污泥低溫?zé)崴庑Ч芯?/h1>
2016-09-02 00:31:21劉超，王飛
廣州化工 2016年10期
劉 超，王 飛
(中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司，重慶 401122)
?
污泥低溫?zé)崴庑Ч芯?/p>
劉超，王飛
(中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司，重慶401122)
剩余污泥；熱水解；低溫
隨著經(jīng)濟(jì)科技的發(fā)展，污水處理廠的不斷興建與完善，污水處理廠的副產(chǎn)物-污泥的產(chǎn)量必將越來(lái)越多，不同的處理工藝其產(chǎn)量不同，大致為處理水量的0.5%～2.5%[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2005年我國(guó)污泥產(chǎn)量為1113萬(wàn)噸。污泥中通常含有大量有毒有害物質(zhì)和未穩(wěn)定的有機(jī)物質(zhì)，脫水性和厭氧消化性能較差。通過(guò)強(qiáng)化的預(yù)處理手段改善污泥的脫水性能和生物降解性能，從而提高污泥處理的整體效率，一直是污泥處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
污泥熱水解處理是一種有效的污泥處理技術(shù)。污泥經(jīng)過(guò)熱水解處理后，污泥中微生物絮體解體，微生物細(xì)胞破碎，細(xì)胞中的有機(jī)物釋放出來(lái)并進(jìn)一步水解。污泥經(jīng)過(guò)熱水解不但能夠提高污泥的脫水性能，由于有機(jī)物的釋放還能夠提高污泥的厭氧消化性能，增加甲烷產(chǎn)量。王治軍等實(shí)驗(yàn)研究表明污泥經(jīng)過(guò)熱水解處理厭氧消化總COD去除率提高到56.8%[2]。污泥熱水解具有很多優(yōu)點(diǎn)，首先提高了污泥的脫水性；提高了生物氣產(chǎn)量，消化液可以作為反硝化的碳源[3-6]。但是污泥熱水解在高溫高壓條件下，運(yùn)行費(fèi)用及對(duì)設(shè)備的要求較高，運(yùn)行管理復(fù)雜，產(chǎn)生的氣體氣味難聞等一系列缺點(diǎn)。針對(duì)以上缺點(diǎn)，本研究在低溫條件下對(duì)污泥進(jìn)行熱解，考察污泥有機(jī)物水解和脫水性能改善的特性變化。
1 實(shí) 驗(yàn)
1.1材料來(lái)源及基本特性
污泥低溫?zé)崴猓何勰酁橹貞c某城市污水處理廠剩余污泥，將取來(lái)的污泥過(guò)篩(1 mm×1 mm)去除大的無(wú)機(jī)顆粒和毛發(fā)，將污泥存于4 ℃冰箱后續(xù)利用。污泥特性見(jiàn)表1。
表1 污泥主要特性參數(shù)
1.2污泥低溫?zé)崽幚矸椒霸囼?yàn)操作方法
取5個(gè)500 mL的錐形瓶，分別加入攪拌均勻的污泥300 mL，將3個(gè)裝有污泥的錐形瓶置于水浴恒溫振蕩器，控制溫度分別為40 ℃、60 ℃、80 ℃，轉(zhuǎn)速為100 rpm，分別在30 min、60 min、120 min、180 min取樣測(cè)定。將另兩個(gè)置于立式壓力蒸汽滅菌器，分別控制溫度為105 ℃和120 ℃，均在180 min取樣測(cè)定。SV30所有溫度下均為180 min時(shí)測(cè)得。
1.3分析項(xiàng)目及測(cè)定方法
2 結(jié)果與討論
2.1低溫?zé)崴馕勰喙腆w溶解規(guī)律
圖1描述了不同溫度下180 min內(nèi)VSS溶解率的變化過(guò)程。隨著低溫?zé)崴鈺r(shí)間的增加，不同溫度下VSS溶解率逐漸增大。VSS溶解率在較低溫度(40 ℃和60 ℃)時(shí)影響不大，較高溫度(105 ℃和120 ℃)下VSS溶解率迅速增加。在105 ℃和120 ℃條件下，VSS溶解率在180 min時(shí)分別為12.2%和14.3%。污泥固體的水解以VSS水解為主，無(wú)機(jī)物只發(fā)生少量溶解。污泥固體有機(jī)物高溫?zé)崴膺^(guò)程首先微生物絮體離散和解體，細(xì)胞內(nèi)的有機(jī)物質(zhì)(蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物)被釋放出來(lái)不斷溶解，溶解性有機(jī)物不斷水解。較低溫度(40 ℃和60 ℃)微生物絮體只發(fā)生部分解體，在較高溫度(105 ℃和120 ℃)下，微生物絮體不但解體，溶解性有機(jī)物還會(huì)進(jìn)一步水解，因此在較低溫度下VSS溶解率小，較高溫度下VSS溶解率大。
圖1 低溫?zé)崴馕勰喙腆w溶解規(guī)律
2.2溫度對(duì)氨氮濃度的影響
污泥中的氮主要是以蛋白質(zhì)的形式存在，胞外聚合物以及細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)均含有大量的蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)是污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的主要營(yíng)養(yǎng)元素，污泥微生物細(xì)胞壁的破碎溶解又是污泥減量的限制步驟，并且蛋白質(zhì)水解生成的氨氮能平衡熱水解污泥體系的堿度和pH值。圖2為污泥中氨氮隨溫度的變化。從圖2可以看出隨著時(shí)間的增加，所有溫度下氨氮濃度均逐漸增加，溫度越高污泥上清液中氨氮濃度越高。較低溫度(40 ℃和60 ℃)時(shí)，上清液中氨氮濃度由初始的7.7 mg/L分別上升為180 min時(shí)的19.4 mg/L和27.2 mg/L。較高溫度(105 ℃和120 ℃)時(shí)，上清液中氨氮濃度大幅升高，分別為115.9 mg/L和208.6 mg/L。水解溫度越高對(duì)污泥微生物細(xì)胞壁的溶解率越高，80 ℃到120 ℃低溫?zé)犷A(yù)處理能夠破壞微生物細(xì)胞壁釋放出蛋白質(zhì)，這與前人研究相符[7]。
圖2 溫度對(duì)氨氮濃度的影響
2.3溫度對(duì)溶解性磷的影響
生物除磷是利用某些微生物在一定條件下過(guò)量攝取污水中的磷酸鹽并合成體內(nèi)儲(chǔ)能物質(zhì)聚磷[8-9]，主要存在于微生物的細(xì)胞壁和細(xì)胞質(zhì)內(nèi)。污泥熱水解過(guò)程中胞外聚合物的解體及細(xì)胞的破裂會(huì)釋放出大量的含磷有機(jī)物質(zhì)，從而使得污泥上清液中溶解性磷 含量的升高。由圖3可知，污泥熱水解過(guò)程中溶解性磷含量隨著時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸增加，溫度越高磷的釋放量越高。經(jīng)過(guò)40 ℃、60 ℃、80 ℃、105 ℃和120 ℃加熱180 min后，溶解性磷由原來(lái)的23.7 mg/L，分別上升為32.3 mg/L、40.3 mg/L、46.8 mg/L、64.1 mg/L和74.9 mg/L。
圖3 溶解性磷的變化
2.4溫度對(duì)SCOD的影響
由圖4可知，所有溫度條件下SCOD隨著時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸增加，溫度越高SCOD越大。在加熱條件下，微生物胞外聚合物及細(xì)胞壁不斷溶解，胞外聚合物中含有大量的多糖、蛋白質(zhì)、核酸等物質(zhì)以及細(xì)胞內(nèi)的碳水化合物、蛋白質(zhì)及脂肪等有機(jī)物逐漸由污泥固相轉(zhuǎn)移至液相，這些物質(zhì)導(dǎo)致污泥上清液中SCOD濃度不斷升高。在較低溫度(40 ℃和60 ℃)下，SCOD增加幅度不大，在180 min時(shí)分別由110 mg/L增加至234 mg/L和397 mg/L。在較高溫度(105 ℃和120 ℃)下，SCOD分別增加至1130 mg/L和1320 mg/L。在較高溫度下污泥絮體的解聚和微生物細(xì)胞壁的溶解更加完全，導(dǎo)致污泥上清液中SCOD增幅更大。并且在較低溫度下，部分微生物可以利用溶解的低分子有機(jī)物作為碳源生長(zhǎng)繁殖，合成新細(xì)胞，部分含碳物質(zhì)返回固相[10]。在高溫條件下微生物難以生存，不能利用有機(jī)物。因此，污泥低溫?zé)崴釹COD的變化由細(xì)胞溶解、水解和合成共同作用而引起。
圖4 不同溫度下SCOD的變化
2.5溫度對(duì)污泥沉降性能的影響
污泥沉降比(SV30)是表征污泥沉降性能最常用的指標(biāo)。由圖5可見(jiàn)，污泥沉降性隨溫度的升高而明顯改善。經(jīng)過(guò)40 ℃、60 ℃、80 ℃、105 ℃和120 ℃加熱180 min后，SV30由原泥的80.7%分別降為74.3%、69.8%、59.2%、49.7%和39.1%。SV30比原泥分別降低了7.9%、13.5%、26.6%、38.4%和51.5%。
圖5 污泥沉降性能的變化
3 結(jié) 論
[1]鄭偉, 李小明, 熊偉, 等.污泥熱水解處理技術(shù)研究進(jìn)展[J].廣州化工,2012,40(7):3-5.
[2]王治軍, 王偉.剩余污泥的熱水解試驗(yàn)[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué),2005,25(增刊):56-60.
[3]Fisher R A, Swanwick S J. High temperature treatment of sewage sludges[J]. Water Pollution Control, 1971, 71(3):255-370.
[4]Donoso-Bravo A., Pérez-Elvira S., Aymerich E., et al. Assessment of the influence of thermal pre-treatment time on the macromolecular composition and anaerobic biodegradability of sewage sludge[J]. Bioresource Technology, 2011, 102:660-666.
[5]Bougrier C, Delgenès J P, Carrère H. Effects of thermal treatments on five different waste activated sludge samples solubilisation, physical properties and anaerobic digestion[J]. Chemical Engineering Journal, 2008, 139:236-244.
[6]Kepp U, Machenbach I, Weisz N, et al. Enhanced stabilization of sewage sludge through thermo hydrolysis-three years of experience with full scale plant[J]. Water Science and Technology, 2000, 42(9):89-96.
[7]Brooks R B. Heat treatment of sewage sludge[J]. Water Pollution Control, 1970, 69(2): 221-231.
[8]Mullan A, McGrath J W, Adamson T, et al. Pilot-Scale evaluation of the application of low pH inducible polyphosphate accumulation to the biological removal of phosphate from wastewaters[J]. Environmental Science and Technology, 2006, 40(1): 296-301.
[9]王冬波, 李小明, 楊麒, 等. 碳源對(duì)SBR 單級(jí)好氧工藝中微生物攝磷能力的影響及其機(jī)理研究[J].中國(guó)科學(xué)B, 39(6):560-568.
[10]史彥偉, 李小明, 趙維娜, 等. 微曝氣條件下S-TE 剩余污泥溶解性研究[J]. 環(huán)境科學(xué), 2008, 29(1): 139-144.
Hydrolysis of Sludge at Low Temperature
LIUChao,WANGFei
(CISDI Engineering Co., Ltd., Chongqing 401122, China)
excess sludge; thermal hydrolysis; low temperature
劉超(1981-)，男，工程師，主要從事環(huán)境保護(hù)與能源利用。
X799.3
A
1001-9677(2016)010-0099-03
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剩余污泥；熱水解；低溫
隨著經(jīng)濟(jì)科技的發(fā)展，污水處理廠的不斷興建與完善，污水處理廠的副產(chǎn)物-污泥的產(chǎn)量必將越來(lái)越多，不同的處理工藝其產(chǎn)量不同，大致為處理水量的0.5%～2.5%[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2005年我國(guó)污泥產(chǎn)量為1113萬(wàn)噸。污泥中通常含有大量有毒有害物質(zhì)和未穩(wěn)定的有機(jī)物質(zhì)，脫水性和厭氧消化性能較差。通過(guò)強(qiáng)化的預(yù)處理手段改善污泥的脫水性能和生物降解性能，從而提高污泥處理的整體效率，一直是污泥處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
污泥熱水解處理是一種有效的污泥處理技術(shù)。污泥經(jīng)過(guò)熱水解處理后，污泥中微生物絮體解體，微生物細(xì)胞破碎，細(xì)胞中的有機(jī)物釋放出來(lái)并進(jìn)一步水解。污泥經(jīng)過(guò)熱水解不但能夠提高污泥的脫水性能，由于有機(jī)物的釋放還能夠提高污泥的厭氧消化性能，增加甲烷產(chǎn)量。王治軍等實(shí)驗(yàn)研究表明污泥經(jīng)過(guò)熱水解處理厭氧消化總COD去除率提高到56.8%[2]。污泥熱水解具有很多優(yōu)點(diǎn)，首先提高了污泥的脫水性；提高了生物氣產(chǎn)量，消化液可以作為反硝化的碳源[3-6]。但是污泥熱水解在高溫高壓條件下，運(yùn)行費(fèi)用及對(duì)設(shè)備的要求較高，運(yùn)行管理復(fù)雜，產(chǎn)生的氣體氣味難聞等一系列缺點(diǎn)。針對(duì)以上缺點(diǎn)，本研究在低溫條件下對(duì)污泥進(jìn)行熱解，考察污泥有機(jī)物水解和脫水性能改善的特性變化。
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1.1材料來(lái)源及基本特性
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表1 污泥主要特性參數(shù)
1.2污泥低溫?zé)崽幚矸椒霸囼?yàn)操作方法
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1.3分析項(xiàng)目及測(cè)定方法
2 結(jié)果與討論
2.1低溫?zé)崴馕勰喙腆w溶解規(guī)律
圖1描述了不同溫度下180 min內(nèi)VSS溶解率的變化過(guò)程。隨著低溫?zé)崴鈺r(shí)間的增加，不同溫度下VSS溶解率逐漸增大。VSS溶解率在較低溫度(40 ℃和60 ℃)時(shí)影響不大，較高溫度(105 ℃和120 ℃)下VSS溶解率迅速增加。在105 ℃和120 ℃條件下，VSS溶解率在180 min時(shí)分別為12.2%和14.3%。污泥固體的水解以VSS水解為主，無(wú)機(jī)物只發(fā)生少量溶解。污泥固體有機(jī)物高溫?zé)崴膺^(guò)程首先微生物絮體離散和解體，細(xì)胞內(nèi)的有機(jī)物質(zhì)(蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物)被釋放出來(lái)不斷溶解，溶解性有機(jī)物不斷水解。較低溫度(40 ℃和60 ℃)微生物絮體只發(fā)生部分解體，在較高溫度(105 ℃和120 ℃)下，微生物絮體不但解體，溶解性有機(jī)物還會(huì)進(jìn)一步水解，因此在較低溫度下VSS溶解率小，較高溫度下VSS溶解率大。
圖1 低溫?zé)崴馕勰喙腆w溶解規(guī)律
2.2溫度對(duì)氨氮濃度的影響
污泥中的氮主要是以蛋白質(zhì)的形式存在，胞外聚合物以及細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)均含有大量的蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)是污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的主要營(yíng)養(yǎng)元素，污泥微生物細(xì)胞壁的破碎溶解又是污泥減量的限制步驟，并且蛋白質(zhì)水解生成的氨氮能平衡熱水解污泥體系的堿度和pH值。圖2為污泥中氨氮隨溫度的變化。從圖2可以看出隨著時(shí)間的增加，所有溫度下氨氮濃度均逐漸增加，溫度越高污泥上清液中氨氮濃度越高。較低溫度(40 ℃和60 ℃)時(shí)，上清液中氨氮濃度由初始的7.7 mg/L分別上升為180 min時(shí)的19.4 mg/L和27.2 mg/L。較高溫度(105 ℃和120 ℃)時(shí)，上清液中氨氮濃度大幅升高，分別為115.9 mg/L和208.6 mg/L。水解溫度越高對(duì)污泥微生物細(xì)胞壁的溶解率越高，80 ℃到120 ℃低溫?zé)犷A(yù)處理能夠破壞微生物細(xì)胞壁釋放出蛋白質(zhì)，這與前人研究相符[7]。
圖2 溫度對(duì)氨氮濃度的影響
2.3溫度對(duì)溶解性磷的影響
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圖3 溶解性磷的變化
2.4溫度對(duì)SCOD的影響
由圖4可知，所有溫度條件下SCOD隨著時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸增加，溫度越高SCOD越大。在加熱條件下，微生物胞外聚合物及細(xì)胞壁不斷溶解，胞外聚合物中含有大量的多糖、蛋白質(zhì)、核酸等物質(zhì)以及細(xì)胞內(nèi)的碳水化合物、蛋白質(zhì)及脂肪等有機(jī)物逐漸由污泥固相轉(zhuǎn)移至液相，這些物質(zhì)導(dǎo)致污泥上清液中SCOD濃度不斷升高。在較低溫度(40 ℃和60 ℃)下，SCOD增加幅度不大，在180 min時(shí)分別由110 mg/L增加至234 mg/L和397 mg/L。在較高溫度(105 ℃和120 ℃)下，SCOD分別增加至1130 mg/L和1320 mg/L。在較高溫度下污泥絮體的解聚和微生物細(xì)胞壁的溶解更加完全，導(dǎo)致污泥上清液中SCOD增幅更大。并且在較低溫度下，部分微生物可以利用溶解的低分子有機(jī)物作為碳源生長(zhǎng)繁殖，合成新細(xì)胞，部分含碳物質(zhì)返回固相[10]。在高溫條件下微生物難以生存，不能利用有機(jī)物。因此，污泥低溫?zé)崴釹COD的變化由細(xì)胞溶解、水解和合成共同作用而引起。
圖4 不同溫度下SCOD的變化
2.5溫度對(duì)污泥沉降性能的影響
污泥沉降比(SV30)是表征污泥沉降性能最常用的指標(biāo)。由圖5可見(jiàn)，污泥沉降性隨溫度的升高而明顯改善。經(jīng)過(guò)40 ℃、60 ℃、80 ℃、105 ℃和120 ℃加熱180 min后，SV30由原泥的80.7%分別降為74.3%、69.8%、59.2%、49.7%和39.1%。SV30比原泥分別降低了7.9%、13.5%、26.6%、38.4%和51.5%。
圖5 污泥沉降性能的變化
3 結(jié) 論
[1]鄭偉, 李小明, 熊偉, 等.污泥熱水解處理技術(shù)研究進(jìn)展[J].廣州化工,2012,40(7):3-5.
[2]王治軍, 王偉.剩余污泥的熱水解試驗(yàn)[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué),2005,25(增刊):56-60.
[3]Fisher R A, Swanwick S J. High temperature treatment of sewage sludges[J]. Water Pollution Control, 1971, 71(3):255-370.
[4]Donoso-Bravo A., Pérez-Elvira S., Aymerich E., et al. Assessment of the influence of thermal pre-treatment time on the macromolecular composition and anaerobic biodegradability of sewage sludge[J]. Bioresource Technology, 2011, 102:660-666.
[5]Bougrier C, Delgenès J P, Carrère H. Effects of thermal treatments on five different waste activated sludge samples solubilisation, physical properties and anaerobic digestion[J]. Chemical Engineering Journal, 2008, 139:236-244.
[6]Kepp U, Machenbach I, Weisz N, et al. Enhanced stabilization of sewage sludge through thermo hydrolysis-three years of experience with full scale plant[J]. Water Science and Technology, 2000, 42(9):89-96.
[7]Brooks R B. Heat treatment of sewage sludge[J]. Water Pollution Control, 1970, 69(2): 221-231.
[8]Mullan A, McGrath J W, Adamson T, et al. Pilot-Scale evaluation of the application of low pH inducible polyphosphate accumulation to the biological removal of phosphate from wastewaters[J]. Environmental Science and Technology, 2006, 40(1): 296-301.
[9]王冬波, 李小明, 楊麒, 等. 碳源對(duì)SBR 單級(jí)好氧工藝中微生物攝磷能力的影響及其機(jī)理研究[J].中國(guó)科學(xué)B, 39(6):560-568.
[10]史彥偉, 李小明, 趙維娜, 等. 微曝氣條件下S-TE 剩余污泥溶解性研究[J]. 環(huán)境科學(xué), 2008, 29(1): 139-144.
Hydrolysis of Sludge at Low Temperature
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1001-9677(2016)010-0099-03
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