（环境工程专业论文）剩余污泥超声破解对厌氧消化反应的促进作用研究.pdf

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。在各种预处理条件下，超声波是一种有效的方法。本试验研究了污泥 超声波预处理后，对厌氧消化反应的促进作用。 试验中控制超声波声能密度分别为2 w m l 和1 3 6 w m l ，超声破解时间分别 为5 m i n 、1 0 r a i n 和1 5 m i n ，并通过改变污泥投配率控制消化时间。研究超声声能 密度、超声作用时间，对污泥厌氧消化过程中产气量、有机物去除率和消化速率 的影响。 试验结果表明，在两种声能密度下，污泥超声破解后进行厌氧消化，生物气 产量随破解时间和投配率的增加而增加。与控制组相比，污泥超声破解可以提高 有机物的去除率，并且随投配率的增加有机物去除率不降低反而会有所上升。当 投配率为1 2 5 时，在2 w m l 声能密度，各个破解时间下，t c o d 和v s 的去 除率分别介于3 8 3 4 2 4 7 ，3 1 1 4 3 4 1 3 ；在1 3 6 w m l 声能密度，各 个破解时问下，t c o d 和v s 去除率分别介于3 1 1 5 3 8 3 7 ，3 8 5 4 0 1 4 。污泥超声破解可以减少污泥量( 以v s s 表示) 。在2 w m l 声能密度下，投 配率为1 2 5 时，各个破解时间下v s s 的去除率介于3 4 1 3 3 8 6 6 。在 1 3 6 w m l 声能密度下，污泥破解5 m i n ，投配率为1 2 5 时，v s s 的平均去除率 为3 5 4 6 。通过两个声能密度对厌氧消化促进作用的综合分析比较，当破解时 间和投配率相同时，在2 w m l 声能密度下，厌氧消化的甲烷比产率和v s s 去除 率高于1 3 6 w m l 声能密度下厌氧消化的甲烷比产率和v s s 去除率。在 1 3 6 w m l 声能密度下，厌氧消化中v s 去除率稍高于2 w m l 声能密度下v s 去 除率。但是，在1 3 6 w m l 声能密度下，处理单位污泥的产气量却低于2 w m l 声能密度下处理单位污泥的产气量。 关键词：剩余污泥超声破解厌氧消化生物气投配率 a b s t r a c t a n a e r o b i cd i g e s t i o ni st h em o s tc o m m o n l ya p p l i e dt e c h n i q u ef o rs t a b i l i z a t i o no f w 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 ei 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 et i m ea n dl a r g ef e r m e n t e rv o l u m e i fs o m em e t h o d sa r ea p p l i e da sp 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 d d i s r u p tb a c t e r i a lc e l l s w 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 e t i m ec a nb es h o r t e n e d f e r m e n t e rv o l u m eb er 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 u l t r a s o n i cd i s i n t e g r a t i o ni sa ne f f e c t i v em e t h o di nv a r i o u s p r e t r e a t m e n t a lt e c h n i q u e s t h ea i mo ft h i se x p e r i m e n ti st os t u d yt h eu p g r a d i n go f a n a e r o b i cd i g e s t i o no f u l t r a s o n i cp r e t r e a t m e n t t h eu l t r a s o n i cd e n s i t i e si nt h ee x p e r i m e n ta r e2 w m la n d1 3 6 w m l r e s p e c t i v e l y ，a n dt h ed i s i n t e g r a t i o nt i m e sa l e5 r a i n ，1 0 m i na n d1 5 m i n ，r e s p e c t i v e l y t h ed i g e s t i o nt i m ei sc o n t r o l l e db yt h ed i l u t i o nr a t e t h ee f f e c t so ft h eu l t r a s o n i c d e n s i t ya n dd i s i n t e g r a t i o nt i m eo nt h eb i o g a sp r o d u c t i o na n d t h er e m o v a le f f i c i e n c yo f o r g a n i cm a t t e r sa r es t u d i e d i th a sb e e nf o u n dt h a tt h eb i o g a sp r o d u c t i o ni si n c r e a s e dw i t l lt h ea r g u m e n to f d i s i n t e g r a t i o nt i m ea n dt h ed i l u t i o nr a t ei nt h ea n a e r o b i cd i g e s t i o na f t e ru l t r a s o n i c p r e t r e a t m e n ta tt w ou l t r a s o n i cd e n s i t i e s c o m p a r e dt ot h ef e r m e n t e ro p e r a t e dw i t ht h e n o n p r e t r e a t e ds l u d g e ，t h er e m o v a le f f i c i e n c yo fo r g a n i cm a t t e r sc a n b ei m p r o v e da n d n o tb ed e c r e a s e dw i t l lt h ei n e r e a s e m e n to ft h ed i l u t i o nr a t ei nt h ea n a e r o b i cd i g e s t i o n o fd i s i n t e g r a t e ds l u d g e w h e nt h ed i l u t i o nr a t ei s12 5 ，a t2 w m l ，t h er e m o v a l e f f i c i e n c i e so ft c o da n dv sa td i s i n t e g r a t i o nt i m e5 m i n 1 0 m i na n d1 5 m i na r e3 8 3 4 2 4 7 ，3 i 1 4 3 4 1 3 ，r e s p e c t i v e l y ；a t1 3 6 w m l ，t h et c o da n dv s r e m o v a l sa td i s i n t e g r a t i o nt i m e5 m i n 1 0 m i na n d1 5 m i na r e3 1 1 5 - - 3 8 3 7 ，3 8 5 - - 4 0 1 4 r e s p e c t i v e l y t h es l u d g em a s se x p r e s s e di nv s s c a nb er e d u c e di nt h e a n a e r o b i cd i g e s t i o no fp r e t r e a t e ds l u d g e a t2 w m l ，w h e nt h ed i l u t i o nr a t ei s12 5 t h er e m o v a le f f i c i e n c yo fv s sa td i s i n t e g r a t i o nt i m e5 m i n 1 0 m i na n d15 m i ni s 3 4 1 3 3 8 6 6 a t1 3 6 w m l w h e nt h ed i l u t i o nr a t ei s1 2 5 a n dt h e d s i n t e g r a t i o nt i m ei s5 m i n ，t h ea v e r a g er e m o v a le f f i c i e n c yo f v s si s3 5 4 6 f i n a l l y ， a f t e rac o m p r e h e n s i v ea n a l y s i sb a s e do nt h eu p g r a d i n go fa n a e r o b i cd i g e s t i o no f d i s i n t e g r a t e ds l u d g e ，t h es p e c i f i cm e t h a n ep r o d u c t i o na n dt h er e m o v a le f f i c i e n c yo f v s sa t2 w m la r eh i g h e rt h a nt h a ta t1 3 6 w m l t h er e m o v a le f f i c i e n c yo fv sa t 1 3 6 w m li sh i g h e rt h a nt h a ta t2 w m l ，b u tt h eb i o g a sp r o d u c t i o np r o d u c e dp e ru n i t v o l u m eo f d e g r a d e d e s l u d g ea t1 3 6 w m li sl o w e r t h a nt h a ta t2 w m l k e yw o r d s ：w a s t ea c t i v a t e ds l u d g e ，a n a e r o b i cd i g e s t i o n ，u l t r a s o n i c d i s i n t e g r a t i o n ，b i o g a s ，d i l u t i o nr a t e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘壅盘茎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 锄) 毒 签字日期：y 吵年j 月停日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘生盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 扬名 导师签名 签字日期：y 吐年j 月，4 日签字日期：心j 一本月 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 污泥的性质及污泥的处理与处置方法 1 1 1 污泥的产生 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 6 1 0 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 ；2 0 2 0 年污水排放量将达到5 3 6 1 0 8 m 3 d t ”。 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、胶 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 t 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，必然导致 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 亿吨，其中工业 废水排放量为1 9 4 亿吨，处理率为9 4 7 ，城市生活污水排放量为2 2 1 亿吨，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 1 0 年污泥产量将是现在的5 倍【2 j o 欧盟2 0 0 8 年的污泥产量将是2 0 0 1 年的两倍【3 】o 在美国，污泥投放海洋己被禁止，污泥的土地利用也受到越来越严格的b t 群l j t 4 1 。 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 1 5 1 。 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。 1 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自身的特点1 6 】： ( 】) 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，导 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 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 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耗 量偏低，导致我国生活污水污泥的挥发性悬浮物( v o l a t i l es u s p e n d e ds o l i d 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 机物主要是碳水化合物，参见表l - 1 表1 i国内外城市污水污泥中有机物含量的对比7 1 ( 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 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p h 值在6 7 之内，总碱度介于1 6 2 6 m g l ，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【8 】。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。 1 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【9 j 。 可用于城市污水污泥的处理技术单元包括：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 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 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耗 量偏低，导致我国生活污水污泥的挥发性悬浮物( v o l a t i l es u s p e n d e ds o l i d s ) 含 量低，而碳水化台物( 如淀粉、糖类和纤维素) 的含量较高。这使得污泥中的有 机物主要是碳水化合物，参见表l 一1 r 3 1 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 市污水污泥中的氨含量在3 左右，这使得我国城市污水污泥的c 烈值约为( 1 0 2 0 ) ：l 。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 口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p h 值在6 7 之内，总碱度介于1 6 2 6 m g , l ，对厌氧消化的彰响不大。 f 5 1 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1 8 】。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。 1 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h j 。 可用于城市污水污泥的处理技术单元包括：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 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 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 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。可以使用 化学稳定技术，但是她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；因好氧消化不加热，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刺。人们普遍认为当污泥p h 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，污泥中的病原菌也 会被杀死。 1 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。 1 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，即通过 产甲烷菌的作用，生成甲烷。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 - 2 2 厌氧消化工艺的优越性 f 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； 1 3 污泥预处理技术 1 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 1 0 l ；污泥在池内的停留时问过长，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。 最近有研究表明【1 l 】：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解反应【1 2 】。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。 1 3 2 污泥预处理技术研究现状 1 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1 3 1 。m b a r j e n b r u c h 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。通过显微镜观察污泥结构发现，污泥经酶预处理后，与 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 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，短时间的作用不明显。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 3 2 2 化学方法 1 3 2 2 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 【l5 j 等人研究表明，加碱预处理可以将军需品中 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 6 0 的物质溶出【1 6 1 。j i h g a wl i n 等人1 1 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l 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 r n e q ln a o 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 o h 预处理的含1 t s 的废弃活 性污泥。d 组饲入的污泥为将含1 t s 的重力沉降，使固体部分浓缩至原总体积 半时，倒掉上清液，然后将此浓缩污泥( 约2 t s ) 经2 0 m e q 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1 0 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 、d 组产气量较a 组增加了3 3 、3 0 和1 6 3 。b 、c 、d 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i l ”。 1 3 2 2 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、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【19 j 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 阶段可以提高后续的厌氧消化效率。当1 9 c o d 投加o 1 9 0 3 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足没有选择性的，它可能与其他还原性物质反应，从而 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 降低对污泥的氧化率。有研究发现【20 】污泥对臭氧的消耗在最初非常地高，达到了 3 0 m 9 0 3 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。 1 3 2 2 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 a b y 等 人研究表明，当投加量为1 3 3 m g c l 2 g m l s s d 时，与控制组比较，污泥量减 少约6 5 。从运行费用来看，氯氧化优于臭氧氧化，但是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。 1 3 2 2 4 湿式氧化法 1 9 5 8 年，h u r w i t z 等 2 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 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j k 1 2 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 l r eh 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i 2 4 1 。 t e l e h k e 等1 25 j 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 。c 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。 1 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 3 2 3 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 a u g 等人 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 7 - 2 9 1 研究了污泥热处理对厌氧消化的影响。结果表明在1 7 5 c 下加热3 0 m i n 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 等人口o j 认为加热温度 小于1 7 0 c 的产气率要比1 7 0 1 8 0 。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 a o k a 等人【3 l j 发现当加热温度低于1 0 0 甚至在6 0 8 0 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 下，n a o h 投加量为0 3 9 n a o h gv s s 时，处理5 r a i nv 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 3 2 】。 1 3 2 3 2 机械方法 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，经过一直径很小的喷嘴( 巾 1 2 r a 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1 3 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 。 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p 4 】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1 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 的降解增加了1 2 1 5 倍，产气量 也提高了1 2 1 5 倍。 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 p 5 j 就利用超声波产生的微小气泡来计算细菌的数量l3 6 1 。b r o w n 和l e s t e r 3 7 】 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1 3 8 l 。而利用 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 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3 9 1 。国外，德国在这方面走在世界各国 前面。 1 3 3 小结 污泥破解技术对于我国中小型污水处理厂( o 3 w c m 3 ) 和较长的时间( 1 0 r a i n ) 。高强度的超声波能迅速破坏微生物细胞壁， 使细胞内有机物释放出来【5 ”。 1 5 研究目的及主要内容 从上面的分析可以看出，国外在超声波处理污泥方面已有了一定的研究，特 别是德国已走在了世界的前面，根据有关报道，德国利用超声波进行污泥减量已 进入实际应用阶段【训。而国内在这方面的研究主要集中在超声破解对污泥特性和 脱水性能的影响，对超声破解后污泥厌氧消化的研究几乎是空白。国内现有的大 中型污水处理厂中大多建有污泥消化池，但很少能正常运行，并且厌氧消化的效 率很低，很多消化池处于停用状态。但是，随着污泥排放标准的臼益提高，厌氧 消化越来越受到重视。因此研究以超声波作为污泥预处理技术与厌氧消化工艺相 结合是非常有意义的。 本试验是教育部天南大合作项目“废水与微污染水处理创新技术研究”课题 中的部分内容。主要研究内容如下： 1 超声声能密度及破解时间对污泥特性的影响： 2 污泥超声破解时间对厌氧消化生物气产量的影响； 天津大学硕士学位论文第一章绪论 3 污泥超声破解对厌氧消化中有机物去除率的影响； 4 超声破解时间和污泥投配率对污泥量的影响； 5 污泥超声破解对厌氧消化时间的影响： 6 比较分析不同声能密度对厌氧消化的促进作用。 由本课题组前一阶段试验可知， 在声能密度为1 4 4 w m l 时，破解含固率 为1 污泥3 0 r a i n 后，s c o d 的溶出率达到6 8 3 6 。本试验欲在减少破解时间 的条件下，提高厌氧消化反应的速率。为了达到相同的预处理效果，参照前一阶 段试验结果，确定了一个相对较高的声能密度2 w m l 。同时，为了研究污泥在 相同破解时间下，较低声能密度的超声破解对厌氧消化反应的影响，就选定了一 个相对较低的声能密度1 3 6 w m l 。 天津大学硕士学位论文 第二章试验装置与试验方法 2 1 污泥来源 第二章试验装置与试验方法 破解试验所采用的污泥取自天津市纪庄子污水处理厂二沉池回流污泥。污泥 取来后保存在4 。c 冰箱中。在使用前通过重力浓缩调节污泥含固率为3 。污泥 成分见表2 1 表2 1试验用剩余污泥性质 项 p h t sv s 碳水化合脂肪蛋白质 目 ( r a g 几) ( m g m ) 物( ) ( ) ( ) 数6 7 8 7 0 33 0 4 8 5 3 9 7 3 01 3 0 5 0 1 9 9 1 43 4 3 6 l - 30 9 - 9 43 7 8 5 6 4 值 消化试验的接种厌氧污泥取自天津市东郊污水处理厂厌氧消化池。碱度( 以 c a c 0 3 计) 为2 5 0 3 2 m e e t , ，t s 为3 9 8 4 8 m g l ，v s 为2 0 1 2 2 m g l 。 2 2 试验装置 2 2 1 超声波预处理装置 本试验采用探头式超声发生器，由宁波新芝科器研究所研制生产。该装置主 要由超声波换能器、超声探头及反应容器组成。超声发生频率为2 0 k h z ，电功 率为1 6 0 1 3 6 0 w ( 可调) ，钛合金探头直径为2 0 0 m r n 。超声辐照方式为脉冲式， 常压操作。 反应容器分别为5 0 0 和1 0 0 0 m l 的玻璃烧杯，容器上方敞开，使被处理污泥 中溶解的空气( 即空化气体) 与外部空气达到动态平衡。探头由上至下垂直伸入 污泥，伸入位置为污泥液面以下lc m ，已有研究表明探头伸入溶液不易过深，否 则不利于反应进行【5 3 】。 天津大学硕士学位论文第二章试验装置与试验方法 2 2 2 厌氧消化试验装置 厌氧消化试验装置示意图如图2 1 所示。消化反应器的容积为1 l ，污泥容 积8 0 0 m l ，反应器置于水浴槽中。通过加热杆来控制反应器内温度为3 5 2 。 采用磁力搅拌器对污泥连续搅拌。由于日处理污泥量较少，因而每天在固定时间 一次性进泥，进泥之前先用注射器取出相同体积的消化污泥。生物气产量采用排 水集气法计量，中间集气瓶中的水用盐酸调节至p h 碳水化合物 蛋白质的顺序由大到小。 一般脂肪增多，生物气发生量增加，生物气的发热量也提高。由表3 2 可见， 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耗量偏 低，导致了我国生活污水污泥的挥发性悬浮物含量低，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物主要是碳水化合物。 污泥厌氧消化的生物气发生量与污泥中有机物含量直接相关，所以仅单纯的 日产气量还不足以说明超声破解对厌氧消化产气情况的影响。需要考察降解单位 基质( 以v s 计) 的产气量。本文将去除单位基质( v s ) 的产气量简称为产气率。 天津大学硕十学位论文 第三章2 w m l 声能密度下超声破解厌氧消化试验 贫 皇 一 抖 f 牝 + 5 投配率一8 投配率+ 1 0 投配率* 1 2 5 投配率 破解时间( t h i n ) 图3 1 1不同投配率下产气率与破解时间的关系图 图3 1 l 表示在不同的投配率下，产气率与破解时间的变化关系。由图可知， 污泥未经任何处理直接进行厌氧消化，增大污泥投配率，厌氧消化的产气率显著 下降，分析原因是增大污泥投配率，反应器中的有机物大量累积，水解产物未能 及时被产甲烷菌利用。控制组在5 、8 、1 0 和1 2 5 投配率下，挥发性脂 肪酸( v f a ) 的含量( 以乙酸计) 分别为4 9 3 7 3 m g l 、5 3 6 0 3 m g l 、5 8 4 2 3 m g l 、 6 4 1 8 3 m g l 。从厌氧消化反应器出泥的v f a 数值可见，污泥未经任何处理直接 进行厌氧消化，增大污泥投配率，反应器中有机酸造成了一定的积累，影响了厌 氧反应的产气率。与控制组相反，污泥超声破解后进行厌氧消化，增大污泥投配 率，没有影响到厌氧消化的产气率。污泥超声破解后，在8 投配率下进行厌氧 消化，各个破解时间下厌氧消化的产气率远远低于污泥破解后在其他投配率下厌 氧消化的产气率。分析原因：第一、在8 投配率的运行阶段由于污水处理厂运 行工艺的调整，污泥v s t s 值很低，大多在4 0 左右，有时甚至低于4 0 ，如 图3 一1 2 所示，这大大影响了厌氧消化中去除单位有机物的产气量。第二，污泥 超声破解后，在8 投配率下进行厌氧消化反应，各个破解时间下v s 去除率均 大于其他投配率下v s 去除率，但产气率却低于其他投配率下的产气率，这可能 是厌氧消化系统中，生化发酵过程发生了改变。t i e t h m 等人 4 7 , 4 8 1 在研究污泥超声 破解后的厌氧消化过程中也发现了这种现象，但具体的原因还有待进一步的研 究。除8 投配率外，破解时间一定时，去除单位v s 的产气量随着投配率的增 加而增加。分析原因：污泥超声破解可以改变微生物活性。一定强度的超声波可 以促进酶活性，加快微生物生长，提高其对有机物的分解吸收能力1 5 ”。超声波产 生的微冲击流改进了细胞内外的传质作用，从而加快有机质进入细胞和代谢产物 排出细胞的进程垆”。超声波加快膜传递的现象也被其他研究所证实【5 9 1 。可溶性 天津大学硕士学位论文 第二章2 w m l 声能密度下超声破解厌氧消化试验 有机物的增加和细胞活性的增加共同作用，极大地加快了厌氧发酵速率，而且促 进效应在超声波停止后数小时内依然存在。污泥超声破解后，在各工况条件下， 厌氧消化反应器中有机物没有造成累积，出泥中v f a 的含量均在正常的范围内。 十5 投配率8 投配率】o 投配率1 2 5 投配宰 7 0 6 0 5 0 孽4 0 蟹 3 0 2 0 1 0 o 0 1 0 2 0 3 04 05 0 运行时间( d ) 图3 1 2 在整个运行阶段各反应器进泥的v s i s 值 6 0 3 2 1 3 超声破解预处理对生物