，高温发酵的产气率要高于中温的产气率【2 引。n a o m i c h i 和y u t a k a 在完全厌氧 条件下对稀释后的剩余污泥、牛粪、鸡粪处理后，可以使c o d 的含量降至2 0p p m 以 下，反应第一阶段产的氢气可用于燃料电池系统，后阶段的沼气可用于对两个反应器 供热咧。z u p a n d c 对高温厌氧反应器供热后，对1 0 天内的产气量进行测算，发现高 温消化的要比中温消化的效率要高很多，在短时间内用更少的消化物，产气量都要比 中温消化的要高【3 们。l a s t e l l a 等人研究了不同的接种菌对消化效果的影响，同时用消 化后用污泥循环使用的方法来提高产气量，降低其环境危害。通过对c 0 2 的吸收，来 提纯沼气【3 1 1 。 9 北京化t 大学坝i ：学位论义 李志东等人研究了污泥投配率对污泥中温厌氧消化效果影响，发现污泥中温消化 的最佳污泥投配率为5 ，此时有机物分解率最大为4 1 2 ，单位v s s 产气量为0 6 0l g ， 符合美国污水处理厂设计手册标准【3 2 1 。付胜涛等人研究了污水厂污泥和厨余垃圾的混 合中温厌氧消化，发现厨余垃圾的加入，提高了剩余污泥的碳氮比，且没有出现如p h 值降低、碱度不足和v f a 积累等抑制现象，促进了污泥厌氧消化的进行【3 3 1 。范丽华等 人针对抚顺三宝屯污水厂的剩余污泥采取动态半连续流中温厌氧消化试验，进行污泥 减量化及资源化的研究。结果表明，在连续进泥1 4d 后，出泥的c o d 与v s s 的去除率 开始稳定，产气量也逐渐达到稳定，气体中的甲烷含量达7 0 以上。检验结果表明厌 氧消化处理后的污泥中重金属及其它有害物质含量均不超过农用污泥中污染物控制 标准，可作为农业肥料【3 4 】。a m a i z 等人通过对污泥消化反应动力学的研究，提出了有 机质消解同生物量的稳定并不是平行的，生物量的稳定要更早【3 5 1 。 s a r a v i a - 等人为了提高温室夜间温度，将一种用两层聚乙烯薄膜制成的塑料袋，挂 在温室内，白天作为集热器，收集能量到一个水池内，晚上当做换热器，将储存的热 量释放到温室内，以维持温室内夜间的温度【3 6 1 。毛罕平等人针对温室冬季加热费用高 的问题，研制了温室太阳能加热系统，介绍了系统的总体设计，详细论述了系统的控 制策略和软件设计，实现了系统的自动控制，并对系统进行了应用效果试验。系统经 济性分析评价的结果表明，从经济性上与锅炉和电加热系统相比，是很合理的【37 1 。马 秀坤、马学军针对温度控制系统的惯性大、非线性、数学模型难以建立等特点，提出 了模糊控制策略，给出了系统解决方案，实现了对温度系统的有效控制【3 引。 1 5 本课题研究内容及创新之处 根据目前太阳能技术的利用现状和实现高效厌氧消化的温度要求，本课题主要将 厌氧消化技术和太阳能温室、太阳能热水器技术相结合，建立起一种利用太阳能的厌 氧消化技术体系，并将其应用于对剩余污泥的厌氧消化处理，力争提高对污泥的处理 效果，并节约能源。本课题的研究主要分为如下几部分： ( 1 ) 利用已搭建好的温室一太阳能热水器组合系统，编制温度控制程序，给反应 器提供充分的温度补给，保障厌氧消化反应器高效稳定运行。 ( 2 ) 分别对自然环境下运行的反应器i 和采用该组合增温装置的反应器进行 对比，分别考察每个季度典型一天内和每一个反应周期的温度变化情况。对温室一太 阳能热水器组合增温系统增温保温效果进行评价。 ( 3 ) 在一年中不同季节，通过对两反应器的日产气量、累积产气量、单位产气 量、甲烷含量、水力停留时间等数据的测定与分析，对普通厌氧消化反应器和利用太 1 0 第一章绪论 阳能的高效厌氧消化反应器的产气性能进行对比分析。 ( 4 ) 分别对两反应器反应前后污泥的t s 、v s 和c o d 进行测定，考察两反应器 对污泥的减量化效果。 ( 5 ) 结合两反应器所产甲烷量和消耗的电能，对两反应器的产能耗能的关系进 行对比。 太阳能温室技术和太阳能热水技术是目前相对成熟的太阳能热利用技术。因此， 如果利用太阳能给厌氧反应器补给热量以保证其稳定运行将具有很大的实际意义。本 课题的创新之处体现在： ( 1 ) 通过温室和太阳能热水器对太阳能的集热作用为反应器供热，从而实现厌 氧消化反应器的高效运行，节约了维持反应器稳定运行的能源消耗。 ( 2 ) 用m i e r o l o g g e r 专用语言编写了温度控制程序。对反应器内外，热水器内外 的温度进行实时监控，并对热水泵实施即时控制，保证反应器中温度时刻处于高效阶 段附近，温度控制效果良好。 ( 3 ) 试验集厌氧消化技术、太阳能技温室构建技术和人工智能逻辑控制技术于 一体，实现了多种学科与技术的相互融合，可为实际工程的运作提供一些参考。 ( 4 ) 由于试验中的能量需求几乎全部来源于太阳能，消化后又可以产生大量高 效、清洁的高品位能源一沼气，因此符合节能、环保的时代需求。 第二章试验材料与方法 2 1 材料与仪器 2 1 1 试验材料 第二章试验材料与方法 试验所需的剩余活性污泥取自某污水处理厂，该污泥经过了脱水处理，呈泥饼状。 接种污泥取自北京市高碑店污水处理厂一期消化池。剩余污泥及接种污泥的物化性质 如下表1 所示。 表2 - 1 污泥的性质 t a b l e2 - 1c h a r a c t e r i s t i c so fs l u d g e 2 1 2 试验设备 暖如意1 8 0 型太阳能热水器：北京桑普阳光技术有限公司 自制太阳能温室 自制碳钢厌氧消化反应器 b c b d s 1 8 a 冷藏柜：青岛海尔集团 d h g 一9 2 4 0 n 型电热鼓风干燥器：上海精宏实验设备有限公司 s x 2 8 1 0 型箱式电阻炉：天津中环实验电炉有限公司 j a l 2 0 1 型电子天平：上海民桥电子仪器厂 f a l 0 0 4 精密电子天平：上海圣科仪器设备有限公司 t o c 测定仪：荷兰s k a l a r 公司 k d n 2 c 型凯氏定氮仪：上海嘉定纤检仪器厂 s p 一2 1 0 0 型气相色谱仪：北京北分瑞利仪器公司 c r 2 3 x 型m i c r o l o g g e r ：c a m p b e l ls c i e n f i f i e , l n c u s a 湿式气体流量计：长春汽车滤清器有限责任公司 1 3 北京化t 人学坝i j 学f 讧论义 2 2 试验装置 试验装置如图2 1 所示，主要包括增温系统、反应系统、控制系统、搅拌系统和 计量系统。具体包括：总表面积为1 0 4m 2 的温室、附带有电加热管的储水箱容积为 1 8 0l 的太阳能热水器、有效容积1 2 0l 碳钢厌氧消化反应器2 个、c r 2 3 x 型 m i c r o l o g g e r 控制仪1 台、温度传感器5 个、热水泵和气泵各1 台、湿式气体流量计2 台。 图2 - 1 温室一太阳能热水器组合增温系统示意图 f i g 2 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fi n t e g r a t e ds y s t e mo fg r e e n h o u s ea n ds o l a rh e a t e r 1 太阳能热水器：2 温室；3 反应器i h4 m i c r o l o g g e r 记录仪：5 温度传感器；6 气体扩散器； 7 换热器；8 气泵；9 热水泵；1 0 单向阀f - j ；1 1 气体流量计 在温室外，放置反应器i 进行厌氧消化试验作为空白，内部无换热装置。温室内 放有相同型号的反应器i i ，但带有换热器。两反应器的工作体积设为1 0 0l 。整个系 统装有5 个温度传感器，分别安插在：温室外、温室内、太阳能热水器、反应器i 和 反应器i i 。m i c r o l