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摘要：厌氧消化是目前城市污水处理厂处理污泥的主要方式，传统污泥厌氧消化有机物转化率和产气性能都较低，采用热水解结合高温厌氧消化进行小试试验，考察热水解工艺对初沉污泥高温厌氧消化产气性能的影响。试验结果表明，热水解后初沉污泥最大粒径、平均粒径和中值粒径分别是处理前的0.49倍、0.55倍和0.51倍，污泥中可以被厌氧微生物分解的有机物含量明显提升，COD溶出率达到27.1%。热水解处理之后的初沉污泥相较于处理之前单位VS总产气量提高了21.93%，有机物转化率提高了4.93%，热水解工艺有效提高了初沉污泥高温厌氧消化的产气性能。
关键词：初沉污泥；热水解；高温厌氧消化；厌氧消化产气量
0引言
污泥主要是水处理过程产生的固体废弃物质，随着国家对生态环境保护政策的不断推出，各地方政府对环境保护日趋重视起来，各地污水处理厂的数量及处理能力日渐提高，城镇污泥产生量也与日俱增，对周边环境造成的压力越来越大。污泥作为一种固体废弃物若不经处理直接排入环境，必然会对大气和水体产生二次污染，进而对生态环境和人类日常生活产生威胁。目前对污泥的处置方式主要有堆肥、填埋和焚烧等，但由于污泥含水率较高、脱水性能差以及重金属含量高等一系列原因，导致部分污泥不能得到彻底有效的处理处置。在国家倡导碳中和的大背景下，未来污泥处理将会以资源能源回收为目标，通过提升现有污泥处理处置技术来提高污泥处理的碳减排水平。
而厌氧消化技术主要是利用厌氧微生物的作用在无氧条件下降解污泥中的部分有机物质，提升污泥的脱水性能，产生清洁能源可同时进行回收再利用的污泥处理技术。厌氧消化是污泥减量化、稳定化和资源化的最常用的方法之一，也是目前成本较低且最为安全的技术，在国内外得到广泛应用[1]。污泥厌氧消化过程比较复杂，分为水解酸化、乙酸化和产甲烷三个阶段，通过这三个阶段将部分难溶性高分子有机物分解为小分子物质，最终转化为高热值的沼气，实现污泥的资源化再利用。温度升高有利于有机物质的去除和沼气的产生，池体容积减小，投资也会相应降低，污泥高温厌氧消化工艺具有较好的应用潜力。
初沉污泥主要来自初次沉淀池，主要由一些大分子有机物和悬浮性颗粒组成，是污泥处理的主要对象之一。影响污泥厌氧消化过程的主要因素之一是有机质的释放，为提高有机物质的释放效率，有必要对污泥进行一系列的预处理工艺，因此，目前污泥预处理技术已逐渐成为国内外科研攻关的热点之一[2]。目前常用的预处理技术有超声波处理、酸碱处理法和热水解法等。对初沉污泥进行预处理主要目的是分解难溶性、大颗粒有机物为可溶性、小分子有机物，进而改善污泥的厌氧消化性能，提高甲烷产生量，促进污泥实现资源化利用。
热水解作为一种高效的污泥处理技术受到越来越多的关注，该技术主要针对高含固率的脱水污泥，利用高温(155～170℃)高压蒸汽对其进行处理，使污泥中的大颗粒固体物质溶解、破碎微生物细胞壁并释放胞内贮存的有机物质、杀灭病原体等，可实现污泥的减量化、无害化和资源化利用。本文采用热水解工艺对初沉污泥进行预处理分析，通过热水解前后初沉污泥粒径以及溶解性有机物含量的对比，探讨高温热水解对初沉污泥的破解效果，再通过该技术与高温厌氧消化技术相结合，进一步探讨热水解对初沉污泥产气性能的影响。
1材料及方法
1.1试验污泥来源
本次试验所用污泥取自某城市污水厂的初次沉淀池，该水厂主要处理水源为城市生活用水，主要处理工艺采用A-A-O活性污泥法。取泥试验过程期间该水厂一直处于正常运行状态，取样后先清除其中的杂草、大块砾石及毛发等物质，然后利用高速离心机浓缩污泥使其含固率达到5%±1%。浓缩后将试验样品分成两部分，一部分先热水解处理后再进行高温厌氧消化，另一部分作为对照组直接进行高温厌氧消化试验，两组污泥厌氧消化过程同步进行。污泥取样后需尽快进行相关试验，以免存放时间过长导致污泥样品变质，使得试验数据失去参考价值。试验前可先将污泥样品置于4℃冰箱内暂时保存。本次试验取该污水厂厌氧消化罐内的污泥作为接种污泥，试验前需要先进行驯化，以使其中的厌氧微生物根据环境发生相应的转变。
1.2试验主要测定指标及方法
由于热水解工艺主要是破坏污泥的结构，改变污泥中溶解性有机物的含量，进而影响厌氧消化产气效果。因此，本次试验主要测定溶解性有机物的含量以及污泥粒径，通过以上指标来衡量热水解对初沉污泥的处理效果和产气性能的影响。
污泥中的有机物是将污泥高速离心后取上清液按照《水和废水监测分析方法》(第四版)的方法要求进行测定；污泥粒径则采用激光散射粒度分析仪进行测定；总固体(totalsolids，TS)和挥发性固体(volatilesolids，VS)恒重法进行测定，将污泥样品置于烘箱内105℃条件下干燥24 h，然后再将干燥后的样本置于马弗炉中600℃条件下高温灼烧2 h，称重计算相关指标参数即可。
1.3试验装置
1.3.1热水解预处理装置
试验采用中试热水解处理装置进行初沉污泥预处理。该套试验装置主要包含浆化罐、反应罐以及闪蒸罐3部分，为确保安全及环保的要求，反应均在密闭的反应器中进行，不会对周围环境造成污染。污泥热水解装置基本操作参数为：工作电压为380 V，加热功率为20 kW，反应罐操作温度范围为155～170℃,装置操作压力为0.6 MPa。
1.3.2高温厌氧消化反应装置
厌氧消化试验采用瑞典碧普公司生产制造的AMPTS II型装置。该装置主要包括厌氧消化、CO2吸收以及气体流量检测部分，是专门针对物料产甲烷而研发的设备。厌氧消化反应利用水浴加热控制反应温度，温度可根据需求自行进行调整设置；气体流量检测单元连接到电脑上，可利用电脑控制设备的相关运行参数，污泥厌氧消化产气相关参数也会同步显示到电脑上，便于后续进行相关数据分析。微量气体流量计组阵为该装置的核心，其利用脉冲信号对相关数据进行采集，装置设置有CO2吸收单元，所以该装置计量的气体量可近似认为污泥高温厌氧消化产生的甲烷气体量。
1.4试验方法
1.4.1污泥驯化
取一定量接种污泥与初沉污泥混合置于试验瓶中，连接好管路并通氮气排除装置内存有的空气，保证试验瓶处于无氧状态。设置好温度即可进行驯化，驯化时间约20 d，待接种污泥日产气量达到最低时即完成驯化。
1.4.2热水解预处理方法
首先将离心浓缩好的初沉污泥加入浆化罐预热，待温度提升至97℃后再输送至反应罐，污泥在反应罐中高温蒸煮20～30 min后进入闪蒸罐，在闪蒸罐中污泥泄压发生解体，待污泥温度降至室温时污泥热水解过程完成。
1.4.3厌氧消化试验
将经过驯化的接种污泥和试验污泥按照2∶1比例混合(以VS计)，污泥混匀后置于厌氧反应瓶中密闭进行试验，利用水浴加热将温度恒温控制在53±0.2℃,水浴加热装置尽量封闭以减少热量损失。为防止发生料液分离现象，厌氧反应瓶上装有搅拌装置，通过连线电脑可对相关参数进行设置。本次试验采用间歇性搅拌，搅拌设备工作和停歇间隔时间均为1 min，搅拌机工作强度可根据实际情况调整，本次试验设置为50%，整个厌氧消化装置连线电脑，通过电脑可以实时观察整个试验的产气过程和装置的实时运行数据。
2试验结果与分析
2.1热水解预处理对初沉污泥粒径的影响
污泥粒径影响有机物的水解酸化速率，粒径越大，单位质量有机物的比表面积越小，水解速率也就越小[3]。本次试验利用激光粒度仪对热水解处理前后的污泥粒径进行测量，热水解前后初沉污泥的粒径分布如图1所示，图中P指的是初沉污泥，Pt指的是热水解处理后的初沉污泥。由图1可以看出，未经过热水解处理的初沉污泥粒径主要集中分布于61.00～763.00μm之间，热水解处理之后的初沉污泥粒径主要集中分布于42.60~370.88μm之间。根据测量数据可知：未经热水解处理的初沉污泥的中值粒径是235.10μm，平均粒径是233.37μm；经过热水解处理的初沉污泥中值粒径是118.73μm，平均粒径是129.17μm。综上可知，经热水解预处理之后初沉污泥最大粒径、平均粒径和中值粒径分别是处理之前的0.49倍、0.55倍和0.51倍，由此可以看出，热水解高温高压环境能够促进大颗粒固体物质溶解和水解，破坏污泥絮体结构，使初沉污泥粒径大幅度变小。
2.2热水解预处理对初沉污泥有机物溶出效果的影响
初沉污泥主要由大颗粒的悬浮性物质和有机物等组成，其中溶解性有机物指标的变化可间接反映出热水解对污泥的破解效果。初沉污泥热水解前后各项指标的变化情况如表1所示。
通过表1可看出，热水解处理后污泥中溶解性有机物的含量明显提升，溶解性碳水化合物含量提高了94倍、SCOD含量提高了12倍、溶解性蛋白质含量提高了18倍，溶解性碳水化合物的变化最为明显，计算得出COD溶出率是27.1%。综合分析可知，热水解可使污泥中的大颗粒或大分子难降解有机物水解成为小颗粒或小分子的物质，有效破坏污泥絮体和微生物的细胞壁，释放出大量胞内物质，增加了厌氧消化细菌的反应底物浓度，为其提供充足的物质基础，有利于微生物的厌氧消化反应，提高初沉污泥厌氧消化的产气潜力。
2.3热水解对初沉污泥高温厌氧消化产气性能的影响
2.3.1热水解对污泥产气量的影响
53℃条件下污泥高温厌氧消化单位VS累计产气量的变化曲线如图2所示(图中各符号的意义详见2.1)。由图2可以看出，初沉污泥高温厌氧消化在11 d左右总产气量达到最高且逐步趋于稳定状态，与中温厌氧消化相比，高温厌氧消化的污泥停留时间缩短，这在实际现场运用中可减小消化反应池体的有效容积，节省厌氧消化池的占地面积和土建投资成本，实现了污泥减量化的目标。污泥高温厌氧消化在4～7 d期间单位VS日产气量最高，说明在此期间产甲烷菌等厌氧微生物比较活跃，对污泥中有机物的利用效率最高，产甲烷效果最好。通过比较可知，经过热水解处理的初沉污泥相较于未处理的污泥而言，产气效率明显提高，在一个厌氧消化反应周期内产气总量提高了21.93%。这是因为经过热水解之后，污泥中部分难降解的有机物转化为可被微生物消化利用的有机质，厌氧微生物反应底物增加，从而增加了厌氧消化的产气量。
2.3.2热水解对污泥有机物转化率的影响
污泥厌氧消化的主要目的是降解其中的有机物，污泥有机物转化率代表了有机物的降解效果，转化率越高，代表有机物降解效果越好，间接表明产气效果越好。表2为热水解前后初沉污泥有机物的转化情况。由表2可知，初沉污泥热水解处理之后厌氧消化过程有机物转化率较未经热水解处理的有机物转化率提高了4.93%，这是因为热水解使得初沉污泥中大颗粒物质水解为易被微生物消化利用的小颗粒或小分子物质，因此提高了污泥中有机物的转化效率，从而提高了污泥厌氧消化的产气效率。热水解提高了污泥的可生物降解性，促进污泥有机质的减量，污泥中的有机物被厌氧微生物利用，提高了污泥厌氧消化的有机物去除率，甲烷产量也随之相应增加。
3结语
(1)初沉污泥经过热水解之后，污泥粒径明显变小且分布更加集中，经过热水解处理的污泥平均粒径
由233.37μm变为129.17μm，预处理后的污泥平均粒径减小为处理之前的55.35%，污泥中大颗粒的有机物被水解为易被微生物降解利用的小颗粒或小分子有机物，可促进后续厌氧消化的处理效率。
(2)热水解处理后初沉污泥中易被微生物生化分解的有机物含量提高明显。热水解处理的初沉污泥COD溶出率为27.1%，热水解过程可使微生物破壁解体，使污泥中的有机质得到有效释放，提高了其中可溶性有机物的含量，为后续污泥的水解酸化过程提供了有利条件。
(3)热水解可以提高初沉污泥高温厌氧消化产生清洁能源沼气的能力。热水解提高了初沉污泥的可生物降解性，经过热水解处理的初沉污泥单位VS总产气量较未处理污泥提升了21.93%，有机物转化率提高了4.93%。热水解对初沉污泥厌氧消化的周期影响不明显，但却能显著提高污泥厌氧消化的总产气量。
本次试验研究可对污水厂初沉污泥高温厌氧消化预处理技术的选择提供技术支撑，同时可探索多项污泥预处理技术相结合的工艺，以提高污泥中更多可生物降解性有机物的含量，为工程改造项目优化工艺提供参考依据。
参考文献：
[1]王治军，王伟.热水解预处理改善污泥的厌氧消化性能[J].环境科学，2005，26(1)：68-71.
[2]严媛媛，刘晓光，戴晓虎.污泥厌氧消化与处理技术综述[J].四川环境，2012，31(2)：113-118.
[3]苑宏英，陈银广，周琪.污泥生物转化为VFAs及用于生物除磷的研究进展[J].工业水处理，2006(2)：14-17.后台-系统设置-扩展变量-手机广告位-内容正文底部 -
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热水解对初沉污泥高温厌氧消化产气性能的影响研究论文
人参与 2024-06-07 11:45:17 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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