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

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（Disintegration degree of SCOD）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/kg VSS去除,该峰值出现在超声能量12000kJ/kg TS和热水解温度80℃联合作用条件下.     

超声联合热碱技术促进剩余污泥破解的参数优化

为了进一步提高超声联合技术破解污泥的效果,在前期双因素的研究基础上,采用3因素3水平的响应曲面法分析了热水解温度(60,70,80°C)、加碱量(0.04,0.07,0.10g/g TS)和超声能量(4000,8000,12000k J/kg TS)对污泥破解度的影响.回归分析结果表明污泥破解度与三因素之间符合三元二次方程:Y=-196.87+6.11X_1+487.53X_2+0.0039X_3-1.742X_1X_2-0.000024X_1X_3+0.0044X_2X_3-0.0398X_1~2-2488.33X_2~2-1.33×10-7X_3~2,其中X_1、X_2、X_3分别为温度、加碱量和超声能量.模型拟合度高达97.548%,表明该模型能较好地模拟超声联合热碱预处理参数和预测污泥破解度.根据模型得出最佳预处理工艺组合为:温度73.06℃,加碱量0.085g/g TS,超声能量9551k J/kg TS.最佳工艺参数下污泥破解度实测值为60.411%.经济性分析表明,超声联合热碱预处理条件下每t污泥处理费较未处理污泥降低了20.42元,在本研究条件下具有较高的经济可行性.     

流体剪切与超声空化破解剩余污泥的参数优化

为提高剩余污泥的破解效果并降低能耗,采用FS（fluid shear,流体剪切）、UC（ultrasonic cavitation,超声空化）、FS和UC联合工艺（FS-UC,UC-FS）破解剩余污泥,并应用单因素试验结合响应面法对联合工艺进行优化.结果表明:FS对剩余污泥破解效果一般,只在开始阶段具有较好效果,随作用时间延长,破解效果未有显著提高甚至下降.UC对剩余污泥破解效果明显,随作用时间延长,破解效果显著提升,但能耗也随之增大,EDR（energy disintegration ratio,效能比）明显下降.相同作用时间下,UC破解效果优于FS破解效果,UC破解剩余污泥的DD_COD（degree of disintegration,破解率）与EDR均明显高于FS方法.单因素试验得出的较优FS作用时间范围为2~8 min,较优UC作用时间范围为5~15 min.响应面法试验结果显示,联合工艺的剩余污泥破解效果和能量利用率均优于单一方法,联合工艺中FS-UC工艺的破解效果优于UC-FS工艺.FS-UC工艺的最佳参数:FS处理5.6 min再UC处理15.0 min,该条件下剩余污泥实际DD_COD为50.8%,EDR为26.8%.UC-FS工艺的最佳参数:先UC作用15.0 min再FS作用7.8 min,该条件下剩余污泥实际DD_COD为36.5%,EDR为17.1%.研究显示,以DD_COD和EDR为指标,4种工艺的高效性顺序为FS-UC > UC-FS > UC > FS,其中FS-UC工艺具有能耗低、破解效率高的特点,是4种工艺中剩余污泥破解效果最好的一种工艺.      

以超声波破解剩余污泥为碳源强化污水脱氮

针对污水厂生物脱氮碳源不足和剩余污泥难以处置的问题,探讨了利用超声波处理后的剩余污泥作为生物脱氮外加碳源的可行性。研究采用三因素三水平的响应曲面分析法,考察了超声波声能密度、时间和pH对剩余污泥可生化性(BOD_5)的影响,确定了超声波破解剩余污泥的最佳工艺条件。结果表明:在超声波声能密度为2. 0 W/m L,超声波时间为40 min和pH=7. 0的条件下,剩余污泥ρ(BOD_5)为2195 mg/L,增加为原来(88 mg/L)的24. 9倍,大大增强了其可生化性。超声波破解前后剩余污泥的大肠菌群检测结果证明,超声波破解也可将致病菌灭活,使剩余污泥无害化。在以3种剩余污泥产物为外加碳源的反硝化实验中,利用最佳参数条件下处理的剩余污泥为碳源时反硝化效果最好,反应仅进行14 h,ρ(NO_3~--N)从108 mg/L迅速降至3 mg/L,去除率达到95%以上,NH_4~+-N几乎无积累,整个反硝化过程完成仅需24 h,表明采用优化后的超声波预处理条件可以有效提升以剩余污泥为碳源的反硝化效果。     

淀粉酶促进剩余污泥热水解的研究

考察了微好氧条件下,外加淀粉酶对污水处理剩余污泥热水解的影响,以及水解过程中污泥上清液各成分的变化情况,并对酶水解过程的动力学进行了分析.结果表明,淀粉酶的加入对剩余污泥的热水解有促进作用.在最适温度50℃,酶投加量0.5g/L条件下,水解4h后,污泥中SCOD/TCOD达到30.98%,比未加酶时高7.68%.在淀粉酶催化作用和热水解的共同作用下,污泥固体溶解,大分子碳水化合物被水解成小分子糖类,固相蛋白质溶出,并进一步水解.污泥水解过程中,上清液糖、蛋白质浓度均呈现先增加后降低趋势.加酶后污泥上清液中糖、蛋白质浓度分别于4h、6h达到最大值271.43mg/L和1437.37mg/L.污泥水解反应前4h内,VSS溶解率和SCOD/TCOD增加迅速,符合一级反应动力学,4h后反应趋于平衡.4h时VSS溶解率达到22.01%.     

剩余污泥水解酸化过程中胞外聚合物的影响因素研究

为了解胞外聚合物(EPS)对污泥水解酸化处理的影响,采用批量试验研究了污泥厌氧水解酸化处理过程中EPS的变化以及温度、pH值、污泥来源、污泥浓度对其的影响.结果表明,pH值和污泥来源对EPS产率、成分有显著的影响.强酸性和强碱性条件下污泥水解过程中溶解性EPS产率是中性条件下的2倍多;强酸性条件下细胞破裂较多,DNA物质占总EPS含量的20%左右;强碱性条件多糖类物质溶出量占总EPS的80%以上.A/O工艺污泥水解酸化EPS产率最大,平均值为41.1mg/gVSS;其次为SBR、氧化沟(OD)和A2/O工艺污泥,其中OD工艺污泥水解酸化产生的EPS中糖类与蛋白质的质量比(φ)值远小于其他工艺污泥.温度由18℃升高至35℃时,溶解性EPS产率增加近50%,多糖所占比例逐渐增大.污泥浓度由2000mg/L升高至6000mg/L,EPS产率增大至38.1mg/gVSS,当污泥浓度达到8000mg/L时,EPS产率明显减少(23.1mg/gVSS).     

酸水解法提取剩余污泥蛋白质的条件优化

为充分提取污水污泥中的细胞蛋白,实现污泥的增值利用,以青岛市李村河污水处理厂剩余污泥为材料,采用酸水解法提取剩余污泥中的蛋白质. 经正交试验综合考察了水解温度、水解时间、反应体系pH和固液比(污泥样品质量(g)/加水体积(mL))等因素对剩余污泥蛋白质提取率的影响. 结果表明:水解温度和反应体系pH对蛋白质提取率的影响较大;通过试验获得的提取污泥蛋白质的最优工艺条件是水解温度为121 ℃,水解时间为5 h,反应体系pH为1.25,固液比为1∶3.0.在上述条件下,剩余污泥蛋白质提取率可达62.71%,水解后的剩余残渣经干燥后测定可知,其质量相对于原污泥样品质量(干重)削减率达到30.49%. 试验证明,选用该法不仅可以达到破解剩余污泥细胞并释放蛋白质的目的,还可以使污泥减量.      

热碱法破解污泥动态实验的条件优化

以城市污水处理厂二沉池污泥为研究对象,利用热碱处理工艺对其进行处理,研究污泥的最佳处理条件,分析静态实验对动态实验的指导作用。结果表明:静态实验处理条件下,污泥热碱处理的最佳初始pH、反应温度、反应时间分别为13、30℃、10 h;在最适条件下,COD溶出率、水相中的蛋白质和多糖浓度依次为61.53%、761.73 mg/L、649.85 mg/L;动态实验最佳反应时间为10 h,在此最佳条件下COD溶出率为75.77%、多糖浓度为842.34 mg/L,蛋白质浓度随着反应时间上下波动,总体破解效果高于静态实验。以上结果表明,污泥静态实验对动态实验具有现实指导作用,热碱联合具有较好的应用前景。     

碱处理促进剩余污泥解的试验研究

研究了热碱水解法对剩余污泥特性参数(溶解性化学需氧量、挥发性脂肪酸、氨氮、pH值与污泥浓度等)的影响.碱的加入减弱了污泥细胞壁对高温的抵抗力,加剧了剩余污泥细胞内有机质的释放与水解,改变了污泥的性质.在反应温度为170℃、pH 13、反应时间为75 min的条件下,溶解性化学需氧量(SCOD)达到了最大融出量17956 mg/L,此时SCOD与总化学需氧量(TCOD)之比为0.65.在pH 13,反应时间为60 min时悬浮固体(SS)、挥发性悬浮固体(VSS)均达到了最大溶解率,其值分别为67%和72%.经热碱水解处理后的剩余污泥SCOD随着原污泥浓度的增大而增大,呈现了良好的线性关系,相关系数R2达到了0.97以上,而且随着pH值的增大,融出率也不断增大,在pH 13时达到最高值672 mg/g.另外,通过正交试验可以得出170℃时各因素对SCOD影响的重要性,依次为污泥浓度、DH值、反应时间.     

混合外源菌强化剩余污泥微氧水解产酸

利用外源投加酵母菌与醋酸菌的方式促进了剩余污泥水解产生短链挥发性脂肪酸（SCFAs）的产量,考察了混合投加模式下污泥水解溶出的正磷酸盐、氨氮和溶解性COD的浓度,研究水解过程胞外聚合物（EPS）组分中蛋白质及多糖的变化特征.结果表明,在酵母菌和醋酸菌投加量分别为10和20g/L时,发酵第5d实现了最高的SCFAs产量,达到719mgCOD/gVSS,其中乙酸含量为328.78mgCOD/gVSS,占总SCFAs的45.72%.投加两种菌显著促进了剩余污泥水解产生SCFAs,且以乙酸为主.外源菌投加促进了水解酸化过程氨氮和正磷酸盐的释放,最佳反应条件下最大释放量分别为80.66和22.38mg/gVSS,有利于从剩余污泥中回收氮磷.投加外源菌后EPS中的蛋白质和多糖从内层向最外层释放,为污泥水解产酸提供底物.外源投加酵母菌与醋酸菌是促进剩余污泥水解酸化的有效手段.     

Combined alkaline and ultrasonic pretreatment of sludge before aerobic digestion

Alkaline and ultrasonic sludge disintegration can both be used as pretreatments of waste activated sludge (WAS) for improving the subsequent anaerobic or aerobic digestion. The pretreatment has been carried out using different combination of these two methods in this study. The effect was evaluated based on the quantity of soluble chemical oxygen demand (SCOD) in the pretreated sludge as well as the degradation of organic matter in the following aerobic digestion. For WAS samples with combined pretreatment, the released COD was in high level than those with ultrasonic or alkaline treatment. When combined with the same ultrasonic treatment, NaOH treatment resulted in more solubilization of WAS than Ca(OH)2. For combined NaOH and ultrasonic treatments with different sequences, the released COD were in the order: simultaneous treatment > ultrasonic treatment following NaOH treatment > NaOH treatment following ultrasonic treatment. For simultaneous treatment, low NaOH dosage (100 g/kg dry solid), short duration (30 min) of NaOH treatment, and low ultrasonic specific energy (7 500 kJ/kg dry solid) were beneficial for sludge disintegration. Using combined NaOH and ultrasonic pretreatment with the optimium parameters, the degradation efficiency of organic matter was increased from 38.0% to 50.7%, which is much higher than with ultrasonic (42.5%) or with NaOH pretreatment (43.5%) in the subsequent aerobic digestion at the same retention time.     

低温热水解对剩余污泥DOM的溶出特征分析

为了研究剩余污泥在低温热处理条件下的理化性质及溶出特征,采用批次试验探究了热处理温度对剩余污泥溶解性有机物（SCOD）、溶解性碳水化合物（SC）、溶解性蛋白质（SP）的溶出变化情况,分析了溶解性有机物质（DOM）荧光组分的平行因子分析模型特征.研究发现,随着热处理温度的升高,SCOD在80℃的破解度增幅最高,在90℃溶出量最大;SC在70℃时溶出率增幅最高,在90℃质量浓度最高;SP在60℃质量浓度最大;挥发性脂肪酸（VFAs）在60℃达到最大含量;液相色谱-有机碳测定仪（LC-OCD）分析表明,溶解性有机碳在90℃分子质量浓度最大,但生物聚合类物质的比例在80℃最高;三维荧光平行因子分析（PARAFAC）显示,剩余污泥热处理后的DOM均包含类蛋白质C1（282,324nm）、代谢类蛋白质C2（310,364nm）、可见腐殖酸C3（278/338/358nm,424nm）、土壤富里酸C4（270/318/354nm,476/524nm）,对于热水解法预处理污泥,类蛋白质在80℃下具有最大荧光强度,代谢类蛋白质在60℃下具有最大荧光强度.在60min条件下,污泥中有机物溶出的最佳温度是80℃.     

低温热水解对剩余污泥DOM的溶出特征分析

为了研究剩余污泥在低温热处理条件下的理化性质及溶出特征，采用批次试验探究了热处理温度对剩余污泥溶解性有机物（SCOD）、溶解性碳水化合物（SC）、溶解性蛋白质（SP）的溶出变化情况，分析了溶解性有机物质（DOM）荧光组分的平行因子分析模型特征.研究发现，随着热处理温度的升高，SCOD在80℃的破解度增幅最高，在90℃溶出量最大；SC在70℃时溶出率增幅最高，在90℃质量浓度最高；SP在60℃质量浓度最大；挥发性脂肪酸（VFAs）在60℃达到最大含量；液相色谱-有机碳测定仪（LC-OCD）分析表明，溶解性有机碳在90℃分子质量浓度最大，但生物聚合类物质的比例在80℃最高；三维荧光平行因子分析（PARAFAC）显示，剩余污泥热处理后的DOM均包含类蛋白质C1（282，324nm）、代谢类蛋白质C2（310，364nm）、可见腐殖酸C3（278/338/358nm，424nm）、土壤富里酸C4（270/318/354nm，476/524nm），对于热水解法预处理污泥，类蛋白质在80℃下具有最大荧光强度，代谢类蛋白质在60℃下具有最大荧光强度.在60min条件下，污泥中有机物溶出的最佳温度是80℃.     

污泥超声处理及其在好氧消化中的应用

污泥好氧消化工艺可以有效实现污泥的稳定和减量,为了进一步提高好氧消化的效率,促进有机质的降解,在对污泥超声处理性能研究的基础上,考察了不同超声辅助处理手段对污泥好氧消化的影响.结果表明,经1.0 W/mL超声处理10 min后,污泥上清液中溶解性COD增加了5.4倍,污泥总悬浮固体减少了16%;而经0.05 W/mL超声处理10 min后,污泥比耗氧速率可提高29%.用这2种超声预处理好氧消化的进泥时,污泥有机质降解率没有明显改变,但用1.0 W/mL超声处理好氧消化的回流污泥时,污泥有机质降解率提高了15%,而且消化污泥的沉降性能良好,上清液中有机质含量增加很少,因此,后者可以用于改善污泥好氧消化工艺.     

投碱种类和氨吹脱对污泥碱性发酵产酸的影响

采用完全混合式厌氧反应器,比较了NaOH和Ca(OH)2 2种碱试剂对污泥厌氧发酵产酸的作用效果,结合氨吹脱作用考察了NH4+浓度的降低对各有机物水解酸化程度的影响.结果表明在pH值为10的条件下,以NaOH调节的体系中各种有机物尤其是挥发性脂肪酸(VFAs)的量明显高于以Ca(OH)2调节的体系.Ca(OH)2调节的体系中释放出的蛋白质有部分沉淀,磷酸盐含量也较低,小于40mg/L;氨吹脱的体系发酵液中氨氮含量减少了43%,增大了VFAs的积累量;在NaOH和氨吹脱的组合条件下,污泥水解酸化程度最好,SCOD为6732mg/L,蛋白质为2029mg/L,碳水化合物374mg/L,VFAs总量2545mg/L,且氨氮含量低于200mg/L;分析认为氨吹脱作用增大VFAs积累量的原因主要是NH4+浓度的减小,促进了产酸菌对于碳水化合物的发酵.     

碱热联合破解污泥效果及动力学研究

研究了碱热联合处理对污泥的破解效果并进行了动力学分析.结果表明,碱的加入显著提高了热处理的破解效果,NaOH的破解效果比Ca(OH)2好.碱热联合处理脱水泥饼的适宜处理参数为140℃、90min、Ca(OH)2和NaOH投加量为0.25g/g总固体(TS).在该条件下,溶解性化学需氧量(SCOD)比未加碱时分别增加了41.26%和198%,质量减少率分别为50%、57%.采用NaOH碱热破解污泥后的SCOD值与热处理温度(T)、处理时间(t)及投碱量(A)的关系可以用幂指数模型表示:SCODNa=10178.17[T ]0.43 [A ]0.59t 0.24.     

剩余活性污泥超声波破解的特性研究

通过7个0～26 000 kJ/kg TS超声能量水平进行活性污泥的破解研究。结果表明,在超声能量低于1 000 kJ/kg TS时,超声波轻微破坏了污泥絮体结构,破解效应较弱,而超声能量高于5 000 kJ/kg TS,污泥的破解效应显著增强,污泥中的SCOD、蛋白质含量、碳水化合物含量和无机氮含量随着超声能量的增加而显著增加,并与超声能量呈显著相关性,污泥的可生化性能得到改善。26 000 kJ/kg TS的超声能量破解污泥,使污泥中的碳水化合物、蛋白质、氨态氮和硝态氮含量分别增加了92%、97%、173%和55%,但SCOD的破解程度仅为25.3%,仍不能完全破解污泥,因而不是破解污泥的最佳能量。