厌氧系统中热、碱处理对污泥减量化的影响-水质净化与水污染防治理论与技术

摘 要加热、碱解预处理通过释放污泥细胞物质实现污泥减量，具有技术实现简单，操作方便、相对较成熟等特点，是目前应用研究较为广泛的污泥减量化方法之一。本试验以城市污水厂剩余活性污泥为对象，研究了加热、碱解预处理对污泥泥质、溶胞效果的影响，以及预处理污泥与原污泥的不同混合比对后续中温厌氧消化性能的影响。预处理试验主要对比了不同加热条件下以及不同碱解条件下污泥的溶胞破解效果。分析数据得出：加热温度越高，处理时间越长，污泥溶胞效果越好，有机物的溶出率越大，在90下加热8h后的SCOD占总释放量的74% ；同样碱解pH越大且碱解时间越长，碱解效果也越好，pH=12 时碱解12h的污泥SCOD浓度迅速增加，后缓慢增长呈稳定状态；两种预处理方法均能在一定程度上降低污泥的SS浓度，但碱处理的破解效果更好。经综合比较，分别选定90下加热8h、pH值为12下碱解 12h条件下的预处理污泥与原污泥按照不同比例混合后，投入到厌氧反应器进行厌氧消化，与对照组相比，研究不同混合比条件下的污泥中温厌氧消化效果。试验发现，加热条件下的各试验组的SS浓度变化幅度相当，SCOD浓度降解度最大的是混合比为3:1试验组，达到80%，较原污泥组提高26%，可见混有原污泥的试验组可促进污泥厌氧消化。碱解试验组混合比为1:4、1:3试验组在混合初期pH 能迅速恢复到中性，SS浓度减少率为48% 左右，相比较原污泥组的提高了10%，有更高的污泥减量率；SCOD浓度的减少率为80%左右，比原污泥提高20%；而空白对照组因未发生溶胞作用，污泥各参数指标均保持在较低水平，降解率也较低。 结果两种方法，预处理污泥和原污泥按一定比例进行混合投入厌氧反应器中进行消化，既可提高污泥减量率又可使能量消耗降低，又能提高污泥的厌氧消化性能。关键词：热处理；碱处理；污泥减量；混合比；厌氧消化IIABSTRACTBy releasing the sludge cell material, heating, alkaline pretreatment can realize excess-sludge reduction, which have simple technology, convenient operation and are relatively mature, and are currently one of the sludge reduction method which have been widely applied research. The effects on the characteristic and lysis of sewage sludge are studied in this experiment by heating and alkaline pretreatment, respectively. The efficiency of follow-up mesophilic anaerobic digestion, which the pretreatment and original sludge were mixing with a certain mixing ratio.The pretreatment experiment compared the different disruption efficiency of sewage sludge mainly, under different conditions by heating,alkaline respectively. The experimental results showed that, higher heating temperature and longer heat time were more benefited for the release rate of organisms. The release rate of soluble chemical oxygen demand (SCOD ) was about 74% which sludge was pretreated by 90 with 8 hours. As also larger alkaline pH and longer alkaline hydrolysis time, the better effect of alkaline hydrolysis. The SCOD increased rapidly which sludge was pretreated by alkaline at pH of 12 with 24 hours and then increased slowly and became stable.Two pretreatment methods all removed much of SS. And alkaline hydrolysis had the better lysis effects.After the synthesis comparison, the sludge which was pretreated respectively by 90with 8 hours, alkaline hydrolysis at pH of 12 for 12 hours, mixed with original sludge at a certain mixing ratio to digest. Researched the efficiency of mesophilic anaerobic digestion at different mixing ratio compared with the control group.The experimental results showed that, it could be also observed that there were no obvious differences for the concentration of SS among the experiment series; and the test that setting a 3:1 mixing ratio obtained a higher SCOD degradation rate (80%), which was 26% higher than the original sludge. It could be concluded that the heat-treatment approach can significantly enhance the sludge biodegradability. The pH of experimental group with the ratio of 1:4 and 1:3 returned to neutral quickly, while the reduction rate of SS is about 48%, compared with the raw sludge group increased by 10%.The reduction rate of SCOD was about 80%, 20% higher than the original sludge , Otherwise, the degradation rate of original sludge maintained at a low level since the concentration of other items was low without lysis effect. The results show that the original and pretreatment sludge were mixed with a certain IIImixing ratio in an anaerobic digestion reactor could facilitate the reductions of excess-sludge production and energy consumption.Key words: heat treatment; alkaline treatment; excess-sludge reduction; mixing ratio; anaerobic digestion 目 录摘 要 .IABSTRACT.II第一章 绪论1.1 我国的污泥处置状况 .11.1.1 污泥特点 .11.1.2 污泥处置技术 .21.1.3 污泥处置现状 .41.1.4 污泥的环境危害 .51.2 污泥预处理技术进展研究 .61.2.1 污泥减量化原理 .61.2.2 传统污泥减量方法 .61.2.3 新型污泥减量技术 .81.3 加热、碱预处理技术的研究现状 .111.3.1 热水解机理 .111.3.2 碱解机理 .111.3.3 国内外研究进展 .111.4 试验研究背景及目标、内容 .131.4.1 研究背景及目标 .131.4.2 研究内容 .14第二章 实验方案及材料2.1 污泥来源及性质 .152.2 试验方法和步骤 .152.2.1 污泥预处理试验 .152.2.2 污泥厌氧消化试验 .152.3 分析项目及方法 .172.4 试验装置及仪器 .17第三章 热/碱预处理方法对污泥泥质的影响 .193.1 热预处理对污泥泥质的影响 .193.1.1 热预处理对 SS 和 SCOD 的影响 .193.1.2 热预处理对溶解性蛋白质和溶解性多糖的影响 .203.1.3 热预处理对 TP 和 TN 的影响 .213.1.4 热解预处理对氨氮的影响 .223.2 碱预处理对污泥泥质的影响 .223.2.1 碱预处理对 pH 和氨氮的影响 .233.2.2 碱预处理对 SS 和 SCOD 的影响 .243.2.3 碱处理对溶解性蛋白质和溶解性多糖的影响 .253.2.4 碱预处理对 TP 和 TN 的影响 .263.3 本章小结 .26第四章 混合比对污泥的厌氧消化的影响4.1 热处理后的混合比对污泥厌氧消化的影响 .284.1.1 对 pH 和氨氮的影响 .284.1.2 对 SS 和 SCOD 的影响 .294.1.3 对溶解性多糖和溶解性蛋白质的影响 .304.1.4 对产气量的影响 .314.2 碱处理后的混合比对污泥厌氧消化的影响 .324.2.1 对 pH 和氨氮的影响 .324.2.2 对 SS 和 SCOD 的影响 .334.2.3 对溶解性多糖和溶解性蛋白质的影响 .344.2.4 对产气量的影响 .354.3 本章小结 .36结论.37参考文献.39致谢 .43附录 .45第一章 绪论1第一章 绪论1.1 我国的污泥处置状况1.1.1 污泥特点污水处理的各工艺单元组会产生一种固液混合的附属产物，这就是我们所知的污泥。它是一种含生物介质的流体，含水率高，由于表面带有电荷，分散性较强，很难通过沉降进行固液分离。总体上说，我国污泥具有以下几个特点 1-2：(1)有机物含量低。据调查，我国城市污水污泥中有机物含量一般在 50左右，近年来随着我国经济的快速发展以及居民生活水平的提高，这一比例在逐年上升。由于每个城市居民的生活习惯和饮食结构不同，生活污水具有地域性的特征，加之污废水排水管网未能全网覆盖，居民卫生设施的不完善，使得公共厕所的污水不能全部排入污水系统；而经济水平和产业结构的不同，则造成工业废水质与量的不同，工业废水与城镇污水汇流则降低了混合污水中的有机含量。污泥有机物含量越高，热值也相应较大，可被焚烧处理或者进行厌氧消化。(2)pH 值和酸碱度基本正常。酸碱度和 pH 是影响污泥厌氧消化的重要因素。产甲烷菌对 pH 适宜范围大致为 6.67.5，即只允许在中性附近波动，否则抑制系统厌氧消化反应。我国城镇污水污泥 pH 值多在 67 的范围内，总碱度在 20mg/L，属正常范围。(3)高碳水化合物、低脂肪。有学者对多个污水处理厂的初沉污泥和剩余污泥有机质含量进行检测分析，发现污泥中碳水化合物、蛋白质含量高，脂肪含量较少。这与我国城市居民的饮食结构有关，以植物性食物为主，动物性食物为辅，所以有机物含有较多的碳水化合物，低脂肪含量，而欧美国家人均消费的肉类和奶制品相对较多，其污水污泥具有高脂肪、高蛋白质的特点。(4)重金属超标。据 2010 年国家环保总局发布第一次全国污染源普查公报的数据显示，工业废水占污水处理厂污水处理总量的 6.1%，经处理实施消减后排入环境水体的重金属仍有 0.09 万吨。重金属不易降解，十分稳定，它们一旦进入水体，除了食物链累积外，还通过吸附沉淀转移到污泥中。研究发现，废水中 7090重金属离子最终沉积到污泥中，主要是铬、镉、砷、铅、汞等。它们是污泥资源化利用的最主要障碍。厌氧消化反应时，重金属离子对微生物具有抑制作用，与酶结合，使其失去活性；重金属离子的絮凝作用，也可使酶沉淀，影响厌氧消化反应的进行。(5)碳氮比(C/N)较为适宜。C/N 在(1020:1) 的范围内为宜，可为细菌生长提供所硕士学位论文2需营养，厌氧消化效果好。我国城市污水污泥虽为高碳水化合物类型，但工业废水所占比例较大，尤其是轻纺工业发达，污泥氮含量较高。当(C/N)较低，pH 值可能上升，铵盐容易积累，会抑制厌氧消化过程。1.1.2 污泥处置技术污泥处置是将处理后的污泥置于环境中能长期稳定，不危害生态环境和人类健康的最终消纳方式。污泥处置方式的选择是根据本地区的地理环境、经济水平、交通运输、技术措施等因素而确定的，也会随着当地经济和生活水平的提高而改变。目前，污泥的主要处置方式有：卫生填埋、投海、焚烧、土地利用等。各种处置方法在实际应用中都有利有弊，污泥处置方法如下 3,3-4。(1) 卫生填埋填埋可分为一般填埋和卫生填埋。前者污染空气与水源，破坏环境，现已被限制使用。现行的填埋方法以卫生填埋为主，其始于 60 年代，目前已是一项较成熟的处置技术。它的主要优点是操作简单、处理量大、适应性强、见效快，但污泥运输和填埋场地费用较高；填埋地基需作防渗处理，否则发生渗漏会污染地下水和水源；现行可供填埋的场地也越来越少；填埋场的废气排放等问题。可见卫生填埋并不能从根本上避免环境污染，而只是延缓了发生的时间，不是污泥处理的有效途径。近年来，欧盟、美国污泥填埋处置所占比例越来越小，但其仍是我国主要的污泥处置方法之一。(2) 大海投弃大海投弃是指将处理后的污泥或生污泥直接投弃在海洋中，利用海洋的稀释与自净作用处置污泥。对于海岸城市来说，这种处置方法操作简单，处置费用较低。据2011 年的中国环境状况公报中的数据显示：我国监测的 432 个直排海工业污染源、生活污染源和综合排污口的污水排放总量为 47.4 亿吨。四大海区中渤海和东海近岸海域水质差，9 个重要海湾中，胶州湾、辽东湾水质差，渤海湾、长江口、杭州湾、闽江口、珠江口水质极差，可见我国近海岸水域总体水质一般，对近海岸的海洋渔业及生态环境均产生恶劣影响。随着生态意识的加强和海洋环境监测的跟进，研究发现这种处置对海洋生态系统和人类食物链都会构成威胁，甚至引发全球性环境污染问题。因此很多国家已先后禁止向海洋倾倒污泥，如美国、欧盟。(3)焚烧污泥焚烧是指在一定温度和有氧条件下，依靠自身热值或辅助燃料，使其有机组分发生氧化（燃烧）反应生成二氧化碳和水蒸气等气相物质，无机组分形成炉灰/渣等固相惰性物质的过程。污泥焚烧过程排放的主要污染物有恶臭气体、烟气、灰渣、飞灰和废水。若不妥善处置就排放，会对环境产生影响。污泥焚烧工艺包括污泥单独焚烧，混合焚烧技术。混合焚烧技术包括污泥与生活垃圾混烧、污泥与水泥窑协同处置、第一章 绪论3污泥与燃煤电厂协同处置等。焚烧处置可大幅减小污泥固体量，亦可灭菌，处理时间短，占地小，余热可用来发电或供热等优点，在发达国家应用较为广泛，但初期的设备的投资和后续的运行费用都比较大，目前在我国也具有一定的应用规模。如上海石洞口污水处理厂主要采用干化- 焚烧污泥处理工艺，将干化后的污泥(含水率 5%6%)进行焚烧，采用国产的鼓泡流化床焚烧系统，污泥焚烧产生的烟气经烟气净化系统处理后排入大气，运行期间，各项排放指标均达到国家标准。某科研单位在杭州市临浦工业园区建成了一座污泥焚烧工艺的示范工程，将干化后的污泥（含水率为 2030%）直接投入回转式焚烧炉焚烧，焚烧系统产生的灰渣则送往附近砖厂制砖，将污泥充分资源化。由上可见，污泥焚烧前要进行脱水或热干化处理，以提高污泥热值，减少燃料和其他物料的消耗。(4) 土地利用我国自第一座城市污水处理厂建成投产后，污泥即施用于农田，已有 25 年的土地利用史，实践虽时长，但污泥土地利用的理论研究却很缺乏。污泥土地利用是指将稳定无害化的污泥施用于土壤的一种污泥处置方式。可施用于农田、园林绿化、林地以及用作土壤修复及改良等，是最有发展潜力的处置方式。园林绿化、林地的土地利用是比较经济环保的处置方式，它不易造成食物链的污染。污泥还可用作采煤场、垃圾填埋场、露天矿坑和取土坑场等场地的修复和改良土。这些污泥利用方式不仅减少了其对人类生活的负面影响，还处置了污泥，使污泥重新融入生态环境中。污泥土地利用后的益处有：可提高土壤持水能力、降低容重、增大孔隙度，改善土壤结构，增加土壤有机质含量；增加土壤微生物的数量，如细菌、放线菌，还可改变土壤微生物的种群结构，如硝化细菌所占比例增大；污泥中含有大量的氮和磷，也含有钾、铁、钼、硼等微量元素，为植物提供所需养分，促进植株对养分的吸收，有增强植物生长能力以及增产作用。当然长期不合理的施用污泥同样会对土壤带来负面影响，要根据污泥性质和施用对象以及其它影响因素科学合理的施用。(5) 其他处置新技术国内外均在开拓污泥处置的新途径，根据污泥特性将其资源化。美、德等国家的学者研究利用污泥制作动物饲料，日本学者研究将污泥用于玻璃生产，中国学者对污泥用于造纸的可行性进行了研究。污泥还可作为原料制造各种建筑材料，如污泥水泥、生化纤维板、污泥砖和生物陶粒。日本是利用污泥制生态水泥的先驱，2001 已建厂投产。此外，污泥还有其它几种处置利用方式，如炼燃料油、可生物降解塑料、制泡沫灭火剂、制粘结剂、吸附剂等。污泥有机质在低温热解过程中，可生成油、炭和可燃气，可用其制燃料油，外国学者已开展中试规模的研究，以期用于实际生产。聚羟基烷酸是种生物聚酯，具有与聚乙烯相似的热塑性和力学性能，是新一代可生物降解塑料，已有学者开展利用活性污泥、剩余污泥合成聚羟基烷酸的研究。硕士学位论文41.1.3 污泥处置现状我国开展污泥处理起步较晚，也未重视污泥的不善处置带来的危害，污泥处理仅是简单的浓缩脱水外运。且其在管理体制上的混乱、技术创新的缺乏和监管监控的缺失等，已经给污水处理厂的运行管理和环境带来了诸多难题，主要表现在以下几个主要方面 1,2,4,5-6：(1) 污泥处理处置管理体制上的混乱我国污水处理及污