污泥超声破解效应及厌氧消化性能研究

1、污泥超声破解效应及厌氧消化性能研究薛向东1, 2，金奇庭1，朱文芳21. 西安建筑科技大学环境与市政工程学院，陕西 西安 710055；2. 浙江科技学院环境工程研究所，浙江 杭州 310012摘要：针对超声破解污泥的可行性进行了实验研究，重点考察了超声频率、比能耗、作用时间等因素对破解效应的影响，探讨了破解污泥的厌氧消化性能。结果表明，超声作用的施加可使污泥固体有效破解，污泥细胞内的活性有机物被释放至水相并形成溶解性有机物，表现为SCODCr的显著增加；采用低频、高比能耗及延长作用时间有利于获取高的SCODCr增加值；污泥在频率25 kHz、比能耗2.0 W/mL、作用时间30 min条件下

2、破解，其厌氧消化累计产气量可从破解前的268 mL提高到473 mL，相应TCODCr去除率、VS去除率分别从39.1%、33.5%提高至54.3%、61.7%。研究结果表明采用超声破解技术提高污泥的厌氧消化性是可行的。关键词：污泥；超声破解；溶解性有机物；厌氧消化中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2006）01-0050-04采用厌氧消化实现剩余污泥的减容稳定化，具有能耗低、污泥稳定性好、产生沼气及杀灭病菌等优点12，该技术现广泛应用于城市污水厂的污泥处置。由于污泥固体的生物降解性能低3，完全的厌氧消化需相当长的时间，即使2030 d的停留时间（SRT）仅可

3、去除部分挥发性污泥固体（VS）45。有效改善污泥固体的生物降解性、提高污泥的厌氧消化速率及程度是当前该技术面临的主要问题。已有研究表明67，污泥厌氧消化经历水解发酵、产氢产乙酸及产甲烷3个阶段，由于污泥絮体及细胞屏蔽作用的存在，胞内活性有机物难以在胞外水解酶的作用下有效释放并生成小分子，从而限制了污泥厌氧消化的速率及程度。因此，实现污泥细胞的分解及胞内有机物的释放是改善污泥厌氧消化性能、提高处理效率的关键。近年来，国内外学者针对有效的污泥破解方法展开了广泛深入地研究，涉及热水解4、臭氧氧化89、氯氧化10、碱水解11等多种途径。本文采用超声破解技术研究了污泥固体的分解性能，探讨了超声破解对污泥

4、厌氧消化性能的影响，并在实验基础上进行了相关分析。1 实验方法1.1 实验装置破解装置：KQ-100A系列超声波发生器，频率25/40/80 kHz，有效容积3 L，功率100 W（昆山超声波仪器厂）。厌氧消化装置：由500 mL锥形瓶（厌氧消化瓶）和导气管组成，采用排水量气法测定产气量，见图1。ABCA. 厌氧消化瓶；B. 恒温水浴装置；C. 量气装置图1 厌氧消化装置示意图Fig. 1 Schematic diagram for anaerobic digestion1.2 实验步骤剩余污泥及种污泥分别取自杭州某城市污水处理厂浓缩池及消化池。超声破解实验：剩余污泥经筛网过滤除去粗粒杂质，即

5、为实验用原污泥（见表1），取不同量分次加入超声波发生器，在不同条件下进行破解实验。表1 原污泥主要特征指标Table 1 Analyses of components of sewage sludge(TS)/(g×L-1)(VS)/(g×L-1)(TCODCr)/(g×L-1)(SCODCr )/(g×L-1)(NH3-N)/(g×L-1)(VFA)/(g×L-1)pH28.3119.3830.181.4640.2970.4836.7厌氧消化实验：取100 mL种污泥加入厌氧消化瓶，另加入100 mL超声破解污泥，连接导气管路并用N

6、2排除空气，之后置于35±2 恒温水浴反应，间歇摇动消化瓶以使各相混合均匀，以相同量种污泥作空白参比，每日测定污泥产气量12次。1.3 测试指标及方法CODCr测定采用重铬酸钾氧化法；TS、VS测定采用重量法；挥发性有机酸（VFA）测定采用气相色谱法，具体见参考文献16。2 结果与讨论2.1 超声破解效应对污泥组分的影响A. 25 kHz；B. 40 kHz；C. 80 kHz图2 超声频率对污泥破解效应的影响Fig. 2 Effect of ultrasonic frequency on sludge disintegrationA. 0.2 W.mL-1; B. 0.5 W.mL

7、-1; C. 1.0 W.mL-1; D. 2.0 W.mL-1图3 超声比能耗对污泥破解效应的影响Fig.3 Effect of ultrasonic power on sludge disintegration污泥固体在超声作用下发生破解，生物絮体首先离散和解体，细胞内活性有机物质被释放，进而形成溶解性有机物；之后溶解性有机物进一步分解成小分子物质，由此使得污泥的生物降解性能得到改善。由图2看出，溶解性CODCr (SCODCr)在总CODCr (TCODCr)中所占比值随超声作用时间延长不断增加，这表明超声作用的确增强了污泥的溶解性能。图中亦可看出，频率效应显著，25 kHz、90 mi

8、n条件下，污泥SCODCr/TCODCr从初始4.8%增加至32.7%；而80 kHz、90 min条件下，SCODCr/TCODCr仅增加至21.8%，实验结果说明低频超声对于SCODCr的增加更为有利。超声破坏生物细胞致使胞内物质释放的主要途径可归结为水力剪切和声化效应，相对分子质量大于4000的大分子物质可被水力剪切作用直接分解，声频越低，剪切作用越大，声频越高，则声化效应越强，此时在超声空化泡内将发生挥发性有机物的热解反应，而液相体中的非挥发性有机物则通过自由基反应降解12。根据实验结果，可以认为，超声水力剪切比声化反应具有更好的污泥分解效应。图3为超声频率25 kHz、不同比能耗条件

9、下SCODCr/TCODCr随时间的变化曲线，由图可知，比能耗越高，对应SCODCr/TCODCr越大。超声作用60 min、0.2 W/mL条件下的SCODCr/TCODCr值为16.7%，相同时间、2.0 W/mL条件下的对应值为43.7%。比能耗指标反映了施加于相同体积污泥的换能器功率大小，其值越高，污泥接受的有效超声功率越大，与之对应的水力剪切作用越强，污泥分解则因此越彻底。此外，污泥分解还与超声作用时间正相关，延长作用时间有助于增大污泥的分解程度，类似结论从图1中亦可得出。结合两图实验结果可确定适宜的作用时间为30 min。A. 0.2 W.mL-1; B. 0.5 W.mL-1;

10、C. 1.0 W.mL-1; D. 2.0 W.mL-1图3 超声比能耗对污泥破解效应的影响Fig. 3 Effect of ultrasonic power on sludge disintegration实验中还针对超声破解前后污泥液中挥发性有机酸(VFA)的变化进行了测定，结果见图4。一般认为13，小分子有机酸易于被产氢产乙酸菌利用并转化为CO2、乙酸等，污泥消化液中VFA的非生物性积累有利于消化反应的进行。对于破解而言，VFA数值大小间接反映了污泥的分解程度。由图4可知，相同比能耗条件下，施加80 kHz的超声作用可获取相对高的VFA增加值，其峰值为7.1%，相应比能耗为1.0 W/m

11、L；而相同比能耗下施加25 kHz的超声作用，VFA仅增加1.6%。这一结果说明VFA的变化不同于SCODCr (见图2)，亦可推断相对高的SCODCr并不意味污泥液中含有更多的VFA，这取决于具体的超声条件。实验中还发现超声前后污泥液中的NH3-N指标变化与VFA类似。A. 25 kHz(未消化)；B. 80 kHz(未消化)；C.25 kHz(消化12 h)；D. 80 kHz(消化12h)图4 不同条件下污泥中VFA的变化Fig. 4 Variation of VFA in sludge under different condition根据相关解释，超声热解及自由基反应是生成低分子量有

12、机物的主要途径1415，提高超声辐射频率有利于上述作用的发生，因此污泥在高频条件下破解可生成更多的VFA。由图4还可看出，厌氧消化初始阶段(12 h)，破解污泥消化液中的VFA较原污泥明显增多，而25 kHz系列值则高于对应的80 kHz系列值，峰值2.31×103 mg/L出现在25 kHz、2.0 W/mL条件。实验结果说明污泥破解所释放出的溶解性有机物可迅速转化为VFA，尽管在80 kHz条件下破解可直接产生的VFA相对较多，但由于其所释放出的溶解性有机物总量较少，使得厌氧消化初期生成的VFA较少。由此可以推断，污泥在低频条件下破解对于后续厌氧消化更为有利。A. 25 kHz(

13、未消化)；B. 80 kHz(未消化)；C. 25 kHz(消化后)；D. 80 kHz(消化后)图5 厌氧消化前后的SCOD质量浓度变化Fig. 5 Comparison of SCOD content in disintegration sludge before and after digestion2.2 破解污泥的厌氧消化性能A. 0.2 W.mL-1-1; C. 1.0 W.mL-1; D. 2.0 W.mL-1图6 逐日累计产气量变化曲线Fig. 6 Cumulative biogas productions vs. time表2给出了污泥经厌氧消化25 d后的各相关指标。从表2

14、可以看出，污泥在比能耗0.2、0.5、1.0、2.0 W/mL条件下经频率25 kHz超声破解30 min后，生物气量较未破解污泥分别提高14.2%、33.2%、57.1%、76.4%；经80 kHz超声破解后，生物气量则分别提高7.1%、8.2%、16.0%、31.3%。这一结果说明低频超声更有利于污泥的厌氧消化。25 kHz、2.0 W/mL条件下，VS均产气量、VS及TCODCr去除率分别达到最大值244 mL·g-1、61.7%、54.3%。超声作用的施加使得污泥固体有效破解，污泥絮体结构及细胞屏蔽作用消除，胞内物质得以进入水相并形成溶解性有机物，因此，破解污泥更易于被厌氧生

15、物代谢分解。表2 破解污泥厌氧消化实验结果(超声破解时间30 min)Table 2 Anaerobic digestion experimental results of disintegration sludge. The applied ultrasonic time was 30 minutes频率/kHz比能耗/(W×mL-1)累计产气量/mL气量增加率/%VS去除率/%TCODCr去除率/%VS均产气量/(mL×g-1)25 kHz0.230614.238.643.51570.535733.243.147.31841.042157.156.352.82172.0

16、47376.461.754.324480 kHz0.22877.132.835.31480.52908.235.838.21501.031116.036.539.71612.035231.344.649.518200268033.539.1138破解污泥的SCODCr在消化前后的变化情况见图5，由图可知，25 kHz系列对应的消化后SCODCr值始终小于80 kHz系列（差值在424656 mg/L范围波动），而消化前情况则相反，这说明经低频破解的污泥具有更好的厌氧消化性能。由图5还可看出，两系列对应的消化后曲线变化平缓，SCODCr无积累性增加，表明污泥破解后未产生明显的难降解有机物质，SC

17、ODCr易于生物降解。图6为25 kHz系列破解污泥的累计产气量曲线，由图6可知，厌氧消化前10 d产气效率较高，各曲线变化幅度较大，表明污泥中易于消化的有机物可快速转化为生物气；之后曲线变化趋缓，产气效率降低，表明污泥中残余物质不易被厌氧消化；消化实验至25 d后，污泥中仍含有相当数量的VS（见表2），说明污泥中有机物分解并不彻底，采取适当措施进一步改善消化后污泥的生物降解性有助于提高VS去除率及污泥的稳定性，对此仍需深入研究。3 结论（1）污泥经超声破解后，胞内活性有机物可有效被释放至水相并形成溶解性有机物，表现为SCODCr的显著增加；影响污泥破解效应的主要因素为超声频率、比能耗及作用时

18、间，采用低频、高比能耗及延长作用时间均有利于污泥的破解。（2）超声破解产生的溶解性有机物易于被生物降解，这改善了污泥的厌氧消化性能；污泥经超声频率25 kHz、比能耗2.0 W/mL、作用时间30 min条件下破解，其厌氧消化累计产气量为473 mL，此时TCODCr去除率、VS去除率分别为54.3%、61.7%，而未破解污泥消化后各相应指标则分别为268 mL、39.1%、33.5%，实验结果表明，利用超声破解污泥以提高其厌氧消化性能是可行的。（3）破解污泥经厌氧消化后仍含有相当数量的VS，说明污泥中有机物分解并不彻底，采取适当措施改善消化后污泥的生物降解性则有助于进一步增强污泥的稳定性，对

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