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行業(yè)產(chǎn)品
為了克服傳統(tǒng)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(xiàn)了機械破碎、超聲破解、堿處理、熱水解、臭氧氧化等預(yù)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(nèi)外有關(guān)這方面的研究很多。Tiehm A等人〖6、7〗利用超聲波技術(shù)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(fā)現(xiàn)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(fā)性有機物的去除率從45.8%提高到50.3%,同時CH4的產(chǎn)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(yù)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(chǎn)量較對照至少提高了25%。楊潔等人的研究結(jié)果表明,超聲破解可以提高厭氧消化對揮發(fā)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(nèi)外的研究主要是考察超聲預(yù)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(yù)處理,研究了其對后續(xù)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(jīng)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(fā)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(yù)處理裝置采用多頻多功率槽式超聲反應(yīng)器,頻率為40(50W×2)、28(75W×2)、20kHz(75W×2),總功率為400W。反應(yīng)器為矩形不銹鋼槽,總?cè)莘e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(yīng)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,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(yīng)器內(nèi)的溫度。采用電動攪拌器進行攪拌,生物氣產(chǎn)量通過自動計數(shù)裝置計量,中間集氣瓶中的水用鹽酸調(diào)節(jié)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(yīng)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(yǎng)。再升高溫度之前,各反應(yīng)器都在中溫條件下穩(wěn)定運行了一段時間。按5%的投配率每天向反應(yīng)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(chǎn)氣量達到穩(wěn)定后即可繼續(xù)升高溫度。
兩個反應(yīng)器在高溫狀態(tài)下運行一段時間后達到穩(wěn)定狀態(tài),遂進行消化反應(yīng)對比試驗。反應(yīng)器2投入的剩余污泥未經(jīng)任何處理,作為控制組;反應(yīng)器1投入經(jīng)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(yù)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(fā);VS、VSS:重量法;揮發(fā)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(jié)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(shù)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(yīng)器對TOCD、VS的去除情況。
與控制組相比,超聲破解預(yù)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(yīng)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(jié)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(yīng)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(guī)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的去除率達到很高,為39.60%;當停留時間為20d時,控制組對TCOD的去除率達到很高,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(yīng)時間,提高厭氧消化速率。
在20d的停留時間下,反應(yīng)器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(xiàn)了消化過程中污泥的減量化。
2.2 產(chǎn)氣量及產(chǎn)氣率
由表1可知,產(chǎn)氣量隨著污泥停留時間的減小(即污泥負荷的增加)而增大。與控制組相比,在20、10、8、4d的停留時間下,污泥經(jīng)超聲預(yù)處理之后其生物氣產(chǎn)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(yù)處理均顯著提高了高溫厭氧的產(chǎn)氣率。
產(chǎn)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(chǎn)氣率均達到很高,分別為0.733、0.828L/gVS。當停留時間為20d時,原污泥的產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)甲烷菌利用的基質(zhì)相對較多,產(chǎn)氣率變大。
當停留時間為4d時,各反應(yīng)器的產(chǎn)氣率都較低。對消化污泥中的揮發(fā)性脂肪酸進行分析時發(fā)現(xiàn),其含量明顯增多,控制組、反應(yīng)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(yīng)器內(nèi)有機務(wù)充沛,產(chǎn)甲烷菌來不及利用產(chǎn)酸階段的產(chǎn)物或者受到抑制,影響了厭氧消化的產(chǎn)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(yīng)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(jīng)超聲預(yù)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(jīng)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(tǒng)的穩(wěn)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(yīng)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(yīng)器出泥泥pH略又降低,這與VFAs含量增高的現(xiàn)象相一致。原污泥經(jīng)厭氧消化后出泥的堿度為2077~2812mg/L(以caCO3計,不同),而經(jīng)超聲破解的污泥則為2191~2871mg/L。為了保證厭氧消化的穩(wěn)定運行,提高系統(tǒng)的緩沖能力和pH的穩(wěn)定性,要求消化液的堿度保持在2000mg/L以上。可見,各反應(yīng)器的堿度都在厭氧反應(yīng)很好的監(jiān)督范圍內(nèi)。這是因為厭氧消化體系內(nèi)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(zhì),特別是一些弱酸弱堿鹽類物質(zhì),使反應(yīng)器成為一個酸堿緩沖器。消化過程中連續(xù)產(chǎn)酸,因此有使pH降低的趨勢。然而,蛋白質(zhì)能夠水解為氨氮,甲烷化過程也產(chǎn)生堿度,這可使系統(tǒng)保持良好的緩沖性能和較高的堿度。
3 結(jié)論
1 超聲破解預(yù)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(jīng)超聲破解后,其厭氧消化的產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣率都有顯著增加。
2 超聲破解預(yù)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(yīng)時間。
3 超聲破解不會影響污泥厭氧消化反應(yīng)的正常進行,且實現(xiàn)了污泥減量化。
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