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.     

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.     

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.     

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.     

污泥预处理对微生物絮凝剂制备及性能的影响

试验研究了不同污泥预处理方法对微生物絮凝剂的制备及其絮凝性能的影响.结果表明,污泥经碱热预处理后释放的有机物质量最大,SCOD/TCOD可达到0.56.以碱热预处理污泥作为基质制备的微生物絮凝剂,其产量为2.3 g·L-1,高于热预处理的1.6 g·L-1,酸热预处理的0.6 g·L-1,以及未接种污泥絮凝剂的18 mg·L-1.采用响应面分析法对碱热预处理污泥制备的微生物絮凝剂与PAM复配改善污泥脱水的过程进行了优化,实验分别拟合了关于污泥比阻(SRF)和干污泥量(DS)的二次模型,决定系数(R2)分别为0.9057和0.9171,表明拟合情况良好.实验中最佳的污泥脱水条件为微生物絮凝剂投加量12.6 g·kg-1,PAM投加量1.0 g·kg-1,Ca Cl2投加量59.7 mg·L-1,p H值6.7,搅拌速度185r·min-1.在此条件下,DS和SRF分别为29.1%和2.2×1012m·kg-1,表明碱热预处理污泥制备的微生物絮凝剂与PAM的联合使用有助于改善污泥脱水性能.     

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。     

热碱处理破解污泥效果研究

利用碱热方法对污泥进行预处理,研究了污泥的破解效果及主要影响因素.研究表明:随着热水解处理温度的升高及时间延长,污泥上清波中的溶解性化学需氧量(SCOD)、氮(N)、磷(P)等浓度不断增加,而碱的使用提高了SCOD,N,P等的溶出率,且NaOH破解效果明显优于Ca(OH)2.污泥经90℃处理5h后,单独热水解、加NaOH和加Ca(OH)2预处理后的SCOD溶出率分别达到了23.1％,54.4％和32.5％;N的释放主要以有机氮为主,P的释放则是以正磷酸盐为主.碱热联合处理时污泥减量化效果突出,对污泥脱水性能影响显著,90℃时污泥中每克挥发性固体(VS)投加0.2 g Ca(OH)2处理5h,污泥离心含水率可达75.7％.     

超声波-氢氧化钙联合破解剩余污泥的效果

在对超声波、Ca(OH)2单独破解污泥效果研究的基础上,运用响应面法对超声波-Ca(OH)2联合破解剩余污泥的效果进行研究。结果表明:超声波单独破解剩余污泥过程中,污泥破解效果与超声波能量密度和作用时间均成正相关;Ca(OH)2单独破解剩余污泥过程中,当Ca(OH)2投加量为0.04 mol/L时,污泥破解效果最佳,1 h内污泥的破解率(DD)由控制样的0.61%增长到7.48%;联合破解剩余污泥效果优于2种单独破解效果,污泥破解率与超声波能量密度(A)、Ca(OH)2投加量(B)、联合作用时间(C)满足三元二次方程方程DD=-2.660-0.057A+484.738B-0.048C+0.441AB-2.233×10-3AC-0.088×BC-2.909×10-4A2-6 055.000 B2+2.117×10-4C2,且超声波与Ca(OH)2联合破解污泥过程中存在协同效应,当超声波能量密度为0.10 kW/L、Ca(OH)2投加量为0.04 mol/L、联合作用时间为60min时,污泥的破解率达到19.60%,此时协同效应最强。     

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.      

过氧化氢-敏化剂强化污泥微波预处理溶胞效果的研究

提高污泥溶胞效率是强化污泥厌氧处理的关键.为加强污泥微波预处理溶胞效果,本研究分别考察了常压、半封闭条件下二氧化钛颗粒、碳质材料作为敏化剂与过氧化氢联合进行微波污泥预处理的效果.结果表明,碳质材料敏化剂对微波、过氧化氢-微波污泥预处理产生了负作用,降低了污泥的溶胞效果,而二氧化钛能有效增加污泥中营养物质的释放.当二氧化钛颗粒投加量为0.12 g·g~(-1)干污泥时,SCOD、PO_4~(3-)-P的浓度比单独微波处理分别增加了11.86%、61%;当二氧化钛颗粒投加量为0.24 g·g~(-1)干污泥时,NH_4~+-N释放比单独微波处理高出27.78%.微波辐射作用下投加二氧化钛颗粒产生了羟基自由基,强化了过氧化氢-微波对污泥细胞的氧化作用.     

零价铁和微波预处理组合强化污泥厌氧消化

以中温(100℃)常压的微波预处理结合零价铁投加为对象,考察了低投加量5. 19～41. 51 g·kg~(-1)(以TS计)、高投加量83. 35～853. 46 g·kg~(-1)(以TS计)下的零价铁对微波预处理污泥厌氧消化的进一步强化作用.结果表明,微波预处理与零价铁组合可使污泥厌氧消化产甲烷潜势提升17%～23%.零价铁对微波预处理后污泥厌氧消化具有一定的促进作用,且提升了厌氧消化初期(1～4 d)产甲烷速率,零价铁投加量为31. 13 g·kg~(-1)(以TS计)时,产甲烷潜势提升了7. 42%,反应第2 d的产甲烷速率提高了11. 02%.高投加量的零价铁并未表现出更好的强化效果.零价铁促进了厌氧消化初期溶解性有机物的释放,投加量为31. 13 g·kg~(-1)(以TS计)时,溶解性蛋白质较单独预处理组提高21. 16%,并且零价铁投加加快了乙酸、异丁酸、异戊酸的消耗.零价铁的投加,导致上清液中的磷酸根和硫酸根浓度降低,相应地,上清液中铁元素的浓度反而下降,说明零价铁的形态转化后,易与磷酸盐、硫反应形成沉淀,这可能是铁投加作用效果不明显的重要原因.     

零价铁和微波预处理组合强化污泥厌氧消化

以中温(100℃)常压的微波预处理结合零价铁投加为对象,考察了低投加量5.19~41.51 g·kg-1(以TS计)、高投加量83.35~853.46 g·kg-1(以TS计)下的零价铁对微波预处理污泥厌氧消化的进一步强化作用。结果表明,微波预处理与零价铁组合可使污泥厌氧消化产甲烷潜势提升17%~23%。零价铁对微波预处理后污泥厌氧消化具有一定的促进作用,且提升了厌氧消化初期(1~4 d)产甲烷速率,零价铁投加量为31.13g·kg-1(以TS计)时,产甲烷潜势提升了7.42%,反应第2d的产甲烷速率提高了11.02%。高投加量的零价铁并未表现出更好的强化效果。零价铁促进了厌氧消化初期溶解性有机物的释放,投加量为31.13g·kg-1(以TS计)时,溶解性蛋白质较单独预处理组提高21.16%,并且零价铁投加加快了乙酸、异丁酸、异戊酸的消耗。零价铁的投加,导致上清液中的磷酸根和硫酸根浓度降低,相应的,上清液中铁元素的浓度反而下降,说明零价铁的形态转化后,易与磷酸盐、硫反应形成沉淀,这可能是铁投加作用效果不明显的重要原因。     

Fenton氧化破解啤酒工业污泥实验

利用Fenton反应氧化破解啤酒工业污泥,探究不同反应条件对污泥上清液中SCOD、总磷、总氮和氨氮释放的影响。结果表明:在pH为2.5,H2O2投加量为11 g/L,反应温度为60℃,不投加Fe2+条件下反应1 h破解效果最好。污泥上清液中的SCOD、TN、TP、NH+4-N的浓度分别由135.52,80.65,4.72,69.53 mg/L增至2 207.1,794.53,45.14,200.65 mg/L,色度下降,黏度减小,说明通过Fenton反应,污泥被高效氧化破解,大量有机物和氮磷得以释放,有利于污泥的后续资源化处理。     

剩余污泥超声提取液培养生物破乳菌Alcaligenes sp. S- XJ-1

将超声法预处理剩余污泥得到的提取液用于培养高效生物破乳菌Alcaligenes sp. S-XJ-1,以探索剩余污泥资源化利用的新途径.使用超声能量(ES)为443~56647kJ/kg TS的超声条件处理剩余污泥,获得的污泥提取液中氨氮、有机氮、总磷的浓度最高分别为171.94,142.20, 76.29mg/L,提取液中包含K、Ca、Mg、Fe等破乳菌生长必须的金属元素.将污泥提取液(ES为885~56647kJ/kg TS)作为培养基用于合成高效破乳菌Alcaligenes sp. S-XJ-1,产量较MMSM培养基可提高0.3%~68.3%,其中ES为56647kJ/kg TS时破乳菌产量最高,为2.03g/L.污泥提取液中的pH缓冲能力对菌体产量有重要影响,提取液的有机氮浓度可能是破乳菌产量提高的关键因素.污泥提取液培养的破乳菌破乳性能稳定保持在80.0%左右,菌体细胞表面疏水性与菌体C/N较MMSM培养基培养菌体无明显差异.说明以剩余污泥超声提取液作为培养基可以培养稳定高效的破乳菌Alcaligenes sp. S-XJ-1.     

对影响热水解污泥临界剪切应力主要因素的实验研究

热水解广泛应用于污泥厌氧消化的预处理之中,研究热水解污泥临界剪切应力的主要影响因素,准确预测污泥流变特性,对后续厌氧反应器的有效运行是十分必要的.本文研究了预剪切强度、温度(15~85℃)、浓度(8.6%~15.6%)、剪切速率范围(0.01~1000 s-1)对热水解污泥临界剪切应力的影响.实验采用含固率(Total solid,简称TS)8.6%TS15.6%的热水解污泥,在0.01~1000 s-1的剪切速率范围内对热水解污泥进行流变特性的测试.结果发现:流动曲线中是否出现临界剪切应力与污泥浓度和剪切速率范围有关,与预剪切强度及温度无关.对于160℃-30 min的热水解污泥而言,当TS10%时,流动曲线符合Herschel-Bulkley模型;当TS=10%时,在0.1~10 s-1内开始出现临界剪切应力将流动曲线分为两部分;TS10%时,流动曲线符合改进的Herschel-Bulkley模型.     

加碱预处理对致病微生物去除效果及动力学研究

以不同总固体含量(TS)(8%、10%、12%)的粪便污泥为研究对象,采用加碱技术对粪便污泥进行处理,探讨不同pH值(10、12)的碱预处理对4种指示性致病微生物(粪大肠杆菌、沙门氏菌、粪链球菌、蛔虫卵)的灭活效果并对致病微生物的去除过程进行动力学分析,同时通过分析预处理过程中粪便污泥pH值、SCOD和溶解性蛋白质的含量来表征碱预处理对粪便污泥水解的影响.结果表明,加碱预处理初始pH值分别为10、12时,预处理3d后各TS粪便污泥中4种致病微生物均被完全去除,且Weibull动力学模型对微生物去除过程的描述优于一级动力学模型;pH值为10时,粪便污泥SCOD增加了1.84~1.89倍,溶解性蛋白质增加了8.25~9.39倍;pH12时,粪便污泥SCOD值增加了1.90~1.97倍,溶解性蛋白质增加了8.62~9.89倍.     

超声与碱预处理对剩余污泥磷及有机物释放的影响

为了回收污泥所含的磷,采用碱和超声波对3种剩余污泥进行预处理以释放磷,考察了处理前后PO3-4-P(正磷酸盐)、TP(总磷)、SCOD(可溶性COD)、TOC(总有机碳)、TS(总固体)、VS(挥发性固体)的释放规律及溶解性有机物的三维荧光特性变化.结果表明,碱和超声波处理均能有效破解污泥,释放磷和有机物;城市污泥比制药污泥更容易破解;城市污泥无机磷的释放高于有机磷,而工业污泥的有机磷释放高于无机磷;采用生物脱氮除磷工艺的城市污泥释放磷最多,释放有机物最少,有利于磷的进一步回收.碱处理和超声处理都不会从根本上改变污泥上清液中有机物的组分,但碱处理能促进污泥蛋白质类、腐殖酸类和富里酸类有机物的释放.     

剩余污泥超声提取液培养生物破乳菌Alcaligenes sp.S-XJ-1

将超声法预处理剩余污泥得到的提取液用于培养高效生物破乳菌Alcaligenes sp.S-XJ-1,以探索剩余污泥资源化利用的新途径.使用超声能量(ES)为443~56647kJ/kg TS的超声条件处理剩余污泥,获得的污泥提取液中氨氮、有机氮、总磷的浓度最高分别为171.94,142.20,76.29mg/L,提取液中包含K、Ca、Mg、Fe等破乳菌生长必须的金属元素.将污泥提取液(ES为885~56647kJ/kg TS)作为培养基用于合成高效破乳菌Alcaligenes sp.S-XJ-1,产量较MMSM培养基可提高0.3%~68.3%,其中ES为56647kJ/kg TS时破乳菌产量最高,为2.03g/L.污泥提取液中的pH缓冲能力对菌体产量有重要影响,提取液的有机氮浓度可能是破乳菌产量提高的关键因素.污泥提取液培养的破乳菌破乳性能稳定保持在80.0%左右,菌体细胞表面疏水性与菌体C/N较MMSM培养基培养菌体无明显差异.说明以剩余污泥超声提取液作为培养基可以培养稳定高效的破乳菌Alcaligenes sp.S-XJ-1.     

基于响应面分析法的微波-过氧化氢-碱预处理污泥水解酸化优化研究

为进一步优化微波-过氧化氢-碱(MW-H2O2-OH)预处理污泥的水解酸化操作参数,在前期单因素试验研究的基础上,采用3因素3水平的响应面分析法,建立了水解温度、水解酸化时间和蛋白酶投加量分别对总VFA浓度和SCOD浓度影响的回归模型,并进行了碳源组成及其可利用性的评估.结果表明,模型极显著,拟合度、可信度和精确度高,数据合理,试验误差小.通过对回归模型的求解及综合考虑,得到优化的工艺条件为水解温度53.13℃、水解酸化时间4 d、蛋白酶投加量30.14 mg·g-1(蛋白酶/总固体浓度(TS),下同).验证结果表明,总VFA浓度和SCOD浓度的相对误差均在3%以内,说明该模型能很好地优化微波-过氧化氢-碱预处理后污泥的水解酸化操作条件和预测总VFA浓度和SCOD浓度.在碳源组成方面,优化工艺条件下SCOD占TCOD(混合液总COD)的44.56%,总VFA、溶解性蛋白质、溶解性糖类分别占SCOD的66.42%、19.34%和6.89%,碳源以总VFA为主,其中,VFA以乙酸(35.11%)、异戊酸(20.14%)、正丁酸(19.94%)、丙酸(16.90%)为主.三维荧光光谱的分析结果表明,污泥上清液中以溶解性微生物产物类酪氨酸和类色氨酸为主.优化组的污泥上清液作为碳源时的反硝化速率(0.184g·g-1·d-1,以每g VSS每天反硝化的NO-3-N量(g)计,下同)远远高于未优化组(0.065 g·g-1·d-1),碳源可利用性介于甲醇和乙酸钠之间,碳源可利用性较好.     

基于微波预处理的酶强化污泥水解酸化研究

微波预处理能显著提高污泥上清液中溶解性有机物含量,进而可作为内碳源补充强化生物脱氮,但释放的大量溶解性有机物却存在碳源可利用性偏低问题.因此,为了提高上述碳源的可利用性,本研究通过批量试验,考察了添加中性蛋白酶和中温α-淀粉酶对微波预处理污泥水解酸化的强化效果,同时研究了水解酸化过程中污泥上清液中有机物的变化特征.结果表明,经过微波-过氧化氢-碱预处理的污泥进行水解酸化能产生较多的挥发性脂肪酸(VFA),碳源可利用性提高,但由于在水解酸化最初的2 d内存在产酸滞后期,导致水解酸化时间被延长.加入中性蛋白酶和中温α-淀粉酶不仅促进了预处理后污泥的水解酸化,而且解除了微波-过氧化氢-碱预处理导致的产酸滞后现象.在55℃、I/S(接种比)=0.07条件下,酶的最佳投加量分别为30 mg·g~(-1)(蛋白酶/总固体浓度TS)和90 mg·g~(-1)(淀粉酶/TS),最佳水解时间为0.5 d,最佳酸化时间为4 d.水解酸化过程中溶解性COD(SCOD)、溶解性蛋白质、溶解性糖类和VFA浓度均呈现先增加后降低的变化规律.水解0.5 d时,30 mg·g~(-1)(蛋白酶/TS)组和90 mg·g~(-1)(淀粉酶/TS)组的SCOD、溶解性蛋白质、溶解性糖类浓度均达到最大值.水解酸化4 d时,30 mg·g~(-1)(蛋白酶/TS)组和90 mg·g~(-1)(淀粉酶/TS)组的总VFA浓度分别为3373.39 mg·L~(-1)(以COD计,下同)和3226.79 mg·L~(-1),比预处理组分别提高了82.37%、74.45%.30 mg·g~(-1)(蛋白酶/TS)组和90 mg·g~(-1)(淀粉酶/TS)组的VFA主要组分均为乙酸、正丁酸和异戊酸,其中,乙酸占总VFA的比例分别为46.53%、45.94%,污泥上清液中的COD/总氮(TN)比分别为13.26、14.41.在碳源组成方面,在水解酸化0.5~4.0 d之内,30 mg·g~(-1)(蛋白酶/TS)组和90 mg·g~(-1)(淀粉酶/TS)组的SCOD浓度基本不变,但随着水解酸化时间的延长,溶解性蛋白质占SCOD的比例均在下降,总VFA占SCOD的比例均在提高,实现了在不改变碳源总量的条件下增加易生物降解有机物比例的目的.