热水解污泥—餐厨垃圾协同厌氧消化及产甲烷动力学研究

发布时间：2020-08-11 09:45

【摘要】：伴随着我国制糖等轻化工业和市政污水处理能力逐年攀升,活性污泥法产生的污泥处理处置已成为完善污水处理工艺链条的关键环节。厌氧消化是污泥减量化、稳定化和资源化的可行性技术选择,我国污泥有机质普遍偏低的特点引发了污泥厌氧消化技术推广的两个难题:首先,污泥降解稳定化周期受制于水解速率,难以提高厌氧消化系统效率;其次,低有机质污泥的产甲烷潜力有限,减低了污泥处理及沼气综合利用的经济性。本研究针对上述问题提出了污泥热水解预处理和餐厨垃圾协同厌氧消化的解决方案。污泥热水解预处理通过高温促进污泥絮体解离、胞内有机质释放和水解,消除有机固体颗粒胞外水解的限速障碍,形成大量易降解有机质提高了后续厌氧消化的甲烷产量和产甲烷动力学速率。餐厨垃圾易降解和高产甲烷潜力的特点可以提升污泥厌氧消化系统的甲烷产量,改善污泥处理系统的能量平衡。本研究首先考察热水解条件(温度和时间)对污泥累计甲烷产量和产甲烷动力学的影响,证实了热水解温度是决定污泥厌氧可生化性的关键参数,最佳条件为165℃和30min;且热水解温度是决定污泥厌氧可生化性的基础上,利用累计产甲烷增长率揭示了低温热水解主要作用是促进污泥絮体解离继而增大胞外水解酶的吸附反应效率,温度升高促进有机质溶解是从根本上改变污泥厌氧可生化性的原因。累积甲烷释放率表明热水解污泥中易降解基质的比例随反应温度升高,Y3依次为45.5%至62.6%。产甲烷动力学研究表明,污泥水解速率常数kh经热水解从0.06d-1增长至0.25-0.34d-1,显著地提升了厌氧消化速率。一级反应动力学模型最适合描述热水解污泥动力学特征,而响应曲线模型和修正Gompertz模型则更适用于描述有迟滞期的发酵过程。半连续厌氧消化实验表明,热水解污泥厌氧消化能够在1.0-4.0kgVS/m3·d的有机负荷范围内维持稳定,需要密切关注氨氮和pH值波动避免出现自由氨抑制。其次,考察了热水解温度对污泥中重金属总量和化学形态分布的影响。参照《城镇污水处理厂污泥处置园林绿化用泥质》,样本之前没提及的主要污染因子是铅、镉和锌,三者的含量均超过酸性土壤施用限值,锌含量甚至处于碱性土壤的超标限值的临界区间,因而该污泥不宜采取土地施用的处置方式。热水解对污泥中的重金属总含量影响有限,表明重金属能稳定的与污泥固相相结合。重金属连续提取法的结果表明:砷残渣态为主的分布特征未随温度改变:镉和铅主要存在于残渣态和酸溶态,热水解会提高镉在酸溶态与可氧化态的比例,而残渣态铅比例略微增长;铬和铜平均分布于可氧化态和残渣态中(97%),热水解使铬向可氧化态转化而铜的化学分布基本稳定;镍的总量在热水解中平均下降14.5%,其可还原态和可氧化态合计占据超过64.5%;锌的化学形态对热水解不敏感,其可还原态和可氧化态比例超过53%。再次,基于污泥热水解的研究结论,进一步探讨与餐厨垃圾协同厌氧消化对累积甲烷产量、产甲烷动力学和厌氧消化稳定性的影响。厌氧可生化性实验的结果表明:在稳定的厌氧消化条件下,根据混合基质构成计算的理论甲烷产量与实验值相符,表明协同厌氧消化发酵对混合基质的最终累计甲烷产量未产生显著影响;理论累计产甲烷产量的偏离度RD值表明协同效应呈先增后减的趋势,在第10天达到32.0%-34.1%的峰值,随后逐步回落至1.5%以内,热水解污泥与餐厨垃圾的协同效应表现为发酵前期的加速甲烷释放。通过对比,修正Gompertz模型的能够更好的反映餐厨发酵停滞期(λ)和协同厌氧消化的累积产甲烷曲线。协同厌氧消化实验表明,向热水解污泥消化罐中添加餐厨垃圾一方面提高了比甲烷率,同时需要密切注意pH值、碱度和挥发性脂肪酸等指标,跟踪有机负荷升高对厌氧消化系统稳定性的影响。最后,基于有机固体废弃物区域化处理的原则,以服务人口规模为150万的市政污水处理厂为例,考察了区域内污水处理(48万m3/d)、污泥处理(450 t/d)和餐厨垃圾(195 t/d)综合处理实现能源中性污水处理厂的可行性。从能耗结构的角度,污水处理单元用电量占污水处理厂(污水处理+污泥处理)合计用电量的90%,污泥热水解是主要蒸汽消耗单元。基于能源结构与价格,沼气用于电热联产的节能收益领先沼气锅炉达0.88元/m3。热水解污泥新增的甲烷产量经电热联产实现了电力净输出和收益,然而污泥预处理产生了 3.73万kWh/d的蒸汽缺口,整体而言降低了污泥处理经济性。向现有污泥厌氧消化系统内加入餐厨垃圾105t/d,可实现污泥处理单元的蒸汽平衡并输出实现4.32万kWh/d的电力输出,满足污水处理单元30%的用电量;若新建独立90t/d餐厨垃圾厌氧单元可以增加额外3.32万kWh/d的电力盈余,将其与与污水-污泥处理系统整合使污水处理厂的电力自给率提升至37.5%,除了同时电热联产除满足污泥热水解和餐厨垃圾的预热外,还能输出9.60万kWh/d的盈余蒸汽与热水满足消化沼渣干燥系统半干化(含水率从80%降至50%)所需热量的42.7%至62.3%。通过餐厨垃圾-污泥协同厌氧消化能够提升污水处理厂的能源自给率,但在我国实现能源中性污水处理厂的前提是:(1)从能耗结构来说,需要降低污水处理系统的单位电耗;(2)从可再生能源回收的角度,需提高污泥有机质含量以提高厌氧消化的甲烷产量。
【学位授予单位】：广西大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O623.11;X703
【图文】：

乙酸,产甲烷,戊酸盐,厌氧消化

以乙酸为代谢基质的产甲烷微生物［７６］。上述基质代谢机理的发现为目前广泛使用的厌逡逑氧消化四阶段理论奠定了基础。逡逑如图１－３所示，有机固体厌氧消化降解可分为胞外水解、酸化、乙酸化和甲烷化等逡逑四个步骤［７７］。事实上，胞外水解涵盖了解离和水解两个过程，有机颗粒物在胞外酶和逡逑其他物化作用下解离破碎并进一步水解为单糖、氨基酸、脂肪酸的复杂过程，此阶段产逡逑生的有机小分子才能通过细胞膜进入胞内参与反应［７８］。对于例如葡萄糖、氨基酸和挥逡逑发性脂肪酸等溶解性低分子有机物，甲烷化是整体消化反应的限速步骤［７９］。逡逑１３逡逑

工艺流程图,热水解,污泥,工艺流程图

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图１－７邋Ｅｘｅｌｙｓ？污泥热水解工艺流程图［％逡逑Ｆｉｇ．邋１－７邋Ｆｌｏｗ邋ｃｈａｒｔ邋ｏｆ邋ｓｌｕｄｇｅ邋ｔｈｅｒｍａｌ邋ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ邋ｐｒｏｃｅｓｓ，邋ＥｘｅｌｙｓＩＭ逡逑ＥｘｅｌｙＳ？工艺（图１－７）将污泥连续的泵送通过预热器加热至１６５°Ｃ，随后进入管式逡逑连续热水解反应器中停留约３０ｍｉｎ，最后经换热器降温完成预处理过程。目前ＥｘｅｌｙＳ？逡逑工艺已在法国拥有３座应用案例，干基污泥处理规模合计３０６００万吨／年［１３７］。逡逑污泥热水解技术不仅用于市政污泥处理，轻工行业大规模的高浓度有机废水处理产逡逑生的剩余污泥也需要预处理以提高厌氧消化效率。例如，Ｐｕｈａｋｋａ研究了芬兰造纸厂剩逡逑余活性污泥的厌氧消化性能，挥发性有机质去除率在有机负荷为５ｋｇＶＳ／ｍ３的稳定发酵逡逑阶段可达４０％，沼气产率为２２０ＮｍＶｔＶＳｌｎ［１３８］。Ｅｌｌｉｏｔ等认为难降解的木质纤维含量偏高逡逑的污泥厌氧可生化性一般，需要通过预处理缩短厌氧稳定化周期，降低厌氧消化系统规逡逑模［１＇Ｌｉｎ等测试了中温厌氧消化系统处理制浆造纸污泥

【参考文献】