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超声破解促进污泥高温厌氧消化研究
点击次数:155 发布时间:2020-07-14

为了克服传统污泥厌氧消化工艺存在的消化速率慢、停留时间长、处理效率低的缺点,相继出现了机械破碎、超声破解、碱处理、热水解、臭氧氧化等预处理方法〖1~5〗,其中低频超声破解能够加快污泥的厌氧消化过程,国内外有关这方面的研究很多。Tiehm A等人〖6、7〗利用超声波技术处理污泥(初沉污泥占53%、剩余污泥占47%)后在进行中温厌氧消化,发现超声破解可以使厌氧消化的停留时间从22d减少至8d,而且对挥发性有机物的去除率从45.8%提高到50.3%,同时CH4的产率提高了2.2倍。破解后污泥的温度对厌氧消化为造成不良影响。Bougrier等〖8〗用20kHz的超声波对污泥进行预处理后在进行厌氧消化,当超声波输入能量为660~4547kJ/KgTS时,生物气产量较对照至少提高了25%。杨洁等人的研究结果表明,超声破解可以提高厌氧消化对挥发性悬浮固体(VSS)的去除率,且去除率随投配率的增加而有所上升。

  目前,国内外的研究主要是考察超声预处理对中温厌氧消化的影响,而对高温厌氧消化的研究还很少。为此,笔者采用超声波对剩余污泥进行预处理,研究了其对后续高温厌氧消化的影响。

1 试验材料与方法

1.1 试验污泥

  污泥取自天津市纪庄子污水处理厂二沉池的回流污泥,经重力浓缩后浓度为25~35g/L(含固率为2.5%~3.5%),置于4℃冰箱中保存待用。

  消化试验的接种厌氧污泥取自天津市东郊污水处理厂,污泥总固体(TS)含量约为30g/L,挥发性固体(VS)含量约为15g/L,TCOD约为26g/L。

1.2 试验装置

  超声波预处理装置采用多频多功率槽式超声反应器,频率为40(50W×2)、28(75W×2)、20kHz(75W×2),总功率为400W。反应器为矩形不锈钢槽,总容积为4.8L,长×宽×高为200mm×120mm×200mm,出泥溢流口以下的有效容积为3L,即声能密度为0.133W/mL。将污泥直接投放在不锈钢反应器中进行超声破解,至所需的超声作用时间(90min)为止。

  厌氧消化试验装置,由有机玻璃加工而成,有效容积为2L。通过恒温水浴保持反应器内的温度。采用电动搅拌器进行搅拌,生物气产量通过自动计数装置计量,中间集气瓶中的水用盐酸调节至pH<1,以避免二氧化碳的溶解。试验共运行2套厌氧消化反应器。

  采用中温消化污泥作为种泥,以逐步升温的方式对高温厌氧污泥进行培养。再升高温度之前,各反应器都在中温条件下稳定运行了一段时间。按5%的投配率每天向反应器中投加100mL新鲜污泥,升高温度的方式为37℃→39℃→42℃→45℃→48℃→51℃→55℃,在产气量达到稳定后即可继续升高温度。

  两个反应器在高温状态下运行一段时间后达到稳定状态,遂进行消化反应对比试验。反应器2投入的剩余污泥未经任何处理,作为控制组;反应器1投入经超声破解90min的剩余污泥。通过改变污泥投配率(即污泥停留时间)来考察超声破解预处理对高温厌氧消化性能的影响,污泥停留时间依次为20、10、8和4d。

1.3 测定指标及方法

  COD:重铬酸钾发;VS、VSS:重量法;挥发性脂肪酸(VFAs):气相色谱法〖9〗;碱度:溴甲酚绿—甲基红指示剂滴定法〖10〗;pH:HI19321型微电脑式酸碱度计。

2 结果与讨论

2.1 对有机物的去除

  用来表征污泥有机物含量的主要参数为TCOD、VS,其中TCOD是指污泥混合液的COD。图2、3分别表示在不同的停留时间下,2套反应器对TOCD、VS的去除情况。

  与控制组相比,超声破解预处理能够明显提高对有机物的去除率。在整个试验过程中,各反应器出泥的TOCD值在很大程度上取决于进泥TOCD、VS的大小,这与天津大学杨洁的研究结果一致。

  当污泥停留时间为8d和10d时,高温厌氧消化对原污泥中的VS的去除率分别为30.42%和31.36%,对破解污泥中VS的去除率分别为33.69%35.61%,较控制组有所提高。另外,各厌氧消化反应中对VS的去除率均随着污泥停留时间的增加而增加。

  与去除VS不同,随着污泥停留时间的增加,对TCOD去除率的变化并不规则,呈先上升后下降再上升的趋势。当停留时间为8d时,对破解污泥中TCOD的去除率达到很高,为39.60%;当停留时间为20d时,控制组对TCOD的去除率达到很高,为37.29%,但仍然低于破解污泥在停留时间为8d时的去除率。这说明超声破解不但可以提高厌氧消化对有机物的去除率,而且可以缩短反应时间,提高厌氧消化速率。

  在20d的停留时间下,反应器对有机物的去除率略低于控制组,但出泥的TCOD、VS值也低于控制组,因为它排除污泥的体积要小,体现了消化过程中污泥的减量化。

2.2 产气量及产气率

  由表1可知,产气量随着污泥停留时间的减小(即污泥负荷的增加)而增大。与控制组相比,在20、10、8、4d的停留时间下,污泥经超声预处理之后其生物气产量分别为原污泥的1.6、1.2、1.1和1.1倍。在各停留时间下,超声预处理均显著提高了高温厌氧的产气率。

  产气率随着污泥停留时间的增加先上升后下降,当停留时间为10d时,控制组和破解污泥的产气率均达到很高,分别为0.733、0.828L/gVS。当停留时间为20d时,原污泥的产气率很小,这是因为污泥中可供微生物利用的有机物很少,产生的气体量有限,所以太长的停留时间对高温厌氧消化是没有意义的。随着停留时间的减少,可供产甲烷菌利用的基质相对较多,产气率变大。

  当停留时间为4d时,各反应器的产气率都较低。对消化污泥中的挥发性脂肪酸进行分析时发现,其含量明显增多,控制组、反应器1的VFAs浓度分别由原来的(103~143)、(124~171)mg/L增大到209、321mg/L,且丙酸的浓度超过了乙酸。这说明反应器内有机务充沛,产甲烷菌来不及利用产酸阶段的产物或者受到抑制,影响了厌氧消化的产气率。

2.3 污泥量

  污泥量以VSS表示。不同的停留时间下,2套反应器对VSS的去除效果见图4。

  由图4可知,控制组对VSS的去除率随停留时间的变化不明显,在35.96%~37.92%之间。与控制组相比,污泥经超声预处理后对VSS的去除率有很大程度的提高,且随着停留时间的延长而增加。当污泥停留时间为10、4d时,进超声破解90min后厌氧消化对VSS的去除率分别可达41.48%、48.03%,这表明超声破解可促进污泥减量。

2.4 碱度

  污泥经超声破解之后会引起pH的降低和有机酸浓度的增加,这有可能对系统的稳定性造成影响。定期检查pH和碱度,在整个试验过程中各反应器的pH值均维持在7.17~7.65。当污泥停留时间为4d时,各反应器出泥泥pH略又降低,这与VFAs含量增高的现象相一致。原污泥经厌氧消化后出泥的碱度为2077~2812mg/L(以caCO3计,不同),而经超声破解的污泥则为2191~2871mg/L。为了保证厌氧消化的稳定运行,提高系统的缓冲能力和pH的稳定性,要求消化液的碱度保持在2000mg/L以上。可见,各反应器的碱度都在厌氧反应很好的监督范围内。这是因为厌氧消化体系内存在着复杂的微生物过程和化学过程,其混合液含有多种物质,特别是一些弱酸弱碱盐类物质,使反应器成为一个酸碱缓冲器。消化过程中连续产酸,因此有使pH降低的趋势。然而,蛋白质能够水解为氨氮,甲烷化过程也产生碱度,这可使系统保持良好的缓冲性能和较高的碱度。

3 结论

   1 超声破解预处理能够提高污泥的高温厌氧消化速率,改变厌氧消化性能。与原污泥相比,污泥经超声破解后,其厌氧消化的产气量和产气率都有显著增加。

   2 超声破解预处理能够显著提高高温厌氧消化对污泥中有机物的去除率,并缩短反应时间。

   3 超声破解不会影响污泥厌氧消化反应的正常进行,且实现了污泥减量化。

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