IC反应器中剩余污泥的厌氧消化试验研究

文章编号:1005-7854(2007)03-0073-04IC 反应器中剩余污泥的厌氧消化试验研究王光辉,于冰,张志凡,张洪林(辽宁石油化工大学环境与生物工程学院,辽宁抚顺113001)摘　要:利用IC 反应器对抚顺三宝屯污水处理厂的剩余污泥进行中温与高温厌氧消化试验,考察厌氧消化工艺的可行性。

结果表明,中温、高温连续出泥分别为12d ,8d 后,出泥COD 去除率开始稳定,产气量也逐渐达到稳定,气体中的甲烷含量在70%以上。

絮凝试验结果表明,与生污泥相比,消化污泥经絮凝后等量干固体的泥饼体积仅为原来的56%。

关键词:剩余污泥;厌氧消化;中温;高温;IC 反应器中图分类号:X70311;X70313 文献标识码:ARESEARCH ON ANA EROB IC DIGESTION OF THE RESIDUALSL UD GE WITH IC REACTORW A N G Guang 2hui ,Y U B i ng ,ZHA N G Zhi 2f an ,ZHA N G Hong 2li n(School of Envi ronmental and B iologic Engi neeri ng ,L iaoni ng U niversity of Pet roleum &Chem icalTechnology ,Fushun 113001,L iaoni ng ,Chi na )ABSTRACT :The test is conducted on experiments of anaerobic digestion with IC reactor under mesophilic and high temperature conditions for residual sludge from Sanbaotun waste water plant in fushun ,and the feasibility of anaerobic digestion process is investigated 1The research result shows that the removal rate of COD and pro 2ducing air quantities under mesophilic and high temperature conditions are steady after continuous producing sludge respectively for 12or 8days 1The methane content in air is over 70%1Flocculation experiment shows that the mud cake volume of the equal weight digestive sludge after flocculating is 56%,compared to raw sludge 1KE Y WOR DS :residual sludge ;anaerobic digestion ;mesophilic temperature ;high temperature ;IC reactor收稿日期:2006-12-20作者简介:王光辉,硕士,研究方向:废弃物资源化。

1　引　言 随着经济的发展,污水处理厂的污水处理量的递增,污泥也呈增加的趋势。

城市污泥中除了含有丰富的可以利用的氮、磷、钾、多种微量元素和有机质外,还含有大量有害物质,如:病原菌、寄生虫(卵),重金属以及二口恶英、放射性核素等,如果不经过合理处置将会对环境造成新的污染;因此经济、合理地处理并综合利用污泥已成为污水处理厂和相关部门共同关注的课题。

而随着污泥最终处理的难度的加大,处理技术成本也随之提高。

目前研究重点是污泥的减量化,由于城市污泥主要成分是蛋白质、多糖等有机物,所以要解决剩余污泥问题,必须从构成活性污泥的有机物转化出发。

1　试验部分111　泥质分析对抚顺三宝屯污水处理厂剩余污泥通过初步的重力沉降进行浓缩,减小了污泥的含水率,得到含固量较高的污泥,提高单位反应器的处理效率。

经24h 重力沉降浓缩后污泥的泥质指标见表1。

第16卷　第3期2007年9月 矿 冶MININ G &METALLURGY Vol.16,No.3September 2007表1　经浓缩的剩余污泥的性质Table 1　Quality of concentrated residual sludgeCOD /(mg ・L -1)水相泥相BOD /(mg ・L -1)p H VFA /(mg ・L-1)TS/%VS /%碱度/(mg ・L-1)氨氮/(mg ・L-1)TN/(mg ・L -1)浓缩污泥70～20019000～2800012000～17000712～71524～120214～316115～215102～19436～961000～1200112　分析方法测定COD :重铬酸钾法;BOD :BOD 测定仪;p H 值:PHS -3B 型数字式酸度计;碱度:滴定法;氨氮:纳氏试剂比色法;V FA :蒸馏法;TS 、V TS :重量法。

113　试验装置试验装置见图1。

IC 反应器用圆柱形有机玻璃管制成,由两个USAB 反应器上下叠加串联构成,高度可达016m ,高径比为6,由5部分组成:混合区、颗粒污泥膨胀床区、精处理区、内循环系统和出水区。

其中内循环系统是IC 工艺的核心部分,由一级三相分离器、沼气提升管、气液分离器和泥水下降管等组成。

图1　内循环厌氧(IC)反应器示意图Fig 11　Sketch map of anaerobic reactor (IC )with internal circulation2　试验结果与讨论211　消化试验将沉降后的剩余污泥和预先培养的种泥按9∶1混合,进行中温(35℃)和高温(53℃)厌氧消化试验研究。

在启动一周后,每天按投配比例8%加生污泥,排泥量由投加量及反应器的溢流口严格控制,每天测定生污泥和消化后污泥的泥相、水相的COD 及NH 3-N 、VFA 、pH 值等指标,记录产气量,以考察比较可消化性。

消化试验发现,抚顺三宝屯污水处理厂剩余活性污泥有较好的消化性能,且中温消化一个周期约为20～25d ;高温一个消化周期为10～12d 。

21111　COD 变化情况通过高温和中温消化剩余污泥,其泥相的COD 分别由29769mg/L 和24044mg/L 降解为6092mg/L 和8847mg/L ,COD 的去除率分别达到了77%和65%;上清液的COD 先上升后下降,最高分别为5450mg/L 和3162mg/L ,最后降低至1507mg/L 和880mg/L ,如图2所示。

在消化反应的第一阶段,产酸菌将固体有机物分解为小分子可溶性有机物,从而固相的COD 下降,液相的COD 有上升的趋势;之后在产甲烷阶段,甲烷菌将可溶性有机物乙酸、丙酸等进一步分解成CH 4、CO 2、H 2而释放到气相使液相的COD 呈下降趋势。

图2　高温和中温条件下剩余污泥消化过程中COD 的变化情况Fig 13　Changes of COD in the process of residual sludge digestion under high and mesophilic temperature conditions21112　p H 值的变化情况p H 值是厌氧处理中最重要的影响因素之一,污泥中所含的碳水化合物、脂肪和蛋白质在厌氧消化过程中经过酸性发酵和碱性发酵,产生甲烷和二氧化碳,并转化为新细胞形成消化污泥,酸性和碱性发酵最适宜的p H 值各自不同,产甲烷细菌对p H 值非常敏感,酸性发酵阶段最适合p H 值为518,而甲烷发酵最适合的p H 值为718,酸生成菌在低p H 值范围内增值比较快,而产甲烷菌只在弱碱性环境下生长,产酸细菌和产甲烷菌共存时p H 值在7～716最合适。

图3为在中温和高温条件下剩余污泥消化过程中,系统p H 值随时间的变化情况。

在消化过程中,系统的p H 值保持在6～716之间。

・47・矿 冶图3　高温和中温条件下剩余污泥消化过程中pH 值的变化情况Fig 13　Changes of p H in the process of residual sludge digestion under high and mesophilic temperature conditions21113　挥发性脂肪酸的变化情况系统中挥发性脂肪酸的变化也验证了污泥厌氧消化的机理。

图4为挥发性脂肪酸的变化情况。

剩余污泥在消化的过程中V FA 先增大后减小,这是由于消化处于第一阶段(产酸阶段)时,兼性菌为主要微生物,产酸菌将高分子固体有机物分解成小分子可溶性有机物即挥发性脂肪酸,而进入液相;然后进入产甲烷阶段,甲烷菌将挥发性脂肪酸进一步分解为甲烷而释放出去,因此挥发性脂肪酸呈下降趋势。

相比之下,高温情况下的挥发性脂肪酸的值变化较中温的更早,值变化更大;这说明在高温条件下污泥更易被分解成低分子有机酸,而参与进一步的反应;同时也说明高温消化细菌的活性更高。

图4　高温和中温条件下剩余污泥消化过程中VFA 的变化情况Fig 14　Changes of VFA in the process of residual sludge digestion under high and mesophilic temperature conditions21114　碱度和氨氮的变化情况碱度是中和酸能力的一个指标,其主要来源于弱酸盐。

如果酸(H 2CO 3和V FA )的浓度超过可利用的碱度,反应器将会变酸(p H 值下降),严重抑制微生物尤其是甲烷菌的活性。

当产甲烷停止时,V FA 可能会继续积累,进一步恶化反应环境。

厌氧反应器中总碱度应维持在2000～5000mg/L 的范围内,如果反应器总碱度小于1000mg/L ,就会导致p H 值的下降。

试验中,对碱度进行连续检测,碱度随时间的变化曲线如图5所示。

在消化过程中,系统中的碱度随反应的进行不断增大,这是由于在消化水解反应过程中产生简单的丁酸、丙酸、乙酸和甲酸等大量的挥发性脂肪酸。

但随着消化过程进入到碱性发酵阶段,大部分的二氧化碳和甲烷气体都挥发了,而氨则以强碱性的亚硝酸铵的形式留在污泥中,创造了产甲烷菌生存所需的弱碱性环境;所以系统碱度又重新得以恢复,形成了有力保护系统正常运行的缓冲系统。

图6为消化过程中氨氮的变化情况。

图5　高温和中温条件下剩余污泥消化过程中碱度的变化情况Fig 15　Changes of alkalinity in the process of residual sludge digestion under high and mes ophilic temperature conditions图6　高温和中温条件下剩余污泥消化过程中氨氮的变化情况Fig 16　Changes of NH 4+-N in the process of residual sludge digestion under high and mes ophilic temperature conditions21115　产气量的情况气体产量与组成是厌氧消化的重要指标之一,因此每日的产气量可做为判定厌氧反应是否正常的最直接依据。