（环境工程专业论文）微波纳米磁粉协同预处理剩余污泥的实验研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt og u a n g d o n g u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g yf o r t h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g e x p e r i m e n t a ls t u d yo fp r e - - t r e a t i n ge x c e s ss l u d g eu n d e rt h e s y n e r g e t i ce f f e c to fm i c r o w a v ea n dn a n o - - s i z e dm a g n e t i c p a r t i c l e s m a s t e rc a n d i d a t e ：d o n gy u s u p e r v i s o r - p r o f t a n gb i n g m a y2 0 1 0 f a c u l t yo fe n v i r o n m e n ts c i e n c e & e n g i n e e r i n g g a u n g d o n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y g u a n g z h o u ，g u a n g d o n g ，p r c h i n a ，5 1 0 0 0 6 摘要 摘要 城市污水处理厂剩余污泥的处理处置越来越受到人们的关注，这些富含有机物的 污泥如果处置不当会形成新的污染，危害环境和人类健康。采用厌氧消化工艺对污泥 进行稳定，降解污泥有机物、杀灭病毒和微生物，同时还可以产生大量的生物气，是 一种实用、经济的污泥处理技术。在污泥厌氧消化实际运行中通常会由于剩余污泥中 微生物细胞膜及污泥絮体特殊的结构，限制了污泥水解的速率，使厌氧反应速度十分 缓慢，厌氧停留时间一般在2 0 - 3 0 d 以上，而且其有机物去除率依然很低。对剩余污 泥进行预处理，破坏其稳定性，对于促进厌氧消化有着重大意义。本课题采用微波一纳 米磁粉协同作用对剩余污泥进行预处理试验，确定了微波比能耗、微波辐射时间和纳 米磁粉投加量，并将预处理后的剩余污泥进行厌氧消化试验，分析其对厌氧产气速率、 有机物降解率的改善效果。 试验结果表明：在微波比能耗2 o w m l ，纳米磁粉投加量1 2 5 9 l ，微波辐射3 m i n 等条件下，可使污泥温度迅速升高达到沸点( 1 0 0 左右) ，污泥v s 溶解率和c o d 溶出 率分别为1 6 6 4 和1 4 5 1 ，污泥的沉降性能和离心脱水性能也得到了一定的改善。纳 米磁粉加入可以起到加速污泥吸热升温的作用，而且磁粉在微波作用下高速运动也可 以破坏和冲击污泥的絮状结构，加速微生物细胞的破裂。试验数据显示，在加入磁粉 量较大( 2 5 9 l ) 时候，污泥的c o d 溶出率随着污泥温度变化，而污泥v s 溶解率却不 完全受温度的影响。这说明在加入了纳米磁粉的情况下，促使污泥细胞破裂、有机固 体溶解的因素不只是污泥的温度，磁粉在外磁场作用下高速旋转也能促进污泥有机固 体的溶解。 预处理后污泥的厌氧消化试验结果表明：经微波一纳米磁粉预处理后的污泥厌氧性 能得到明显改善，一次投配率为5 的预处理后污泥，在l o d 内即可完全消化，而同样 投配率下的原剩余污泥需要2 0 天以上才能消化完全。预处理后污泥的单位基质产气量 也高于原剩余污泥，预处理后的剩余污泥的单位v s 产沼气量为0 7 5 l g ；而原剩余污 泥单位v s 产沼气量为0 6 1 l g 。在降解程度上，原剩余污泥完全消化的t c o d 和v s 降 解率分别为3 8 1 1 和3 6 7 2 ；预处理后剩余污泥完全消化的t c o d 和v s 降解率分别为 5 3 7 6 和4 9 6 3 。 u a b s t r a c t a b s t r a c t t h et r e a t m e n ta n dd i s p o s a lo fs w a g es l u d g ew h i c hp r o d u c e db yam u n i c i p a lw a s t e w a t e r t r e a t m e n tp l a n th a sr a i s e dal o to fc o n c e r n s i tc a u s eas e c o n d a r yp o l l u t i o ni fi t ( r i c hi n o r g a n i cm a t t e r ) h a sn o tb e e nd i s p o s e dp r o p e r l y , a n db eh a r m f u lt ot h ee n v i r o n m e n ta n d h u m a nh e a l t h i t sap r a c t i c a la n de c o n o m i c a lw a yt os t a b i l i z et h es l u d g ew i t ha na n a e r o b i c d i g e s t i o np r o c e s s t h eo r g a n i cm a t t e r so fs l u d g ec a nb ed e c o m p o s e db ya n a e r o b i cb a c t e r i a , t h ev i r u s e sa n dm i c r o o r g a n i s m sw i l lb ek i l l e da tt h es a m et i m e b e c a u s eo ft h es h i e l d i n g e f f e c to fr e s i d u a ls l u d g em i c r o b i a lc e l l st h er a t eo fa n a e r o b i cd i g e s t i o ni su s u a l l yv e r yl o w t h em i c r o b i a lc e l l sk e e pt h eo r g a n i cm a t t e r si n s i d e ，s oi tw i l ls l o wt h eh y d r o l y s i sr a t eo f s l u d g eo r g a n i c ，a n dp r o l o n gt h er e t e n t i o nt i m e ，w h i c hi sg e n e r a l l ym o r et h a n2 0 3 0d a y s ， b u ti t so r g a n i cr e m o v a lr a t ei ss t i l l l o w a d d i n gap r e t r e a t m e n ts t e pb e f o r ea n a e r o b i c d i g e s t i o nt oi m p r o v et h eb i o d e g r a d a b i l i t yo ft h es l u d g e ，i th a sas i g n i f i c a n ti m p r o v e m e n tf o r t h ea p p l i c a t i o no fs l u d g ea n a e r o b i cd i g e s t i o n i nt h i ss u b j e c t ，i tw a st e s t e dt h es y n e r g ye f f e c t w i t hn a n o - s i z e dm a g n e t i cp a r t i c l e si n t or e s i d u a ls l u d g ea n dm i c r o w a v e t h eo p e r a t i o n a l p a r a m e t e r si n c l u d i n gm i c r o w a v ep o w e r , i r r a d i a t i o nt i m ea n dd o s a g eo fn a n o - s i z e dm a g n e t i c p a r t i c l e s t h es l u d g ea t 【e rp r e t r e a t e dw a st h e np u ti n t ot h ea n a e r o b i cd i g e s t i o nr e a c t o r , f u r t h e ra n a l y z e dt h ei m p r o v e m e n to nt h eg a sp r o d u c t i o nr a t e ，d e g r a d a t i o no f o r g a n i cm a t t e r r e s u l t ss h o wt h a tt h eo p t i m u mc o n d i t i o no fs l u d g e p r e t r e a t m e n tb ym i c r o w a v e l l a n o - s i z e dm a g n e t i cp a r t i c l e ss y n e r g yw a s ：t h em i c r o w a v ep o w e r2 0 w m l ，n a n o s i z e d m a g n e t i cp a r t i c l e sd o s a g e1 2 5 9 l ，m i c r o w a v ei r r a d i a t i o nt i m e3 m i n t h et e m p e r a t u r eo f s l u d g ei n c r e a s e dq u i c k l ya n ds o o nr e a c hi t sb o i l i n gp o i n t ( a b o u t10 0 ) a tt h eb e s t p r e t r e a t m e n tc o n d i t i o n , t h ev o l a t i l es o l i d ( v s ) a n dc h e m i c a lo x y g e nd e m a n d ( c o d ) o f s l u d g ew e r ed i s s o l v e d ，t h ed i s s o l u t i o nr a t e so ft h e mw e r e16 6 4 a n d14 51 ，t h es e t t l i n g c h a r a c t e r i s t i c sa n dc e n t r i f u g a ld e w a t e r i n gp e r f o r m a n c eo fs l u d g eh a v ea l s ob e e ni m p r o v e d t o o t h es l u d g ei nt h em i c r o w a v ef i e l dc a nb eh e a tq u i c k l y , a n di tw i l la c c e l e r a t ew h e nt h e s l u d g em i x e dw i t hn a n o - s i z e dm a g n e t i cp a r t i c l e s t h ep a r t i c l es i z eo ft h i sm a g n e t i cp a r t i c l e s r a n g et e nn a n o m e t e r sb e t w e e nt w e n t yn a n o m e t e r s t h e s em a g n e t i cp a r t i c l e sm o v ei nt h e m i c r o w a v ef i e l d ，i tc o u l db r e a kd o w nt h es l u d g ef l o c c u l e n ts t r u c t u r ea n da c c e l e r a t et h e i i i 广东工业大学硕士学位论文 b r e a k d o w no fm i c r o b i a lc e l l s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec o dd i s s o l u t i o nr a t e so fs l u d g e v a r i e dw i t ht h es l u d g et e m p e r a t u r e ，i tw a sal i t t l el o w e rt h a nt h a to ft h er a ws l u d g e ( w i t h o u t n a n o s i z e dm a g n e t i cp a r t i c l e s ) a d d i n ge x c e s s i v en a n o - s i z e dm a g n e t i cp a r t i c l e si nt h es l u d g e ( d o s a g ea b o u t2 5e l ) t h o u g ht h ev sd i s s o l u t i o nr a t e so fs l u d g ed i d n tc h a n g ew i t hs l u d g e t e m p e r a t u r e i ti n d i c a t e st h a tn o to n l yt h es l u d g et e m p e r a t u r em a k e t h es l u d g em i c r o b i a lc e l l s b r e a k d o w na n do r g a n i cs o l i dd i s s o l u t i o n , t h em a g n e t i cp a r t i c l e ss t r i k i n ga n ds t i r r i n gt h e s l u d g ea l s oi m p r o v e do r g a n i cs o l i dd i s s o l u t i o n t h es l u d g ea f t e rp r e t r e a t e db ym i c r o w a v et h e np u ti n t oa n a e r o b i cr e a c t o rf o rd i g e s t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ea n a e r o b i cd i g e s t i o no fs l u d g ew a sp r o m o t e dl a r g e l ya f t e r m i c r o w a v ei r r a d i a t i o n t h er a t eo fs l u d g ep r e t r e a t e da tt h eb e s tc o n d i t i o nf l o w e di nt h e a n a e r o b i cr e a c t o rw a s5 ，i tw a sd i g e s t e dc o m p l e t e l yw i t h i n10d a y s ，b u tc o m p l e t e l yd i g e s t t h es a m ea m o u n to fr a ws l u d g eu s u a l l yn e e d sm o r et h a n2 0d a y s t h eb i o g a sy i e l dp e r o r g a n i cm a t t e rr e m o v a lo fp r e t r e a t e ds l u d g ew a sa l s oh i g h e rt h a nr a ws l u d g e s t h eb i o g a s y i e l dp e rv o l a t i l es o l i d ( v s ) r e m o v a lw a s0 7 5 l gf o rp r e t r e a t e ds l u d g e ，a n di tw a s 0 61l g f o rr a ws l u d g e i nt h ed e g r a d a t i o ne x t e n t ，t h ed e g r a d a t i o nr a t eo ft o t a lc h e m i c a lo x y g e n d e m a n d ( t c o d ) a n dv sw e r e3 8 11 a n d3 6 7 2 f o rr a ws l u d g e ，b u tt h e yw e r e5 3 7 6 a n d4 9 6 3 f o rt h ep r e t r e a t e ds l u d g e k e yw o r d s ：m i c r o w a v e ，n a n o - p o w d e r , r e s i d u a ls l u d g e ，p r e t r e a t m e n t ，s y n e r g y , a n a e r o b i c d i g e s t i o n i v 目录 目录 摘要l a b s t r a c t ii i 目录v c o n t e n t v ii i 第一章绪论1 1 1 当前城市污水处理厂污泥的现状及其发展趋势l 1 1 1 国内城市污泥的现状1 1 1 2 欧美等主要发达国家的污泥处理现状及其趋势1 1 1 3 城市污泥处理处置技术发展趋势3 1 2 污泥预处理技术的研究现状3 1 2 1 物理法3 1 2 2 化学法7 1 2 3 生物酶技术9 1 3 污泥预处理技术总结。9 1 4 微波技术在污泥处理领域的应用现状及其前景1 0 1 4 1 微波预处理技术l0 1 4 2 微波热解处置技术一1 1 1 4 3 微波与其他技术联合应用1 2 1 4 4 微波技术应用的前景13 1 5 本课题的研究目的和内容1 4 1 6 本课题的创新之处1 4 第二章实验部分1 6 2 1 污泥的来源及性质1 6 2 2 试验主要装置及仪器试剂1 6 2 2 1 仪器16 2 2 2 试剂17 2 3 试验方法17 v 2 5 1 污泥t c o d 和s c o d 的测定2 l 2 5 2 污泥含水率，t s ，v s ，m l s s 的测定一2 l 2 5 3 污泥挥发性脂肪酸( 认) 的测定2 2 2 5 4 污泥p h 和温度的测定2 2 2 5 5 污泥沉降性能的测定2 3 2 5 6 污泥离心脱水性能的测定2 3 2 5 7 污泥生物相的观察及产气的测定2 3 第三章微波一纳米磁粉协同作用预处理污泥试验结果与分析2 4 3 1 磁粉对剩余污泥微波预处理的影响2 4 3 1 1 磁粉对剩余污泥微波预处理温度的影响2 4 3 1 2 磁粉对污泥有机固体的溶解的影响2 6 3 1 3 磁粉对污泥c o d 的溶解的影响2 8 3 1 4 磁粉对污泥减量化的作用3 0 3 2 微波纳米磁粉预处理条件的选择3 2 3 2 1 微波辐射时间的选择3 3 3 2 2 微波比能耗3 4 3 2 3 磁粉投加量3 6 3 3 剩余污泥浓缩前后预处理效果对比分析3 8 3 3 1 剩余污泥浓缩前后污泥物理、生化指标的对比3 8 3 3 2 浓缩前后两种污泥的预处理效果的比较3 9 3 3 3 结论4 4 3 4 能耗分析4 5 3 5 小结4 6 第四章预处理后剩余污泥厌氧消化试验结果与分析4 7 v i 目录 4 1 微波纳米磁粉预处理前后污泥性质的对比4 7 4 2 实验室厌氧条件的确定4 8 4 2 1 反应温度和污泥搅拌频率的确定4 8 4 2 2 污泥投配率的确定4 8 4 2 3 污泥停留时间的确定。5 2 4 3 微波纳米磁粉预处理污泥对污泥厌氧性能的影响5 2 4 3 1 对产气量的影响。5 3 4 3 2 对v s 降解的影响5 5 4 3 3 对c o d 降解的影响5 6 4 3 4 对p h 和v f a 的影响。5 7 4 - 3 5 对出泥s c o d 的影响5 9 4 4 能效分析5 9 4 5 小结6 0 结论6 2 参考文献6 4 攻读硕士学位期间发表论文6 9 独创性声明7 0 致谢7 1 v i i 广东工业大学硕士学位论文 c o n t e n t a b s t r a c t ( c hin e s e ) i a b s t r a c t ( e n g iis h ) i ii c o n t e n t ( c hin e s e ) v c o n t e n t ( e n g i is h ) v lii c h a p t e ro n ein t r o d u c t1 0 n 1 1 1t h ec u r r e n ts i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n tt e n d e n c yo f s e w a g es l u d g e 1 1 1 1t h ec u r r e n ts i t u a t i o no fs e w a g es l u d g ed o m e s t i c 1 1 1 2t h ec u r r e n ts i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n tt e n d e n c yo fs e w a g es l u d g e t r e a t m e n ti ne u r o p ea n do t h e rd e v e l o p e dc o u n t r i e s 1 1 1 3t h ed e v e l o p m e n tt e n d e n c yo fs e w a g es l u d g ep r e t r e a t m e n tt e c h n o l o g y3 1 2t h es i t u a t i o no f s t u d ya ts e w a g es l u d g ep r e t r e a t m e n t 3 1 2 1p h y s i c a lm e t h o d 3 1 2 2c h e m i c a lm e t h o d 7 1 2 3b i o l o g i c a le n z y m et e c h n o l o g y 9 1 3s u m m a r yo f s l u d g ep r e t r e a t m e n tt e c h n o l o g y 9 1 4t h ea p p l i c a t i o ns r u a t i o na n dp r o s p e c to fs l u d g et r e a t m e n tb ym i c r o w a v e 10 1 4 1m i c r o w a v ep r e t r e a t m e n tt e c h n o l o g y 1 0 1 4 2m i c r o w a v ep y r o l y s i st e c h n o l o g y 11 1 4 3j o i n ta p p l i c a t i o no f m i c r o w a v ea n do t h e rt e c h n o l o g y 1 2 1 4 4t h ep r o s p e c to f m i c r o w a v et e c h n o l o g ya p p l i c a t i o n 1 3 1 5t h ei n t e n t i o na n dm a i nt a s ko f t h i ss u b j e c t 1 4 1 6t h ei n n o v a t i o ni nt h i ss u b j e c t 1 4 c h a p t e rt w oe x p e rim e n t a ls e c t10 n 16 2 1t h ec h a r a c t e ra n ds o u r c eo f s l u d g e 1 6 2 2t h ee q u i p m e n t s a p p a r a t u sa n dr e a g e n t so f t h ee x p e r i m e n t 16 2 2 1a p p a r a t u s 1 6 2 2 2r e a g e n t s 1 7 v i t i c o n t e n t 2 3m e t h o do f t h ee x p e r i m e n t 1 7 2 3 1t h ed e f i n i t i o no f s o m ep a r a m e t e ro f t h i se x p e r i m e n t 1 7 2 3 2t h es l u d g e p r e t r e a t m e n tm e t h o d 一18 2 3 3a n a e r o b i cr e a c t i o nt e s tm e t h o d 1 9 2 4d a t ap r o c e s s i n g 2 0 2 5t e s t i n gi t e m 2 1 2 5 1a s s a yt c o da n ds c o do f s l u d g e 2 1 2 5 2a s s a yw a t e rc o n t e n t ，t s ，v s ，m l s so f s l u d g e ”2 1 2 5 3a s s a yv o l a t i l ef a t t ya c i do f s l u d g e 2 2 2 5 4a s s a yp ha n dt e m p e r a t u r eo f s l u d g e ”2 2 2 5 5a s s a ys e d i m e n t a t i o np e r f o r m a n c eo f s l u d g e 2 3 2 5 6a s s a yd e w a t e r i n gp e r f o r m a n c eo f s l u d g e 2 3 2 5 7o b s e r v eb i o f a c i e so f s l u d g ea n dm e a s u r e m e n to f g a sy i e l d 2 3 c h a p t e rt h r e er e s u l t sa n da n a l y s iso fs l u d g ep r e t r e a t m e n tt e s t 2 4 3 1t h ei m p a c to f n a n o - - s i z em a g n e t i cp a r t i c l ei ns l u d g ep r e t r e a t m e n t 2 4 3 1 1t h ec h a n g eo f s l u d g et e m p e r a t u r ea f t e rp r e t r e a t m e n t 2 4 3 1 2p r o m o t eo r g a n i cm a t t e ro f s l u d g ed i s s o l u t i o n 2 6 3 1 3p r o m o t ec o do f s l u d g ed i s s o l u t i o n 2 8 3 1 4r e d u c t i o ne f f e c t 3 0 3 2t h ec h o o s eo fm i c r o w a v ea n dn a n o s i z em a g n e t i cp a 毗l ep r e t r e a t m e n t c o n d i t i o n 3 2 3 2 1m i c r o w a v ei r r a d i a t i o nt i m e 3 3 3 2 2s p e c i f i ce n e r g yc o n s u m p t i o no f m i c r o w a v e 3 4 3 2 3d o s a g eo f n a n o s i z em a g n e t i cp a r t i c l e 3 6 3 3t h ec o n t r a s to fs l u d g ep r e t r e a t m e n te f f e c tb e f o r ea n da l t e rc o n c e n t r a t i o n 3 8 3 3 1t h ec o n t r a s ti np h y s i c sa n db i o c h e m i s t r yi n d e xo ft w ok i n do fs l u d g e38 3 3 2t h ec o m p a r eo f t w ok i n do f s l u d g ep r e t r e a t m e n te f f e c t 3 9 3 3 3c o n c l u s i o n 4 4 3 4e n e r g yc o n s u m p t i o na n a l y s i s 4 5 广东工业大学硕士学位论文 ：；5c o n e l u s i o n 4 6 c h a p t e rf o u rr e s u l t sa n da n a l y s i s0 fa n a e r o b i cd i g e s t l o nt e s t 4 7 4 1t h ec o n t r a s to f p r e - a n dp o s t t r e a t m e n tp e r f o r m a n c es l u d g e 4 7 4 2t h ec h o o s eo f a n a e r o b i cr e a c t i o nc o n d i t i o n 4 8 4 2 1t i l ec h o o s eo f r e a c t i o nt e m p e r a t u r ea n ds l u d g es t i rf r e q u e n c y 4 8 4 2 2t l l ec h o o s eo f s l u d g ef l o w e dr a t e 4 8 4 2 31 1 1 ec h o o s eo fs l u d g er e t e n t i o nt i m e 5 2 4 3t h ei m p a c to f p r e t r e a t m e n to ns l u d g ea n a e r o b i cp e r f o r m a n c e 5 2 4 3 1t h ei m p a c to nb i o g a sy e i l d 5 3 4 3 2t h e i m p a c to nv so f s l u d g ed e g r a d a t i o nr a t e 5 5 4 3 3t h ei m p a c to nc o d o f s h d g ed e g r a d a t i o nr a t e 5 6 4 3 4t h e i m p a c to np ha n dv f ao f s l u d g e 5 7 4 3 5t h ei m p a c to ns c o do f t h ee f f u s i o ns l u d g e 5 9 4 4e n e r g ye f f i c i e n c ya n a l y s i s 5 9 4 5c o n c l u s i o n 6 0 c o n c l u s10 n 6 2 r e f e r e n c e s 6 4 p u b l ic a t io n s 6 9 a n n o u n c e m e n to ft h eo r i g ln a lc r e m l0 n 7 0 a c k n o w l e d g m e n t s 7 1 x 第一章绪论 第一章绪论 1 1 当前城市污水处理厂污泥的现状及其发展趋势 1 1 1 国内城市污泥的现状 随着城市化进程迅速发展，人口高度密集，生活污水产生量同趋增大，使得水资 源面临着越来越大的压力。近年来城市污水处理厂在各个城市逐步的建立，其采用的 处理工艺主要是活性污泥法，会同步产生的大量剩余污泥，其中通常含有相当量的有 毒有害物质及未稳定化的有机物，如不进行妥善的处理，将会对环境造成直接或潜在 的污染。 有研究表明，我国每年的干污泥产量约有1 2 9 万吨。而如果我国城市污水全部处 理，每年的干污泥产量将超过8 4 0 2 吨。在我国普遍存在污泥处理处置的投入不足的问 题，污泥处理费用才占污水处理厂总投资的2 0 5 0 ，而发达国家的投入比例为5 0 - - 7 0 ，需要进一步提高我国污泥处理处置的资金投入和技术水平。 1 1 2 欧美等主要发达国家的污泥处理现状及其趋势 西方发达国家由于工业化进程早，经济实力雄厚，所以污水处理技术先进，处理 程度较高，然而，从1 8 7 5 年英国伦敦建立世界上第一个污水处理厂以来，污泥处理问 题便成为市政管理的重要问题之一。随着城市人口的增长，市政服务设施的不断完善， 污水处理技术的不断提高，欧、美等发达国家的污泥产量每年大约以5 一1 0 的速度 增长。为避免污水处理厂污泥对环境的二次污染，各国政府及研究机构对污泥的最终 处置问题十分重视并根据各国的国情制定出污泥处置的法规和具体方案。表1 - 1 是世界 各国污泥产生量和最终处置情况心1 。 广东工业大学硕士学位论文 表1 - 1 世界各国污泥产生量和最终处置情况 ( t a b 1 - 1t h ep r o d u c ea n dd i s p o s i t i o no fs l u d g ea l lo ft h ew o r d ) 由表1 - 1 可以看出：大部分欧洲国家的污泥以填埋为主；美国和英国的污泥以农用 为主；日本的污泥则以焚烧为主；总之，污泥农用和陆地填埋是大多数国家污泥处置 的两种最主要方法，农用和陆地填埋方案的选择很大程度上取决于各国政府有关的法 律法规和污染控制状况；同时也与国家的大小和农业发展情况有关。近年来，随着污 泥农用标准( 如合成有机物和重金属含量) 同益严格的趋势，许多国家，如德国、意大 利、丹麦等污泥农用的比例不断降