超声联合低温热水解促进剩余污泥破解和厌氧消化的研究

中国环境科学2016,36(9)：2703~2708ChinaEnvironmentalScience超声联合低温热水解促进剩余污泥破解和厌氧消化的研究徐慧敏1,何国富1*,戴晓虎2,3,象伟宁1,4(1.华东师范大学生态与环境科学学院,上海200241；2.同济大学城市污染控制国家工程研究中心,上海200092；3.同济大学环境科学与工程学院,上海200092；4.上海城市化生态过程与生态恢复重点实验室,上海200241)摘要：为了探索超声和低温热水解预处理技术对剩余污泥厌氧消化性能的影响,进行了单独超声、单独热水解和二者联合的实验研究.以温度和超声能量为控制参数,研究了不同预处理技术对污泥破解度DD(DisintegrationdegreeofSCOD)和有机质溶出的影响.结果表明:联合预处理技术对DD和有机质浓度的增加效果比超声和热水解单独作用之和分别高4.04%、36.62mg/L.DD和实际输入能量之间存在较高的线性相关性(R2=0.977),即在本研究条件下,输入能量越高,污泥破解效果越好.超声和热水解联合预处理后污泥厌氧消化产甲烷量较原泥增加了30.2%~55.4%.DD和厌氧消化性能之间存在二次非线性关系(R2=0.821),且厌氧消化性能最高达到877.76LCH4/kgVSS去除,该峰值出现在超声能量12000kJ/kgTS和热水解温度80℃联合作用条件下.关键词：厌氧消化；低温热水解；超声；剩余污泥；甲烷产率中图分类号：X703.1文献标识码：A文章编号：1000-6923(2016)09-2703-06Theeffectsofcombinedultrasoundandlowtemperaturethermalpretreatmentsondisintegrationandanaerobicdigestionofwasteactivatedsludge.XUHui-min1,HEGuo-fu1*,DAIXiao-hu2,3,XIANGWei-ning1,4(1.CollegeofEcologicalandEnvironmentalScience,EastChinaNormalUniversity,Shanghai200241,China；2.NationalEngineeringResearchCenterforUrbanPollutionControl,Shanghai200092,China；3.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China；4.ShanghaiKeyLabforUrbanEcologicalProcessesandEco-Restoration,Shanghai200241,China).ChinaEnvironmentalScience,2016,36(9)：2703~2708Abstract：Toexploretheeffectsofultrasoundandlowtemperaturethermalpretreatmentsonanaerobicdigestionofwasteactivatedsludge(WAS),ultrasound,thermal,andcombined(ultrasound+thermal)pretreatmentswereconducted.Takingtemperatureandspecificenergyascontrolparameters,disintegrationdegreeofSCOD(DD)andorganicdisintegrationbeforeandafterpretreatmentsweremeasured.Priortoanaerobicdigestion,combinedpretreatmentsignificantlyimprovedDDandsolubleorganicmatterconcentrationswhichwerebetterthanthesumofultrasoundandthermalpretreatments.Thecombinationofultrasoundandthermalpretreatmentunderspecificenergyof12000kJ/kgTSandtemperatureof80℃,DDandsolubleorganicconcentrationwere4.04%、36.62mg/Lhigherthanthesumofpretreatmentalone.Besides,therewasahighlylinearrelationshipbetweenDDandactualenergiesimpartedtosludge(R2=0.977).CombinedpretreatmentsimprovedthemethaneproductionofWASduringanaerobicdigestionby30.2%~55.4%thanuntreatedsludge.ItwasalsofoundthatDDandanaerobicbiodegradabilityhadaconicalrelationship(R2=0.821).Theoptimumanaerobicbiodegradability,877.76LCH4/kgVSSremoved,wasachievedwithcombinedpretreatmentattemperatureof80℃andspecificenergyof12000kJ/kgTS.Keywords：anaerobicdigestion；lowtemperaturethermalpretreatment；ultrasound；wasteactivatedsludge；methaneyield剩余污泥是以微生物为主体的絮状物质,其有机质主要存在于细胞内部,细胞膜/壁的刚性结构对污泥安全处理和资源回收提出了不小的挑战[1].据环保部公布的全国环境统计公报(2014年),我国污泥年产量为4943万t(以80%含水率计),较2013年增加了8.38%[2].污泥处理的难度和逐年增加的产量已经成为环境领域的突出问题,这对相关政策法规和处理处置技术提出了更高要求.厌氧消化技术具有“占地少、安全性高、收稿日期：2016-01-11基金项目：国家“863”项目(2012AA063502)*责任作者,副教授,[e-mail]2704中国环境科学36卷处理效率高、能量回收多”等多项优势,已成为污泥“无害化、稳定化、减量化、资源化”处理的关键技术之一[3].为了提高厌氧消化效率、缩短污泥停留时间、减小消化设备体积,许多厌氧消化前处理技术得到应用和发展[4].其中超声波[5]、碱解[6]、热水解[7]、微波辐射[8]、臭氧氧化[9]及多种技术的组合[10-11]等均被研究证明是行之有效的污泥厌氧消化预处理技术.常见的热水解为60~180℃温度区间的污泥加热技术,其中,60~100℃为低温热水解,100℃以上为高温热水解[12].Appels等[12]在低温热水解预处理对厌氧消化的影响研究中,认为温度越高、作用时间越长对有机和无机质释放效果越好,且温度越高,作用时间对破解和厌氧消化效果的影响越低.低温热水解与超声联合技术在能量输入少、设备投入和运行成本低等方面具有不可替代的优势,已成为国内外学者研究的热点.Dhar等[13]研究了超声(能量梯度1000,5000和10000kJ/kgTSS)和低温热水解(温度梯度50,70和90℃)联合作用下的污泥破解效果,结果表明热水解温度90℃和超声能量10000kJ/kgTSS的组合工艺预处理后,污泥SCOD/TCOD较原泥增加了33%,总甲烷产量较原泥增加了30%,而该工艺的经济投入则较未处理污泥增加了112$/t.Şahinkaya等[14]对低温热水解和超声联合改善污泥厌氧消化的效果及其经济可行性亦进行了研究,得出了如下结论:80℃热水解和1.0W/L的超声联合效果最好,联合作用后污泥破解度DD较原泥增加了22.66%,且联合技术下的DD较同等条件的热水解和超声单独处理之和更高;且最佳条件处理后污泥的甲烷产量较未处理增加了13.6%,亦高于单独热水解和单独超声的甲烷产量总和;此外联合处理的经济可行性较低.前人的研究表明,预处理技术有利于污泥细胞破解,促进污泥有机质由固相向液相转移,这对缩短厌氧消化时间、提高厌氧消化效率、改善污泥产甲烷率有积极的影响,然而预处理导致的有机质破解是否全部转化为可降解有机质并最终以甲烷的形式实现资源回收利用？污泥破解度和产甲烷率之间的关系究竟如何？Trzcinski等[15]研究表明单独超声作用下,SCOD与污泥生物降解性能之间存在线性关系,相关系数R2高达94.83%,且生物气体的增加量是由超声预处理释放的溶解性有机质转化而来的.而Kim等[16]则得出了不同的结论.他们认为污泥有机质可以分为可溶和颗粒两部分,且二者均只有部分能转化为甲烷,因而不同的预处理技术作用后,尽管污泥破解度相同、可溶有机物增加量相同,其甲烷转化量却不相同,即污泥溶解度增加与厌氧消化效率的提高之间不存在直接的关系.Bougrier等[9]亦发现在得到相同的破解度后,超声预处理污泥厌氧消化性能较臭氧氧化和热水解预处理污泥的厌氧消化性能高.Wilson等[17]则报道了热水解温度高于180℃后,污泥破解度与厌氧消化性能呈反比的研究.而低温热水解和超声联合作用下污泥破解度和厌氧消化性能间关系的研究在国内尚未有报道.基于此,本文研究了超声和低温热水解联合技术对污泥破解的效果,并揭示了污泥破解度和后续厌氧消化效率之间的关系,为联合技术在实际工程中的应用和推广提供技术参考.1材料与方法1.1污泥来源实验污泥来自上海某城市生活污水处理厂,该污水厂采用奥地利HYBRID二段活性工艺,日处理生活污水7.5万t.实验用剩余污泥基本性质如下:pH6.40~6.54,TSS为10960~12620mg/L,VSS为6110~6320mg/L,TCOD为13245~13618mg/L,SCOD为1030~1070mg/L,溶解性蛋白质229.11~239.23mg/L,溶解性多糖50.12~57.38mg/L.接种泥采自上海某污水厂,该厂采用中温厌氧消化技术,实验用污泥泥龄10d,基本性质为:含水率为90.50%,TCOD为35244mg/L,SCOD为2233.4mg/L,溶解性蛋白质为522.49mg/L,溶解性多糖为129.20mg/L.1.2超声联合热水解预处理实验单独超声:本研究所用超声设备由上海台姆超声设备有限公司定制生产,超声设备主体为体积12L的立式矩形槽体,槽体侧面装有可以独立9期徐慧敏等：超声联合低温热水解促进剩余污泥破解和厌氧消化的研究2705控制的超声波换能器,频率为20kHz.超声反应器能量密度为0.1kW/L,通过调节超声作用时间来改变输入能量.单独热水解:根据设定温度对污泥加热,温度升至特定温度后进行取样,预处理后样品置于4℃条件下保存.超声和热水解联合:采用同步处理方法,根据设定温度对污泥加热(控制温度为50~100℃中的6个梯度),加热过程中不断搅拌使得污泥受热均匀,升温过程的时间为5~10min,温度升至设定温度后立即经由蠕动泵传输至超声反应器内,经20kHz频率、12000kJ/kgTS超声能量辐射后,取一定量污泥样品置于4℃冰箱内保存,待测.所有实验样品均在48h内分析.表1实验条件设置Table1Pretreatmentconditionssummary序号编号超声能量(kJ/kgTS)热水解温度(℃)实际输入能量(kJ/L)1原泥///2超声12000/1803热/802304热超112000502855热超212000603266热超312000703687热