低温热水解和超声联合破解污泥优化工艺的参数研究

针对国内低温热水解和超声联合技术应用于低有机质剩余污泥厌氧消化预处理领域的实验研究和工艺参数缺陷问题,探讨了低于100℃的低温热水解和超声波技术联合破解剩余污泥的技术可行性及工艺参数的优化.以热水解温度和超声能量为控制参数,以污泥破解度、溶解性蛋白质和多糖浓度为分析指标,通过Box-Behnken设计实验,并根据响应曲面法(RSM)构建了污泥破解的二次多项式预测模型,进而得到各影响因素作用下的最佳破解工艺参数.结果表明,温度对污泥破解的影响较超声能量明显.低温热水解和超声联合作用下,最佳工艺组合为温度80℃和超声能量12000kJ/kgTS,该工艺下的污泥破解结果为污泥破解度39.01%,溶解性蛋白质1360.59mg/L和多糖334.52mg/L,该结果与预测值吻合度较高,表明响应曲面模型所得参数较为可靠,能够为实际应用和推广提供参考.     

高铁酸钾破解剩余污泥的水解效能分析

为了有效提高污泥水解效率、缩短厌氧消化时间,以K₂FeO₄为氧化剂破解剩余污泥,考察K₂FeO₄投加量（50~500 g/kg,以干质量计）对污泥破解率的影响,分析水解液各项特征指标并对其可生化性能进行预测,探究该方法作为污泥厌氧预处理的可行性.结果表明:污泥水解效率随着K₂FeO₄投加量的增加而升高,当搅拌速率为500 r/min、反应时间为2 h、K₂FeO₄投加量为500 g/kg的条件下,可实现最高的污泥破解率（34.6%）.污泥水解液中有机物以多糖、蛋白质为主,并有少量挥发性有机酸;污泥破解过程也伴随着P和NH₄+-N的释放,上清液中ρ（TP）最高可达496 mg/L,且以正磷酸盐为主（约310 mg/L）,可对其进行回收.采用三维荧光体积积分的方法对污泥水解液的可生化性能进行预测,发现污泥经K₂FeO₄预处理后,水解液中RB（易降解有机质）和PB（难降解有机质）荧光强度均明显增加,当K₂FeO₄投加量为50 g/kg时,F_digestion（生物可降解性指数）达到最大值（4.75）,预测此时污泥的可生化性能最佳.以K₂FeO₄为氧化剂预处理污泥可有效提升污泥水解效率,但若作为厌氧消化预处理,应综合考虑污泥破解率和可生化性能.研究显示,搅拌速率为500 r/min、反应时间为2 h、K₂FeO₄投加量为50 g/kg预处理条件下污泥的可生化性能最佳.      

蒸汽爆破对污泥和餐厨垃圾联合厌氧消化的促进效果

鉴于蒸汽爆破（简称"汽爆"）预处理对污泥和餐厨垃圾联合厌氧消化的影响还鲜有报道,为探讨汽爆预处理对污泥和餐厨垃圾联合中温厌氧消化的促进效果及经济可行性,利用小型发酵罐在35℃下开展了未预处理污泥和餐厨垃圾联合消化、汽爆污泥单独消化、汽爆污泥和餐厨垃圾联合消化的试验,并进行能耗分析.结果表明,未预处理污泥与餐厨垃圾联合消化阶段,VS（挥发性固体）去除率为33.9%,沼气产率为311.0 mL/g（以投料VS计）;汽爆污泥单独消化阶段,VS去除率和沼气产率均略高于未预处理污泥与餐厨垃圾联合消化阶段,但反应器ρ（NH₄+-N）过高,影响产气稳定性,沼气φ（CH₄）较低.汽爆污泥与餐厨垃圾联合消化阶段,VS去除率和沼气产率分别达到49.5%和420.5 mL/g,显著优于未预处理联合消化阶段.能耗分析表明,预处理的升温过程使汽爆预处理整体能耗偏高,但若能有效回收70%的热量,则汽爆预处理可提高污泥-餐厨垃圾联合中温厌氧消化工艺3.34 kW·h/t（以污泥量计）的能量产率.研究显示,汽爆预处理可提高污泥和餐厨垃圾联合中温厌氧消化工艺35.2%的沼气产率,但由于预处理能耗较高,预处理过程中热能的有效回收是汽爆预处理应用于污泥和餐厨垃圾联合中温厌氧消化经济可行的关键.      

污泥碱解和超声破解预处理的效果研究

为提高污水厂污泥的厌氧消化速率,采用多频率多功率槽式超声发生器,研究了超声波、碱解、以及两者的组合作用对污泥破解预处理效果的影响.结果表明,碱和超声波的组合预处理方式,对污泥溶解性COD的释放效果和VSS减少效果明显优于单独的超声波和单独的碱处理.单独超声预处理,污泥VSS的最大减少率为15.98%;单独碱解(NaOH/TS=0.04)时为22.12%;先碱解(NaOH/TS:0.04,24 h),再超声(60 min)以及碱(NaOH/TS=0.04)和超声(60 min)同时作用的预处理方式,可将污泥VSS减少率分别提高到51.45%和54.45%.破解作用引起污泥的水解分为快速水解和缓慢水解2个阶段,对快速水解阶段进行动力学分析可知,同时采用碱和超声的预处理方式不但可以获得最高的水解速率,而且降低了碱的投加量,缩短了超声破解的时间.     

酸-碱预处理促进剩余污泥厌氧消化的研究

为提高剩余污泥的厌氧消化效率,投加酸和碱对污泥进行预处理,对比分析了不同预处理方式（单独碱处理、酸-碱处理和碱-酸处理）对污泥水解酸化的影响,并研究了各种预处理方式对后续厌氧消化产甲烷效率的影响.结果表明,单独碱处理的溶解性化学需氧量（SCOD）溶出量比酸碱联合处理要大16%左右,预处理第8 d,达到5 406.1 mg.L-1.采用先酸（pH 4.0,4d）后碱（pH 10.0,4 d）预处理,在污泥水解酸化过程中,乙酸产量及其占总短链脂肪酸（SCFAs）的质量分数均高于其他预处理方式,其乙酸产量（以COD/VSS计）可达到74.4 mg.g-1,占总SCFAs的60.5%.酸-碱预处理后污泥混合液的C∶N比值为25左右,C∶P比值在35～40之间,这比单独碱处理和碱-酸处理后的C∶N和C∶P比值更有利于后续厌氧消化.通过对比研究发现,酸-碱预处理后,厌氧消化到第15 d,酸-碱预处理污泥的累积甲烷产量（CH4/VSS加入）达到136.1 mL.g-1,分别是空白对照、碱-酸预处理和单独碱预处理方式的2.5、1.7和1.6倍,厌氧消化效率最高.经过8 d酸-碱预处理和15 d的厌氧消化,挥发性悬浮固体（VSS）总去除率达到60.9%,污泥减量效果比其他预处理要好.很显然,酸-碱预处理方式更有利于污泥厌氧消化及污泥减量化.     

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.     

热水解污泥-香蕉秸秆改善厌氧消化性能实验

采用添加高有机质含量的香蕉秸秆协同厌氧以及高温高压热水解预处理的方法,可显著提高低有机质污泥甲烷产率和厌氧消化性能。生化甲烷潜力实验结果表明:经过预处理后的污泥、香蕉秸秆及其混合物厌氧消化最大累积甲烷产量分别为388,372,537 mL/gVS,甲烷提升产量及协同效应显著。在污泥、香蕉秸秆及其混合物各自的最佳预处理条件下,甲烷产量达到80%的时间(T80)分别为12,19,17 d;SCOD溶出值分别为预处理前的14.4,2.8,5.9倍;厌氧消化结束后,SCOD去除率分别为93.7%、89.8%、94.5%;VS去除率分别为48.4%、48.8%、59.2%;热水解预处理使液相中溶解性蛋白质和VFA、溶解性多糖的浓度增加明显,分别为预处理前的14.5,5.1,8.2倍,随后的厌氧消化阶段的去除率分别为94.4%、94.9%和95.2%,稍高于单独厌氧消化的有机质降解率。     

热水解和超声波预处理对污泥厌氧消化效能的影响研究

针对城市污泥厌氧消化中由于融胞困难所存在的消化速率低、产气量低等问题,采用热水解、超声及热超声组合的方法对污泥进行预处理,预处理后污泥分别经35,41,55℃厌氧消化,考察预处理和温度对厌氧消化产气性能的影响。结果显示:通过增加预处理,可以使污泥厌氧消化产气量提高16.51%~36.98%,并可将55℃温度条件下厌氧消化周期最小缩短至11 d。合理的升高温度和增加预处理可以使污泥的厌氧消化性能得到一定的改善。但在相同预处理条件下,厌氧消化温度由35℃升高到55℃时其厌氧消化效果的改善却并不明显。试验结果可以为城市污泥厌氧消化工艺的选择提供一定的技术支撑。     

城市污泥不同处理处置工艺路线碳排放比较

随着碳中和目标的提出，城市污泥高效资源化利用成为研究热点，为从碳排放角度对污泥处理处置技术路线进行科学比较，对4种典型污泥处理处置路线进行碳核算.基于联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)提供的方法，结合我国污泥特性，以每t干污泥(DS)为核算对象，核算边界从污泥浓缩开始，到最终作为产品输出或能量回收为止，分为直接排放、间接排放和碳补偿这3种类型计算总碳排放量.结果表明R4路线(重力浓缩+热水解+厌氧消化+板框压滤脱水+运输+土地利用)总碳排放量(以CO₂/DS计，下同)为99.41 kg·t^-1,是最为低碳的污泥处理处置工艺路线，若避免其厌氧消化CH₄逸散排放，该路线现阶段已能够实现碳中和.对碳排放量较大单元，如热干化1 049.24 kg·t^-1,深度脱水960.99 kg·t^-1,卫生填埋786.24 kg·t^-1,焚烧635.52 kg·t^-1,好氧堆肥614.17 kg·t^-1,热水解544.67 ...     

去除城市生活污泥中有机络合态金属强化其厌氧生物制气

为提高城市生活污泥厌氧消化沼气产率,本文考察了通过金属络合剂EDTA预处理污泥,以去除城市生活污泥中有机络合态金属,强化其厌氧生物制气的效果.结果表明,经EDTA预处理去除金属后的污泥(实验组)较未预处理的污泥(对照组)的有机络合态金属含量减少[(5.09±0.57)%~(1.37±0.20)%,以TS计],溶解性有机质显著提高(SCOD提升627%),暗示该预处理方法能够极大地去除有机络合态金属并强化污泥有机质的溶出.通过测定污泥有机质溶出表观活化能发现,实验组污泥有机质溶出表观活化能比对照组降低36%,表明预处理能够有效降低有机质溶出反应的能量壁垒.污泥厌氧发酵研究发现,在16d的污泥厌氧产酸实验中,实验组VFAs浓度高于对照组,较对照组最大提升42%;在22 d的污泥厌氧产甲烷测试实验(BMP)中,实验组单位有机质累积甲烷产量比对照组增加48%,表明EDTA预处理对提高污泥厌氧消化产沼气具有重要的作用.通过进一步产沼气动力学研究发现,实验组的产沼气限速步骤在产甲烷阶段,而对照组限制于水解阶段,表明经EDTA预处理能有效地破除城市生活污泥厌氧消化过程的水解限速.     

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.     

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。     

Increasing the performance of anaerobic digestion: Pilot scale experimental study for thermal hydrolysis of mixed sludge

The performance of a pilot plant operation combining thermal hydrolysis (170°C, 30 min) and anaerobic digestion (AD) was studied, determining the main properties for samples of fresh mixed sludge, hydrolyzed sludge, and digested sludge, in order to quantify the thermal pretreatment performance (disintegration, solubilisation, and dewaterability) and its impact on the anaerobic digestion performance (biodegradability, volatile solids reduction, and digester rheology) and end product characteristics (dewaterability, sanitation, organic and nitrogen content). The disintegration achieved during the thermal treatment enhances the sludge centrifugation, allowing a 70% higher total solids concentration in the feed to anaerobic digestion. The digestion of this sludge generates 40% more biogas in half the time, due to the higher solids removal compared to a conventional digester. The waste generated can be dewatered by centrifugation to 7% dry solids without polymer addition, and is pathogen free.     

泥处理处置路径碳排放分析

根据联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)提供的核算准则,结合生命周期评价(LCA),对我国常见的污泥处理处置路径包括填埋、焚烧、热解、好氧堆肥、厌氧消化和湿式空气氧化进行了碳排放核算,并对敏感因子污泥有机质含量进行了影响分析.结果表明,对于有机质含量40%~50%的脱水污泥(含水率80%),净碳排放排序为填埋>焚烧>热解>厌氧消化>好氧堆肥>湿式空气氧化;而对于有机质含量60%~70%的脱水污泥,排序为填埋>焚烧>热解>好氧堆肥>湿式空气氧化>厌氧消化.对不同污泥处理处置组合路径进一步分析表明,独立焚烧相对于污泥水泥窑协同处置和燃煤电厂混烧碳排放更低.水解-厌氧消化-土地利用组合路径因提高有机质利用率而降低碳排放.1t脱水污泥处理处置全生命周期碳排放分析的结果表明,当污泥有机质含量低于60%时,上述路径都会产生2.07~494.45kg CO₂eq/t不等的碳排放;当污泥有机质含量达到60%时,热水解-厌氧消化-土地利用组合路径可以实现负碳排放,为-37.91kg CO₂eq/t,厌氧消化及湿式空气氧化路径接近于零碳排放;当有机质含量达到70%时,湿式空气氧化､厌氧消化及组合路径均可以实现负碳排放.     

含固率对超声联合热碱预处理及厌氧消化的影响

含固率是影响污泥预处理效果的重要因素。对含固率为1.5%、5%、10%的污泥进行超声联合热碱预处理及厌氧消化,以探究含固率对污泥破解效果及产气量的影响,发现VSS的减少率和氨氮的增长率随污泥含固率的提高而减小。厌氧消化27d后,经预处理作用后污泥的含固率为1.5%、5%、10%,VSS浓度较原泥依次减少了64.5%、54.6%、20.1%,氨氮浓度较原泥依次增加了97.3%、47.5%、25.6%,厌氧消化产气量较原泥分别增加了32.0%、40.1%、18.9%,且产气量均在第20天之前便达到了原泥30 d的总产气量。综合考虑污泥体积、总减量效果以及产气量,采用含固率5%的污泥进行预处理以及后续的厌氧消化过程更合适。     

污泥厌氧消化的强化处理技术

污泥固体的生物可降解性低 ,影响了污泥的厌氧消化 ,提高厌氧消化效率的一个主要途径是促进污泥细胞的分解 ,增强生物可降解性 ,本文综述了强化污泥厌氧消化的几种预处理技术 ,包括热解、碱处理、臭氧氧化和超声处理     

热碱预处理后得克隆对污泥厌氧发酵产酸及污泥特性的影响

为了探究新兴污染物得克隆（DPs）对剩余活性污泥（WAS）发酵产酸及污泥特征的影响,以WAS及DPs为研究对象,建立序批式反应器,在中温条件下探究了不同含量的DPs对WAS发酵的影响.结果表明,DPs对污泥厌氧发酵产短链脂肪酸（SCFA）具有明显的抑制作用,当DPs含量为300.0mg/kg TSS时,SCFA的最大产量仅为151.2mg COD/g VSS,是空白样品的0.7倍.DPs的存在会影响WAS的理化性质,且DPs促进了污泥的分解,但抑制了水解和酸化过程,且随着DPs浓度的增加抑制作用越明显.同时,DPs抑制有机质的释放,当DPs含量为300.0mg/kg TSS,溶解性化学需氧量（SCOD）的最大浓度仅为空白组的0.74倍,溶解性蛋白质与多糖的浓度也低于空白组.此外,DPs还影响NH₄⁺-N和PO₄^3--P的释放,高剂量的DPs促进了发酵液内NH₄⁺-N和PO₄³-P的释放.