热水解和超声波预处理对污泥厌氧消化效能的影响研究.pdf

热水解和超声波预处理对污泥厌氧消化 效能的影响研究 * 廖足良冉小珊刘长青毕学军 青岛理工大学 青岛市新型环保技术重点实验室， 山东 青岛 266033 摘要 针对城市污泥厌氧消化中由于融胞困难所存在的消化速率低、 产气量低等问题， 采用热水解、 超声及热超声组合 的方法对污泥进行预处理， 预处理后污泥分别经 35， 41， 55 ℃厌氧消化， 考察预处理和温度对厌氧消化产气性能的影 响。结果显示 通过增加预处理， 可以使污泥厌氧消化产气量提高16. 51 ～36. 98， 并可将55 ℃温度条件下厌氧消 化周期最小缩短至 11 d。合理的升高温度和增加预处理可以使污泥的厌氧消化性能得到一定的改善。但在相同预处 理条件下， 厌氧消化温度由 35 ℃升高到 55 ℃时其厌氧消化效果的改善却并不明显。试验结果可以为城市污泥厌氧 消化工艺的选择提供一定的技术支撑。 关键词 污泥; 热水解; 超声波; 厌氧消化 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201406013 EFFECT OF THEＲMAL HYDＲOLYSIS AND ULTＲASOUND PＲETＲEATMENT ON PEＲFOＲMANCE OF ANAEＲOBIC DIGESTION OF SLUDGE Liao ZuliangＲan XiaoshanLiu ChangqingBi Xuejun Qiandao Key Lab of New Environmental Teahnology，Qingdao Technological University，Qingdao 266033，China AbstractAnaerobic digestion of sewage is low in efficiency due to difficulty in destruction of cells． By using thermal hydrolysis，ultrasound，and their combination s for sludge pretreatment，anaerobic digestion of sludge were conducted under 35， 41， 55 ℃ respectively，and the influence of pretreatment and temperature on anaerobic digestion perance were examined． The results showed that methane gas production could be increased by 16. 51 to 36. 98 by pretreatment，and shorter hydraulic retention time of 11 d for anaerobic digestion could be achieved under the condition of 55 ℃． Both increase in digestion temperature and use of pretreatment were good s to improve the perance of anaerobic digestion． However the perance of anaerobic digestion was not improved significantly when the digestion temperature was increased from 35 ℃ to 55 ℃ under the same pretreatment conditions． Experimental results can be used for technical consolidation for sewage sludge anaerobic digestion process． Keywordssludge;thermal hydrolysis;ultrasound;anaerobic digestion * 山东省环保产业研发项目 2060402 。 收稿日期 2013 －09 －11 0引言 在所有污泥处理技术中， 污泥厌氧消化技术由于 具有可回收能量且处理后污泥性质稳定、 剩余污泥量 较少等优点， 逐渐成为剩余污泥处理和能源资源化利 用的主要技术之一。但传统的污泥厌氧消化存在反 应速度较慢， 厌氧发酵周期长， 污泥处理效率低等问 题 ［1 ］， 限制了厌氧消化技术的广泛应用。 研究已证明污泥细胞壁的水解反应是污泥厌氧 消化速率的主要限制步骤［2 ］。由于污泥中大多数有 机物存在于微生物细胞内， 微生物细胞的细胞壁是一 个稳定的半刚性结构， 属于生物难降解惰性物质， 水 解较为困难， 从而导致污泥厌氧消化过程需要较长的 时间。为了提高厌氧消化的性能， 国内外学者针对剩 余污泥预处理方法和效率展开了广泛的研究［3- 4 ］ ， 其 最终目标是为后续污泥处理和利用过程提供更为优 化的前提条件。 25 环境工程 Environmental Engineering 目前， 常用的污泥预处理技术主要有热处理技 术、 超声处理技术、 碱处理技术及微波处理技术 等 ［5- 7 ］。工程中得到成功应用的主要为热处理技术， 但热处理技术一般要求较高的操作温度和压力， 且操 作运行的管理水平较高， 在我国大范围推广尚存在一 定困难。超声波由于能耗相对较低， 处理时间较短， 且不会引入可能造成二次污染的物质， 逐渐受到广泛 的关注。本文以青岛市某污水处理厂剩余污泥为研 究对象， 试图通过降低热处理的操作条件， 利用简单 热处理对污泥絮体结构的改善， 考察单独热处理、 单 独超声处理及热和超声组合预处理对污泥破胞作用 及后续厌氧消化的影响， 以解决现有城市污泥处理处 置中的瓶颈问题， 为污泥潜在能源回收及资源化利用 提供一定的技术支撑。 1试验部分 1. 1污泥来源 试验预处理所用污泥取自青岛市某污水处理厂 的浓缩机房， 厌氧消化接种污泥取自该厂的中温 35 ℃ 厌氧消化罐。该污水处理厂进水主要为生活 污水。剩余污泥取出后于4 ℃冰箱内储存备用， 接种 污泥常温密闭储存备用。 1. 2试验装置 1. 2. 1热预处理装置 实验室中热水解环节在立式压力蒸汽灭菌器内 完成， 立式压力蒸汽灭菌器如图 1a 所示。该仪器输 入功率为2 000 W， 电压为220 V， 工作压力为0.15 MPa， 工作温度为 120 ℃。在蒸汽灭菌器内部放置污泥容 器， 控制合适的反应时间。 1. 2. 2超声波预处理装置 试验所用超声波污泥预处理装置为宁波新芝生 物科技股份有限公司生产的探头式超声波细胞破碎 机如图 1b 所示， 该反应器主要由超声换能器、 超声探 头及反应器组成。频率控制为20 kHz， 电功率为20 ～ 100 W 可调 ， 变幅杆式超声换能器探头直径为 6 mm， 超声作用方式为持续脉冲式， 常压操作。 1. 2. 3厌氧消化装置 试验所用污泥厌氧消化反应器及气体测量装置 为瑞典碧普公司生产研发的 AMPTS II 仪器 ［ 8 ］ 图1c 。 该仪器是一种经过验证的新型生化甲烷潜力 BMP 测试装置， 仪器的系统稳定性和精密性很好， 温度变 化范围能够控制在 0. 2 ℃， 气体流量测定范围最小 可达 0. 01 L/d， 能够自动全面的监测分析试验全过 图 1热水解、 超声及厌氧消化试验装置 Fig．1The devices of thermal hydrolysis， ultrasonic and anaerobic digestion 程， 包括实时在线纪录气体流量、 累计产气体积、 温 度、 压力等。AMPTSⅡ设备通过和电脑连接， 可以进 行实验参数的设置， 并对实时数据进行访问和分析。 1. 3试验方法 本试验开始前已进行了大量的污泥预处理试验， 包括单独热水解预处理、 单独超声波预处理和热与超 声波联合预处理试验。单独热水解预处理试验考察 了不同热处理时间对污泥细胞的破解效果， 结果显示 在 120 ℃和 0. 15 MPa 的条件下， 预处理 30 min 为最 适热水解处理条件。单独超声波预处理试验考察了 不同超声声能密度和作用时间对污泥的破解效果， 从 破解效果和能耗角度综合考虑发现， 超声波预处理的 最佳条件为0.3 W/mL 超声声能密度下处理30 min。将 热水解和超声波预处理的最佳条件进行组合得到热 和超声波联合预处理的条件。 本次试验以含固率为 3和 5的剩余污泥为研 究对象。对两种污泥分别进行单独热水解预处理、 单 独超声波预处理和热超声联合预处理后， 分别在 35， 41， 55 ℃条件下进行厌氧消化， 考察不同预处理方式 对不同温度厌氧消化性能的影响。考虑到国外热水 解工艺厌氧消化阶段反应温度一般控制在 41 ℃［ 9 ］ ， 为 此， 试验还考察了41 ℃条件下污泥厌氧消化的效果。 试验开始前， 在未投加基质的情况下对接种污泥 在试验温度条件下进行 5 d 的培养驯化， 以使厌氧消 化细菌能够更好的适应试验条件并减小接种污泥对 试验过程的影响。试验中取一定量的接种污泥于 35 水污染防治 Water Pollution Control 500 mL 厌氧消化反应瓶中， 并分别取定量的 3 TS 和 5TS 单独热处理、 单独超声处理和热超声联合处 理污泥投入厌氧消化瓶内， 另外以未经预处理的 3 TS 和 5 TS 污泥为参照样进行厌氧消化的比较。控 制厌氧消化温度分别为 35， 41， 55 ℃， 搅拌强度为 50， 搅拌时间和间歇时间均为 60 s， 通过电脑监测 厌氧消化全过程。 1. 4分析项目及测试方法 TS、 VS 采用重量法 ［10 ］; 水相中的指标取待测污 泥经 5 000 r/min、 15 min 离心后取上清液测定。溶 解性 COD 采用重铬酸钾法测定， 溶解性糖类采用蒽 酮比色法测定 ［11 ］， 溶解性蛋白采用 BCA 试剂法测 定， 甲烷产量用 AMPTS II 仪器在线监测。 2结果及讨论 2. 1预处理对厌氧消化产气量的影响 图 2 和图 3 分别为 3、 5 两种含固率的污泥 经不同预处理后在 35 ℃下厌氧消化单位 TS 产甲烷 气量情况。由图 2 可知 对于含固率为 3 的污泥， 未经预处理的污泥每克 TS 产气量为 211. 5 mL; 经单 独热水解、 单独超声和热超声联合预处理后， 每克 TS 厌氧消化产气量分别为 276. 3， 280. 9， 289. 7 mL， 较 未处理的污泥分别提高了 30.62、 32.80和 36.98。 由图 3 可知 对于含固率为 5 的污泥， 未处理的污 泥厌氧消化每克 TS 产沼气量为 224. 5 mL， 经单独热 水解、 单独超声和热超声联合预处理后， 产气量分别 提高了 18. 67、 16. 51 和 18. 82。试验发现 通 过增加预处理， 可以使污泥厌氧消化产气量提高 16. 51 ～36. 98， 这是因为热水解预处理过程中的 高温高压可以使污泥细胞破壁， 使细胞内的大部分胶 体物质溶解， 大分子有机物质被分解， 同时使细胞中 的结合水被释放; 超声波预处理时， 一定强度的超声 波辐射液体时会产生空化现象， 对污泥细胞起到一定 的破解作用， 两种预处理方法都可以使污泥细胞中的 物质被释放， 增加厌氧消化过程中可利用的有机物数 量， 从而提高污泥厌氧消化的产气量。 分析发现对于不同含固率的污泥来说， 预处理方 式产生的影响效果并不相同。对于含固率为 3 的 污泥来说， 不同预处理方式对污泥厌氧消化产气效率 的影响排序为 热水解预处理 ＜ 超声波预处理 ＜ 热超 声联合预处理; 对于含固率为 5 的污泥来说， 影响 效力大小为 超声波预处理 ＜ 热水解预处理 ＜ 热超声 联合预处理。预处理对 3和 5含固率污泥的影响 图 2 3TS 厌氧消化产气量 Fig．2Anaerobic digestion gas production of 3 TS 图 3 5TS 厌氧消化产气量 Fig．3Anaerobic digestion gas production of 5 TS 效力不同是由于超声波预处理的作用机理导致。进 行超声波预处理时， 超声波辐射的对象是污泥体系中 的液相， 含固率为 5 的污泥体系中， 液体含量少污 泥流动性差， 超声波作用不能很好扩散， 使得处理效 果降低。 2. 2温度对厌氧消化产气性能的影响 一般认为， 温度主要影响厌氧微生物的生长速率 以及微生物对有机质的代谢速率， 从而影响厌氧发酵 的产气量 ［12- 13 ］。厌氧甲烷菌的三个适宜生长温度分 别为 常温 10 ～ 30 ℃ 、 中温 30 ～ 40 ℃ 和高温 50 ～60 ℃ ［14 ］。 图4 为含固率3和5的污泥经不同预处理后厌 氧消化过程中单位 TS 累计甲烷气体产量的变化情况。 由图4a 可知厌氧消化23 d 后， 含固率为3和5的污 泥经单独热水解 30 min 、 单独超声 0. 3 W/mL 和热 超声联合处理后产甲烷量分别比未处理的污泥提高 了 30. 62、 32. 80、 36. 98 和 18. 68、 16. 51、 18. 82。由于 5TS 的污泥含固率较高， 流动性很 差， 进行超声预处理时超声能量不能很好的扩散， 对 45 环境工程 Environmental Engineering 细胞的破解作用效果较差。 图 4不同预处理及温度条件下厌氧消化单位 TS 累计甲烷气体产量随时间变化 Fig．4The change in accumulated methane yield over time for anaerobic digestion of sludge under different pretreatment and temperature 图4b 是在41 ℃下的厌氧消化单位 TS 累计产甲 烷情况。没有预处理的情况下， 产甲烷量较 35 ℃低。 在该温度下， 经过预处理后污泥产甲烷量虽然比未处 理的有一定的增加， 但增幅却较小， 相同预处理后 41 ℃下厌氧消化单位 TS 累计产甲烷量也仅为 35 ℃ 下的 60左右。究其原因， 由于接种污泥是来自消 化温度为35 ℃的消化罐， 虽然该消化实验前在41 ℃ 条件下预备， 但是由于 35 ℃ 条件下的优势菌群和 41 ℃条件下的优势菌群可能不同， 所以在单一批次 的实验中可能出现 41 ℃条件下优势菌群没有优势的 结果。国外许多采用热水解预处理后的消化温度为 38 ～42 ℃， 消化效果较好， 在相同预处理条件下采用 35 ℃是否有可能得到相同或者更好效果， 需要工程 规模的项目进行验证。 图 4c 是在55 ℃下的厌氧消化单位 TS 累计产甲 烷量情况。在该温度下， 未经处理的污泥产甲烷量有 了较大提高， 含固率 3 和 5 未经处理的污泥厌氧 消化单位 TS 产甲烷量较 35 ℃下分别提高了 28. 50 和 8. 06。经预处理后的污泥厌氧消化产气量对比 35 ℃下的产气情况增量却并不大。 不同温度下厌氧消化产气量不同， 是由于微生物 生长需要合适的温度， 温度不仅会影响厌氧微生物的 生长速率， 还影响微生物对有机质的降解速率［13- 15 ］。 因此合适的降解温度可以保证厌氧消化效率。35 ℃ 和55 ℃分别是中温和高温产甲烷菌群得到广泛验证 的适宜温度， 在这两种温度下， 分别由其中优势菌群 起主导作用， 消化效果均较好。而 41 ℃对于中温和 高温产甲烷菌群来说， 均不是其最适的生存温度， 在 厌氧消化温度为 43 ℃ 左右时存在一个低速率发酵 区 ［16 ］。该温度下产甲烷菌群活性受到一定的抑制， 从而影响厌氧消化产气量。 厌氧发酵周期的长短直接反映了厌氧消化的效 率， 在实际生产中具有重要的经济意义。在实际生产 中， 以产气量达到总产气量的 90 即可认为发酵基 本完成， 为一个发酵周期 ［12， 17- 18 ］。 试验表明， 预处理和温度是改变厌氧消化周期的 两个因素。35 ℃ 下， 未经预处理的污泥在厌氧消化 第 20 天时累计甲烷气体产量基本稳定， 而经预处理 后的污泥在厌氧消化进行到第 14 ～17 天时产气量基 本不再增加。消化温度为 41 ℃时， 累计产气量虽然 不理想， 但也能将厌氧发酵周期缩短至 15 d 左右。 55 ℃条件下， 未经预处理的污泥在厌氧消化进行到 第 13 天时累计甲烷气体产量基本保持不变， 经预处 理后的污泥在第 11 天左右达到稳定。因此通过增加 预处理和提高温度都能使污泥在厌氧消化过程中更 快将有机物分解， 缩短厌氧消化反应时间。缩短厌氧 消化周期的试验中， 温度的影响效力大于预处理。 3结论 1通过增加预处理可以改善污泥厌氧消化产气性 55 水污染防治 Water Pollution Control 能。对于含固率为3和5的污泥， 在35 ℃条件下， 经 单独热水解、 单独超声和热超声联合预处理后， 每克 TS 厌氧消化产甲烷量分别较未处理的污泥提高了 30.62、 32.80、 36.98和18.68、 16.51、 18.82。 2合理的升高温度可以使污泥厌氧消化产气量 得到较大幅度提高。含固率 3和 5的未经处理污 泥 55 ℃厌氧消化单位 TS 产甲烷量比35 ℃时分别提 高了 28. 50和 8. 06。采用 35 ℃的消化污泥接种 但在41 ℃消化温度下， 没有表现出良好的消化效果。 3合理的升高温度和增加预处理均可以增加厌 氧消化产气量并缩短污泥厌氧消化周期。对厌氧消 化产气量来说预处理的影响效力大于温度。而对厌 氧消化周期来说温度的影响效力大于预处理。 参考文献 ［1］王芬， 季民． 剩余污泥超声破解的性能与机理研究［D］ ． 天津 天津大学， 2004. ［2］Neis U，Nickel K，Tiehm A． Enhancement of anaerobic sludge digestion by ultrasonic disintegration［J］． Wat Sci Tech，2000， 42 9 73- 80. ［3］严媛媛， 刘晓光， 戴晓虎． 污泥厌氧消化预处理技术综述［J］ ． 四川环境， 2012， 31 2 113- 118. ［4］Giovanni E，Luigi F． Bio- methane potential test to measure the biogas production from the digestion and co- digestion of complex organic substrates ［J］． The Open Environmental Engineering Journal， 2012 5 1- 8. ［5］宋秀兰， 周美娜． 污泥预处理技术的研究现状与前景［J］ ． 水资 源保护， 2011， 27 6 70- 74. 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