两种物理预处理对污泥厌氧消化性能的影响

—
1264． 5 ± 6． 6
超声波
7． 32 ± 0． 01
66． 5 ± 6． 1
285． 0 ± 0． 0
3． 67 ± 0． 06
1． 91 ± 0． 01
—
1274． 5 ± 12． 3
注： * 原污泥加蒸馏水稀释 1 倍后进行高压均质预处理。
1． 4 批式厌氧消化实验
试验采用 120 mL 血清瓶作为厌氧反应瓶，加入 底物污泥及接种物后通高纯氮气约 3 min 驱赶顶空 空气，再用蓝丁基橡胶塞塞紧并加铝密封盖，每组设
氧预处理对污泥破解度，VS 去除率及产气量的影 泥厌氧消化性能的影响。
响，结果表明在能量大致相同的条件下，超声波预处 理更具优势。
1 材料和方法
物理预处理不引入外源物质，可以减少新污染 1． 1 原污泥及接种物
物的产生，操作相对简单，其中超声波预处理已成为 较具应用前景的污泥预处理技术之一［13 － 14］，Xu［15］
污泥的能量回收、稳定化和减量化，因此在世界范围 内得到广泛关注和应用［1 － 3］。
剩余污泥主要由微生物细胞和胞外多聚物（ extracellular polymeric substances，EPS） 构成，由于污泥 絮体结构的存在及细胞壁对胞内有机物的保护，限 制了污泥厌氧消化中水解步骤的进行［4 － 6］。通过预 处理可以加速污泥水解并改善厌氧消化性能［7 － 8］。 污泥的预处理方法主要有物理法 （ 热处理、超声波
The Effect of High Pressure Homogenization and Ultrasonic Pretreatments on Sludge Anaerobic Digestion / CHEN Jing-tao1 ，TANG Zhi1 ，WU Bo1，2 ，GENG Yu-cong1，2 ，ZHOU Zheng1，2 ，YIN Xiao-bo1，2 / （ 1． Biogas Institute of Ministry of Agriculture，Chengdu 610041，China； 2． MoA Key Laboratory of Development and Application of Ｒural Ｒenewable Energy，Chengdu 610041，China） Abstract： The micromorphology，disintegration degree （ DDCOD ） ，volatile fatty acids （ VFAs） and biogas production were analyzed to compare the effects of high pressure homogenization and ultrasonic pretreatment on sludge anaerobic digestion． It was demonstrated that the floc structure in the sludge was destructed remarkably by both pretreatments，and the high pressure homogenization had stronger effect． Compared with the control group，VFAs and DDCOD of sludge increased by 206． 5% and 5． 4% respectively after treatment of high pressure homogenization，and VFAs increased by 589． 4% after 12 h of digestion，the biogas yield and specific biogas production increased by 57． 2% and 51． 4% in 20 d． While VFAs and DDCOD of sludge increased by 22． 9% and 2． 0% respectively after ultrasonic pretreatment，and VFAs increased by 507． 0% after 12 h of digestion，the biogas yield and specific biogas production increased by 18． 5% and 17． 3% in 20 d． The results showed that the performance of sludge anaerobic digestion was obviously improved by pretreatment of high pressure homogenization． Key words： sludge pretreatment； high pressure homogenization； ultrasonic； anaerobic digestion
置 2 个平行样，反应瓶放置在 35 ℃ 的恒温培养箱 中，试验周期共计 20 d。接种物与消化底物投加量 如表 3 所示。
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表 3 底物污泥及接种物投加量
试验组 高压均质 超声波 原污泥稀释 1 倍 原污泥
T11
60
－
－
－
T12
30
－
－
1． 3． 1 高压均质预处理 为防止原污泥堵塞高压均质阀［19］，将原污泥先
经 100 目筛网过滤去除大颗粒杂质，然后加蒸馏水 稀释 1 倍后再进行处理。均质次数 3 次，处理压力 在 47 ～ 61 MPa 间浮动。预处理后污泥性质如表 2 所示。 1． 3． 2 超声波预处理
超声波发生器工作频率 20 kHz，最大功率 200 W，微探头直径 2 mm。振幅调至 50% ，超声 / 间歇时 间设为 5 s / 5 s，总处理时间为 30 min。每次处理 样品 50 mL。预处理后污泥性质如表 2 所示。
产气量提高 26% 。高压均质预处理具有低能耗、显 和接种物的主要性质进行测定，结果如表 1 所示。
表 1 原污泥及接种物性质
项目
pH 值
VFAs / mg·L － 1 NH3 -N / mg·L － 1
TS / %
VS / %
TCOD / mg·L － 1 SCOD / mg·L － 1
原污泥
6． 82 ± 0． 01
剩余污泥是污水处理过程中的副产物，随着城 市人口增长与城市化建设发展，我国污水处理设施 数量也迅速增加，据中华人民共和国住房和城乡建 设部通告： 截至 2014 年 3 月底，全国设市城市、县累 计建成污水处理厂 3622 座。中国每年产生超过 3 × 1010 kg 脱 水 污 泥 （ 以 含 水 率 80% 计 ） ，其 中 约 80% 的污泥未经稳定化处理［1］。由于厌氧消化处 理能够将污泥的一部分有机物转化为沼气从而实现
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处理、高压均质处理、微波处理） 、化学法（ 酸处理、 碱处理、臭氧处理） 、生物法（ 酶处理） 等［9 － 10］。文献
著提高产气量、加快厌氧消化过程的特点［16 － 18］，但 目前研究相对较少。针对二者对污泥厌氧消化性能
对一些预处理方法的效果进行了比较研究，如谢波 等［11］研究了热水解、超声波和微波预处理对污泥破
－
T21
－
60
－
－
T22
－
30
－
－
C11
－
－
60
－
C12
－
－
30
－
C21
－
－
－
60
C22
－
－
－
30
（ mL） 接种物
20 20 20 20 20 0 20 0
理，可使污泥絮体结构破坏，微生物细胞壁和细胞膜 受损，胞内有机物释放到液相中［18，22 － 23］，因此污泥 质地变得更加细碎、均匀，如图 2 和图 3 所示。本实 验中高压均质较超声波预处理破碎作用更加强烈， 在光学显微镜下可以看出原污泥中一些较大的螺旋 状菌体、无机物颗粒经高压均质预处理后被彻底粉 碎，而超声波预处理后这些物质仍然部分可见。
摘 要： 通过对预处理污泥的微观形态，破解度（ DDCOD ） ，挥发性脂肪酸（ VFAs） 含量，产气性能等方面进行分析， 比较了高压均质和超声波两种预处理方法对剩余污泥厌氧消化性能的影响。研究结果表明： 高压均质和超声波预 处理都显著地破坏了污泥的絮体结构，但前者破坏作用更加强烈。经过高压均质预处理，污泥 VFAs 提高 206． 5% ，DDCOD 达 5． 4% ，厌氧消化 12 h 后 VFAs 较对照组提高 589． 4% ，20 d 底物产气量和产气率分别提高 57． 2% 和 51. 4% ； 经过超 声 波 预 处 理，污 泥 VFAs 提 高 22． 9% ，DDCOD 达 2． 0% ，厌 氧 消 化 12 h 后 VFAs 较 对 照 组 提 高 507. 0% ，20 d 底物产气量和产气率分别提高 18． 5% 和 17． 3% 。试验结果证明采用高压均质预处理对污泥厌氧消 化性能提高更显著。 关键词： 污泥预处理； 高压均质； 超声波； 厌氧消化 中图分类号： X705 文献标志码： A 文章编号： 1000 － 1166（ 2014） 06 － 0016 － 06
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两种物理预处理对污泥厌氧消化性能的影响
陈泾涛1 ，唐 治1 ，吴 波1，2 ，耿宇聪1，2 ，周 正1，2 ，尹小波1，2
（ 1． 农业部沼气科学研究所，成都 610041； 2． 农业部农村可再生能源开发利用重点实验室，成都 610041）
影响的比较尚鲜有报道。本研究分别以高压均质和 超声波为预处理手段，对预处理污泥微观形态，破解
解效果的影响，结果表明在能耗相同的条件下，超声 波破解效果最好； Braguglia 等［12］研究了超声波和臭
度（ DDCOD） ，挥发性wk.baidu.com肪酸（ VFAs） 含量，产气性能 等方面进行分析，比较了两种预处理方法对剩余污
试验用剩余污泥取自天津某污水处理厂，污泥 经静置 沉 淀 后 去 掉 上 清 液 部 分 直 到 TS 达 3% ～
等研究表明超声波预处理能提高厌氧消化效率达 7% ～ 8% ，Braguglia［12］等研究表明超声波预处理后
4% ，置于 4℃ 冰箱保存。先取部分污泥经批式厌氧 消化 20 d 后作为接种物使用。实验前对底物污泥
收稿日期： 2014-10-16 项目来源： 科技部十二五农村行业专项（ 201303101-2A） 作者简介： 陈泾涛（ 1982 － ） ，男，硕士研究生，主要从事污泥厌氧消化研究，E-mail： chen-jingtao@ 163． com 通信作者： 尹小波，E-mail： xiaoboyin@ aliyun． com． cn
表 2 预处理污泥性质
项目 高压均质*
pH 值 7． 23 ± 0． 01
VFAs / mg·L － 1 NH3 -N / mg·L － 1
82． 9 ± 7． 8
288． 4 ± 4． 9
TS / % 1． 78 ± 0． 01
VS / % 0． 98 ± 0． 02
TCOD / mg·L － 1 SCOD / mg·L － 1
1． 2 仪器设备 AH100B 型高压细胞均质仪（ ATS 工业系统有
限公司，加拿大） ； GM3200 型超声波发生器 （ BANDELIN electronic GmbH ＆ Co． KG，德国） ； ECLIPSE 80i 型显微镜（ 尼康公司，日本） ； Avanti J-26XP 型离 心机（ 贝克曼库尔特有限公司，美国） ； 7820A 型气 相色谱仪（ 安捷伦科技有限公司，美国） ； GC112A 型 气相色谱仪（ 上海精密科学仪器有限公司，中国） ； pHS-25 型数显 pH 计（ 上海仪电科学仪器股份有限 公司，中国） 。 1． 3 污泥预处理
54． 1 ± 4． 5
247． 4 ± 5． 7
3． 65 ± 0． 02 1． 89 ± 0． 03 36740． 0 ± 1961． 5 558． 8 ± 3． 3
接种物
6． 99 ± 0． 01
39． 3 ± 2． 8
565． 4 ± 10． 7 3． 55 ± 0． 01 1． 73 ± 0． 02 26723． 5 ± 1775． 5 282． 8 ± 9． 3