强化污泥厌氧消化预处理技术的研究进展

Research Progress on Pre2trea tm en t Processes of Sludge Anaerob ic D igestion HU Ya2b ing et a l ( Environmental Sciences and Engineering School, Tongji University, Shanghai 200092) Abstract Aanaerobic digestion is a common method for sludge stabilization to achieve sludge reduction, harm lessness and resource reuse. Due to demands for higher efficiency p rocess, various chem ical, physical and biological methods have been used to imp rove solubilization and digestibility of anaerobic digestion. This study aimed to discuss the basic p rincip les, characteristics and future app lication of alkaline p retreat2 ment, thermal p retreatment, ultrasound p retreatment and m icrowave p retreatment. And some combined p retreatments which were concerned by peop le these years were p resented. Key words Sludge anaerobic digestion; A lkaline p retreatment; Thermal p retreatment; U ltrasound p retreatment; M icrowave p retreatment; Combined p retreatment
采用较高的碱处理剂量有很好的融胞效果 ,但为有效提 高厌氧消化效率 ,选择合适的碱处理剂量以满足后续产甲烷 菌适宜的 pH值显得尤为重要。过高的 pH值不利于厌氧生 物处理 ,且 Na+是产甲烷菌群的抑制剂 [7] 。碱处理会增加盐 离子浓度以及后续处理的难度 ,并易对仪器设备造成腐蚀。 此外 ,虽然 NaOH的融胞效果最为理想 ,但是综合考虑效果 以及经济的因素 ,有研究者认为廉价并且在其他固废处理中 广泛采用的石灰对污泥进行处理也是不错的选择 [8] 。 1. 2 热处理 热处理采用的温度范围较广 ,为 60～270 ℃, 温度高于 200 ℃的热处理会产生一些难溶性的有机物质。 最常用的热处理温度为 60～180 ℃,其中温度低于 100 ℃的 热处理称为低温热处理 [9 - 10] 。热处理温度在 45～65 ℃时 ,使 细胞膜破裂 , rRNA 被破坏 ; 50～70 ℃时使 DNA 被破坏 ; 65～ 90 ℃时使细胞壁被破坏 ; 70～95 ℃时使蛋白质变性 [11] 。
超声波在液态介质中传播时会产生热效应 ,机械效应以 及空化效应。机械效应即水力剪切作用 ,与空化作用都能导 致污泥的破解。超声波在液体中作用会产生大量空化气泡 , 气泡生长 、变大并在瞬间破灭会在气泡周围的液体中产生极 强的剪切力。频率低于 100 kHz时超声波的机械作用是主要 的 [18] 。而空化效应发生的高效频率范围大于 100 kHz[19] ,该 效应的产生主要是由 于 空 化气 泡 崩 裂 瞬间 产 生 的 高温 (5 000 K)和高压 (100 MPa)的极端环境 ,导致空化气泡内化 合物的高温热解以及生成高活性的羟基自由基 。
污水处理过程中产生大量的污泥 ,其中含有许多有毒 有害物质 ,需对其进行合理的处理。在污水厂运行管理中 , 用于污泥处理的费用可占污水处理厂总费用的 50% [1] 。污 泥的处理问题是当前备受关注的环境问题之一 。
污泥的厌氧消化技术能够有效实现污泥的减量化 、无害 化与资源化 ,在当今许多国家得到了广泛的应用。厌氧消化 过程分为 4个阶段 :水解阶段 ,发酵阶段 ,产乙酸阶段 ,产甲 烷阶段 。其中水解阶段是复杂非溶解性聚合物转化为简单 溶解性单体和二聚体的过程 ,对于含固量高的固体废物的厌 氧消化 ,生物水解是整个过程的限速阶段 [2] 。
Gr nroos等利用球形和矩形超声波反应器分别对超声 波能量 ,超声波频率 ,污泥干固体浓度 ,污泥温度 ,超声波反 应时间等因素对污泥 破 解 效果 和 声 传 播效 率 等 作 了研 究 [22] 。通过多元数据分析的结果可知 ,超声波能耗 ,污泥干 固体浓度 (DS) ,污泥温度以及超声辐照时间对破解效果的 影响最为显著。且经比较发现 ,高强度短时间超声波处理比 低强度长时间处理能量效率高。后续的厌氧消化研究表明 , 通过利用 27 kHz, 200 W /L 超声波处理剩余污泥 2. 5 和 1010 m in与未经处理污泥相比较 , 19 d内的检测结果 ,经超 声波处理污泥是未经处理污泥产气量的 8～17倍 ,且用超声 波处理 的 污 泥 单 位 溶 解 性 COD 产 生 的 甲 烷 量 相 同 , 为
基金项目 上海市科学技术委员会“大型污水处理厂节能减排工程示 范项目 ”(072312003) 。
作者简介 胡亚冰 (1985 - ) ,女 ,浙江丽水人 ,硕士 ,从事污水处理理论 与技术研究 。
收稿日期 2008211223
溶出率增加量分别为 39. 8%、36. 6%、10. 8%和 15. 3% ;在热 碱处理条件下 (碱处理后在 120 ℃条件下热处理 30 m in) , COD溶出率分别增加 51. 8%、47. 8%、18. 3%和 1711%。在 后续的厌氧消化过程中 ,用 7 g/L NaOH处理污泥 ,甲烷产量 与未经处理污泥相比较 ,从 3 657 L /m3 (WAS,剩余污泥 )提 高到 4 147 L /m3 (WAS) 。肖本益等的研究也认为 NaOH、 KOH的融胞效果比 Ca (OH) 2 要好得多 ,并且通过正交试验 研究了污泥浓度、pH 值和碱处理时间对融胞效果的显著性 影响 ,结果表明 3因素重要性依次为污泥浓度、pH 值、处理 时间 [ 6 ] 。
(1. 同济大学环境科学与工程学院 ,上海 200092; 2. 上海市政工程设计研究院 ,上海 200092)
摘要 污泥的厌氧消化技术能够有效实现污泥的减量化、无害化与资源化 ,在当今许多国家得到了广泛的应用。为了提高厌氧消化过 程的效率 ,各种化学、物理以及生物技术被用于厌氧消化的预处理。介绍了碱解处理、热处理、超声波处理、微波处理的基本原理、特点 及应用前景 ,并对近几年研究者们所关注的一些联合预处理技术做了介绍。 关键词 污泥厌氧消化 ;碱解预处理 ;热处理 ;超声波预处理 ;微波预处理 ;联合预处理 中图分类号 X703 文献标识码 A 文章编号 0517 - 6611 (2009) 04 - 01737 - 03
许多学者研究了超声波频率 ,声密度 ,辐照时间以及污 泥的性质等因素对污泥的破解效果的影响 。N e is等的研究 表明 ,低频率超声波对污泥的破解效果最为有效 ,进而证明 了超声波的机械作用 ,即水力剪切作用对污泥分解更为重 要 [20 - 21] 。此外 , Tiehm等通过比较 41 kHz超声辐照 ,时间为 7. 5～150 m in对活性污泥破解的影响发现 ,短时间辐照会使 污泥絮体解絮 ,但未发现 SCOD增加 ,没有细胞裂解 ,长时间 辐照可导致污泥细胞破裂 ,释放溶解性有机物 ,当作用时间 为 30、60和 150 m in,分解系数 DDCOD分别提高至 4. 7%、13. 1% 和 23. 7%[21] 。在后续厌氧消化试验中超声波处理后污泥挥 发性固体降解率由 21. 5%增加到 33. 7% ,沼气产量增加 4116% 。消化效率的增加与污泥破解程度成正比 。
碱对污泥的融胞效果与碱的投加量以及碱的种类有关 。 Jeongsik等通过向污泥中投加 NaOH研究表明 ,在常温下 ,随 NaOH投加量的增加 ,污泥中 COD 溶出率亦随之增加。当 NaOH投加量为 7 g/L时 , COD 溶出率可达 4315% [5] 。此外 , 该研究 还 对 污 泥 中 分 别 添 加 NaOH、KOH、Mg (OH ) 2 和 Ca (OH) 2 的 破 解 效 果 进 行 了 比 较 , 得 出 用 NaOH、KOH、 Mg (OH) 2和 Ca (OH) 2 调节 pH 值为 12,常温下对污泥 COD
安徽农业科学 , Journal of Anhui Agri. Sci. 2009, 37 ( 4) : 1737 - 1739, 1747
责任编辑 孙红忠 责任校对 屈满义
强化污泥厌氧消化预处理技术的研究进展
胡亚冰 1 ,张超杰 1 ,谭学军 2 ,张 辰 2 ,朱洪光 1 ,周 琪 1
为提高污泥水解速率 ,以及污泥厌氧消化效率 ,研究者 们采用碱解处理、热处理、超声波处理、微波处理等方法 ,并 研究了各种方法的不同组合以实现各项技术优化组合 。 1 强化污泥厌氧消化技术 1. 1 碱解处理 虽然近几年强化污泥厌氧消化的化学处理 法中 ,臭氧预处理越来越受到人们的关注 ,但是由于处理费 用等问题很难在短期内普及 。而碱解处理作为传统而又简 易的处理方法仍然有其很大的潜力 。碱解处理可有效地将 胞内硝化纤维溶解转化为溶解性有机碳化合物 ,使其容易被 微生物利用。早在 19世纪后期 , Rajan等就提出了污泥碱解 预处理的方法 [3 - 4 ] 。
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安徽农业科学 2009年
Mavi对剩余污泥进行高温热处理研究中 ,用可过滤挥发 性固体 ( FVS)与总挥发性固体 ( TVS)之比来表示污泥破解程 度 ,并考察了温度 (110～134 ℃)和时间 (20～90 m in)两个因 素对其的影响 [14] 。研究发现 ,温度和时间对污泥破解程度 有着相似程度的影响 ,随着两因素的增加而使 FVS/ TVS增 大。且对高温热处理后的剩余污泥 ( T = 134 ℃, t = 90 m in) 进行高温厌氧消化的试验中发现 ,尽管与未经处理污泥相比 较 FVS/ TVS增加 (914 ±5) % ,但是产气效果没有变化 ,而低 温热处理污泥 (T = 70 ℃, t = 9 h) FVS/ TVS增加 (751 ±36) % , 产气量增加 50%。