（环境科学与工程专业论文）微波预处理对污泥厌氧消化及脱水性能的影响.pdf

中文摘要 化工艺处理污泥较单独厌氧消化工艺有很大效益空间，值得进行进一步的分析和 探讨， 关键词：污泥；微波；厌氧消化；脱水性 英文摘要 a b s t r a c t n o w a d a y s ，p e o p l ep a ym o 代觚dm o r ea t t t i o nt 0t h ee l l v i r 0 】胁l e n t a li s s o f s l u d g er e d u c 廿o n t h er e d u c t i o n ，s ta _ b i l i z a t i o n 妣dh a m l l e s sr e s e a r c hh a si m p o r t a m p r a c t i c a lv a l u e t h i sp 印e ru s eo n l i n em o b i l es t a i l d i n gw a v em i c r o w a v er e a c t o r st 0 p r e 吮a ta c t i v a t c ds l u d g e 锄dc o m b i n ew i t ha i l a e r o b i cd i g e s t i o nt oa c h i e v et h ep u 印o s e o f 硎u c t i o na i l dr e c ：y c l i n g t h i si s s u ev 砸f i e sm i c r o w a v ep e r 内m a l l c eo f 锄a e r o b i c d i g e s t i o n a 1 1 d d e w a t e r i n gp e r f b 衄a n c e o f s l u d g eb yp r e n e 砌e n t o fd i f j e e r e n t i i l i c r o w a v ei 玎a d i 撕o n w ep 蚓舱a ta c t i v a t e ds l u d g ei l ld i l j c e r e mr a d i a t i o nc o n d i t i o 船o 4 0 0 w ，6 0 s ，8 0 0 w ，3 0 s ；4 0 0 w ，3 0 0 s 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将会造成二次污染。污泥处理的难题困扰人类已久，其脱水难、有机质不易降解、恶臭 无法消除等难题一直是科学家努力攻克的重点。同时，我们也应该注意到，污泥中含有 的有机成分以及丰富的氮磷钾等营养元素，如果能将其中的有用成分加以利用，必将成 为污泥处置的最高目标，实现变废为宝、资源循环的环保理念。 在现有的几种污泥处理处置方法中，以焚烧、厌氧消化、无害化填埋和堆肥一土地 利用等在我国最为普遍。其中，环保部2 0 1 0 年3 月发布城镇污水处理厂污泥处理处 置污染防治最佳可行技术指南( 试行) ( h j b a t 0 0 2 ，环发 2 0 1 0 】2 6 号) 中指出最佳 可行处理技术为：污泥中温厌氧消化技术和污泥好氧发酵技术两种。但这两种技术在国 内并未得到广泛应用，我国约6 0 的污泥仍然采用填埋的方式处置。由于污泥的含水率 高，填埋存后犹如一大片沼泽，而且污泥堆放容易产生沼气，臭气熏天，露天堆放存在 巨大的安全隐患，使污泥得到全面、有效的处理和处置任重而道远【l 】1 1 1 污泥概况简介 活性污泥( a c t i v es l u d g e ) 是微生物群体及它们所依附的有机物质和无机物质的总称。 微生物群体主要包括细菌，原生动物和藻类等。其中，细菌和原生动物是主要的二大类。 活性污泥主要用来处理污废水。在污水的处理过程中，会伴随着活性污泥的排出，即剩 余污泥，剩余污泥中包含了氮、磷、有机质以及大量污水中的有害成分，甚至还包括一 些有毒成分，如重金属离子( 如锌，铜，镍，铅，铬等) 和一些非金属化合物( 如酚， 醛，氰化物，硫化物等) ，是污水中污染成分的集中体现。如过这些剩余污泥得不到有 效的处理和处置，则会造成严重的二次污梨3 1 。 第1 章绪论 1 1 1 污泥的理化性质 剩余污泥由于在机械脱水过程中添加的絮凝剂等物质，导致污泥流动性差，粘度大， 有恶臭多呈棕黄、棕褐色甚至黑色。污泥具体的理化性质见表1 1 表1 1 污泥的理化性质 1 1 2 污泥处理处置的难点 正是污泥的理化性质决定了其处理处置过程的困难。l 、污泥不易脱水，污泥中大 量以微生物形式固体有机物质导致污泥的脱水性能差，其胞内水及间隙水在自然中无法 脱出。2 、污泥的粘度大，由于污泥脱水过程中加入的p a m 等絮凝剂，造成污泥性状极 为粘稠，这严重的影响了污泥的后续利用，如农用或绿化。3 、含有大量不易降解的有 机物质，污泥中有很多有机物质不易降解，原因在于大量有机物质是以生物的细胞存在 于污泥之中的，如果不能将细胞壁打破，其中的有机物质很难流出并得到降解。4 、含 有重金属和其他毒性物质，污泥中包含某些重金属离子( 如锌，铜，镍，铅，铬等) 和 一些非金属化合物( 如酚，醛，氰化物，硫化物等) ，这些物质均具有毒性，而且重金 属在土壤富集后会转移到人体，对环境和人类造成极大的危害嘲。5 、污泥中含有大量的 有害菌群，如大肠杆菌等，使用传统方法很难杀死【6 】，这些致病菌群进入环境的后果可 想而知。 微波预处理对污泥厌氧消化及脱水性能的影响 1 2 我国污泥处理处置的现状 随着我国的环保产业不断发展，城市污水的处理率日益增加。早在2 0 0 8 年，我国 城市污水处理率已达到6 5 ( 资料来源：国家发展和改革委员会关于2 0 0 8 年国民经 济和社会发展计划执行情况与2 0 0 9 年国民经济和社会发展计划草案的报告) ，并且 污水处理厂总建设规模在今后相当段时间内将继续保持高速增长。我国近年来污水处 理量趋势见图1 1 。 廿 罾 攀 r 洲 证 剐 文 * 浆 3 0 0 1 9 9 1 年份2 0 0 3 2 0 0 8 2 0 0 0 1 6 0 0 1 2 0 0 o 4 0 0 o k 咧 酬 赶 硬 赛廿 羹誊 如 ：蜂 赡 蚌 图1 1 我国近年来污水处理量趋势 2 0 0 8 年我国城市污泥产生量约2 6 6 2 万吨( 含水率8 0 ) ，随着污水厂建设速度的加 快，污泥产量还将大幅度增加。然而目前我国的污泥处理情况并不乐观，有8 0 的剩余 污泥没有得到妥善处理。图1 2 中污泥处理缺失造成的后果令人触目惊心。从下面几个 我国近年来发生的污泥重大污染事故中我们便可以了解我国污泥处置的现状。 1 、2 0 0 9 年0 9 月北京环兴园环保科技有限公司将6 5 0 0 吨污泥倾倒永定河河床，造 成重大污染事故，损失高达上亿元。2 、2 0 0 9 年3 月东莞：查处林场污泥污染事件。每 天近百吨污泥被运进塘厦林村和樟木头林场交界处，污泥恶臭熏天，大雨将污泥场内 的污水进入附近的果园、菜田和鱼塘，污泥严重。3 、2 0 0 6 年上海石洞口等污泥偷排案 件：2 0 0 6 年1 2 月，3 万吨污泥倾倒河塘内污泥处置单位不具备相关资质，4 、2 0 0 5 年合 肥市王小郢污泥事件：污泥无处堆放，发出紧急报告要求允许其停止运行污水处理。 o o o o o 0 5 o 5 0 5 5 、2 0 0 3 年三峡库区污水处理厂污泥处理问题剩余污泥将给三毫峡库区水环境带来“二= 次污 染”重庆17 污水处理厂污泥处理难。 万吨污泥“埋。进林场 鬟黔芝嚣生致z 妻雌燃粼缝幽 荐r 燃雹攥- 妨- ”：1t l 。麓穗重匿下羲耳强夏靠 o ”o 。：i 盏e 熬，m ：! i 錾财经对议塞l = 僻翳莉；| 琏 二蜒i 献瓣! 攒旗鹈臻器鞲摇籁象鲢 g ! i 璐；i 鑫：融瑰恕运鲢鹣嫒喇陵垂窃穗 懿竞翘癌剃孽媛爹彝蠡薹辜& 獭磐穗l | 手 礴锻辫拳嚣瓢虢翕徽键缝蒸巷罄缝籀藏强 黪融液藿嘲隧l 强 薛天近百吨污泥梭运进塘厦棒村和樟木头林场交界处 图1 2 污泥重大污染事故的相关报道 表1 2 反应了我国目前污泥处理处置的概况，从表中可以看出，我国目前的污泥处 理处置仍然以填埋为主。由于污泥的含水率高，填埋存后犹如一大片沼泽，而且污泥堆 放容易产生沼气，臭气熏天，露天堆放存在巨大的安全隐患。而真正得到有效处理的， 仅占污泥总量的2 0 ，剩下我国每年2 0 0 0 多万吨的污泥基本没有的得到有效处理。 表1 2 我国污泥处理处置方式及比例( 截止2 0 1 0 年) 处理处置方式比例说明 填埋 6 0 仍是主要处置途径 堆肥1 0 并非土地资源地区首选，农业较发达地区多采用 焚烧 1 0 集中在江浙一带( 不差钱地区) 不知去向 1 5 0 基本是弃置、随意填埋 其他 7 5 0 微波预处理对污泥厌氧消化及脱水性能的影响 污泥的处理、处置是两个相对独立的概念。污泥处理，指的是污泥的无害化、减量 化、温度化的过程；而污泥处置值污泥的资源化过程，即综合利用污泥中的有用成分， 实现变废为宝的目的。污泥处置过程是更高层次的处理。 我国的污泥处理与处置存在着很严重的问题，究其原因首要是由于近年来我国一直 实行“重水轻泥的方针，即只重视污水，而忽视污泥的后续处理过程，致使大部分污 水处理厂污泥处置目标不落实。在我国所有的污水处理设施中，仅有不到3 0 有污泥处 理系统，包含处理工艺和完善的配套设施的还到不到1 0 【2 】，我国仅有的污泥消化池中， 可以正常运行的也非常少，有些甚至基本没有运行，如上海石洞污泥处理厂。污泥在没 有经过任何处理处置过程便直接将污泥农用的例子也有很多，但这样做的风险极大：由 于我国农用风险的研究体系尚不健全可用数据不充分，缺乏系统、科学的管理办法，而 且农用直接和食物链发生关系风险性较大，农产品品质下降会让原本就棘手的食品安全 问题愈发严重，引发社会信任危机，所以污泥不经过或仅经过简单的处理直接农用是不 可取的。 造成我国污泥问题严重的第二个原因是大多数城市缺乏对污泥处理处置的统一规 划。由于缺乏对污泥处理处置的统一规划，污泥产生后，作为一个新的污染源，又不得 不投资污泥处理处置，不但不经济，还造成了环境的二次污染【3 】o 第三个原因在于技术层面。我国的污水处理技术较发达国家起步晚，起点低，目前 较为落后。虽然改革开放的二三十年来有了一定的发展，但污泥处理处置技术较发达国 家还有很大差距。在我国上个世界8 0 年代后，只有少数的污水厂开始设置污泥机械脱 水处理技术，污泥的含水率从原来的9 6 哆卜9 9 降低到7 5 一8 0 ，但脱水后的出路问 题还没有得到解决。而近十年来，我国城市污水污泥厂的污泥处理技术和一些专用设备 才有较大发展，但是在污泥处理系统的设备成套水平上，还落后国外三四十年左右。 1 3 我国污泥处理处置主要方法及问题 1 3 1 脱水一再利用 我国大部分的污水处理厂的污泥处理都是采用“浓缩脱水填埋或农用这种单一 的模式。图1 3 是污泥污泥脱水处理处置的过程。从图中可以看出，无论露天堆存，还 第1 章绪论 是农用或填埋，由于污泥含水翠小能达刽要求，邵是小口j 以的。填埋的存征的i 叫题在于： 填埋量大，侵占建填埋场资源渗滤液量大，处理难度大重要的温室气体排放源，而露天 堆存和农用的问题在于：臭气熏天，渗滤液和外掺物料问题肥效低，不能满足农作物需 求，污泥中含有重金属，会污染土壤和农作物。污泥中的重金属是污泥处理中极难处理 的一个问题，盲目利用不仅没有达到有效处理污泥的目的，反而会造成土壤环境的二次 污染【4 1 。 匿懂圈 痧匿圈 匿匿卜匿阳 困 图1 3 浓缩一脱水流程 1 3 2 干化一焚烧 干化一焚烧工艺在日本比较普及，在我国东南沿海等地区采用的也比较多。此方法 能耗大，处理成本高，适合于经济发达，地少人多的地区。如我国都采取此方法处理， 则能源消耗不可估量，且我国经济发展情况受地域影响差异很大，很多地区并没有能力 采取焚烧的方法处理污泥。况且焚烧处理还面临热值低、燃烧不充分会产生二嗯英、引 进焚烧技术投资高、国内技术不成熟等问题。终究不是解决污泥的根本出路。 1 4 污泥几种推荐的处理方法及比较 1 4 1 干化一焚烧 污泥焚烧是将脱水后的污泥直接送人焚烧炉焚烧，是污泥处理处置中“最彻底”的 方法。该方法能将污泥中的有机物完全碳化，杀死污泥中的菌群，有效的减小污泥体积， 微波预处理对污泥厌氧消化及脱水性能的影响 而且焚烧法自动化水平高，不受外界条件的干扰【1 。图1 4 是r 本及美国焚烧处理污泥 的比例情况。从图中可以看出，同本大部分污泥采取焚烧的方法处理，其原因在于日本 经济发达且地少人多，不适合填埋及土地利用。而美国相对日本焚烧的比例占的较少， 主要集中在人口众多的大城市，乡村等地区均以土地利用为主。 日本污泥毁援缯泼 壤移 一 f 、。、 、 鲍霉用 4 l t。 5v， 图1 4 日本及美国污泥处理处置方法比例 焚烧污泥的一种典型的工艺是干化焚烧，其工艺图见图1 5 。该工艺主要包括预处 理、焚烧和后处理三个阶段【2 6 1 。污泥在焚烧前加以必要的预处理，能使焚烧更有效的进 行。预处理主要包括脱水、粉碎、预热等，以降低污泥含水率，使污泥可以自持燃烧。 污泥粉碎室整个工艺的核心，主要在焚烧炉中进行。后处理指处理焚烧时产生的烟气和 固体残渣，以防焚烧不充分产生的二嗯英及飞灰等物质造成二次污染。 脱娈 - 粉 污泥碎 燃烧 图1 5 干化焚烧污泥艺流程图 烟气处理捧放 煳 捧处理 2 一 烧跫投 第l 章绪论 但是由于污泥的热值一般较低，焚烧污泥的能耗非常，而且焚烧处理如果燃烧不充 分会产生二嗯英等其他污染物，更何况燃烧后的污泥将无任何利用价值，不能实现资源 的循环利用，未免有“花大钱，办小事”之嫌，终究不是解决污泥的根本出路。 1 4 2 土地利用( 好氧发酵) 随着可持续发展理念的深入人心，传统的“废物观念得到革新，“废物 其实 是“被放错位置的资源 【6 1 。填地投海和焚烧两种污泥处置方法不再符合环保的要求， 既有二次污染问题，又是对资源的浪费。污泥回收利用成为污泥处置的发展方向，而以 污泥为原料制成有机复合肥是污泥资源化利用最主要的途径。关于以污泥为主要原料制 造有机复合肥的研究已经相当多，特别是在复合肥和改上剂配方方而的研究已相当成 熟。图1 6 为典型的污泥堆肥工艺流程。污泥经过两次好氧发酵后，腐熟度达到标准， 之后视污泥氮磷钾等营养元素的具体情况对污泥进行加工，即加入营养元素和其他药 剂，是污泥的肥效满足要求【8 】。 通风 除臭 图1 6 污泥堆肥工艺流程 但是实际推广应用中遇到了高湿物料的干燥和卫生学指标问题，传统的热能干燥方 法不但热效率低，干燥效果不好，给物料混合及造粒带来困难，结块污泥内部的病原菌 在干燥过程中难以杀灭。传统杀菌方法，虽然可以杀灭一部分病原菌和蛔虫卵，使它们 微波预处理对污泥厌氧消化及脱水性能的影响 明显丧失活性，但细菌很快又能重新恢复活性：巴氏灭菌法需在4 5 一8 0 条件下保持很 长时间才能起到作用，虽能达到既保留植物养分又使污泥符合卫生指标的要求，但能耗 较高，体积膨胀较大【埘。而且污泥中存在的重金属等有害物质会形成稳定的化合物富集 在土壤中，如8 0 以上的铜、铅和6 0 以上的铬、镉会以硫化物的形式长期存在于土壤 之中【9 】，危害人类和环境。 1 4 3 厌氧消化生物制气 厌氧消化是利用厌氧条件下厌氧菌群的作用，使有机物经液化、气化而分解成稳态 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 细菌的作用下，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，即通过产甲烷菌的作用，生成甲烷。厌氧 消化的过程见图1 7 。 第一鼢段 第二阶段第三阶段 图1 7 污泥厌氧消化流程 厌氧消化工艺的能将原污泥消化成三种产物：即沼气、沼液和沼渣。沼气是一种清 洁燃料，主要成分是甲烷和二氧化碳，热值较高( 每标准立方米热值约5 2 0 0 大卡) ， 沼气直接用于发电每立方米可产生2 k w h 的电能和2 2 0 0 大卡的余热；沼气经净化提纯之 后可制成压缩天然气( c n g ) 作为燃料使用或给天然气汽车加气；为便于运输和储存，沼 第1 章绪论 气也可制成液化天然气( l n g ) 用于工业或民用，甚至替代修造船厂的切割气等等，其利 用途径十分广泛。沼液里含有很高的溶解性氮和磷。可直接做为液体肥料，供给农户使 用，更是城市绿化，园林和球场养护不可多得的速效肥料。沼渣中含有丰富的腐殖酸、 蛋白质等有机物和钙、镁、锌等微量元素，可作为绿化营养土或覆盖土，也可制成有机 无机复合肥供给大田使用。 厌氧消化是十分高效的污泥稳定化处理的工艺技术，它不仅能实现污泥的减量化、 稳定化和无害化的三化基本处理目标，还可以实现废物处理的资源化，实现变废为宝的 最高环保理念。目前，此方法在国外已广泛应用，很多发达国家在上个世界的六十年代 就已经达到装备成套化的高产业化水平了，而我国由于在污泥事业的起步较晚，整体的 水平还属于比较偏低的状况，在处理污泥上与发达国家的差距较大。厌氧消化工艺一般 分两种：中温消化和高温消化。中温厌氧指温度控制在3 5 至4 0 之间，而高温厌氧 消化的温度则在4 8 至5 2 左右。由于高温厌氧需消化大量能源，在实践中，最多被 使用的就是中温消化，目前我们开发研究的整体趋势是提高污泥的厌氧消化效率，加大 厌氧消化池的混合程度，提高消化池的容积利用率，以及污泥的产期量和产气率，能源 的回收再利用率，以尽量减少污泥的体积，实现为的减量化。中温厌氧消化也是我国环 保部推荐的最佳可行处理技术之一，是非常适合我国国情的一种污泥处理方法。 在大连市就坐落着一所中温厌氧消化的工厂：大连市夏家河污泥处理厂。该厂位于 大连市下甘井子区，设计日处理市政污泥6 0 0 吨，本项目运行将产生沼气、“鸟粪肥” 及腐殖土等“清洁产品 。沼气经提纯处理后，可日供天然气1 1 0 0 0 立方米，将解决3 0 0 0 0 户居民的用气或一些工业用户的生产用气，相当于再建一个3 万立方米日的焦炉煤气 厂，每年将节约优质焦碳2 5 0 0 余吨，并减少4 6 0 0 万立方米废气以及7 3 0 0 0 余吨废水的 排放；项目每年还可生产4 0 0 0 吨磷肥和4 万吨腐殖土，“鸟粪肥 是一种缓释磷肥， 可增加土壤的营养及保肥能力，腐殖土可作为园林绿化营养土或填埋场覆盖土。同时该 项目达产后，每年可减排甲烷气体近4 0 0 0 吨，相当于减排温室气体二氧化碳8 万吨。 夏家河污泥处理厂的工艺流程见图1 8 。 微波预处理对污泥厌氧消化及脱水性能的影响 图1 8 夏冢洞污泥j 处理工艺流程 1 5 污泥厌氧消化应用情况 在厌氧消化处理污泥过程中主要采用两种方法：1 、浓缩一厌氧消化一脱水一污泥 最终处置；2 、浓缩一厌氧消化一脱水一焚烧一最终处置。在大多数的污泥处理厂中后 者的使用情况的较多n u 。 在过去的污泥处理中，有以下三个目的：l 、污泥减量化2 、污泥稳定化3 、污泥无 害化。如与不经消化直接进行脱水的方式比较，厌氧消化减少了滤饼数量，改善了脱水 作业环境。通过消化，污泥粒子变小，有机成分降解，可以有效提高污泥的脱水性能。 污泥稳定化，更具体地说就是：由于预先促进了污泥中有机物的分解，因而可以控制污 泥最终处置时的有机物的分解；污泥送往农田时，可以防止腐蚀农作物的根部，防止产 生臭气、害虫。我们知道，直接对生活污水进行脱水，再将脱水后的污泥埋地，则在相 当长的时间内，污泥以其原生态存在，如利用这块土地，就必须进行稳定化处理。因此， 处置脱水污泥时，污泥消化是有很大意义的。另一方面，污泥焚烧可最大限度地减少污 泥量，保证稳定性。从技术上看，将焚烧和消化置于一体未必合理，但实际上，付融冰 等n 羽认为：焚烧这种消化方式，除厌氧消化本身的特性外，可以采用“厌氧消化+ 焚烧 的组合方式，大部分是由于焚烧炉置于脱水过程之后这一历史原因所致。 第l 章绪论 1 6 污泥厌氧消化面临的问题 中温厌氧消化虽然有很多优势，但也存在着诸多问题。其中最主要的问题有：l 、 反应速度非常慢，污泥的停留时间较长( 一般为2 0 天左右) ；2 、池体体积很庞大，建 设投资高，如处理能力为6 0 0 吨天的大连市夏家河污泥处理厂的投资成本为1 4 7 亿人 民币；3 、污泥中的有些成分难于降解，有机质降解率低。归结起来，这些难题的原因 都在于：污泥中的有机质存在于微生物细胞中而没有被破坏亦或是分解掉，而这些微生 物的细胞壁大都由蛋白质、纤维素、果胶等半刚性结构构成【1 3 】，可以很好的保护细胞， 而细胞壁是难降解性物质，破解这些细胞壁需要花费较长的时洲1 4 】，这就直接导致污泥 厌氧消化周期长而且降解不充分。为了能够使厌氧消化的速率提高，缩短污泥停留时间， 减小设备体积，国内外的专家学者们对污泥的预处理进行了多年的积极有意义的探索开 发研究。污泥预处理最主要的目的就是破坏污泥的细胞壁以及污泥的结构性质，使污泥 絮体结构发生巨大改变，这样就能使胞内物质得到释放，进入水相，在微生物的作用下 迅速水解，变成小分子，从而提高厌氧消化效率，增加产气量【1 3 】。 1 7 氧消化的几种预处理方法 1 7 1 超声波预处理 u w en e i 【1 6 】等人进行了利用低频超声波技术处理污泥( 5 3 初沉池污泥、4 7 剩余污泥) 及其对中温厌氧消化促进作用的中试研究。结果利用超声波( 3 l k h z ，3 6 k w ) 处理污泥6 4 秒后，s c o d 从6 3 0m g 几提高到2 2 7 0m g 几，提高了3 倍多。超声波释放的能量被污泥 吸收后污泥的温度有开始的1 5 上升至处理后的4 5 0 。接下来半连续式中温厌氧消化 试验表明污泥的停留时间得到有效缩减，有未经过预处理的2 0 天变为8 天，缩短了一 倍多，而且生物产气累积量也有显著提高。 1 7 2 高温加热法 早在1 9 8 4 年s 1 u c k e y 等人就给污泥加热至1 7 5 到2 7 5 ，之后进行中温( 3 5 ) 和 高温( 5 5 ) 厌氧消化试验。va l o 【1 7 】等人用高温热处理剩余污泥，通过比较s c o d ，发现 热处理时间对处理效果影响很小，而处理温度是处理效果的主要影响因素。在1 3 0 时 微波预处理对污泥厌氧消化及脱水性能的影响 污泥的s c o d 增加了2 5 ，而在1 7 0 的热处理中，污泥s c o d 增加了6 0 。在后续中温厌 氧消化后发现，两种污泥产气量较未经热处理污泥分别提高2 1 和4 5 。 p c a i i l a c h o 【1 8 】等人在高温( 4 0 1 2 0 ) 条件下处理污泥。实验表明：4 0 时，污泥 几乎没有破解的情况发生，在6 0 下加热2 4 小时后，t c o d 有2 5 的溶出：温度上升至 9 5 同样加热2 4 小时，t c o d 有三分之一溶出：在1 2 0 的高温下，压力为lb a r 时，加 热4 5 分子，t c o d 溶出率为3 5 7 。由此可以看出高温加热污泥同样可以破解细胞壁、 改变污泥的性状的目的，其原理是高温可以使细胞壁的蛋白质、细胞膜的脂类等有机物 发生变性，从而实现破解的作用。 1 7 2 碱解处理法 早在1 9 世纪后期，r a j a n 等就提出了污泥碱解预处理的方法【1 9 1 。研究表明碱的投 加量以及碱的种类影响着污泥的融胞效果。采用较高浓度的碱有很好的融胞效果，但为 有效提高厌氧消化效率，选择合适的碱处理剂量以满足后续产甲烷菌适宜的p h 值显得 尤为重要。过高的p h 会抑制产甲烷菌的活性【2 0 1 ，一般产甲烷菌的合适p h 范围在6 5 7 2 的范围。碱处理会增加盐离子浓度以及后续处理的难度，并易对腐蚀设备。此外， 虽然氢氧化钠的融胞效果最好，但是考虑到经济因素，廉价的石灰更适合。 1 7 3 微波处理法 微波预处理是近年来新出现的污泥破解方法。微波是一种振动频率在3 0 0 兆赫到 3 0 0 千兆赫的电磁波，微波引起极性分子高速摩擦而产生热量，并改变微生物蛋白质的 结构，学者们认为微波预处理是一种非常快速的细胞水解方法。 c i g d e me s k i c i o g l u 等人【2 1 】用实验室级的工业微波处理单元模拟了利用水浴加热的 传统方法。结果在5 0 、7 5 和9 6 三个不同温度，s c o d t c o d 从对比样品的( 9 1 ) 分 别增加至( 1 2 1 ) ，( 2 l 0 ) 和( 2 4 1 ) 。此外，通过生化甲烷潜力( b m p ) 试验表明， 接种过微波驯化过的种泥的样品，尽管在厌氧消化初期( 7 天) 存在的抑制作用，但与 未接种的污泥相比，不仅加速了厌氧消化过程( 仅用1 7 天) ，而且生化甲烷潜力( 1 6 4 ) 也比未驯化过的污泥样品( 4 o ) 多。 第1 章绪论 作为污泥厌氧消化预处理的一项新技术，如何选择最优条件以实现最佳融胞效果以 及克服微波作用对厌氧消化初期的抑制来提高后续厌氧生物降解效率有待进一步探讨。 1 8 微波法预处理污泥的研究进展 1 8 1 微波的特性 微波是频率在3 0 0 兆赫到3 0 0 千兆赫的电磁波。被加热介质物料中的水分子是极性 分子，它在快速变化的高频电磁场作用下，其极性取向将随着外电场的变化而变化，造 成分子的运动和相互摩擦效应。此时微波场的场能转化为介质内的热能，使物料温度升 高，产生热化和膨化一系列物化过程而达到微波加热干燥的目的。 微波加热特点： 1 、加热速度快。微波加热与传统加热方式完全不同。它是使被加热物料本身成为 发热体，不需要热传导的过程。因此，尽管是热传导性较差的物料，也可在极短的时间 内达到加热温度。 2 、节能高效。由于含有水分的物质容易吸收微波而发热，因此除少量的传输损耗 外，几乎无其它损耗，故热效率高、节能。 3 、加热均匀。无论物体各部位形状如何，微波加热均可使物体表里同时均匀渗透 电磁波而产生热能。所以加热均匀性好，不会出现外焦内生现象。 4 、防霉、杀菌、保鲜。微波加热具有热力和生物效应，能在较低温度下灭菌和防 霉。由于加热速度快、时间短，能最大限度地保存物料的活性和食品中的维生素、原有 的色泽和营养成份。 5 、工艺先进、易控制。微波加热只需有水、电的基本条件，只要控制微波功率即 可实现立即加热或终止，应用微波机可进行加热过程和加热工艺规范的自动化控制。 6 、占地面积少，安全无害。由于微波能是控制在金属制成的加热室内和波导管中 工作，所以微波泄漏极少，没有放射线危害及有害气体排放，不产生余热和粉尘污染； 既不污染食物，也不污染环境。 微波预处理对污泥厌氧消化及脱水性能的影响 1 8 2 微波破解污泥的机理 微波破解是基于微波加热的选择性、瞬时性、穿透性和高效性，控制适宜的微波条 件而实现的。 ( 1 ) 选择性吸收破解理论：微波加热具有很好的选择性，不同物料由于其介电性质不 同，在微波场中的受热特性差别很大细胞内不同部位的物质，对微波能的吸收能力存 在著差别，从而导致微波场中的细胞局部受热富含自由水分子的部位，比如液胞，在 微波场的作用下迅速升温，水分汽化，胞内压力骤增细胞壁和细胞膜不能承受如此大 的内压，故细胞出现缺口而破碎。 ( 2 ) 热效应理论：由于微波具有高频穿透特性，使微波场中极性分子或偶极子( 水、 蛋白质、核酸等) 受到交换频率高达1 0 8 数量级的交变电场的作用而剧烈振荡、相互摩擦 产生“内热 ，从而导致温度瞬间升高，污泥微生物细胞壁中的蛋白质及细胞质膜中含 的脂类受热易分解溶于水，进而产生孔隙，甚至完全破坏导致胞内物质流出。 ( 3 ) 非热效应理论：污泥微生物细胞被微波辐射时所处物理环境为电磁场，微生物细 胞在电磁场中能出现电性质的强烈反应。微生物细胞内水分子作为电极性分子，在交变 磁场中出现随电磁场频率变化的电极性振荡，对电容性结构的细胞膜将被电击而破裂， 同时，细胞壁也会受到某种机械性破坏而破裂，细胞结构受到破坏，细胞的核酸和蛋白 质等渗漏体外。 1 8 3 微波破解污泥的意义 以上的分析我们可以看出，微波破解污泥有以下几方面作用：1 、缩短污泥的厌氧 消化周期；2 、提高生物产气( 甲烷) 量；3 、增加有机质降解率，处理更彻底；4 、微 波辐射改变污泥的结构及性质，提高污泥的脱水性能；5 、微波可以有效杀灭厌氧消化 过程中无法杀死的有害菌，实现污泥处理的无害化。 1 8 4 微波破解结合厌氧消化的处理污泥的研究现状 2 0 世纪9 0 年代初，国外学者开始将微波技术引入污水污泥的处理，其技术优势表 现为加热速度快，热效高，热量立体传递，设备体积小等。国内学者在证明了上述结论 的基础上，对其进行相关经济分析后指出，微波技术如果直接用于污水污泥的干燥处理， 第l 章绪论 将由于经济上原因受到限制。所以微波不能直接用于污泥干化，而应作为污泥处理中的 一部分预处理阶段应用。 余林锋【1 3 】认为微波破解污泥后，可加速污泥水解速度，缩短厌氧消化停留时间，提 高污泥厌氧消化性能及后续的生物产气量。在最优微波破解条件下进行中温厌氧消化试 验，与参比组相比，污泥经过微波预处理后进行厌氧消化可以极大提高厌氧消化反应中 有机物的降解率和生物气产量。污泥停留时间为8 天时，与参比组相比，分别饲入经微 波破解4 0 s ，1 2 0 s ，2 4 0 s ，3 0 0 s 污泥的第2 ，3 ，4 ，5 组厌氧消化反应器生物产气增加 率为：2 8 8 ，4 3 4 ，4 4 3 和4 5 1 ：微波破解后进行厌氧消化可以缩短厌氧消化的污泥停留 时间，与参比组相比，污泥经微波破解后可将厌氧消化池的污泥停留时间由一般的2 0 天缩短至8 天：经过微波破解后进行厌氧消化处理的反应器出泥大肠杆菌数明显减少， 污泥停留时间达到8 d 后，经过微波破解后进行厌氧消化处理的反应器出泥大肠杆菌数 完全符合国标g b 8 1 7 2 8 7 ( 城镇垃圾农用控制标准) 对污泥农用时的大肠菌值的要求。 c i g d e me s k i c i o g l u 2 1 】等人认为微波预处理对污泥的厌氧消化性能提高有明显作 用。生物甲烷潜力试验同事表明虽然在头7 天中微波对产气有轻度的抑制作用，但在接 下来的1 5 天中温厌氧消化中，接种驯化物消化处理污泥比对比样品多产气1 6 4 左 右，未接种驯化污泥的样品中在初期存在巨大的抑制作用，在1 7 天的厌氧消化过程中， 只比对比样品多产生4 0 9 6 的生物产气量。 b i n gt a n g 【捌等人探讨预处理过程中的能源消耗，使用多个参数：包括温度上升， 细胞破坏性的程度( s c o d t c o d ) ，沼气生产量与微波辐射处理剩余污泥能源利用效率。 结果发现，含水量是影响温度变化、促进固体溶解的最重要因素。增加特定能量( e s ) 能加快沼气生产，其最高产气量较对比样品可增加约4 0 0 。图1 9 为其实验中生物产气 累积量的情况。 微波预处理对污泥厌氧消化及脱水性能的影响 图1 9 生物产气累积图 1 8 5 微波预处理对污泥脱水性能的影响研究 田副2 3 1 将微波辐射用于s b r 反应器活性污泥预处理，发现微波辐射在短时间内破坏 污泥稳定结构，明显改善污泥脱水性。图1 1 0 为实验中污泥s v ( 污泥沉降比) 与微波 辐射时间的关系。 02 04 06 0踟l 1 2 0l 辐射时鲻8 ) 图1 1 0 生物产气累积图 由图可见，辐射功率越强，污泥沉降性明显改善所需的时间越短：微波辐射时间过 长会破坏污泥沉降性。9 0 0 ，7 2 0 ，5 4 0 w 微波辐射适宜的时间分别为5 0 ，1 1 0 ，1 3 0 s ，此时污 泥沉降速度明显加快，s v 较未经微波处理时分别减少4 8 ，3 8 ，3 0 ，说明适宜条件的微 波辐射明显改善污泥的沉降性能，从这一性能可以反映脱水性能的改善。该文章还指出： 适宜的微波辐射通过高频电磁场作用引起带负电的污泥颗粒加速运动，相互碰撞，促使 污泥结构脱稳同时污泥中含有大量极性水分子，其对微波的吸收能力远大于污泥e p s ( 胞 蚰黔加砸；l j m ) 的 第1 章绪论 外聚合物) ，短时间微波辐射引起污泥中的温度梯度