城市污泥厌氧消化处理研究进展

1、城市污泥厌氧消化处理研究进展Vo1.24.No.122006年12月中国资源综合利用ChinaResourcesComprehensiveUtilization垃圾处理城市污泥厌氧消化处理研究进展台明青.一,贾东方,张丽莉,李磊,吴甲贵,李柯一,王宁(1_西安交通大学陕西生命科学与技术学院,陕西西安710049;2.南阳市环境保护科学研究所,河南南阳473060;3.南阳市环境保护监测站,河南南阳473060)摘要:对城市污泥利用厌氧消化处理的工艺前处理方法及其它相关相关研究进行了综述,并指出了城市污泥厌氧处理中今后要解决的问题和应用前景.关键词:城市污泥;厌氧消化;前昔和问题中图分类号:X7

2、03文献标识码:A文章编号:10089500(2006)12002104ResearchandDevelopmentonDisposalofSewageSludgeTa/Mingqing,JiaDon#anS,ZhangLili2,LiLei.,WuJiagui3,LiKeyi.,WangNi(1.SchoolofLifeScienceandTechnology,XianJiaotongUniversity,Xian710049,China;2.NanyangEnvironmentalProtectionInstitute,Nanyang473060,Chinas3.NangyangEnvir

3、onmentalProtectionMonitoringStation,Nanyang473060,China)Abstract;Ithasbeenreviewedthetechniguespretreatmentandquestionsthingsaboutthesewagesludgetreatmentwithanaerobicdigestionaroundtheworld,andpointsoutthatthequestionsneedtobefuaherresearchedandtheprospeativeonthesewagesludgetreatmentwithanaerobicd

4、igestion.Keywords:sewagesludge;anaerobicdigestion;prospectiveandquestions城市污泥是污水处理厂在对污水处理的过程中产生的固体或半固体的沉淀物质,通常包括初沉污泥和剩余活性污泥.城市污泥的特点是,第一产量大,以体积计为污水处理量的0.5%8.0%(含水率99%).目前我国城市污水年排放量已经达到414亿m,二级处理率达到15%,污泥产生量大约1500万t/a左右(按含水率97%计)El;第二成分复杂,不仅含有大量有机质和N,P,K等植物营养成分,而且含有很多病原微生物,同时还含有一定的重金属和其他有毒有害成分.这样就使城市污

5、泥的处理处置变得十分复杂.如何处理处置城市污泥,使之变废为宝,循环利用,达到污泥的减量化,无害化,资源化是摆在世界各国环保工作者面前的一项重要课题.在城市污泥的各种处理方法中,厌氧消化处理方法是研究较为深入,在生产实际中应用广泛的一种方法.本文就国内外对城市污泥厌氧的研究进展作了总结.1常规厌氧消化处理20世纪80年代以前,大多数的活性污泥均采用厌氧消化法处理,杀灭微生物病菌并生产部分可利用的沼气.影响厌氧消化的影响冈素主要有温度,分为低温,中温和高温二种消化温度;酸碱度,碱度一般应在100150度(以CaO计);搅拌方式,搅拌可以缩短消化时间,并在一定程度上提高产气量;生,熟污泥配比,投配率

6、一般在5%12%;碳氮比,一般碳氮比为(10-20):1时,消化效果较好;有毒物质,主要是重金属离子和某些阴离子.在常温厌氧污泥消化的停留时间分析研究中发现,常温消化的反应速率,产气率,有机物分解率均明显低于高,中温消化,为获得同一程度的产气率和有机物分解率,常温消化需150天以上的停留时间,而中,高温则为1230天.由于污泥水解速率低,传统的厌氧消化存在消化速率低,停留时间长(2030d),处理效率低(挥发性固体VS的去除率30%-40%)等不足.近年来,人们对污泥的预处理进行了大量研究,以期改善污泥的厌氧消化性能,提高处理效率,增大甲烷产量.2污泥厌氧消化的前处理技术收稿日期:200609

7、16作者简介:台明青(1964一),男,硕士,高级工程师,副所长,研究方向:三废资源化利用,已发表论文20多篇.一21垃圾处理中国资源综合利用第12期用超声波预处理污泥,然后再厌氧消化是研究的较多的一种方法.污泥经超声处理后,污泥絮体被分解,絮体尺寸变小,超声波处理30min前后,SCOD/TCOD由0.16提高到0.7左右,最高达到了0.8【引.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.目前德国,英国,瑞典,美国,澳洲等国家都正在进行把该技术应用于工业化的前期测试准备工作.污泥的热水解前处理技术也是近年来研究较多的方法之一,

8、它的机理是随着热水解温度的升高,污泥的水解速率和水解程度增大,低分子有机物和有机酸浓度增加,因此,经过热水解预处理的污泥容易厌氧消化,性能得到改善,污泥经过170oC,30min的热水解预处理后,上清液容易厌氧消化,TCOD去除率达到89.5%,同时悬浮固体的厌氧消化性能也得到提高,TCOD去除率为44.47%.但是热水解温度过高时,生成的中间产物在一定程度上抑制厌氧消化.最合适的热水解条件为170,30min,此时污泥中TC0D的沼气产率从热水解前的160mL/g提高到250mL/g.美国的Rajan.R.V等发现,在污泥中加入NaOH或Ca(OH)可以改善污泥的消化性能.污泥加碱预处理隅.

9、9得到广泛研究.结果表明,污泥加碱后可促进脂类和蛋白质的利用,另外可使厌氧消化反应皿内的pH值控制在产甲烷的最佳范围,从而提高污泥的甲烷产率,通常污泥固体浓度为0.5%一2%,碱的用量为8-16gNaOH/100TS.NaOH处理的污泥溶解性可达46%,甲烷气体产生量增长了29%-112%.在对废弃活性污泥的热处理,化学处理,热一化学预处理厌氧消化中,用130oC,pH值=13的条件和单纯用170oC两种状态去对污泥进行预处理,然后厌氧消化,结果表明在相同的停留时间下,后者对废弃活性污泥的去除更有效,它可以导致71%的COD的去除和54%的TS的降解.另外,还有臭氧氧化污泥前处理法,Fento

10、n试剂氧化预处理辐射照射污泥,一射线照射污泥前处理法和高能电子束预处理法等,但这些方法大多数还停留在实验室小试阶段.3污泥厌氧工艺的研究一22一为了提高污泥厌氧消化效率,除了对污泥进行前处理后厌氧消化研究外,还在污泥厌氧工艺上进行了大量研究.二相厌氧消化污泥工艺是把产酸阶段和产甲烷阶段分别放在二个反应器中进行,这样根据二个阶段的停留时间,pH值的不同分别进行控制,从而提高污泥厌氧处理效率1.南阳酒精厂采用2个5000m的厌氧发酵罐和1个3000m的UASB厌氧反应皿对高浓度酒精糟液进行处理|l2,温度控制5O一6OoC,CODcr有机负荷7.0kg/(m?d),处理后的厌氧消化液COD.=35

11、004300mg/L,BOD5=l500-2100mg/L,TN=400700mg/L,NH3一N=300600mg/L,碱度16002100mg/L,每天处理酒糟量为2000m左右,每天产沼气40000m左右,可供l0万户家庭用沼气,这也是我国利用酒精发酵产生沼气规模较大,运行较为成功的企业.在对厌氧消化方法的实验室试验的对比中l,几种方法包括高温一中温二阶段消化(TPAD),酸性发酵/产甲烷发酵二相消化,中温消化和高温消化四种工艺,结果表明总停留时问是820天.在TPAD的中温阶段温度变化范围为3543.3,在高温阶段的温度变化范围为5558.9.与单独中温消解停留时问l0一l2.5天和高

12、温消解停留时间l520天比较,TPAD有较高的VS去除率.在高温/中温双重降解处理活性污泥研究中",第一阶段高温降解为第二阶段的中温(35)消化提供种子作用.高温消化最初操作温度在55,水力停留时间4h,然后在60停留时间为311.中温消化水力停留时间分别为9天,l2天和l5天,在第一阶段60时系统有很好的挥发性固体的减少,当考虑甲烷产量时,在第一阶段的55和第二阶段水力停留时间为l2天时的条件更有效.由中温到高温转换过程中对城市污泥厌氧消化H中,最初消化为中温35c【=,水力停留时间为27天,有机负荷为1.26kgVS/m?d时,固体物质降解效率达54.3%,当生物气体产生达O.3

13、6m'/m3.d时,改变温度缓慢以0.38c【=/d增加直到43,再增加到45,然后保持45,运行32天,温度再升到52oC(没有加料),使停留时间为6552天,最后以0.13/d的速率再升到55,有机负荷率达1.48kgVS/m3?d,停留时间27d,固体物质降第12期台明青等:城市污泥厌氧消化处理研究进展垃圾处理解效率达53.3%VS,生物产气量达0.32m3/m3,d.在气浮浓缩污泥两相厌氧消化"中,研究了高温酸化(55(),中温甲烷化(35)两相和中温单相厌氧工艺处理气浮浓缩污泥的性能.结果表明对于较高浓度的气浮浓缩污泥在水力停留时间大于10d,挥发性固体的有机负荷小

14、于3.77kg?m_3.d的条件下,两相厌氧消化系统去除率可超过40%.4其他废弃物与城市污泥混合共厌氧消化为改变城市污泥的C:N比,达到以废治废,利用当地废弃物资源与城市污泥按一定比例混合后进行厌氧消化研究近年来也十分活跃.在易腐有机废物与剩余污泥混合厌氧消化处理中,易腐有机废物主要为秸杆,杂草,果蔬以及厨房垃圾.二者混合后固体含量分别为20%,30%,35%和40%,结果表明,在TS为20%,30%,温度35和rrs为35%,温度55时均未出现抑制现象.中温消化时VFA增加幅度大于高温消化.当TS增加到40%时出现了严重酸化,pH值维持在较低水平.消化液相COD经过短时间的上升后浓度较高,

15、在10000.020000.0mg/L之间.原料中纤维素含量对降解率影响较大,原料纤维素含量较低时降解率很小.在废弃食物与初沉污泥混合产生挥发性脂肪酸的酸性发酵¨研究中,废弃食物为养鸡饲料与污泥混合发酵,当饲料在污泥中含量为10%和25%(重量比),水力停留时间为1天,3天和5天,温度(环境温度18+2,中温35+2)和pH值从5.26.7.试验表明,在18+2时的挥发酸产生速率要高于在35+2的挥发酸产生速率.废饲料占10%时,当增加水力停留时间时,挥发酸增加到920mg/dm,但是当废饲料占25%时,水力停留时间为35天.由于挥发脂肪酸转化为生物气体后将减少2610mg/dm,考

16、虑到生物气体(CO和CH)的成分,有机物通过氧化方式在低温度下靠特殊微生物,有机物转化为CO,而中温和最佳pH值(6.37.8)对靠甲烷菌增加VFA变为生物气体的过程起了关键作用.挥发酸的产生速率和它们的转化决定于废饲料在污泥中的比例.在城市污泥和预水解过的含木质的农业废弃物混合共消化ll引中,预水解的底物可以被用来去渗透人木质纤维素的结构中,从而增加溶解有机物的量.消化液中有机负荷从0.8上升到6.1gCODkg/dm3.d,相应的挥发固形物负荷变化0.64.5/gVSfed?d.这个值耍稍高于污泥的传统消化池.在有机负荷率为4.6gCOD/din,?d时,甲烷最大产率达5.6mmoL/dm

17、d.可见,预水解的农业废物对去除木质素对于连续厌氧消化过程是必要的.5利用厌氧消化获得清洁能源氢气氢气作为一种清洁能源倍受大家关注,利用污泥厌氧发酵制氢,在降解有机物消除污染的同时又获取氢气.污泥厌氧发酵产氢的影响因素研究中,原污泥和经碱处理的污泥在不同初始pH值(3.0-12.5)条件下的产氢效果,以及污泥性质和污泥浓度等对产氢效果的影响.结果表明,当初始pH值为11.0时污泥发酵的产氢率达到最大值.6结语城市污泥厌氧消化处理在污泥处理中占有重要的位置,加之能回收沼气,制备氢气回收能源,在当今能源危机的形式下更具长远战略意义,但如何进行高效,实用的污泥厌氧处理工业化应用还需世界环保工作者作进

18、一步的深入研究,相信不久的将来,城市污泥厌氧处理的工业化步伐会离我们越来越近.参考文献1梁鹏,贾霞,钱易,等.污泥减量化技术的研究进展J.环境污染治理技术与设备,2003,4(1):44-522顾夏声,等.水处理工程M.北京:清华大学出版社.1989.2462473王治军,王伟.热水解预处理改善污泥的厌氧消化性能J.环境科学,2005,26(1):68714曹秀芹,陈垢,唐臣,等.超声处理后剩余污泥性质变化及分析J_环境工程,20o5,23(5):84865王治军,王伟.热水解预处理改善污泥的厌氧消化性能J.环境科学,2005,26(1):68716王治军,王伟.剩余污泥的热水解实验J.中国环

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