污泥厌氧消化前处理技术研究现状及展望

果表明, 30 min 为超声波处理污泥的最佳时间; 超声 波处理 30 min 的污泥经 11 d 中温厌氧消化, 总产气 量较未经超声波处理的污泥提高 64% 。
超声波声强越大, 污泥厌氧消化总产气量越高。 沈劲锋等[ 26] 研究表明, 采用声强为 0. 2 W/ cm2 的超 声波处理污泥 60 m in, 中温( 37 1) 厌氧消化 10
热处理可使消化池体积减半, 使污泥脱水率提 高 60% ~ 80% , 增强消化池污 泥的缓冲能力, 可为 污泥 的整个厌氧消化 过程节约 25% 左右能 耗[ 15] 。 此外, 还可以起到 消毒灭菌、减少污 泥消化停留时 间、提高产气量的作用。该法已有工程应用实例, 如 挪威 Hamar 污水处理厂污泥处理。该厂每年热处理 3 200 t 干污泥( DS) 耗能 25 kW, 污泥产气量较未热处 理前提高 47% , 沼气发电量增加 322 kW, 净发电量增 加 48 kW[16] 。 1. 2 超声波处理
低频超声波( < 100 kH z) 的处理效果优于高频 超声波 的 处 理效 果[ 2 3] 。PET RIER 等[ 24] 认 为, 41 kH z 超声波对污泥的分解效果最好。WA N G 等[ 25] 应用 9 kH z、200 W 的超声波对污泥进行预处理, 比 较了不同预处理时间对厌氧消化产气量的影响。结
第一作者: 苏 丹, 女, 1980 年生, 博士, 工程师, 主要从事污泥发电研究。 * 辽宁省科技厅资助项目( N o. 2007405012) 。
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苏 丹等 污泥厌氧消化前处理技术研究现状及展望
处理温度过高时生成的中间产物在一定程度上抑制 厌氧消化。ST U CK EY 等[ 14] 发现活性污 泥的最佳 热处理温度在 175 左右, 热处理温度超过 200 , 会导致厌氧消化产气量下降。这可通过 M aillard 反 应解释, 在此反应中, 减少的糖类与氨基酸反应生成 一种褐色的多聚糖, 其溶解性和组成与腐殖酸相似, 对厌氧消化有抑制作用。
Keywords: sludg e; anaerobic dig estion; pretr eatment t echnolog y
污泥固体的生物可降解性低, 完全厌氧消化需 相当长的时间, 即使 20~ 30 d 的停留时间也只能去 除 30% ~ 50% ( 质量分数) 的挥发性固体( VS) 。污 泥分解和胞内生物大分子水解为小分子, 是厌氧消 化的限速步骤[ 1, 2] 。提高污泥厌氧消化效率、提高沼 气产气量是污泥厌氧消化的核心问题, 也是污泥厌 氧消化技术推广应用的前提之一。污泥厌氧消化前 采用不同的预处理方法, 在一定程度上能够加快污 泥水解、提高沼气的产气速度和产气量[ 3, 4] 。为此, 非常有必要进行厌氧消化前处理技术的研究[ 5] 。
环境污染与防治 第 30 卷 第 12 期 2008 年 12 月
污泥厌氧消化前处理技术研究现状及展望*
苏 丹1, 2 王 鑫3 石玉敏1, 2 尼庆伟1, 2
( 1. 辽宁省环境科学研究院, 辽宁 沈阳 110031; 2. 辽宁省流域污染控制重点实验室, 辽宁 3. 沈阳大学沈阳环境工程重点实验室, 辽宁 沈阳 110044 )
沈阳 110031;
摘要 污泥厌氧消化产生的沼气用于发电是一种具有广阔应用前景的垃圾资源化方法。厌氧 消化前采用不同 的预处理方法 能促进污泥内微生物细胞的分解、加速胞内物质的释放、加快污泥的水解速率, 这 是增强污泥厌氧 消化性能的关 键。 综述了当前研 究和应用较多的物理法、化学法和生物法等污泥预处理技术, 分析了各种方法的原理、特点、处理效果及应用前景。
Abstract: A naer obic digestion of sludg e is a r eso ur ce ut ilization method, w hich has bro ad applicat ion pro spect. Different kinds o f pr etreatment method of anaero bic digestio n is an impo rtant sludge stabilizatio n techno log y, w hich br eaks cells, r eleases o rg anic substance and im pr ove sludge hydro lysis v elocit y, and is the key to enhance sludg e anaer obic digestion ability. Some phy sical, chemical and biolog ical methods used cur rent ly to pre- tr eat sludg e were rev iew ed. T he basic pr inciple, characterist ic, tr eatment efficiency and fut ur e application o f t hese met ho ds wer e discussed as w ell.
物细胞的结构, 使胞内物质释放出来, 从而显著提高 污泥中蛋白质的含量, 促进污泥水解的进行。
CH O I 等[ 32] 研究表明, 经过 3 M Pa 高压喷射处 理的污泥, 经 2~ 26 d 的厌氧消化后, 污泥中 VS 的 去除率达到 13% ~ 50% , 较对照组高 11% ~ 15% 。 可见, 高压喷射处理明显有利于污泥厌氧消化的进 行。N A H 等[ 33] 研究表明, 经过机械力处理, 污泥的 SCOD、溶解性有机碳( ST OC) 和蛋白质质量浓度由 处理前的 100~ 210、80~ 130、63~ 85 mg/ L 分别升 高至 760~ 947、560~ 920、120~ 210 m g/ L ; 同时, 污 泥的碱度、氨氮和总磷含量也有所上升, 而 SS 浓度 却略微下降, 由此证实了机械力对改善污泥消化性 能的有效性。
超声波破碎是一种破坏细胞导致细胞内物质释 放的方法, 其作用原理有水力作用和声化反应两方 面[ 17, 18] 。研究表明, 摩尔质 量大于 4 000 的大分子 可以被空穴产生的水力剪切力分解。用超声波技术 处理污泥, 就是利用超声波在液体中产生的 空穴 作用, 形成极端的物理和力学条件, 将污泥内微生物 细胞壁击破, 分解污泥絮体, 使絮体尺寸变小, 同时 释放出酶; 酶使其余未被击破的微生物细胞失去对 污泥罐中发酵环境的适应能力, 成为厌氧微生物的 营养物而被消耗, 从而促进水解和消化的进行。另 外, 超声波能促进酶活性, 加快微生物生长, 提高其 对有机物的分解吸收能力, 从而缩短厌氧发酵时间, 提高厌氧处理效率[ 19-21] 。从运行成本考虑, 不必将 其中的微生物细胞全部击破, 而只是一小部分, 一般 取剩余污泥体积的 30% 左右, 因为被击破的微生物 细胞释放出的酶等物质可以加速整个水解过程[ 22] 。
此外, 根据 Y O O N 等[ 31] 的研究, 通过超声波处 理剩余污泥并将其回流到生物池进行厌氧发酵, 有 可能实现污泥的零排放。但该研究目前还处于实验 室阶段, 尚无工程实例。
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环境污染与防治 第 30 卷 第 12 期 2008 年 12 月
1. 3 机械力处理 利用球磨机或高压泵等机械力破坏污泥内微生
d, 污泥 COD 去除率为 41% ; 污泥厌氧消化 25 d, 总 产气量比未经超声波处理的污泥提高了 53% 。
值得注意的是, 有机物的释放通常滞后于菌胶 团的破坏, 因此超声波促进污泥脱水所需时间很短, 而促进 污 泥 发 酵 通 常 需 要 较 高 的 声 强 ( > 0. 3 W/ cm 2) 和较长的处理时间( > 10 min) 。采用超声 波处理污泥, 污泥中总悬浮固体( T SS) 和总挥发性 悬浮固体( T VSS) 的去除率明 显高于未处理 污泥。 在超声波处理初期, 污泥容积迅速减少, 随着处理时 间的延长, 污泥容积逐渐稳定[ 27] 。剩余污泥经超声 波处理 30 min 左右, 将污泥中 可溶性化学需 氧量 ( SCOD) 与 T COD 的比 值( SCOD/ T COD) 由 0. 16 提高到0. 70左右, 最高达到了 0. 80[ 28] 。
BIEN 等[ 29] 研超声波处 理可缩短消化周期近 4 d。超声波处理在缩短污泥 厌氧消化时间的同时也可以减少污泥厌氧消化罐的 容积, 提高污泥罐的容积处理率。德国巴姆堡市污 水处理厂由于改造, 实际水量增加, 污泥量也相应增 大, 其需要发酵 25 d 的 3 个污泥罐在不能满足要求 的情况下, 采用两台超声波设备处理该厂污泥总质 量 30% 的污泥。运行 3 个月后, 沼 气产 气量 提高 30% , 污泥停留时间从 25 d 降至 18 d, 满足了在不 建造新污泥 罐的情 况下保 证消化 深度 的要 求[ 30] 。 经过经济论证, 两台超声波设备投资只需要建罐费 用的一小半, 而沼气产气量的提高为发电机组提供 了更多的能量, 有效地实现了污泥减量化、稳定化、 无害化和资源化。该例表明, 采用超声波强化污泥 厌氧消化处理以实现污泥减量化在实际应用中是经 济、可行的。
超声波的破解作用能够明显提高污泥脱水性能 和可降解性能, 可提高污泥厌氧消化的生物产气量 和有机物去除率, 缩短厌氧消化时间。与其他方法 相比, 该技术具有无污染、能量密度高、分解速度快、 应用方便、在短时间内迅速释放细胞内物质的优势, 但在促进细胞破碎后固体碎屑的水解却不如添加碱 和加热方法。同时, 超声波的作用受到污泥多项参 数( 温度、粘度和表面张力) 和超声波发生设备的影 响, 在短时间内还难以投入大规模的工程化应用。
污泥厌氧消化前处理方法有物理法、化学法和 生物法[ 6, 7] 。笔者综述了污泥厌氧消化的前处理技 术及其在国内外研究应用现状, 为厌氧消化技术在 污泥处理领域中的广泛应用提供科学指导。