超声破解对污泥特性的影响机制与零剩余污泥排放工艺研究

论文摘要

利用超声波对剩余污泥进行破解,可以使污泥胞内外物质溶出进入水相,改变污泥特性,减少污泥固体量,既能促进后续污泥厌氧消化速率,提高生物气产率,也会影响污泥脱水性能,还有可能形成新的零剩余污泥排放处理工艺。本文利用低频（20kHz）探头式超声发生器,破解城市污水厂剩余污泥,研究超声波破解的若干基础理论问题。主要内容有超声破解污泥沥出液的溶出机制,破解后污泥脱水性能变化,并探索将剩余污泥破解后回流至曝气池进行隐性生长实现污泥零排放的可能性。试验结果表明,污泥经超声破解后,沥出液中溶解性COD值、蛋白质、多糖等物质大幅度增加。经试验分析,在本研究中,污泥微生物胞外聚合物（EPS）以及沥出液成分以蛋白质为主。超声破解污泥的前5min,沥出液中蛋白质等物质的含量就超过EPS中对应物质含量。说明经5min的超声作用,不仅污泥絮体中EPS被破坏,而且胞内物质也开始沥出进入水相。应用响应曲面法（RSM）对试验结果进行综合分析得出的蛋白质、DNA变化的等高线可知,随声能密度增加以及时间延长,蛋白质、DNA溶出值增加。当破解时间小于15min时,蛋白质与DNA溶出值随时间增加而均匀增加,为线性溶出规律。当破解时间大于15min时,随时间延长,蛋白质、DNA溶出值增长变化率趋缓。在破解反应初期,污泥絮体解体的同时,其中所含的Ca2+、Mg2+也迅速溶出进入水相。超声破解污泥后,以污泥比阻（SRF）、毛细吸水时间（CST）表征的污泥脱水性能恶化。脱水性能恶化与生物胞内外聚合物的溶出关系密切,大量蛋白质、多糖等生物大分子聚合物进入水相,与水分子结合,提高了污泥的粘性,使污泥过滤性能下降。同时,细小的污泥絮体对水分子的吸附作用改变了污泥中的水分分布,导致污泥中自由水含量下降。虽然EPS被破坏,其挟持水分以及胞内水分均有进入水相,部分间隙水转化为自由水,但是细小污泥絮体颗粒的吸附作用更占优势,最终导致污泥脱水性能恶化。剩余污泥超声破解后重新回流入曝气池进行隐性生长,能实现污泥的零排放。零剩余污泥排放工艺处理生活污水的试验经过101d稳定运行,除了取样分析,基本没有外排剩余污泥。而对照组在此期间共排放干污泥454.5g,其污泥产率为0.56（g污泥COD）/（gCOD）。剩余污泥破解液回流可使进水COD平均值提高约19%,进水易降解COD提高30%。在试验期间生活污水的SS值较低（20～69mg/L）,剩余污泥破解液回流仅使曝气池进水SS值增加了约18 %。在进水COD为150～800mg/L,SS为20～70 mg/L,曝气池污泥负荷为0.06～0.49kgCOD/（kgTS.d）的条件下,零剩余污泥排放工艺出水COD和SS分别为40～

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 剩余污泥的产生与特性
• 1.1.1 剩余污泥的产生
• 1.1.2 剩余污泥的结构与有机物组成
• 1.1.3 污泥中水分存在的形式与性质
• 1.1.4 EPS 与污泥脱水性能的关系
• 1.2 污泥的厌氧消化
• 1.2.1 厌氧消化的原理
• 1.2.2 污泥厌氧消化存在的问题及污泥破解预处理的意义
• 1.3 基于隐性生长的污泥减量化技术概况
• 1.4 污泥破解技术以及相关技术的研究进展
• 1.4.1 物理方法
• 1.4.2 化学法
• 1.4.3 组合方式破解法
• 1.5 超声波概述
• 1.6 声化学
• 1.6.1 声化学原理
• 1.6.2 超声空化的产生原理及其影响因素
• 1.6.3 声化学反应器类型
• 1.7 超声破解污泥的影响因素
• 1.7.1 超声场
• 1.7.2 污泥性质
• 1.7.3 反应条件
• 1.7.4 反应器形状、结构
• 第二章 研究背景、内容与意义
• 2.1 课题来源与研究背景
• 2.2 研究内容
• 2.3 研究意义
• 第三章 试验装置与试验方法
• 3.1 污泥来源
• 3.2 试验装置
• 3.2.1 超声破解污泥装置
• 3.2.2 污泥零排放试验装置
• 3.3 试验方法
• 3.3.1 超声破解污泥试验方法
• 3.3.2 EPS 的提取方法
• 3.4 分析项目与测定方法
• 3.4.1 化学需氧量COD
• 3.4.2 SS、TS、VS 的测定
• 3.4.3 pH 值及温度
• 3.4.4 多糖
• 3.4.5 蛋白质测定方法
• 3.4.6 脱氧核糖核酸（DNA）测定方法
• 3.4.7 Ca、Mg 测定
• 3.4.8 比阻（SRF）测定方法
• 3.4.9 毛细吸收时间（CST）测定
• 3.4.10 污泥中自由水（Free Water）
• 3.4.11 污泥形态观察
• 第四章 超声破解污泥沥出液溶出机制研究
• 4.1 概述
• 4.2 EPS 成分
• 4.3 破解前后污泥的物化与生化性质分析
• 4.3.1 温度的变化
• 4.3.2 pH 的变化
• 4.3.3 SCOD 的变化
• 4.3.4 多糖的变化
• 4.3.5 蛋白质的变化
• 4.3.6 DNA 的变化
• 4.3.7 蛋白质与DNA 的溶出关系
• 4.3.8 Ca 的变化
• 4.3.9 Mg 的变化
• 4.4 超声破解污泥过程描述
• 4.5 比能耗与各指标的关系
• 4.5.1 TS 为3%时，比能耗与各指标关系
• ＋关系'>4.5.2 TS 为0.53%、13%、33%时，比能耗与SCOD_＋关系
• 4.6 响应曲面法（RSM）分析各指标溶出规律
• 4.6.1 响应曲面法概述
• 4.6.2 RSM 分析破解污泥TS 为33%的溶出规律
• 4.6.3 RSM 分析破解污泥TS 为0.53%、13%、3%结果
• 4.7 污泥破解前后形态变化
• 4.8 小结
• 第五章 超声破解污泥对其脱水性能的影响
• 5.1 超声破解前后污泥脱水性能的变化
• 5.1.1 比阻（SRF）的变化
• 5.1.2 毛细吸水时间（CST）的变化
• 5.1.3 自由水含量关系
• 5.2 脱水性能变化的原因
• 5.2.1 生物聚合物（蛋白质＋多糖）溶出与脱水性能的关系
• 5.2.2 自由水含量与脱水性能关系
• 5.3 小结
• 第六章 超声破解污泥液回流的零污泥排放工艺
• 6.1 工艺主要参数的确定
• 6.1.1 超声破解条件的选择
• 6.1.2 主要运行参数
• 6.2 剩余污泥破解液回流对进水水质影响
• 6.2.1 对进水TCOD 影响
• 6.2.2 对进水SCOD 影响
• 6.2.3 对进水易降解COD 影响
• 6.2.4 对进水SS 值影响
• 6.3 零泥排放工艺运行状况
• 6.3.1 运行中TS 值
• 6.3.2 运行过程中无机物质的积累
• 6.3.3 出水TCOD
• 6.3.4 出水SS
• hobs值变化'>6.3.5 Y_hobs值变化
• 6.4 小结
• 第七章 结论、创新点与建议
• 7.1 结论
• 7.2 创新点
• 7.3 问题与建议
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢