超声波预处理提高污泥好氧消化性能研究

第!卷第#期环境工程学报$%&’!!(%’#!))*年#月+,-./0/1%23.4&%56.7-3%.8/.94&6.:-.//3-.:;4!))*超声波预处理提高污泥好氧消化性能研究诸一殊余光辉何品晶!邵立明同济大学环境科学与工程学院污染控制与资源化研究国家重点实验室!长江水环境重点实验室!上海!)))?!#摘要为评价超声波预处理对提高污泥生物消化的作用!采用超声波预处理与好氧消化衔接!测试了污泥消化的溶解性有机物M+AV#&dMM及蛋白酶变化过程%结果表明!污泥超声波预处理效果较好的能量密度与时间分别为=!\KgF和=)8-.!此时有机物释放与能量输入之比较优$在此条件下!经预处理后的污泥好氧消化性能明显比未处理的高%消化时间为=)a#W时!经超声波预处理的污泥dMM减量!aD‘!而未处理的污泥仅减量!)a?‘%经超声波预处理后!污泥中的蛋白酶活性明显提高$同时!超声波预处理释放出较多的可溶性物质%因此!增加的可溶性物质与蛋白酶活性使得污泥迅速降解!提高了污泥好氧消化效率!缩短了污泥好氧消化时间%关键词污泥好氧消化超声波预处理蛋白酶中图分类号hD)#文献标识码C文章编号=BD@E?=)*!))*#)#E)B?)E)Q1&’(D$1$+#(/%$7)$%-34)$$’(2*,4*)$%#*2*-*#.2.3-#’%(+*,&’$#’$#1$+#H,2b-0,2b2I24.:,2-P/G-.T-.:M,4%F-8-.:M949/N/F4O%349%3%5G%&&29-%.+%.93%&4.Wl/0%23Q/0l/20/!N/F4O%349%3%5b4.:9J/l-7/3K49/36.7-3%.8/.9!+%&&/:/%56.7-3%.8/.94&MQ-/.Q/4.W6.:-.//3-.:!d%.:T-R.-7/30-9!M,4.:,4-!)))?!#52%#’,#d,/M+AV!dMM4.WX3%9/40/[/3/8/4023/W-.%3W/39%/74&249/9,/-8X3%7/8/.9%50&2W:/.04/3%O-QW-:/09-O-&-9O2&9340%.-QX3/93/498/.9’d,/X3/5/34O&/Q%.W-9-%.0%52&9340%.-QX3/93/498/.9[/3/=!\KgF%5/./3:W/.0-94.W=)8-.%5&409-.:9-8/![,/.Q%.0-W/3-.:9,/3/&/40/WM+AV4.W9,//./3:-.EX29’C59/39,/X3/5/34O&/2&9340%.-QX3/93/498/.9!9,/X/35%384.Q/0%54/3%O-QW-:/09-%.[/3/:3/49&-8X3%7/W!-’/’!-.W-Q49/WO43/W2Q9-%./55-Q-/.Q%5!aD‘!Q%8X43/W9%!)a?‘%59,/Q%.93%&49=)a#W40’d,/X3%9/40/4Q9-7-9-.0&2W:/[404&0%-.7/09-:49/W’C59/39,/2&9340%.-Q93/498/.9!9,/X3%9/40/4Q9-7-9[40843\/W&-8EX3%7/W!4.W0%&2O&/%3:4.-Q0[40:3/49&3/&/40/W’C043/02&9!9,/4/3%O-QW-:/09-%.349/[40-8X3%7/W4.W9,/W-:/09-%.9-8/[400,%39/./W’6$.7(’4%0/[4:/0&2W:/$4/3%O-QW-:/09-%.$2&9340%.-QX3/93/498/.9$X3%9/40/基金项目!国家’*B@(高技术研究发展计划项目!))BCC)BH@*#收稿日期!!))D]==])$修订日期!!))D]=!]!*作者简介!诸一殊=?*#^#!女!硕士研究生!主要从事固体废物处理与资源化研究工作%!通讯联系人!6E84-&)0%&-W[409/_84-&’9%.:T-’/W2’Q.城市污水生物处理过程中会产生大量的污泥!污泥处理处置不当会造成严重的二次污染!污泥管理已成为人们关注的热点*=+%污泥的高含水率和生物不稳定性易腐败&有强烈的臭味#是污泥处理处置的主要问题*!+%污泥生物消化具有有机物减量化和稳定化的作用!是污泥处理的关键单元工艺%污泥生物消化工艺发展的基本方向是提高污泥有机物的消化降解比例和降解速率*@+%超声波处理作为一种污泥物化预处理手段!通过超声空化作用产生的局部高温&高压和极强的剪切力*+!可使生物难降解的有机物在声化学反应下分解!促进胞内溶解性有机物释放!表现为污泥可溶性+AVM+AV#占总+AV的比例上升!改善污泥有机物的微生物可利用性*#+%通过超声波处理对污泥絮体的破碎作用!还能促进各种受絮体束缚的胞外酶的释放!有助于对污泥中大分子有机组分的生物代谢%例如!污泥有机组分中含量最高的蛋白质!通常其分子量;K#i=))))!必须被蛋白酶水解为小分子;Ku=)))#后!才能被微生物利用*B+%这也是超声波处理从另一个方面具有提高污泥生物消化效率的原因%本实验将超声波预处理与污泥好氧消化相衔接!研究了超声波预处理对污泥好氧生物消化的影第#期诸一殊等)超声波预处理提高污泥好氧消化性能研究响!以评价其对提高污泥消化效率的作用%89材料与方法8’89材9料所用污泥取自上海市某城市污水处理厂曝气池%污泥取回后!经过!,的静置沉淀!撇去上清液!得到浓缩污泥%浓缩污泥过=a!88孔径筛后!用于超声波预处理及好氧消化试验%浓缩污泥基本性质为)dMM!)’)s)’:gF!$MM=D’*s)’!:gF!粘度=’)s)’=8G4/0!+AV!)?))s=))8:gF!M+AVDs?8:gF%8’;9仪9器实验所用超声波处理器fMEB))型!上海生析仪器有限公司#频率为!)\PJ!它由=个超声波发生器和与之相连的直径=@88的探头组成!此探头直接作用于被处理的污泥中%待处理污泥盛放在隔音箱里的烧杯中!通过调节底部升降台!使探头伸入污泥液面下约=)88%超声功率从=!)K至B))K共有#个调节档!每档间隔=!)K%超声波处理装置如图=所示%图=超声波处理装置示意图f-:’=MQ,/849-Q%52&9340%2.W3/4Q9%38’9实验方法=’@’=超声波预处理方法实验分为!个阶段)第=阶段)确定最佳预处理工况%在不同的超声波能量密度和时间组合下!对于浓缩污泥样品进行超声波预处理!通过对处理后污泥M+AV的测定和能量有效性分析!确定最佳的处理工况%第!阶段)采用第=阶段得到的最佳工况对污泥进行预处理!然后与未预处理污泥同时进行历时=!W的好氧消化%在此过程中!监测污泥总悬浮固体dMM#!以及污泥中的蛋白酶的变化!并与未经预处理的污泥作对比%=’@’!好氧消化方法好氧消化反应器为三角锥瓶有效体积))8F#%首先!在=个反应器中加入超声波预处理后的污泥!在另=个反应器中加入未经超声处理的污泥作为对照$然后!将这!个反应器用浸湿的饱和真空棉封口!防止反应器内水分蒸发$最后!将这!个反应器放置在=@)3g8-.转速的摇床富华有限公司!型号P$EB!江苏省#上进行好氧消化反应!以确保反应器中溶解氧浓度i8:gF%在消化过程中!温度保持在!)^!#e%8’C9测试方法样品通过中速定性滤纸后得到的滤液的+AV值为M+AV%M+AV和+AV采用PC+P公司仪器测定PC+PVlg!)))!PC+P公司#%粘度采用旋转粘度测定仪(V1ED!上海精密仪器有限公司#%dMM采用RM6GC法*D+%蛋白酶采用福林E酚试剂法测定**+%;9结果与讨论;:89超声波预处理能量密度和时间对OKJP的影响超声波预处理可使污泥中不易被微生物利用的颗粒状物质转化为易被微生物利用的可溶性物质%图!4#为在超声波预处理时间为!8-.条件下!能量密度与处理后污泥M+AV的关系%由图可知!在超声时间为!8-.条件下!污泥经@\KgF超声波处理后!M+AV从原来的Da#8:gF迅速增加到=)!’#8:gF$随着超声波能量密度的增加!污泥的M+AV逐渐增加!但增加幅度不大%在超声波能量密度为=!\KgF时!M+AV达到最高!为@\KgF时的=#Da‘$而能量密度为=#\KgF时!M+AV反而有所降低!这可能是过高的能量密度产生了’空穴(现象!使M+AV发生了氧化所致%由此!以超声波处理单位能量输入的M+AV释放效率为依据!超声波预处理能量密度选择为=!\KgF%图!O#为在能量密度=!\KgF条件下!处理时间与M+AV的关系%由图可知!在能量密度=!\KgF条件下!随着超声波处理时间的延长!污泥中M+AV先迅速增加!而后增加速度逐渐减缓%在超声波处理时间=)8-.时!M+AV达到最高!为!@Da#8:gF%因此!超声波预处理时间选择为=)8-.%王芬等*?+在能量密度为=a\KgF的条件下!=?B环境工程学报第!卷对含固率为=‘和)a#‘的污泥进行超声处理!结果发现!随着超声时间的延长!含固率为=‘的污泥M+AV呈线性增长趋势$而对于含固率为)a#‘的污泥!则随时间的延长!M+AV增加逐渐减缓%这说明M+AV随时间的释放变化可能和输入能量与含固率的比值有关!即对于同种污泥!能量过高会影响表观的M+AV释放!这与本文的结论是一致的%图!超声波预处理对M+AV的影响f-:’!Z.5&2/.Q/%52&9340%.-QX3/93/498/.9%.M+AV;’;9超声波预处理对污泥好氧消化效果的影响在超声波预处理能量密度@\KgF和时间=)8-.的条件下!预处理污泥与原状污泥好氧消化过程中dMM的变化如图@所示%由图@可知!超声波预处理后污泥的dMM下降了==a*‘%这主要归因于超声波处理可使污泥中不溶物转化为可溶物!从而导致了dMM的下降!这与超声处理后M+AV的上升是相对应的%在好氧消化过程中!dMM随消化时间的增加均逐渐下降%在消化时间为=)a#W时!超声波预处理的污泥dMM减少!aD‘!而原污泥的dMM仅减少!)a?‘!经超声波处理的污泥减量程度是未经处理的污泥的!倍多%这主要是由于在超声预处理阶段即溶解了很大一部分污泥!另外!超声波处理可使得污泥颗粒的平均粒径减小!这使剩余的污泥颗粒更易分散及与酶和微生物接触!从而促进了好氧消化%目前!仅有少量文献报道了超声波预处理提高污泥的好氧消化性能研究*#!=)+%V-.:等人研究发图@好氧消化过程中dMM变化f-:’@dMMW23-.:4/3%O-QW-:/09-%.现!经超声波预处理!*\PJ!)a?)\KgF!=)8-.#后污泥好氧消化=)^=W!dMM去除率达到)‘以上$而未处理的污泥则需=DW后!才能使dMM去除率达到)‘以上*=)+%M4.:47/等人发现!污泥经超声波预处理!!a#\PJ!)a=!\KgF!@)8-.#后好氧消化*小时!+AV去除率可高达=@‘$而未处理的污泥消化后!+AV去除率仅为=a*‘*#+%与这些文献结果相比!本研究的超声波预处理!)\PJ!@\KgF!=)8-.#后污泥的好氧消化性能更好!这可能与本试验采用的超声波预处理能量密度较高或频率较低有关%由于超声波产生的’空穴(气泡半径与频率成反比!在低频率时会产生更小的气泡!导致产生更大的剪切力*@+%因此!低频率的超声波会对污泥的破碎效果更显著!从而使后续的好氧消化效果更好%与其他预处理方法相比!超声波预处理的主要缺点是能耗较高%本实验中超声波预处理所用能量为?)\1g:!消化=)a#W后污泥dMM比未处理的污泥减少了a:gF%超声波预处理能耗较高的主要原因是由于超声波发生器的能量转换效率较低引起的%随着技术的发展!超声波发生器的能量转换效率将会逐步提高%因此!超声波预处理在污泥管理上仍有较大的潜力%;’9好氧消化过程中蛋白酶活性的变化蛋白质是污泥中含量最多的有机物!而蛋白质只有通过胞外蛋白酶水解后才能为微生物所利用%因此!污泥蛋白酶活性直接影响到污泥