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    超聲破解促進(jìn)污泥高溫厭氧消化研究
    • 作者:吳經(jīng)理    來(lái)源:宜興市海源環(huán)保設備有限公司    時(shí)間:2010/8/4    點(diǎn)擊:11764
    為了克服傳統污泥厭氧消化工藝存在的消化速率慢、停留時(shí)間長(cháng)、處理效率低的缺點(diǎn),相繼出現了機械破碎、超聲破解、堿處理、熱水解、臭氧氧化等預處理方法〖1~5〗,其中低頻超聲破解能夠加快污泥的厭氧消化過(guò)程,國內外有關(guān)這方面的研究很多。Tiehm A等人〖6、7〗利用超聲波技術(shù)處理污泥(初沉污泥占53%、剩余污泥占47%)后在進(jìn)行中溫厭氧消化,發(fā)現超聲破解可以使厭氧消化的停留時(shí)間從22d減少至8d,而且對揮發(fā)性有機物的去除率從45.8%提高到50.3%,同時(shí)CH4的產(chǎn)率提高了2.2倍。破解后污泥的溫度對厭氧消化為造成不良影響。Bougrier等〖8〗用20kHz的超聲波對污泥進(jìn)行預處理后在進(jìn)行厭氧消化,當超聲波輸入能量為660~4547kJ/KgTS時(shí),生物氣產(chǎn)量較對照至少提高了25%。楊潔等人的研究結果表明,超聲破解可以提高厭氧消化對揮發(fā)性懸浮固體(VSS)的去除率,且去除率隨投配率的增加而有所上升。
      目前,國內外的研究主要是考察超聲預處理對中溫厭氧消化的影響,而對高溫厭氧消化的研究還很少。為此,筆者采用超聲波對剩余污泥進(jìn)行預處理,研究了其對后續高溫厭氧消化的影響。
    1 試驗材料與方法
    1.1 試驗污泥
      污泥取自天津市紀莊子污水處理廠(chǎng)二沉池的回流污泥,經(jīng)重力濃縮后濃度為25~35g/L(含固率為2.5%~3.5%),置于4℃冰箱中保存待用。
      消化試驗的接種厭氧污泥取自天津市東郊污水處理廠(chǎng),污泥總固體(TS)含量約為30g/L,揮發(fā)性固體(VS)含量約為15g/L,TCOD約為26g/L。
    1.2 試驗裝置
      超聲波預處理裝置采用多頻多功率槽式超聲反應器,頻率為40(50W×2)、28(75W×2)、20kHz(75W×2),總功率為400W。反應器為矩形不銹鋼槽,總容積為4.8L,長(cháng)×寬×高為200mm×120mm×200mm,出泥溢流口以下的有效容積為3L,即聲能密度為0.133W/mL。將污泥直接投放在不銹鋼反應器中進(jìn)行超聲破解,至所需的超聲作用時(shí)間(90min)為止。
      厭氧消化試驗裝置見(jiàn)圖1,由有機玻璃加工而成,有效容積為2L。通過(guò)恒溫水浴保持反應器內的溫度。采用電動(dòng)攪拌器進(jìn)行攪拌,生物氣產(chǎn)量通過(guò)自動(dòng)計數裝置計量,中間集氣瓶中的水用鹽酸調節至pH<1,以避免二氧化碳的溶解。試驗共運行2套厭氧消化反應器。
      采用中溫消化污泥作為種泥,以逐步升溫的方式對高溫厭氧污泥進(jìn)行培養。再升高溫度之前,各反應器都在中溫條件下穩定運行了一段時(shí)間。按5%的投配率每天向反應器中投加100mL新鮮污泥,升高溫度的方式為37℃→39℃→42℃→45℃→48℃→51℃→55℃,在產(chǎn)氣量達到穩定后即可繼續升高溫度。
      兩個(gè)反應器在高溫狀態(tài)下運行一段時(shí)間后達到穩定狀態(tài),遂進(jìn)行消化反應對比試驗。反應器2投入的剩余污泥未經(jīng)任何處理,作為控制組;反應器1投入經(jīng)超聲破解90min的剩余污泥。通過(guò)改變污泥投配率(即污泥停留時(shí)間)來(lái)考察超聲破解預處理對高溫厭氧消化性能的影響,污泥停留時(shí)間依次為20、10、8和4d。
    1.3 測定指標及方法
      COD:重鉻酸鉀發(fā);VS、VSS:重量法;揮發(fā)性脂肪酸(VFAs):氣相色譜法〖9〗;堿度:溴甲酚綠—甲基紅指示劑滴定法〖10〗;pH:HI19321型微電腦式酸堿度計。
    2 結果與討論
    2.1 對有機物的去除
      用來(lái)表征污泥有機物含量的主要參數為T(mén)COD、VS,其中TCOD是指污泥混合液的COD。圖2、3分別表示在不同的停留時(shí)間下,2套反應器對TOCD、VS的去除情況。
      由圖2和圖3可知,與控制組相比,超聲破解預處理能夠明顯提高對有機物的去除率。在整個(gè)試驗過(guò)程中,各反應器出泥的TOCD值在很大程度上取決于進(jìn)泥TOCD、VS的大小,這與天津大學(xué)楊潔的研究結果一致。
      當污泥停留時(shí)間為8d和10d時(shí),高溫厭氧消化對原污泥中的VS的去除率分別為30.42%和31.36%,對破解污泥中VS的去除率分別為33.69%35.61%,較控制組有所提高。另外,各厭氧消化反應中對VS的去除率均隨著(zhù)污泥停留時(shí)間的增加而增加。
      與去除VS不同,隨著(zhù)污泥停留時(shí)間的增加,對TCOD去除率的變化并不規則,呈先上升后下降再上升的趨勢。當停留時(shí)間為8d時(shí),對破解污泥中TCOD的去除率達到最大,為39.60%;當停留時(shí)間為20d時(shí),控制組對TCOD的去除率達到最大,為37.29%,但仍然低于破解污泥在停留時(shí)間為8d時(shí)的去除率。這說(shuō)明超聲破解不但可以提高厭氧消化對有機物的去除率,而且可以縮短反應時(shí)間,提高厭氧消化速率。
      在20d的停留時(shí)間下,反應器1對有機物的去除率略低于控制組,但出泥的TCOD、VS值也低于控制組,因為它排除污泥的體積要小,體現了消化過(guò)程中污泥的減量化。
    2.2 產(chǎn)氣量及產(chǎn)氣率
      由表1可知,產(chǎn)氣量隨著(zhù)污泥停留時(shí)間的減。次勰嘭摵傻脑黾樱┒龃。與控制組相比,在20、10、8、4d的停留時(shí)間下,污泥經(jīng)超聲預處理之后其生物氣產(chǎn)量分別為原污泥的1.6、1.2、1.1和1.1倍。在各停留時(shí)間下,超聲預處理均顯著(zhù)提高了高溫厭氧的產(chǎn)氣率。
      產(chǎn)氣率隨著(zhù)污泥停留時(shí)間的增加先上升后下降,當停留時(shí)間為10d時(shí),控制組和破解污泥的產(chǎn)氣率均達到最大值,分別為0.733、0.828L/gVS。當停留時(shí)間為20d時(shí),原污泥的產(chǎn)氣率很小,這是因為污泥中可供微生物利用的有機物很少,產(chǎn)生的氣體量有限,所以太長(cháng)的停留時(shí)間對高溫厭氧消化是沒(méi)有意義的。隨著(zhù)停留時(shí)間的減少,可供產(chǎn)甲烷菌利用的基質(zhì)相對較多,產(chǎn)氣率變大。
      當停留時(shí)間為4d時(shí),各反應器的產(chǎn)氣率都較低。對消化污泥中的揮發(fā)性脂肪酸進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現,其含量明顯增多,控制組、反應器1的VFAs濃度分別由原來(lái)的(103~143)、(124~171)mg/L增大到209、321mg/L,且丙酸的濃度超過(guò)了乙酸。這說(shuō)明反應器內有機務(wù)充沛,產(chǎn)甲烷菌來(lái)不及利用產(chǎn)酸階段的產(chǎn)物或者受到抑制,影響了厭氧消化的產(chǎn)氣率。
    2.3 污泥量
      污泥量以VSS表示。不同的停留時(shí)間下,2套反應器對VSS的去除效果見(jiàn)圖4。
      由圖4可知,控制組對VSS的去除率隨停留時(shí)間的變化不明顯,在35.96%~37.92%之間。與控制組相比,污泥經(jīng)超聲預處理后對VSS的去除率有很大程度的提高,且隨著(zhù)停留時(shí)間的延長(cháng)而增加。當污泥停留時(shí)間為10、4d時(shí),進(jìn)超聲破解90min后厭氧消化對VSS的去除率分別可達41.48%、48.03%,這表明超聲破解可促進(jìn)污泥減量。
    2.4 堿度
      污泥經(jīng)超聲破解之后會(huì )引起pH的降低和有機酸濃度的增加,這有可能對系統的穩定性造成影響。定期檢查pH和堿度,在整個(gè)試驗過(guò)程中各反應器的pH值均維持在7.17~7.65。當污泥停留時(shí)間為4d時(shí),各反應器出泥泥pH略又降低,這與VFAs含量增高的現象相一致。原污泥經(jīng)厭氧消化后出泥的堿度為2077~2812mg/L(以caCO3計,不同),而經(jīng)超聲破解的污泥則為2191~2871mg/L。為了保證厭氧消化的穩定運行,提高系統的緩沖能力和pH的穩定性,要求消化液的堿度保持在2000mg/L以上?梢(jiàn),各反應器的堿度都在厭氧反應最佳的監督范圍內。這是因為厭氧消化體系內存在著(zhù)復雜的微生物過(guò)程和化學(xué)過(guò)程,其混合液含有多種物質(zhì),特別是一些弱酸弱堿鹽類(lèi)物質(zhì),使反應器成為一個(gè)酸堿緩沖器。消化過(guò)程中連續產(chǎn)酸,因此有使pH降低的趨勢。然而,蛋白質(zhì)能夠水解為氨氮,甲烷化過(guò)程也產(chǎn)生堿度,這可使系統保持良好的緩沖性能和較高的堿度。
    3 結論
       1 超聲破解預處理能夠提高污泥的高溫厭氧消化速率,改變厭氧消化性能。與原污泥相比,污泥經(jīng)超聲破解后,其厭氧消化的產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣率都有顯著(zhù)增加。
       2 超聲破解預處理能夠顯著(zhù)提高高溫厭氧消化對污泥中有機物的去除率,并縮短反應時(shí)間。
       3 超聲破解不會(huì )影響污泥厭氧消化反應的正常進(jìn)行,且實(shí)現了污泥減量化。
     
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