超声破解促进污泥两相厌氧消化产气性能研究.pdf

水 污 染 治 理 超声破解促进污泥两相厌氧消化产气性能研究 ＊ 吴纯德 史吉航 华南理工大学环境科学与工程学院, 广东 广州 510006 摘要 以超声波对城市污水处理厂剩余污泥进行超声破解。 试验结果表明, 超声破解能提高污泥的溶解性化学需氧 量 SCOD、总挥发性固体 VS 去除率、生物产气量、产气率和甲烷含量, 促进两相厌氧消化产气性能。 声能密度和破 解时间是影响污泥破解效应的主要因素, 超声频率是影响污泥破解效应的次要因素。 关键词 剩余污泥 两相厌氧消化 超声破解 沼气 ＊国家自然科学基金资助项目 20277011 。 0 引言 两相厌氧消化工艺处理城市污水处理厂剩余污 泥,处理效果较单相厌氧消化工艺有所提高 ,但提高 的幅度并不大 [ 1] 。实现污泥细胞的分解及胞内有机 物的释放是改善污泥厌氧消化性能 、 提高处理效率的 关键 [ 2] 。超声破解是 20 世纪 90 年代发展起来的一 种新型污泥预处理技术, 国外研究表明 , 污泥经过超 声破解后 ,絮体破碎 ,细胞解体 ,胞内有机质在厌氧菌 胞外酶的作用下很容易水解成较小的分子而被释放 出来, 污泥可生化性提高 ,厌氧消化性能得到极大改 善,产气效率大大提升 [ 3- 5] 。国内对于超声破解促进 污泥两相厌氧消化产气性能鲜有报道。 本研究将污泥两相厌氧消化工艺与超声破解相 结合 ,以广州市某污水处理厂二沉池回流污泥为研究 对象, 分析了不同超声频率和声能密度下 ,超声破解 对污泥SCOD、 产气量和产气率的影响 ,探讨超声破解 对污泥两相厌氧消化产气性能的促进作用。 1 试验部分 1. 1 试验装置 1 两相厌氧消化反应装置如图 1 所示 。 1产酸相反应器; 2产甲烷相反应器; 3电动搅拌器; 4进泥口; 5集气口; 6出泥; 7量气装置; 8恒温水浴。 图 1 两相厌氧消化反应装置 该反应装置自行设计 ,采用有机玻璃材料加工而 成,分产酸相和产甲烷相, 产酸相有效容积为2. 5 L, 产甲烷相有效容积为10 L , 反应器外壁设夹层, 以循 环恒温水浴控温 。 2 超声破解装置 采用昆山超声仪器有限公司 生产的 KQ-100VDE 型超声波清洗器, 有效容积为 3 L ,频率为 28 、 45 kHz,功率为100 W,连续可调。 1. 2 分析方法 COD,VS ,NH3- N , 挥发性脂肪酸 VFA 和 pH 采 用标 准 方 法 [ 6] 测 定 。SCOD 为 离 心 机 转 速 为 5 000 rpm 离心15 min后取上清液测得的 COD 值; 生 物气体积采用排水量气法测定 ,生物气组分采用气相 色谱法测定 。 1. 3 试验方法 1 污泥性质 原污泥和接种污泥取自广州某污 水处理厂二沉池和浓缩池 ,污泥经重力浓缩将浓度调 节为 27 ～ 33 g L , 含水率为 97～ 97. 5, 浓缩后的 污泥置于 4℃冰箱中保存待用 。原污泥主要指标参 数见表1。 表 1 原污泥主要指标参数 项目 COD gL- 1 SCOD mgL- 1 TS gL- 1 VS gL- 1 碱度 mgL- 1 NH3- N mgL- 1 VFA mgL- 1 pH 范围 27 .1 ～ 32. 6 480 ～ 610 34. 8～ 38 .5 16. 6～ 20 .4 1 100～ 1 700 350～ 450 250 ～ 380 6. 35 ～ 6. 75 平均值29. 455036 .618 .21 3504103006. 52 2 污泥超声破解试验 在 28、45 kHz条件下, 设 定3 个声能密度 0. 05、 0. 1 和 0. 2 W mL 和 5 个破解 时间 5、 15 、 30、45 和 60 min , 进行超声破解试验。破 解过程中用玻璃棒对污泥进行搅拌 ,测定破解前和破 解后的SCOD。 3 两相厌氧消化试验 分别对原污泥和 3 次不 7 环 境 工 程 2008年 12 月第 26卷第 6 期 同工况下超声破解后的污泥进行两相厌氧消化试验, 每组试验采用相同的投配率和污泥停留时间 SRT 。 产酸相投配率为 60,SRT 为2 d ; 产甲烷相投配率为 25,SRT 为14 d。 夹层中以循环恒温水浴控温 ,使反 应器温度保持在 35 1 ℃; 每隔2 h打开电动搅拌器 搅拌20 min 。 正常运行后, 每天分别测试进泥、产酸相 出泥、产甲烷相出泥的 COD、 VS、产甲烷相生物气产 量及 pH 值,2～ 3 d测试VFA 和NH3- N ,收集每组试验 产生的生物气, 测定其气体组分。 2 试验结果与讨论 2. 1 超声破解试验 2. 1. 1 超声破解对污泥溶解性化学需氧量 SCOD 的影响 对SCOD 为480～ 610 mg L ,COD 为30 400 mg L的 污泥进行超声破解, 考察了超声频率为 28 和 45 kHz, 声能密度为0. 05、 0. 1和 0. 2W mL 条件下 SCOD 随破 解时间的变化规律, 结果见图 2、 图 3。 10. 05 W mL ; 20. 1 W mL; 30. 2 W mL。 图2 超声频率为28 kHz 条件下SCOD 随处理时间变化规律 由图 2 可知 ,超声频率为 28 kHz 时 ,污泥在 3 种 声能密度条件下破解 60 min, SCOD 升高为4 733、 6 350和8 683 mg L , 比原污泥 SCOD 分别增加 7. 8、 10. 7和 14. 9 倍。污泥在声能密度为 0. 2 W mL 条件 下分别破解 5、15、30、45 和 60 min, SCOD 升高为 1 883、2 950、4 583、6 950 和 8 683 mg L, 比原 污 泥 SCOD 分别增加2. 5、 4. 4、 7. 4、 11. 8 和 14. 9 倍 。 由图 3 可知 ,超声频率为 45 kHz 时 ,污泥在 3 种 声能密度条件下破解60 min ,SCOD 分别升高为5 766、 8 350和10 750 mg L , 比原污泥 SCOD 分别增加 9. 6、 14. 6 和 18. 7 倍。污泥在声能密度为0. 2 W mL条件下 分别破解 5、15、30、45 和60 min, SCOD 升高为1 983、 3 200、6 750、8 900和10 750 mg L , 比原污泥 SCOD 分 别增加2. 6、 4. 9、 11. 4、 15. 3 和 18. 7 倍 。 可见,声能密度和破解时间是污泥超声破解后 SCOD 增加的重要因素 , 超声频率是影响 SCOD 的次 要因素 。分析认为 ,超声波辐射能有效破解污泥, 使 10 . 05 W mL ; 20. 1 W mL; 30. 2 W mL。 图 3 超声频率为45 kHz 条件下SCOD 随处理时间变化规律 其细胞破壁 ,释放胞内有机质 ; 声能密度越大 ,破解时 间越长 ,污泥接受的有效超声功率越大 , 与之对应的 水力剪切作用越强 ,污泥分解越彻底, 溶解性有机物 增加越多。 2. 1. 2 超声破解对污泥其他组分的影响 超声破解试验还考察了 pH 值、 VFA 和 NH3-N 的 变化情况。污泥经超声破解后, pH 值有所下降,VFA 和NH3- N 上升 。以 pH 值为 6. 46, VFA 为337 mg L, NH3-N 为415 mg L 的污泥为处理对象, 在超声频率为 28 kHz, 声能密度为0. 2 W mL条件下超声破解60 min, pH 值下降至 6. 37,VFA 和 NH3- N 分别上升为635和 555 mg L ,后两者分别增加 88. 4和 33. 7。分析认 为,污泥在超声破解过程中,由于微生物细胞破壁 ,胞 内多聚物溶出, 形成小分子有机酸 ,引起 pH 值下降; 小分子有机酸易于被产氢 、产乙酸菌利用并转化为 H2、 CO2和乙酸等 , 使得 VFA 增加; 而 NH3- N 的增加 是由污泥破解过程中溶解性有机物迅速增多造成的。 2. 2 超声破解对污泥两相厌氧消化试验有机物去除 率的影响 对原污泥和在超声频率和声能密度分别为 28 kHz,0. 1 W mL ;28 kHz,0. 2 W mL ; 45 kHz, 0. 2 W mL条件下超声破解60 min污泥, 进行 4 组两相 厌氧消化试验 ,在反应器稳定运行的16 d内, 产酸相 和产 甲烷 相 平 均 VS 负 荷 分别 保 持 在 9. 58 ～ 12. 89 kg m 3d 和 3. 58 ～ 4. 75 kg m3d ; 以 NaHCO 3 溶液调节碱度至2 000 mg L左右 ,防止产酸相出现过 度酸化现象 , 产酸相和产甲烷相 pH 值分别保持在 6. 07～ 6. 51 和 6. 83 ～ 7. 22。4 组两相厌氧消化试验 的有机物 以VS 表示 去除率变化规律见图 4。 由图 4 可知 ,超声破解能够显著提高两相厌氧消 化反应 VS 去除率,且声能密度越大 ,VS 去除率越高; 声能密度相同时, 超声频率为45 kHz条件下的 VS 去 除率高于28 kHz时 VS 去除率 。反应器运行原污泥 时,VS 平均去除率为 33. 63, 运行超声破解后的 3 8 环 境 工 程 2008年 12 月第 26卷第 6 期 A原污泥; B28 kHz, 0 . 1 W mL; C28 kHz, 0. 2 W mL; D45 kHz, 0 . 2 W mL 。 图4 超声破解对 VS 去除率的影响 种污泥, VS 去除率显著提升 , 分别达到 37. 67、 39. 94 和 41. 11, 比原污泥分别提高了 4. 04、 6. 31 和 7. 48。 因此 ,超声破解能促进污泥两相厌氧消化反应速 率,提高有机物去除率 , 且对系统运行的稳定性没有 影响 。 2. 3 超声破解对两相厌氧消化生物产气性能的影响 2. 3. 1 超声破解对消化净产气量的影响 试验记录了原污泥和超声破解污泥两相厌氧消 化试验产甲烷相每24 h的净产气量,结果见图 5。 A原污泥; B28 kHz, 0 . 1 W mL; C28 kHz, 0. 2 W mL, D45 kHz, 0 . 2 W mL 。 图 5 超声破解对两相厌氧消化产气量的影响 由图 5 可知 ,原污泥两相厌氧消化试验在反应器 稳定运行的16 d内 ,每24 h净产气量保持在 810～ 960 mL ,平均净产气量为 895 mL 。超声处理污泥的平均 24 h净产气量达到1 499、1 735和1 860 mL , 较原污泥 分别提高 67. 5 ,93. 9 和 107. 8 。可以看出, 超声 处理污泥的产气量较原污泥的产气量有明显的提高, 且声能密度越大 , 产气量越高 ; 声能密度相同时 , 45 kHz 条件下的产气量高于 28 kHz条件下的产气量 。 2. 3. 2 超声破解对污泥两相厌氧消化产气率的影响 产气率定义为单位 VS 去除量所产气体体积, 单 位为 L g 。超声破解对产气率的影响结果见图 6。 由图 6 可知 , 原污泥在 16 d 内平均产气率为 0. 225 L g ,超声破解后16 d内的平均产气率分别提高 到0. 319、0. 363 和0. 395 L g , 比原污泥的平均产气率 分别增加 41. 8 、 61. 3 和 75. 6。 A原污泥; B28 kHz, 0 . 1 W mL; C28 kHz, 0. 2 W mL; D45 kHz, 0. 2 W mL。 图 6 超声破解对两相厌氧消化产气率的影响 可见,超声破解能提高污泥两相厌氧消化产气 率; 超声频率相同时 , 0. 2 W mL条件下的产气率较 0. 1 W mL条件下的产气率提高 13. 8; 声能密度相 同时,45 kHz 条件下的产气率较 28 kHz 条件下的产 气率提高 8. 8 ,说明声能密度对产气率的作用效应 大于超声频率对产气率的作用效应 。另外,由于超声 破解后污泥的 VFA 增加, 对两相厌氧消化试验产气 效率有一定影响 ,使得产气率的增长幅度低于净产气 量的增长幅度。 2. 3. 3 超声破解对生物气甲烷含量的影响 甲烷含量高低是反映产气性能的又一重要指标。 试验过程中 ,每隔 4～ 6 d ,收集产甲烷相所产生物气, 用气相色谱法测定其甲烷含量, 每组试验测定 3 次。 表2 列出了不同工况下污泥两相厌氧消化所产生物 气甲烷含量 。 表 2 超声破解对甲烷含量的影响 测定 次数 甲烷含量 原泥 28 kHz, 0 . 1 W mL 28 kHz, 0. 2 W mL 45 kHz, 0 . 2 W mL 151. 258. 364 . 564. 8 253. 657. 963 . 767. 6 350. 359. 262 . 163. 4 平均51. 758. 563 . 465. 3 由表 2 可知, 运行原污泥时, 两相厌氧消化试验 所产生物气甲烷含量为 51. 7; 超声破解污泥时, 两 相厌氧消化试验所产生物气甲烷含量较原污泥有较 大提高,分别达到58. 5,63. 4和65. 3, 分别提高 了6. 8,11. 7和 13. 6。 可见, 超声处理污泥试验所产生物气的甲烷含量 较原污泥有明显的提高, 声能密度越大, 产气量越高; 超声密度相同时 ,45 kHz 条件下的甲烷含量高于 28 kHz 条件下的甲烷含量 。 下转第 12 页 9 环 境 工 程 2008年 12 月第 26卷第 6 期 表 3 传质特性 AHM 判断矩阵 水温滤速基质浓度反冲洗流态W 水温00. 80. 50. 8890. 8570 . 304 滤速0. 200. 20. 8570. 80 . 201 基质浓度0. 50. 800. 88890. 8570 . 304 反冲洗0. 1110. 1430. 11100. 20 . 056 流态0. 1430. 20. 1430. 800 . 135 表 4 各指标对有机物去除效果的总排序计算结果 指标层次总排序指标层次总排序 水温0 . 318反冲洗0 . 095 基质浓度0 . 270滤速0 . 118 DO0 . 101流态0 . 068 pH0 . 030 由表 4 可知 ,水温 、 基质浓度 、 滤速是低温条件下 生物砂滤柱去除有机物的重要影响因素 ,其权重分别 为0. 318、0. 270 和 0. 118。在低温条件下 , 可以通过 控制生物砂滤柱的滤速, 以提高滤柱对有机物去除的 效果; 同时保证水中充足的溶解氧, 使其不成为限制 因子 。 4 结论 1 生物砂滤池去除微污染水源中的有机物受水 温的影响较大。水温在 5～ 8℃时,CODMn的去除率仅 为9. 18～ 12. 36,远远低于常温下的去除率; 当水 温达到 10. 7℃时, CODMn的去除率增加到 17. 51。 水温在5. 2～ 10. 2℃时,生物砂滤柱对NH 4-N 的去除 率为 51. 31～ 66. 35。 2 生物砂滤柱中的生物量和生物活性随温度的 降低而减少 ,尤其是生物活性表现的更为明显 。温度 从12. 7℃ 下降到 5. 2℃,生物量减少了 17. 33,而生 物活性减少了 56. 72。 3 应用属性层次分析法对低温条件下 ,生物砂 滤柱去除有机物的影响因素进行分析, 结果表明水 温、 基质浓度、 滤速为重要的影响因素,其权重分别为 0. 318、 0. 270 和 0. 118。 参考文献 [ 1] 谢曙光, 张晓建, 王占生. 曝气生物滤池的低温挂膜研究. 中国 给水排水, 2003, 19 13 58 -59 [ 2] 桑军强, 王占生. 低温条件下生物陶粒反应器运行特性研究. 环境科学, 2004, 24 2 112 -115 [ 3] 刘国庆, 桑军强, 张锡辉. 低温条件下生物陶粒反应器去除水源 水中氨氮的研究. 中国环境科学,2003, 23 6 644 -647 [ 4] 谢曙光, 张晓建, 王占生. 低温下曝气生物滤池内生物量变化. 北京大学学报, 2004, 40 6 979 -983 [ 5] 蔡振禹, 李思敏. 基于 AHM 模型的城市节水水平综合评价研 究. 中国给水排水, 2006, 20 7 79 -81 作者通信处 宿程远 541004 广西桂林 广西师范大学环境与资 源学院 电话 0773 5846140 E -mail suchengyuan2008126. com 2007- 12-14 收稿 上接第 9页 3 结论 1 城市污水处理厂剩余污泥经超声破解后, SCOD 显著增加 ,pH 值略有下降 ,VFA 和 NH3-N 有不 同程度的上升。 2 超声破解能提高污泥两相厌氧消化反应的 VS 去除率, 且声能密度越大 , 去除率提高的幅度越 大; 超声频率为 45 kHz 条件下的去除率高于 28 kHz 条件下的去除率 。 3 超声破解可提高污泥两相厌氧消化产气量、 产气率和生物气中甲烷含量, 且声能密度的作用效应 大于超声频率的作用效应 。 参考文献 [ 1] 张忠祥, 钱易. 废水生物处理新技术. 北京 清华大学出版社, 2004 [ 2] 乔玮, 曾光明, 衰兴中, 等. 易腐有机废物与剩余污泥混合厌氧 消化处理. 农业环境科学学报,2004, 23 3 607 -610 [ 3] Klaus Nickel , Uwe Neis.Ultrasonic disintegration of biosolids for improved biodegradation. 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The results indicated that soluble chemical oxygen demand was significantly increased, the removal rate of volatile solid, net bio -gas production and the rate of bio -gas production were also increased, and moreover the content of methane was increased, thusbio -gas yield perance was improved. The main factors affecting ultrasonic disintegration were sound energy density and disintegration time, and the secondary factor was ultrasound frequency. Keywords excess sludge two -phase anaerobic digestion ultrasonic disintegration methane EXPERIMENT ON OPERATIONAL PERANCE OF BIOLOGICAL SAND FILTER AT LAW TEMPERATURESu Chengyuan Zhang Jiankun Li Simin et al 10 Abstract The removal rates of organic matters and NH 4-N by a biological sand filterwere studied and the changes in biomass and microbi- al activity in the filter were analyzed at law temperature.It applied AHM for analyzing influencing factors.The removal rates of NH 4-N and CODMnwere 51 . 31 to 66. 35and 9. 18 to 16. 04 separately in biological sand filter at 5. 2℃to 10. 2℃. Microbial activity was 0. 029～ 0. 055mg hg. The biomassandmicrobial activity were decreasedby 17. 33 and56. 72when the water temperature fell down from 12. 7℃ to 5. 2℃. It applied AHM for analyzing influencing factors. The results showed thatthe temperature, substrate concentration and filter velocity were the important factors. Their weights were 0 . 318, 0. 270 and 0. 118, respectively. Keywords biological sand filter law temperature biomass microbial activity AHM THE COMPARATIVE TEST OF TREATMENT OF SLIGHTLY POLLUTED RAW WATER BY IM - MOBILIZED NITROBACTERIAHou Shuaihua Jia Baoqiu 13 Abstract A slightly polluted raw water was treated separately by immobilized nitrobacteria pellets in airlift loop reactor and bio-ceramicite reactor.It was compared the difference of their effluent inNH 4-N, NO - 2-N, CODMnand turbidity . The result showed that the bio -ceramicite re - actor s removal effect was better than that of immobilized nitrobacteria pellets in airlift loop reactor, the difference was very small. Further more, the immobilized nitrobacteria pellets in airlift loop reactor didn t need to be back washed and could run smoothly once it was activated. Immobi- lized nitrobacteria in the treatment of slightly polluted raw water has great potential. Keywords immobilized nitrobacteria ceramicite ammonia -nitrogen nitrous acid nitrogen INVESTIGATION ON THE RELATION BETWEEN CAVITATION NUMBER AND REYNOLDS NUMBER IN HYDRODYNAMIC CAVITATIONWang Huimin Sun Sanxiang 15 Abstract The orifice plates with different thickness, various holes and sizes were used as hydrodynamic cavitation generator to study the degradation effect of Rhodamine B solution. The relation between the cavitation number and the Reynolds number was set up and the experiment result was coned with that of the dimensional analysis. Keywords hydrodynamic cavitation cavitation number Reynolds number dimensional analysis TREATMENT OF PRINTING AND DYEING WASTEWATER WITHMULTIPLE MICROORGANISM Cheng Binbin Lin Bo 17 Abstract Three strains of bacterium with high flocculating rate and degradating rate were isolated from the sludge of printing and dyeing wastewater s outfall. And then the 3 strains were compounded, which was called JFFH-124. The experiments showed that JFFH-124 had higher flocculating rate and COD degradating rate. The chroma of printing dyeing wastewater was reduced from 150 to 23, the removal rate of chroma was 84. 5, and the wastewater s COD was reduced from 530 mg L to 96mg L, the removal rate of COD was 81. 9, after flocculation and deg - radation of the wastewater with JFFH -124. Keywords multiple strain microbial flocculants degradation printing dyeing wastewater TREATMENT OF BREWERY WASTEWATER BY EXTERNAL CIRCULATING ANAEROBIC TECHNIQUEHan Hongjun Yang Hua Zhao Jin et al 20 Abstract A technical rewasdone on a brewery wastewater treatment using the external circulating anaerobic -contact oxidation process. The operating result showed that the removal rates of COD, BOD andSSwere 97. 8, 99. 3 and 98. 9 respectively. The effluent couldmeet the requirements of“ Beer Industry Wastewater Discharge Standard” GB19821 -2005, and the system could run steadily and reliably. Keywords brewery wastewater external circulating anaerobic process technical re A SUMMARY OF DESIGN FOR CAST PROCESS SEWAGE TREATMENT PLANT Lin Yingzi Chen Lijun Liu Haichen et al 22 Abstract In view of a mixed sewage with high load and small volume, the designof a sewage treatment plant uses the hydrolysis -acidifica - tion andthe CAST series sewage treatment system. Throughtechnological designof various units, introduction to the arrangement of equipment and the operation data analysis, it is summarized the process characteristics and experience in technological design. Keywords sewage treatment plant hydrolysis -acidification CAST design 2 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 26, No. 6,December,2008