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            超聲破解促進污泥高溫厭氧消化研究
            • 作者:吳經理    來源:宜興市海源環保設備有限公司    時間:2010-8-4    點擊:5053
            為了克服傳統污泥厭氧消化工藝存在的消化速率慢、停留時間長、處理效率低的缺點,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程,國內外有關這方面的研究很多。Tiehm A等人〖6、7〗利用超聲波技術處理污泥(初沉污泥占53%、剩余污泥占47%)后在進行中溫厭氧消化,發現超聲破解可以使厭氧消化的停留時間從22d減少至8d,而且對揮發性有機物的去除率從45.8%提高到50.3%,同時CH4的產率提高了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的超聲波對污泥進行預處理后在進行厭氧消化,當超聲波輸入能量為660~4547kJ/KgTS時,生物氣產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二沉池的回流污泥,經重力濃縮后濃度為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,污泥總固體(TS)含量約為30g/L,揮發性固體(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×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行超聲破解,至所需的超聲作用時間(90min)為止。
              厭氧消化試驗裝置見圖1,由有機玻璃加工而成,有效容積為2L。通過恒溫水浴保持反應器內的溫度。采用電動攪拌器進行攪拌,生物氣產量通過自動計數裝置計量,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℃,在產氣量達到穩定后即可繼續升高溫度。
              兩個反應器在高溫狀態下運行一段時間后達到穩定狀態,遂進行消化反應對比試驗。反應器2投入的剩余污泥未經任何處理,作為控制組;反應器1投入經超聲破解90min的剩余污泥。通過改變污泥投配率(即污泥停留時間)來考察超聲破解預處理對高溫厭氧消化性能的影響,污泥停留時間依次為20、10、8和4d。
            1.3 測定指標及方法
              COD:重鉻酸鉀發;VS、VSS:重量法;揮發性脂肪酸(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
              用來表征污泥有機物含量的主要參數為TCOD、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。在整個試驗過程中,各反應器出泥的TOCD值在很大程度上取決于進泥TOCD、VS的大小,這與天津大學楊潔的研究結果一致。
              當污泥停留時間為8d和10d時,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的去除率均隨著污泥停留時間的增加而增加。
              與去除VS不同,隨著污泥停留時間的增加,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。當停留時間為8d時,對破解污泥中TCOD的去除率達到最大,為39.60%;當停留時間為20d時,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間為8d時的去除率。這說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間,提高厭氧消化速率。
              在20d的停留時間下,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,體現了消化過程中污泥的減量化。
            2.2 產氣量及產氣率
              由表1可知,產氣量隨著污泥停留時間的減。次勰嘭摵傻脑黾樱┒龃。與控制組相比,在20、10、8、4d的停留時間下,污泥經超聲預處理之后其生物氣產量分別為原污泥的1.6、1.2、1.1和1.1倍。在各停留時間下,超聲預處理均顯著提高了高溫厭氧的產氣率。
              產氣率隨著污泥停留時間的增加先上升后下降,當停留時間為10d時,控制組和破解污泥的產氣率均達到最大值,分別為0.733、0.828L/gVS。當停留時間為20d時,原污泥的產氣率很小,這是因為污泥中可供微生物利用的有機物很少,產生的氣體量有限,所以太長的停留時間對高溫厭氧消化是沒有意義的。隨著停留時間的減少,可供產甲烷菌利用的基質相對較多,產氣率變大。
              當停留時間為4d時,各反應器的產氣率都較低。對消化污泥中的揮發性脂肪酸進行分析時發現,其含量明顯增多,控制組、反應器1的VFAs濃度分別由原來的(103~143)、(124~171)mg/L增大到209、321mg/L,且丙酸的濃度超過了乙酸。這說明反應器內有機務充沛,產甲烷菌來不及利用產酸階段的產物或者受到抑制,影響了厭氧消化的產氣率。
            2.3 污泥量
              污泥量以VSS表示。不同的停留時間下,2套反應器對VSS的去除效果見圖4。
              由圖4可知,控制組對VSS的去除率隨停留時間的變化不明顯,在35.96%~37.92%之間。與控制組相比,污泥經超聲預處理后對VSS的去除率有很大程度的提高,且隨著停留時間的延長而增加。當污泥停留時間為10、4d時,進超聲破解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污泥減量。
            2.4 堿度
              污泥經超聲破解之后會引起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,在整個試驗過程中各反應器的pH值均維持在7.17~7.65。當污泥停留時間為4d時,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。原污泥經厭氧消化后出泥的堿度為2077~2812mg/L(以caCO3計,不同),而經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,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復雜的微生物過程和化學過程,其混合液含有多種物質,特別是一些弱酸弱堿鹽類物質,使反應器成為一個酸堿緩沖器。消化過程中連續產酸,因此有使pH降低的趨勢。然而,蛋白質能夠水解為氨氮,甲烷化過程也產生堿度,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,污泥經超聲破解后,其厭氧消化的產氣量和產氣率都有顯著增加。
               2 超聲破解預處理能夠顯著提高高溫厭氧消化對污泥中有機物的去除率,并縮短反應時間。
               3 超聲破解不會影響污泥厭氧消化反應的正常進行,且實現了污泥減量化。
             
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