污泥厌氧消化的强化处理技术

2008-7-15 5:59:35  作者:张少辉  来源:艾普网  【 查看评论

  环境保护科学 第30卷 总第125期 2004年10月

  收稿日期:2004-02-18

  作者简介:张少辉(1972-)男,湖北钟祥人,博士研究生.

  污泥厌氧消化的强化处理技术

  Enhancement for Anaerobic Digestion Technology of Sewage Sludge 

  张少辉 华玉妹

  (浙江大学环境工程系 杭州 310029)


  摘要 污泥固体的生物可降解性低,影响了污泥的厌氧消化,提高厌氧消化效率的一个主要途径是
促进污泥细胞的分解,增强生物可降解性,本文综述了强化污泥厌氧消化的几种预处理技术,包括热解、
碱处理、臭氧氧化和超声处理。

  关键词 污泥 厌氧消化 热解 碱处理 臭氧氧化 超声波

  Abstract In the case of sludge anaerobic digestion,the biological hydrolysis has been 
identified as the rate-limiting step.The pretreatment of sewage sludge can release the cell 
components and other organic matter of sludge solid to improve the biodegradability.This 
paper reviews several enhancement processes for anaerobic digestion including pyrogenation,
alkaline treatment,ozonidation and ultrasonic.

  Key words Sewage Sludge Anaerobic Digestion Pyrogenation Alkaline Treatment Ozonidation 
Ultrasonic

  1前言

  厌氧消化是污泥处理常用的减容稳定工艺,具有能耗低、污泥稳定性好、产生沼气等优点,但由于污泥
固体的生物可降解性低,完全的厌氧消化需相当长的时间,即使20~30d的停留时间仅能去除30%~50%的挥发
性固体(VSS),污泥固体细胞分解和胞内生物大分子水解为小分子,是厌氧消化的限速步骤,因此提高厌氧
消化效率的一个主要途径是促进污泥细胞的分解,增强其生物可降解性
〔1、2〕目前有几种促进污泥分解的方法
〔3、4〕(1)热解法;(2)化学法:酸或碱处理。(3)机械法:超声波、球磨、高压均质和剪切均质
等;(4)氧化法:过氧化氢和臭氧氧化;(5)生物法:酶处理。在污泥厌氧消化前采用这些技术进行强化处
理,可增强生物降解效率,并减少污泥处理量。

  2 污泥厌氧消化的强化技术

  2.1 热解

  污泥中的碳水化合物和脂类相对易下降解,而蛋白质却难以被水解酶水解,采用热解预处理可以破坏细胞
壁促使蛋白质释放而得以降解。热解处理可应用于不同类型的污泥。对于初沉污泥,热处理并不能提高其降解
性,但能增强其脱水性能。Li等
〔5〕发现活性污泥的最佳热处理条件是170℃加热60min,小试实验结果表明在随后的厌氧消化中,经热解
的污泥只需 5d停留时间COD去除率即可达到 60%。造纸工业污泥最佳的热解温度为150℃~160℃,这是由于造
纸污泥含有较多的纯生物体。研究表明,在135℃热解处理后的污泥消化VSS破坏率比对照污泥在15d、12d的停
留时间下,分别增加了135%、235%。热解强化处理的效果并不与温度成正比,温度过高会对厌氧消化产生负面影响。
〔6〕发现活性污泥的最佳热解温度在175℃左右,温度再高效果会出现下降。另有研究者发现,温度超过
200℃热解处理会导致厌氧消化产气量的下降,这可通过一种分子内反应—Maillard反应解释。在此反应中,减
少的糖类与氨基酸反应生成一种褐色的多聚氮,其溶解性和组成与腐殖酸相似,这种物质很难降解甚至起抑制作
用。虽然在100℃以下的低温就开始产生这种反应,但其产生量随着温度升高以及停留时间增加而增多,并可能
形成二恶英。
〔7〕报道,挪威的Hias污水处理厂运用热解对污泥进行厌氧消化的强化处理,生产规模运行3年,效果良好。
该厂采用相应的蒸气压将污泥在130℃~180℃加热30min,生物细胞破裂分解,细胞内水释放出来而改变了污泥的
粘滞度,使污泥中含有更高的溶解性固体,因此热解可提高消化池污泥浓度。与无强化处理的技术相比,热解处理
可使消化池体积减半,而且大幅度增强污泥脱水性能,污泥脱水率可提高60%~80%,消化污泥的缓冲能力加强,
污泥更为稳定,臭味大大减少且易了堆放。此外,还可以起到消毒灭菌的作用,并提高产气量。

  2.2 碱处理

  碱处理可在常温下以较低用量达到促进细胞分解的目的,Woodard等
〔8〕研究表明碱处理可以有效地溶解50%~60%的制药污水污泥。研究者采用NaOH 预处理污泥,探讨了在
单级高速厌氧消化池中的消化情况
〔2〕未经NaOH处理的污泥浓度(TS)为1%,NaOH处理方式分别为 20meq/L(1%TS)、40 meq/L(1%TS)、
20meq/L(2%TS)。碱处理的污泥消化后可溶部分降低,未经碱处理的污泥可溶部分略有升高,这是由于酶的
缓慢水解作用,但是水解产物中可降解的有机物很快被利用,难降解物质逐渐积累。污泥经碱处理后进行厌氧
消化,底物去除速率明显增加。若消化的HRT较短,则碱处理有助于提高污泥稳定性。厌氧消化HRT为7.5d,
碱处理使有机物稳定效率提高两倍,处理后污泥比对照污泥的VSS去除率提高72%,COD去除率提高76%,有
机物去除率随着NaOH浓度和污泥固体浓度的增大而增大。碱处理的污泥进行厌氧消化产气量增加,甲烷产量
随着NaOH浓度的提高而增大,原因主要是碱处理污泥含有更多的溶解性有机物,消化过程中可被厌氧微生物
迅速利用
〔2〕减处理污泥的小颗粒污泥大大增多,这些小颗粒污泥在厌氧消化中会优先被去除,污泥总比表面积
下降而增大了脱水率。

  研究者也提出了用BMP(biochemcal methane potential,生化甲烷电势),测试碱处理对厌氧消化动力学
和消化效率的影响,其动力学方程式为
〔9〕Y=Lu(l-e-kt)Y—t时刻有机物的去除(mg/LCOD);Lu—最后可降解的有机物(mg/LCOD);
k—反应速率常数(d-1)。

  碱处理对生物降解性有一定抑制作用,其原因有三种解释:
  (1)碱处理过程中会释放出一些抑制性分子;
  (2)分子内反应(如 Maillard反应)导致难降解化合物的形成;
  (3)Na+等其它离于影响了生物可降解性。研究者探讨了Na+和 OH-的影响以分析限制生物可降
解性的根本因素。当NaOH浓度超过5g/L时,污泥生物可降解性降低,这并不是Na+的影响,而与OH-有
关,OH-的投加提高了pH值,利于COD的降解,但同时也导致难降解化合物的形成。过高pH值条件不利于
厌氧生物处理,同时Na+是产甲烷菌群的抑制剂〔10~12〕。

  2.3 臭氧氧化

  臭氧与污泥同时通过直接和间接两条途径发生反应。直接反应速率较低,与反应物的结构相关,而间
接反应主要通过没有特异反应的自由基进行。为了弄清臭氧与污泥之间的反应机理,Scheminski等
〔13〕研究了臭氧氧化处理过程中污泥的蛋白质、多聚糖和脂类等主要组分的转化情况,臭氧耗量
为0.5g/g干污泥进行氧化处理,60%的VSS转化为可溶性物质,臭氧氧化过程中,蛋白质量比初始值减少
了90%。微生物的细胞壁与臭氧发生反应而破坏,因此细胞内物质释放出来,这在短时间内即可在污泥的
液相中检测到。凝胶渗透层析测定表明,释放到液相的蛋白质连续被臭氧氧化掉。由于臭氧持续反应速率
很快,因而污泥液相检测不到明显的蛋白质分子。臭氧处理后,约63%的胞内和胞外多聚糖溶解到液相中,
多聚糖也被臭氧连续氧化,但比蛋白质的反应速率低,因此污泥液相中多聚糖的浓度逐渐增加,污泥中总
的多聚糖浓度与臭氧的消耗量成线性关系。氧化过程中,脂类的量减少30%,臭氧与不饱和脂肪酸发生直
接反应,使其变为短链脂肪酸溶解在液相中,而饱和脂肪酸与臭氧只发生间接反应。臭氧氧化处理后的污
泥厌氧消化过程中溶解性有机碳可降低70%。

  污泥溶解的水解产物主要由VFA组成,而臭氧氧化最终形成的易于吸收的产物主要是羧酸
  〔14,15〕Weemaes等
〔16〕实验过程中 pH从 7.8下降到4.9,当臭氧用量小于0.5g/gCOD时主要形成己二烯二酸,而臭
氧用量高时,则己二烯二酸浓度降低而草酸浓度增大,其过程中的测定分析未发现二羧酸,VFA浓度一直很低 
 (<200mg/L),说明臭氧将大分子氧化为小分子化合物,但最后并未产生VFA。污泥中总COD减少29~47%,
TOC减少29%左右,因此得知 COD的降低主要是有机化合物被彻底氧化为CO2引起的。研究表明,对于氧化
还原电位(Eh)较高、生物降解缓慢的废水,很难降低其Eh使之适应厌氧消化过程中产甲烷菌的要求,而污
泥经臭氧处理后的高Eh对厌氧消化却未产生完全的有害影响,经3d消化停滞期开始产气
〔17〕。厌氧消化过程中未经臭氧处理的污泥总有机物去除率为38%,而臭氧用量分别为0.05、0.1、
0.2g/gCOD处理的污泥总有机物去除率分别为58%、68%和62%。

  2.4 超声处理

  超声波破碎是一种破坏细胞导致细胞内物质释放的方法,其作用原理有两方面:水力作用和声化反应。
研究表明克分子量大于4000的大分子可以被超产空穴产生的水力剪切力分解,声频低于100kHz的情况下,
水力作用最为有效;声化反应,空穴泡内的热解反应可降解挥发性有机物,而液相体中的自由基反应进行
非挥发性有机物的降解,当声频在100kHz以上时声化反应效率达到最高
〔18、19〕Petrier等
〔18〕采用41kHz到3127kHz的声频进行污泥超声波预处理,结果表明在最低频即41kHz处,污泥的分
解效果最好,并从理论上解释了超声水力作用比声化反应对污泥的分解作用更大的原因,超声空穴的半径
可用下列公式计算:RT≈3.28fT。其中fT表示声频(kHz)。空穴泡的半径与超声频率成反比,
因此应用低频可产生更大的空穴泡,空穴泡破碎可产生强水力喷射流作用于固体表面,通过此途径可产生
很高的能量。当空穴泡的半径在4μrn以上时,细胞的分解与气泡半径的对数成比例。用41kHz的超声波处理
30min、60min和150min,溶解性COD分别增加了4.7%、13.1%和23.7%,超声处理150min的污泥厌氧消
化后VSS去除率比未经处理的污泥提高56.8%,并且产气量也明显上升,超声波处理污泥因为主要是水力剪
切起作用,Eh并不高,从而不会影响厌氧消化的产气过程。

  超声波预处理的时间长短对产甲烷会有影响,预处理时间低于30min,甲烷产量随着时间的增加而明显增
多,当预处理时间达到40min,甲烷的增加量与30min相差不大。与对照相比,厌氧消化11d时超声波预处理
10、20、30和40min的甲烷量分别增加12%、31%、64%和69%,有机物破坏率分别为11%、20%、38和46%,
因而运行时可选取 30min作为最佳预处理时间。超声波预处理30min的污泥含溶解态蛋白质比对照污泥高,
厌氧消化开始24h时,蛋白质降解很快,然后逐渐降低,而超产预处理污泥与对照污泥溶解性碳水化合物浓
度相差甚微,两者VFA浓度相差也不明显,但消化过程中,强化处理污泥的VFA浓度要高于对照,消化最初的
12h内强化处理污泥的VFA浓度迅速增加,与之相对应的是溶解性有机物浓度迅速下降,这表明释放出来的有
机物快速转化为VFA。超声波处理会加快VFA的产生速率、增加其产生量,并大幅度提高甲烷的产率。

  3 结语

  污泥厌氧消化强化处理技术能有效促进污泥中细胞的分解,使释放出来的细胞物质快速得以降解利用,
提高污泥有机物的利用率,缩短厌氧消化停留时间,提高厌氧消化产气率。在综合考虑运行费用和污泥消化
效果的前提下,采取适宜的污泥强化处理措施是有积极意义的。不同强化处理措施进行有效组合,也往往可
得到满意的处理效果。
(下转第27页)


(上接第15页)

  参 考 文 献

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分 值:100分 85分 70分 55分 40分 25分 10分 0分

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