城市污水处理厂污泥厌氧消化的预处理技术

中国沼气 ChinaS／ogas 2006，25(2) 城市污水处理厂污泥厌氧消化的预处理技术 戴前进，方先金，邵辉煌 (北京市市政工程设计研究总院研究所，北京 100035) 摘 要：厌氧消化是主要的污泥稳定化处理技术，能破坏细胞，释放有机质，提高污泥的水解速率，是增强污泥厌氧 消化性能的关键。本文综述了当前研究和应用较多的物理法、化学法和生物法等污泥预处理技术，其中主要包括： 热处理法、高压喷射法、超声波处理法、冷冻法、辐照法、碱处理法、臭氧氧化法和生物酶技术等，并分析了各种 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 的原理、特点、处理效果及应用前景。 关键词：污泥；厌氧消化；预处理技术；物理法；化学法；生物酶技术 中图分类号：X703；$216．4 文献标识码：A 文章编号：1000—1166(2007)02—0011一o5 Pretreatment Methods of Anaerobic Digestion of Sludge from Wastewater Treatment Plant／DAI Qian-jin，FANG Xian-jin，SHAO Hui-huang／(Beijing General Municipal Engineering Design& Research Institute，Beijing 100035，China) Abstract：Anaerobic digestion is all important sludge stabilization technology，which breaks cells，releases organic sub- stance and improves sludge hydrolysis velocity，and is the key to enhance sludge anaerobic digestion ability．In this paper， some physical，chemical and biological methods used currently to pretreat sludge are reviewed，such as thermal，jeRing at high pressure，ultrasonic，freezing，irradiation，alkali solubilization，ozonation and enzymatic pretreatment and SO on．The basic principle，characteristic，treatment efficiency and future application of these methods were discussed as wel1． Key words：sludge；anaerobic digestion；pretreatment technology ；physical method；chemical method；enzymatic 污水污泥是指城市污水处理厂处理污水过程 中所产生的固体废弃物。随着城市污水处理技术的 革新，处理程度的深化以及处理率的提高，污泥的产 生量也在不断增加 ，污泥问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 已成为当前影响城市 发展的一大环境问题。因此，妥善地处理与处置污 泥显得尤为必要。厌氧消化作为主要的污泥稳定化 处理工艺，具有减少污泥体积、杀灭病原微生物、改 善污泥性能、产生沼气等优点，因而一直备受研究者 的关注。但厌氧消化水解过程进行缓慢，成为污泥 厌氧消化过程的限速步骤；而采用不同的预处理方 法，能够破坏污泥中的颗粒成分，使厌氧菌所需的有 机质释放出来，从而有效提高污泥的水解速率，加快 厌氧消化过程，增加产气量。常见预处理有物理法 和化学法，现分述如下。 1 物理法 1．1 热处理法 热处理法是通过加热使得污泥中的部分细胞体 受热膨胀而破裂，释放出蛋白质和胶质、矿物质以及 细胞膜碎片，进而在高温下受热水解、溶化，形成可 溶性聚缩氨酸、氨氮、挥发酸以及碳水化合物等，从 而在很大程度上促进了污泥厌氧消化的发生。该方 法是目前研究较多、应用较广的一项污泥预处理技 术。大量的试验表明-3】，最有利于污泥水解的热处 理温度范围是 165oC一180oC。Li和Noike-4 选择温 度为 170℃，加热时间为30—60 min的条件下预处 理污泥，再经过5—10天的厌氧消化即获得较高的 有机物去除率和沼气产气量，同时污泥的脱水性能 得以大大改善。Haug等人 研究发现，经过 175℃高温热处理的污泥，厌氧消化产生的沼气量要 比未处理过的污泥高出60％ 一70％。此外 ，Hiraoka 等人 还研究了低温热处理对污泥厌氧消化的影 响，结果表明，经过60℃一80℃低温热处理的污泥， 厌氧消化过程能获得高于对照组30％的沼气产量， 但低温热处理的停留时间要远远长于高温热处理过 程。而热处理的温度过高反而会出现一些负面影 收稿日期：2006．．08-21 作者简介：戴前进(1980一 )，男。硕士，主要从事给排水研究与设计工作 ，E—mail：qianjin21c@tom．corn 中 国 城 镇 水 网 ww w. ch in ac it yw at er .o rg l2 中国沼气 ChinaBiogas 20o6，25(2) 响，经过温度高于 180~C热处理的污泥水解速率虽得到 明显提高，但同时热处理过程也产生一些难溶性的有 机物质，在一定程度 E抑制了厌氧消化的进行。 污泥厌氧消化前经过加热预处理，能够减少污 泥消化停留时间，提高产气量。Haug等人 估算， 采用热处理方法能为污泥的整个厌氧消化过程节减 25％的能耗，这一点已经在挪威Hamar污水处理厂 3年的运行实践中得以证实 j。 1．2 高压喷射法 高压喷射法是利用高压泵将污泥循环喷射到一 个固定的碰撞盘上，通过该过程产生的机械力来破 坏污泥内微生物细胞的结构，使得胞内物质被释放 出来，从而显著提高污泥中蛋白质的含量，促进水解 的进行。Choi等人 叫¨研究了经过 3 MPa高压喷射 预处理的污泥的厌氧消化过程，试验结果表明，2— 26 d停留时间的厌氧消化后，污泥中挥发性固体 (VS)的去除率达到13％一50％，而对照组污泥(未 经过预处理)在相同的试验条件下，VS的去除率仅 达到2％一35％。可见高压喷射法明显有利于污泥 厌氧消化的进行。为了进一步弄清高压喷射法对污 泥作用的具体机制，Nah等人 I¨j通过试验发现，经 过高压喷射法预处理污泥的SCOD，STOC和蛋白质 浓度能由处理前的 100—210 mg·L～，8O一130 mg· L 和63—85 mg·L 分别升高至 760—947 mg·L～， 560—920 mg·L 和 120—210 mg·L～，同时，污泥的 碱度，NH，一N和总磷含量也有所上升，而ss浓度却 略微下降，由此证实了高压喷射法对改善污泥消化 性能的有效性。 然而，高压喷射法处理污泥过程的机械能损失 较大，当所用设备的能耗为1．8×10 kJ·kgSS 时细 胞裂解程度仅为25％，所以该方法在实际的工程应 用中难以推广。 1．3 超声波处理法 超声波处理法是将生物化学领域用以破碎细胞 的超声波技术应用到污泥的预处理上来，破坏微生 物细胞的细胞壁，使得细胞内的有机质释放出来，从 而促进污泥水解和消化的进行。研究表明，低频超 声波(<100 kHz)产生的机械力最为有效，Petrier等 人 ¨通过试验证明41 kHz超声波对污泥的分解效 果最好。Wang Q等人I1 应用 9 kHz，200 W 的超声 波对污泥进行预处理，在处理时间分别为 lO，2O，3O 和40 min的条件下，污泥经 ll d中温厌氧消化的总 产气量 同未进行 预处理 的污泥相 比，分别增加 12％。31％，64％和69％。结果表明：超声波处理污 泥的时间小于30 min的条件下，污泥产气量随着预 处理时间的增加而增加；预处理时间超过 30 rain 后，污泥产气量的增加并不明显，因此，30 min宜作 为超声波预处理污泥的最佳时间。Bien等人 ¨j研 究发现，经过超声波预处理的污泥在中温厌氧消化 过程中产气高峰提前了4 d，即超声波预处理法可缩 短污泥厌氧消化周期近4 d。 超声波技术具有无污染、能量密度高、分解速度 快等特点，与其他方法相比，具有在短时间内有迅速 释放细胞内物质的优势，但在促进细胞破碎后固体 碎屑的水解却不如添加碱和加热方法，同时，超声波 的作用受到液体的许多参数(温度、粘度、表面张力 等)和超声波发生设备的影响，在短时间内还难以 投入大规模的工程化应用。 1．4 冷冻处理法 冷冻处理法是将污泥降温至凝固点以下，然后 在室温条件下融化的处理方法。通过冷冻形成冰晶 再融化的过程胀破细胞壁，使细胞内的有机物溶出， 同时使污泥中的胶体颗粒脱稳凝聚，颗粒粒径由小 变大，失去毛细状态，从而有效提高污泥的沉降性能 和脱水性能，加速污泥厌氧消化过程的水解反应。 Wang等人L1 5j对活性污泥分别在 一10~C，一20~C和 一 80~C条件下进行冷冻法处理，发现经处理后污泥 中溶出的蛋白质和碳水化合物总量比未经处理的污 泥分别高出25，24和l8倍，结果表明在较高的凝固 点下(一10~C)条件下，污泥的冷冻速度相对较慢， 对细胞的破壁效果更为显著，污泥消化后的产气量 提高约27％。冷冻处理法受自然条件限制较大，在 寒冷地区具有一定的应用前景。 1．5 辐照法 辐照法即利用辐射源释放的射线对污泥进行照 射处理，目前应用较多的辐射源主要是产生 一射 线的钴源(60Co)和产生高能电子束的电子加速器。 国内外研究表明L1 " ；经 一射线辐照处理后，污泥 的平均粒径减小，粒径分布由7O一120 m向0—4O m迁移；污泥絮体中微生物的细胞结构被破坏，核 酸等细胞内含物的流出增加了污泥中可溶性有机组 分的含量，大大提高了VFA浓度；5 kGy剂量的 一 射线处理污泥，能使污泥中的SCOD增长555％，可 溶性有机物浓度增加596％，经过 10 d的高温厌氧 消化后甲烷产量的增幅约为 50％；此外，经高剂量 的 一射线照射处理后的污泥中粪大肠菌数减少约 中 国 城 镇 水 网 ww w. ch in ac it yw at er .o rg 中国沼气 China Biog~2006，25(2) 13 3个数量级，可见 一射线不仅能释放细胞中的有 机质，还可起到灭菌的作用。高能电子束的辐照剂 量一般为 0．5—10．0 kGy，对污泥的作用机理及效 果同 一射线处理过程相近 引¨。 辐照法处理污泥有利于缩短污泥厌氧消化的周 期，加速厌氧消化速率，提高产气量，但该方法应用 操作技术要求高，能耗相对较大，其经济可行性有待 进一步研究。 2 化学法 2．1 碱处理法 碱处理法就是在常温条件下 ，通过加碱(NaOH 或Ca(OH) )来促进污泥中一些纤维成分溶解的方 法。Alleman等人 ¨研究认为，碱液预处理能有效 溶解污泥中的硝化纤维，使其转变为可溶性的有机 碳化合物。Lin等人 取含固率为1％的污泥进行 试验，在 NaOH调质浓度为 20 meq·L 和40 meq· L 的条件下 ，经过不同停留时间的厌氧消化周期 后，同对照组(未添加 NaOH预处理的污泥)相比， 污泥的 VS和 COD分解率均有较大程度的增加，产 气量分别高出22％一94％和 19％ 一86％。从试验 结果来看，随着 NaOH添加量的增加，污泥厌氧消化 性能随之提高，且产气中甲烷的比例也有明显增大。 此外，Rajan等人 通过试验比较 了 NaOH和 Ca (OH) 对改善污泥消化性能的差异，结果表明，含 固率为 0．5％ ～2％的污泥，在 NaOH添加量为 8— 16 g·100gTS 时，可将40％的TCOD转化为SCOD； 而在 Ca(OH)2添加量为 14．8 g·100gTS 时，转化 率仅为20％。因此，低剂量的NaOH预处理对污泥 的溶解效果比Ca(OH) 的处理效果更为显著。 总体说来，碱处理法的优点主要体现在：增加污 泥COD和VS的降解率，增大产气量，提高产气中甲 烷含量；缩短污泥厌氧消化的周期；同时调节污泥的 pH值，使其处于适宜于厌氧消化的 pH值控制范 围。但在另一方面，加碱预处理过程中会产生一些 抑制厌氧消化反应和一些难溶性的物质，而Na 和 OH一两种离子自身也是厌氧消化的抑制剂，因此最 合理的碱投加量及碱处理法的负面效应尚待进一步 深入的研究。 2．2 臭氧氧化法 臭氧作为一种强氧化剂，可以通过直接或间接 的反应方式破坏污泥中微生物的细胞壁，使细胞质 进入到溶液中，增加污泥中溶解性 TOC的浓度，提 高污泥的厌氧消化性能。Park等人 进行了臭氧 投量与污泥颗粒分布的试验，研究表明高臭氧投量 导致污泥小颗粒增加，在臭氧投量由0．5 gO3·gDS 增加到 5 gO ·gDS～，臭氧化后污泥粒径从 40 m 降至5 m。王琳等人 研究发现，当臭氧投量为 0．1 gO ·gSS 时，TOC由初始的 114．9 mg·L-1增加 到803．7 mg·L～；当臭氧投量增加到 0．57 gO3· gSS 时，TOC浓度增加到 1082 mg·L～。 可见，臭氧的处理效果与臭氧的投加量直接相 关，投加量越大，处理效果越好，对厌氧消化越有利。 但增加投药量也相应增加了污泥预处理 的成本。 Weemaes等人 选取市政污泥作为研究对象，在臭 氧投加量为0．1 gO。·gCOD 时，污泥中总 COD减 少(16±6)％，总 TOC减少 (16±4)％，而溶解性 COD和TOC分别增加了(29±6)％和(16±4)％， 同时污泥中的SS和VSS分别减少40±5％和50± 6％，这是由于臭氧的氧化作用促使污泥中微生物细 胞的溶解。经过臭氧预处理后的污泥进行厌氧消 化，甲烷产率约为对照组的 1．8倍，由8．3—15．1 mLCH ·gCOD d 增 加到 22．8—32．5 mLCH4· gCOD d～，消化完成后污泥的总COD去除率高达 72％；而在消化周期较短时，经臭氧氧化后污泥的消 化速率要提高约2．2倍。 臭氧氧化法是一种非常有效的污泥预处理技 术，能够很大程度地改善污泥的厌氧消化性能，增加 产气量，但由于该方法投入成本高，目前尚不具备广 泛应用的条件。 3 生物酶技术 生物酶技术是指向污泥中投加能够分泌胞外酶 的细菌，或直接投加溶菌酶等酶制剂(抗菌素)水解 细菌的细胞壁，达到溶胞的目的，同时这些细菌或酶 还可以将不易生物降解的大分子有机物分解为小分 子物质，有利于厌氧菌对底物的利用，促进厌氧消化 的进行。这些溶菌酶可以从消化池中直接筛选，也 可以选育特殊的噬菌体和具有溶菌能力的真菌。 Azize Ayol 向污泥中投加溶菌酶使其浓度达到 1O mg·L 进行预处理，结果发现污泥中游离的固体含 量占聚合体总量的比例由处理前的26％提高到 48％，而且，随着溶菌酶量的增加，污泥中蛋白质和 多糖浓度随之降低，说明溶菌酶能有效地溶解这些 难以水解的高分子物质，使污泥的脱水性能和消化 性能在很大程度上得以提高和加强。Barjenbruch 中 国 城 镇 水 网 ww w. ch in ac it yw at er .o rg 14 中国沼气 China Biogas 2006，25(2) 等人 利用溶菌酶对污泥进行预处理试验，结果证 实了溶菌酶预处理能有效促进污泥中有机物的降 解，甲烷产率提高 10％左右。尽管污泥的甲烷产率 增加的幅度相对其他预处理技术较低，但投加生物 酶的溶胞技术是一项新兴的生物处理技术，目前仍 处于试验研究阶段，需进一步优化和完善。由于该 项技术经济、廉价、无二次污染的优势，已引起越来 越多的关注。 4 结语 污泥厌氧消化前采用不同的预处理方法，可以 有效促进污泥中细胞的分解和胞内有机质的释放， 提高污泥的消化性能，加快消化速率，提高产气量。 在工程应用中，应根据实际需要 ，依据现场条件，综 合考虑运行费用的前提下，因地制宜地选择合理的 预处理技术。目前，热处理法和碱处理法已具备工 程应用的条件，且基建投资、运行成本相对较低；超 声波处理法和臭氧氧化法是十分有效的污泥预处理 技术，需作进一步的优化和完善，同时开发廉价、稳 定、有效的设备作为技术支持；其他技术如辐照法和 生物酶技术同属新兴的污泥预处理技术，具有较好 的发展前景，是今后重点研究的方向。 此外，选择不同预处理技术进行优化组合，扬长 避短，往往能取到更为显著的效果。如热处理法与 其他预处理方法相结合应用，不仅有效利用污水处 理厂工艺流程中的废热和余热，节约了能源，而且显 著增强了其他方法的处理效果。 参考文献： [1] [2] [3] [4] [5] Pavlostathis S G，Gossett J M．A preliminary conversion mechanisms in anaerobic digestion of biological sludges [J]．J Environ Eng ASCE，1988，(114)：575—592． Tiehm A，Nickel K，Zellhom M，Neis U．Ultrasonic waste activated sludge disintegration for improving anaerobic stabilization[J]．Water Res，2001，35：2003—2009． Neyens E，Baeyens J．A review of thermal sludge pretreat- ment processes to improve dewaterability[J]．J Hazard- OUS Materials，2003．B98：51—67． “ Y Y．Noiee Y．Upgrading of anaerobic digestion of waste activated sludge by thermal pretreatment[J]．Water Sci Technol，1992，26(3—4)：857—866． Haug R T．Sludge processing to optimize digestibility and energy production[J]．J Water PoUut Control Fed，1977， 49：1713—1721． [6] Haug R T，Stuekey D c，Gossett J M，MeCarty P L． Effects of therm al pre-treatment on digestibility an dew- aterability of organic 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