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國內剩余污泥紅泥膜沼氣池厭氧消化強化處理研究進展
時間 : 2019-06-22 瀏覽量 : 54

剩余污泥是城市污水處理過程中產生的副產  物,包括污水中的泥砂、纖維等固體顆粒及其凝結的  絮狀體,各種膠體、有機質、重金屬、病原菌、寄生蟲  卵以及病毒等,通常占污水處理量的0.3%-0.5%(含水率按97%計算)。近年來我國剩余污泥產量大幅度增長,據統計,2015年全國6910座城鎮污水處理廠全年共產生3015.9萬噸污泥2。剩余污泥如不進行妥善處理將會造成重金屬等污染物向環境重新釋放等嚴重的二次污染,對生態環境和人類活動將構成嚴重威脅。目前,我國污泥處理處置嚴重滯后于污水處理。因對污泥處理處置的概念及重要性認識不足,致使部分污水處理廠污泥處理處置未能達到減量化、資源化、無害化要求。國內外主要采用機械脫水、熱干化、好氧發酵、厭氧消化以及干化焚燒的處置方式對剩余污泥進行處理處置,其中厭氧消化是使用最為廣泛的處理工藝。鑒于我國目前的污泥具有低有機質、高含砂量、重金屬含量  高、有機物低、熱值低等特性,這些特性大大影響了


污泥處理處置的效率。筆者在分析剩余污泥處理現  狀的基礎上,分析了紅泥膜厭氧消化強化技術類型及其處理效果,以及技術發展趨勢。

1紅泥膜厭氧消化處理現狀

污泥處置處理以穩定化、減量化和無害化為目  的,紅泥膜厭氧消化工藝是其中一種重要的穩定化工藝,其  原理是利用兼氧菌和紅泥膜厭氧菌進行紅泥膜厭氧生化反應分解  污泥中有機質4,具有高效的能量回收和較低的環  境影響等優點。紅泥膜厭氧消化是目前國際上常用的污泥  生物處理方法,同時也是大型污水處理廠較為經濟  的污泥處理方法31。全世界大約有100萬座以上的  污水處理廠使用該技術處理污泥5。而國內的剩余  污泥紅泥膜厭氧消化因現有技術運行管理難度大、處理成  本高等問題出現技術應用瓶頸,僅約有60座城鎮污  水處理廠采用了污泥紅泥膜厭氧消化工藝。但是目前國內  對污泥紅泥膜厭氧消化理論研究滯后與協同調控機制的認  知不足,傳統污泥紅泥膜厭氧消化法存在有機質紅泥膜厭氧轉化


率低、停留時間長、產氣率較低等缺點。這些缺點限

制了紅泥膜厭氧消化工藝在國內的應用。為進一步提高有  機質紅泥膜厭氧轉化率、產氣率,縮短污泥停留時間,學者

們對紅泥膜厭氧消化的強化技術展開了研究

2強化技術的研究進展

2.1預處理技術

根據 Bryant提出的紅泥膜厭氧消化三階段理論,整個  紅泥膜厭氧消化過程分為水解酸化、產氫產乙酸和產甲烷

3個階段。但因微生物細胞壁的存在阻礙了污泥中

有機物的釋放與利用,所以水解酸化階段是污泥消  化的限速階段6,并直接影響消化反應的效果。目

前,國內的研究主要集中在對剩余污泥的強化預處

理,利用物理、化學等方法促進擊破污泥細胞壁,從

而使細胞內的有機物質從固相向液相轉移,最終實

現污泥的降解。

2.1.1超聲波預處理  超聲波預處理技術因具有低成本、自動化操作

可操作性強、能提高產氣率、改善污泥脫水性能、對

后續處理不產生影響、無二次污染等優點。 Bough

er等的研究發現污泥的總固體增溶度(S)、沼

氣產量隨超聲波能量輸入增加而增加。陳傳政

研究得出超聲破解剩余污泥的時間、頻率、電功率

脈沖比的最佳水平組合為10mn,20kHz,600W

1,超聲破解時間能顯著影響破解效率。容明知10等的研究結果表明,超聲預處理在低能量輸入條件下對污泥蛋白酶和脫氫酶活性存在促進作用超聲頻率對污泥酶活性影響較為顯著,其中20kHz超聲頻率對蛋白酶和脫氫酶活性的促進效果最高。2.1.2堿解預處理

堿解預處理可有效地將細胞內硝化纖維溶解轉化為溶解性有機碳化合物,進而被微生物利用提高污泥產甲烷潛力。楊潔等研究結果表明,污泥SCOD濃度隨投堿量的增加而增加,在投堿量為1nAoH·gTS的情況下,揮發性懸浮固體的分解率可達62.05%。于子淇研究確定了二級堿解的最佳工藝條件為:堿解pH值13,投加污泥與投加水的比例為1.75,發現與傳統堿解相比,二級堿解可  減少單位污泥15.0%的耗堿量,且后續紅泥膜厭氧處理無需加酸調節pH值;VS和TS去除率分別提高了26.78%和25%,達到4.3%和3.5%,含水率降到88.6%,使污泥體積縮小了78%。

2.1.3酸解預處理


酸解預處理的作用機理與堿解相似。氫光  有環(1等的研究結果表明,采用先酸(pH值4.0,4  者后堿(pH值10.0,4d)預處理,在污泥水解酸化過  程中乙酸產量及其占總短鏈脂肪酸( SCFAS)的質W  分數均高于其他預處理方式,其乙酸產量(以COD  Vss計)可達到74.4mg·g,占總 SCF AS的  60.5%。酸堿預處理后污泥混合液C:N和CP比  個值更有利于后續紅泥膜厭氧消化經過8d酸堿預處理和  皖15d的紅泥膜厭氧消化,累積甲烷產量(CH4/Vss加入)達  到136.1mlg,揮發性懸浮固體(Vs9總去除率  達到60.9%

2.1.4熱水解預處理

熱水解預處理具有操作簡單、處理時間短、效果  好等特點,但因其能耗高、管理難度大等缺點,實際  應用不多。郝曉地等對比了熱水解(T=150℃  30min)、超聲波(P=500W,t=2h)、堿解(pH值  13,t=2h)和酸解(pH值2,t=2h)等4種處理方  式的處理效果,發現經熱水解預處理的污泥能獲得  50.9%的COD溶出率,為四種處理方式中最高。

2.1.5微波輻射預處理

微波輻射具有加熱速度快,熱效高,熱量立體傳  遞,設備體積小等優點,具有與良好的工業化應用前  景13。李華峰研究表明,微波預處理污泥有力  地促進了污泥的紅泥膜厭氧消化,有機質降解率最高達到

56.1%,生物產氣累積量可提高54.4%,適當的微  波預處理條件可以明顯縮短紅泥膜厭氧消化周期,減少污

泥停留時間(SRT)。王艷杰等研究表明CO

TOC,蛋白質,多糖和DNA在微波處理6min時的溶

出量分別為相同條件下未經微波處理時的8.0倍,  7.2倍,10.4倍,12.4倍和8.4倍。在紅泥膜厭氧消化15

d時,微波處理6min的甲烷產率為144mlg2,比  未處理空白提高了62%

2.1.6臭氧氧化預處理

臭氧氧化預處理是通過氧化作用破壞細胞壁釋放出細胞內的細胞質并繼續將大分子有機物降解為小分子,提高后續系統的生物降解性能。但因其  運行成本較高,目前尚不具備工業化應用的條件  曹艷曉等研究結果表明,針對MLSs=8.287  kgm2的污水處理廠剩余污泥,臭氧最佳投加量在  0.038g0·gMSs左右。石璞玉等的研究結  果表明,當臭氧處理時間為15min時,污泥上清液  中SCO含量達到最高為100608mgL,較未處  理污泥提高了42085%。污泥上清液中蛋白質和


多糖含量在臭氧處理時間為10min時達到最高,產  甲烷率達到最高為318.39mL·gVs,較空白對照  組提高了  6%

22消化過程中投加生物酶促進劑、微生物菌種  除了通過各種預處理工藝強化紅泥膜厭氧消化外,還  有相當部分研究通過在污泥中投加生物酶促進劑或  特定微生物菌群以提高污泥消化效率。李娜0研  究發現零價鐵粉(ZV)與表面活性劑烷基多苷  (APG)聯合投加能夠促進污泥的水解、消化及有機  酸的累積,明顯改變有機酸分布,提高蛋白酶和a  葡萄糖苷酶活性降低污泥表面張力。宋艷美(研  究發現改變剩余污泥發酵液的初始pH值、蛋白質  與總糖的濃度比值(PoG)或者菌群條件后,再加入一定量的硫酸鹽還原菌(SRB)能使促進有機酸的產生;最佳的產酸Pmo/G=0.5,最高產酸量均可達1600mg·L以上。


2.3多種技術耦合  在上述研究的基礎上,更多的研究向多種技術  耦合的方向發展。何楚茵2)等研究結果表明,臭氧  +酸解、臭氧+堿解的聯合處理對剩余污泥的溶胞  效果均有不同程度的改善:剩余污泥破碎率及液相  中多糖濃度上升,污泥顆粒平均粒徑下降。徐慧  敏2的研究結果表明:超聲+堿解聯合預處理技術  對污泥破解和有機質溶解的效果,比超聲和堿解單  獨作用之和更好。污泥破解增加值△ ISCOD/TCOI  與加堿量之間存在顯著的線性關系。超聲和堿解聯  合預處理能顯著增加污泥紅泥膜厭氧消化產甲烷量。池勇志研究得出微波+堿預處理最佳預處理條件為加熱溫度170℃,加熱時間1min,加堿量0.05nAoh.g-S。劉吉寶等研究結果表明微波過氧化氫堿(0.2)預處理的強化效果最為顯著,30d累計產甲烷量比對照組增加了13.34%,產甲烷速率也得到了提升。

2.4混合基質共消化

國內的剩余污泥普遍存在無機質比例過高的間題,通過投加各種底物提高污泥的紅泥膜厭氧消化效率,不但能減少環境污染,且能進一步提高產甲烷量。楊朝勇1等的研究結果表明,以牛糞和超聲預處理污泥為發酵原料,在恒溫35℃±1℃及底物濃度為15gsL的條件下,超聲預處理污泥與牛糞的比例為1:2時ⅤS產氣率達到了470.3mLg-,甲烷產量  在發酵穩定后達到了58.68%。 ALOIN Manosane(2  等研究結果表明添加豬糞能明顯提升消化效率,當豬


糞與污泥以2:1混合消化時甲烷累計產量最高可達684L·kgVs,比污泥單獨消化提升了120%,vs  去除率可達63.1%。張洪等研究了不同混合比下市政污泥與餐廚垃圾二級高溫共消化的情況,結  果表明混合比為5:1的反應罐穩定時出料的COD濃度最高,為23000mg·L?;旌媳葹?:1時,Vs  去除率、日產氣量、產氣中甲烷含量最高,分別為42.8%,12000mL,92.49%

2.5分級分相紅泥膜厭氧消化

中持水務股份有限公司開發的市政污泥分級分  相紅泥膜厭氧消化技術,采用高溫水解酸化、中溫甲烷化分  級分相兩級反應系統提高污泥可生化性,破解了污  泥紅泥膜厭氧消化的限速步驟。產酸/產氣兩相紅泥膜厭氧消化  在兩個反應池中進行,通過溫度分級自然形成生物  分相,給產酸菌和產甲烷菌提供各自的最佳生長環  境(第一級高溫消化、第二級中溫消化),提高有機  物降解率和污泥紅泥膜厭氧消化的沼氣產率。該工藝紅泥膜厭氧  消化時間比單級單相紅泥膜厭氧消化縮短30%,污泥有機  物降解率大于50%,沼氣產率提高35%。處理的污  泥含固率可達8%-10%,可使消化池容積縮小為  原來的1/2,對于已建有紅泥膜厭氧消化設施的污泥處理  設施,略加改造即可增加處理能力)。因此,分級  分相紅泥膜厭氧消化具有廣闊的應用前景。


3結語

綜上所述,多種紅泥膜厭氧消化預處理方式的耦合工  藝是目前研究的熱點,也是今后研究的主要方向之  。但各種預處理技術,投加生物酶促進劑,微生物  菌種,多種技術耦合以及混合基質共消化等技術仍  處于小試階段,尚未有成熟的中試試驗作為規?;?nbsp; 應用的技術支撐。而分級分相紅泥膜厭氧消化技術已有規  ?;瘧脤嵗?且具備改造簡易、無須投加藥劑等特  點操作難度相對較低,更具工業化應用的意義。


摘自《中國沼氣》第4期  黃惠瑩


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