净水技术|剩余污泥这样用可以提高产甲烷效率

小编导读本文的研究目标是寻求高效的剩余污泥处理方法。通过不同的预处理方式或者添加餐厨垃圾的方法，考察了主动错流式MBR工艺所产生剩余污泥的厌氧发酵产甲烷效率。研究发现，低温热水解预处理剩余污泥的厌氧发酵产甲烷的最优条件是90℃热水解加热30min，产甲烷量大概为原来的1.5倍，效率提高了50%。臭氧曝气预处理剩余污泥厌氧发酵产甲烷的最优条件是臭氧曝气时间为0.0014 gO3/gVS，产甲烷量大概为原来的5倍，效率提高了5倍。加入餐厨垃圾对产甲烷有一定促进作用，同时对产氢有着极大的促进作用。随着我国经济的发展，生活污水和工业废水排放量与日俱增。但是公众对环境质量要求却不断提高，污水厂的数量和规模也随之增加。目前，我国绝大多数城市污水厂采用了活性污泥工艺，它在净化污水的过程中会附带产生0.5%~1%的污水体积的剩余污泥(surplus activated sludge，SAS)。未得到妥善处理的污泥将对环境造成极大的危害传统的污泥处置费用昂贵。因此，寻求污泥资源化途径，从污泥中回收有价值的物质和能源，补偿部分污泥处置的费用，实现污泥的综合处置，是一种明智的选择。膜生物反应(Membrane bioreactor，MBR)是传统生物处理单元与膜分离技术有机结合的新型高效污水处理技术，它取代了活性污泥法中的沉淀和过滤单元。具有出水水质优良，容积负荷高，占地面积小，剩余污泥的产量少的优点。然而MBR工艺所产生的剩余污泥的资源化和减量化处置仍然是困扰研究人员的问题。1污泥常见的预处理方式及研究现状1.1预处理方式微波能够破坏微生物细胞壁，以此提高污泥水解效率。对于微波预处理污泥是否存在非热效应，不同研究者的试验结论有较大差异，与传统的加热方式相比，微波预处理升温快、能耗少，且产生的有毒气体较少。热预处理方式是一种较为传统的处理方法，但其需要一定的特殊设备，尤其是高温热预处理。热预处理通过破坏微生物的细胞壁，将胞内有机物释放，使不溶性有机物转化为可溶性有机物，大大缩短了水解过程，从而加速污泥的水解酸化产气，提高剩余污泥厌氧发酵产沼气效能。研究表明，最佳的热预处理温度范围为160~180 ℃，压力条件变化范围为600~250 0 kPa。有的研究人员采用低于100 ℃的温度对污泥进行低温热预处理。Lise Appels在70、80、90℃下对剩余活性污泥分别预处理后进行厌氧消化，结果表明在90℃下，最有利于污泥的破解和产气量的增加。可是，并非温度越高越好，较高的温度意味着较高的能耗，导致处理成本增加。此外高温对反应设备要求严格，操作条件难以控制；预处理温度达到200 ℃甚至更高温度时，处理过程中还会生成某些具有毒性的，难降解的化合物，这也是高温预处理的一个主要缺点。相对于其它污泥预处理方法，碱预处理具有操作简单以及处理效果好等优点。碱预处理污泥可加快EPS，BMM的水解，获得较多的溶解性有机物质，从而提高厌氧消化产沼气效能。运用碱预处理剩余污泥，其水解速率有所提高，但是提高率并不大。一般预处理时，常将碱预处理与热预处理，超声波预处理，微波预处理法等方法联合使用。利用臭氧预处理剩余污泥，因为臭氧具有强氧化性可以破解微生物的细胞壁，释放细胞中的易降解有机质，易被臭氧氧化分解，这是臭氧化可以提高污泥可生化降解性的原因。但是投加量很难控制，过量的臭氧反而会直接氧化溶解性有机物，抑制厌氧消化的效能。1.2研究目标及研究内容本文的研究目标主要是通过不同的预处理方式及添加餐厨垃圾的方法提高剩余污泥厌氧发酵产甲烷的效率，比较各种方法的效能。主要采用三种方式来提高污泥厌氧发酵产甲烷的效率。1、低温热水解处理：在90℃的恒温加热条件下，分别对剩余污泥加热10、20、30 min, 研究其对污泥厌氧发酵产甲烷的影响。2、臭氧曝气预处理：对剩余污泥进行臭氧曝气，曝气量分别为0.000 7、0.001 4、0.002 1、0.0028、0.004 2 g/gVS，探求其对污泥厌氧发酵产甲烷量的影响。3、添加餐厨垃圾对于污泥厌氧发酵产甲烷的影响。2试验方法2.1试验材料本文研究用污泥取自上海市某污水处理厂，污泥驯化期间投入一定比例的高浓度生活污水，以利于污泥增殖。稳定运行后逐渐混入取自上海海事大学苗圃的生活污水，并加大进水量。剩余污泥则取自笔者所在课题组自主研发的主动错流式MBR工艺运行中产生的剩余污泥。对新鲜污泥在4 ℃下静置沉降24 h，然后排出上清液。将得到的剩余污泥和接种污泥的各个参数进行测量，测量结果如表1所示。表1    实验用剩余污泥和接种污泥各项参数比较种类pHVS/TSSCOD/（mg·L-1）NH4+/（mg·L-1）PO43-/（mg·L-1）TCOD/（mg·L-1）剩余污泥7.77961.95%1 116.72360.0387.7224 778.02接种污泥7.37136.47%577.39238.8717.6863 036.832.2试验方法2.2.1低温热水解处理首先对得到的剩余污泥进行热水解预处理，热水解的温度为90 ℃，在四个大烧杯中各放入1 L剩余污泥，其中一个不作处理，另外三个分别水解加热10，20，30 min，自然降温。设置三组平行实验，将未处理及处理10、20、30 min的剩余污泥分别放入三个300 mL的锥形瓶中并进行接种，接种比例为20%，即每个锥形瓶中放入200 mL剩余污泥和50 mL接种污泥，贴好标签，调节pH值为7.0，之后将12个锥形瓶连接好产气收集装置(排水法收集)，向锥形瓶中充氮气，放入35℃恒温水浴震荡器中培养，直到无气体产生，排出锥形瓶内的氧气，之后进行20 d的厌氧发酵，测出产气量。2.2.2臭氧曝气预处理本课题采用不同的臭氧曝气量的污泥进行实验，分别对剩余污泥进行不处理，臭氧曝气0.000 7，0.001 4，0.0021，0.002 8，0.004 2 g/gVS，将预处理后的污泥按照上述方式加入到锥形瓶中，加入接种污泥，调节pH值为7.0，35 ℃水浴加热，进行20 d的厌氧发酵，用排水法收集产出的气体。2.2.3添加餐厨垃圾本文采用的餐厨垃圾来自上海海事大学海馨楼食堂，主要组成为米饭、面食、肉类、蔬菜等，总固体(TS)在40%~42%之间，挥发性固体(VS)占TS的81%~84%。用粉碎机粉碎成糊状，将剩余污泥和餐厨垃圾以3:1的比例进行配制，污泥的含水率在97%~98%之间，另设一个空白对照组，三组平行实验，以同样的方法条件下进行20 d的厌氧发酵，测出其产气的成分和产气量。2.3分析项目及检测方法pH值采用PHS-3D型pH计测定；SS、VSS采用灼烧减重法测定；SCOD、TCOD采用快速消解分光光度法测定；氨氮采用纳氏试剂分光光度法测定；TP采用过硫酸钾消解—钼锑抗分光光度法测定；DO、温度采用WTWDO测定仪测定；气体组分采用气相色谱仪测定。3结果与讨论3.1低温热水解处理对污泥厌氧发酵产甲烷的影响不同热水解处理时间对有机物释放的研究，测出不同预处理时间下污泥SCOD的释放量，和剩余污泥厌氧发酵产甲烷量以及SCOD减少量。结果如图1~图3所示。

图1   SCOD与污泥热水解处理时间的关系

图2不同预处理时间下厌氧消化甲烷的产气量

图3不同预处理时间下SCOD减少量剩余污泥的水解效率可以用溶解性有机物的含量(如SCOD)来表征，由图1可以看出，不同处理时间下SCOD释放量的总体情况为30 min＞20min＞10 min，低温预处理下的剩余污泥SCOD释放量均大于原污泥。说明在温度一定的情况下，延长预处理时间有利于SCOD的溶出，进而提高污泥水解效率。SCOD释放情况呈现上升-平稳-上升的变化趋势，在30 min达到最大值2 886.758 mg/L。图2反映了不同预处理时间下的厌氧消化产甲烷量，总体情况为30 min＞20 min＞原污泥＞10 min。在30min达到最大值144.51 mL/gVS产生这种现象可能是由于加热时间不长，会对厌氧消化产甲烷菌产生一定的抑制作用；也有可能是因为本实验接种污泥量较少，预处理组产气与对照组相比产气会延迟一段时间所造成的。由图3可知，不同处理时间下SCOD减少量情况30min＞10 min＞20 min＞原污泥，在30 min时达到最大值787.11 mg/L。综上所述，在其他条件都相同时，90 ℃热水解时间30 min的产甲烷量最高，SCOD释放量和减少量也是最高。有利于改变污泥絮体和细胞结构，使有机质溶出，提高厌氧消化产气效能，是低温预处理的最优条件。3.2臭氧曝气预处理剩余污泥对污泥厌氧发酵产甲烷的影响由图4可以看出，不同曝气条件下SCOD释放量的总体情况为0.002 1 g/gVS＞0.000 7 g/gVS＞0.004 2 g/gVS＞0.001 4 g/gVS＞0.002 8 g/gVS。臭氧曝气预处理下的剩余污泥SCOD释放量均大于原污泥。在其他条件相同时，随着臭氧投加量的增加，污泥中微生物的细胞壁破壁现象更加明显，有机质的释放更明显，但随着臭氧投加量过多又会造成有机质的氧化分解，SCOD释放量在0.002 1 g/gVS下达到最大值1 006.09 mg/L。约为未处理剩余污泥的1.6倍。图5反映了不同曝气条件下的厌氧消化产甲烷量，总体情况为0.001 4 g/gVS＞0.002 1 g/gVS＞0.002 8 g/gVS＞0.000 7 g/gVS＞原污泥＞0.004 2 g/gVS。曝气条件为0.001 4 g/gVS下甲烷的产量最高，达到284.41 mL/gVS。大概是未做臭氧曝气预处理的剩余污泥厌氧发酵产甲烷量的5倍。

图4  SCOD释放量和曝气条件的关系

图5  不同曝气条件下比产甲烷率综上所述，在其他条件相同时，曝气条件为0.001 4 g/gVS是臭氧曝气预处理的最优条件。少量的臭氧有助于细胞壁的破解，释放细胞中的易降解有机质，提高厌氧消化的效能。但是过量的臭氧反而会直接氧化溶解性有机物，抑制厌氧消化的效能，直接反映为产气量的降低。3.3添加餐厨垃圾对污泥产气的影响通过测量得出剩余污泥厌氧发酵产出的气体成分及含量如表2所示。表2  添加餐厨垃圾后污泥厌氧发酵的产气量条件比产甲烷率/（mL·gVS-1）比产CO2产量/（mL·gVS-1）比产氢量/（mL·gVS-1）原污泥81.2320.610原污泥：餐厨垃圾（3:1）83.21103.6752.03由以上数据可以得出添加餐厨垃圾后的剩余污泥与未添加相比产甲烷率大致相同，但是前者伴随有大量氢气产生，且添加餐厨垃圾后二氧化碳的产量大概为原来的五倍。产生这种现象的原因可能是由于污泥与餐厨垃圾混合物的营养物质的碳氮比对于产氢菌来说较为适宜，产氢菌相对于产甲烷菌成为了优势菌种。厌氧发酵产氢过程中底物的代谢方式以及菌群结构也与pH密切相关。餐厨垃圾的pH较低，与发酵过程中产生的VFA共同作用，会使pH值保持在适合厌氧产氢的的范围内，进而影响氢气的产生。此外，也有可能是由于餐厨垃圾内的一些物质抑制了耗氢菌的作用所造成的。4结论综上所述，低温热水解预处理剩余污泥的厌氧发酵产甲烷的最优条件是90 ℃热水解加热30 min，产甲烷量大概为原来的1.5倍，效率提高了50%。臭氧曝气预处理剩余污泥厌氧发酵产甲烷的最优条件是臭氧曝气0.001 4 gO3/gVS，产甲烷量大概为原来的5倍，效率提高了500%。累计产气量臭氧处理组＞低温热处理组。加入餐厨垃圾对剩余污泥厌氧发酵产甲烷的影响有待进一步研究，例如通过改变投配比等方式提高产气率。就本试验而言，加入餐厨垃圾对产甲烷有一定促进作用，同时对产氢有着极大的促进作用。氢气可以直接作为内燃机和燃料电池的燃料，是未来一种理想的清洁能源，具有继续研究的价值。通过分析各种污泥预处理方法的原理，处理效果，研究表明：污泥预处理可以有效促进污泥微生物中胞内物质的释放，提高污泥的厌氧消化性能。但不同的预处理方法各有利弊，选择不同预处理方法进行联合处理，往往能够取得更为显著的效果。工程应用中应综合考虑，选择高效、节能、便于操作、管理简单的预处理技术。