中温两相厌氧消化处理低有机质剩余污泥效能研究

论文摘要

近年来,由于生物营养去除（Biological Nutrients Removal, BNR）工艺的普遍应用,使之产生的剩余污泥有机质含量（即挥发性固体,VS）数值偏低。目前有关污泥厌氧消化的研究,其污泥有机质含量通常较高,但对于这种有机质含量偏低的剩余污泥,其厌氧消化的研究尚未见相关报道。本文通过自行设计的污泥中温两相厌氧消化小试与中试装置,考察了两套装置的启动性能,在系统稳定运行的基础上,探讨了剩余污泥中温（35℃）两相厌氧消化小试运行特性,分析了消化污泥脱水性能的变化及其主要影响因素,研究了超声预处理对低VS含量剩余污泥中温两相厌氧消化效能的影响,建立了不同VS含量污泥中温两相厌氧消化小试工艺的动力学模型,并将小试拟合曲线与中试测定值进行比较分析。当小试工艺进入稳定运行时,随着有机负荷的增加,VS去除率随着有机负荷的增加而降低,大肠杆菌的灭活效率与VS去除率的变化相同,最大比产甲烷活性（SMA）则随着有机负荷的升高而逐渐增加。厌氧消化前后重金属的形态分析表明,Cd、Pb和Cr的稳定效果较好。污泥中Cu消化后可以实现进一步稳定,稳定率提高到98.4%。投配污泥中Zn和Ni各种存在形态分布相对比较均匀,消化后重金属的稳定率不高。分别采用浓缩剩余污泥以及剩余污泥与厨余垃圾混合物,研究了不同有机质含量污泥的中温两相厌氧消化特性。结果表明,随着OLR的增加,各系统出料的VS浓度、TCOD浓度均呈现增加的趋势,而且相应的VS去除率和TCOD去除率逐渐下降。随着HRT的延长,各系统的SMA活性逐渐提高,而且产气中的甲烷含量也随之增加。经过中温消化产酸相处理后性能变差,但是经过产甲烷相进一步消化后又有所改善。污泥的沉降与脱水性能与胞外聚合物有显著的相关性,而与钙、镁离子的相关性不明显。以低有机质剩余污泥为对象,选择超声波与CaO联合处理作为厌氧消化的预处理,考察了预处理对污泥厌氧消化的影响。结果表明,随着系统有机负荷的增加,系统的稳定性增强。当HRT由15d降至10d后,VS去除率下降了约5%,对于低VS含量的剩余活性污泥,进行中温厌氧消化时应该维持足够的HRT。不同有机负荷条件下,两相内的产甲烷活性在0.350.38 L CH4/gVSrem的范围内,产气量和沼气含量都没有产生较大变化,但随着系统有机负荷的增加,产酸相INT-ETS活性逐渐增加,并超过产甲烷相微生物活性。中试工艺运行结果表明,随着有机负荷的增加,两相VS去除率均呈现逐渐下降的趋势。在不同OLRs条件下,产酸相比甲烷产率的变化幅度不大,而产甲烷相的比甲烷产率呈现逐渐下降的趋势。随着有机负荷的增加,产酸相INT-ETS活性逐渐升高,而产甲烷相的活性变化不大。随着有机负荷的增加,消化污泥的脱水性能逐渐变差,且产酸相的CST值高于产甲烷相。热能平衡分析表明,当污泥的HRT为10d时,在寒冷地区运行污泥中温两相厌氧消化工艺,采取保温措施后,沼气所产生的热能可满足污泥消化耗热量的65.5%。采用Chen-Hashimoto模型,研究了不同进料基质浓度下,污泥、污泥与厨余垃圾的中温两相厌氧消化动力学特性。结果表明,当基质II的进料COD浓度略高于基质I时,基质II的两个动力学参数μmax和K值低于基质I,说明基质II中可能存在着某种抑制物质。小试拟合曲线与中试测定值的比较表明,中试VS去除率与甲烷产率测定值与小试拟合曲线趋势相近,但略低于小试动力学模型曲线拟合值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 污水污泥处理研究现状
• 1.2.1 污水污泥的来源及特性
• 1.2.2 污水污泥传统处理方法
• 1.2.3 污水污泥强化预处理方法
• 1.3 两相厌氧消化工艺研究现状
• 1.4 污泥厌氧消化处理存在的主要问题
• 1.4.1 污泥中有机物质含量偏低
• 1.4.2 消化污泥脱水性能变化
• 1.5 研究目的、意义和研究内容
• 1.5.1 研究的目的及意义
• 1.5.2 主要研究内容
• 第2章 污泥中温两相厌氧消化工艺及实验方法
• 2.1 小试及中试装置
• 2.2 实验材料
• 2.3 分析方法
• 2.4 实验仪器
• 第3章 剩余污泥中温两相厌氧消化小试运行特性研究
• 3.1 试验污泥特性
• 3.2 启动试验研究
• 3.2.1 启动试验的运行控制条件
• 3.2.2 pH与ORP变化
• 3.2.3 碱度的变化
• 3.2.4 VS去除率
• 3.2.5 产气性能
• 3.2.6 两相系统内的微生物镜检观察
• 3.3 小试工艺运行效能
• 3.3.1 小试系统厌氧消化效能
• 3.3.2 有机酸释放规律与成分分析
• 3.4 重金属形态分布变化
• 3.5 本章小结
• 第4章 不同VS含量污泥中温两相厌氧消化与脱水性能研究
• 4.1 试验污泥特性分析
• 4.2 厌氧消化工艺稳定性
• 4.2.1 pH的变化
• 4.2.2 重碳酸盐碱度与VFA
• 4.3 厌氧消化效能分析
• 4.3.1 VS与TCOD去除率
• 4.3.2 产气情况分析
• 4.4 污泥沉降与脱水性能的变化及机理分析
• 4.4.1 污泥沉降与脱水性能的变化
• 4.4.2 胞外聚合物含量的变化
• 4.4.3 钙、镁离子浓度的变化
• 4.4.4 污泥颗粒分布的变化
• 4.4.5 各种影响因素的综合作用机理分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 超声预处理对低有机质剩余污泥中温两相厌氧消化的影响
• 5.1 A/O工艺剩余污泥的特性
• 5.2 超声处理对污泥的破解效能
• 5.2.1 超声波工作原理
• 5.2.2 pH与ORP
• 5.2.3 SCOD与COD溶出率
• 5.2.4 氨氮、总磷的释放
• 5.2.5 VS去除率
• 5.2.6 污泥处理前后微观结构变化
• 5.3 超声处理剩余污泥中温两相厌氧消化效能与机制分析
• 5.3.1 pH与ORP的变化
• 5.3.2 两相内挥发酸（VFAs）及碱度的变化
• 5.3.3 VS去除率
• 5.3.4 污泥消化液中氮、磷的变化
• 4 产率、INT-ETS活性的变化'>5.3.5 两相内比CH₄产率、INT-ETS活性的变化
• 5.3.6 工艺运行效能综合分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 剩余污泥中温两相厌氧消化中试运行效能与热能平衡分析
• 6.1 启动试验研究
• 6.1.1 启动试验的运行控制条件
• 6.1.2 pH与ORP变化
• 6.1.3 碱度的变化
• 6.1.4 VS去除率
• 6.1.5 产甲烷活性
• 6.1.6 两相系统内的微生物镜检观察
• 6.2 不同OLR条件下中试工艺运行效能
• 6.2.1 有机质去除
• 6.2.2 系统产气性能
• 6.2.3 INT-ETS活性
• 6.2.4 污泥沉降性能
• 6.2.5 污泥脱水性能
• 6.3 中试工艺热能平衡分析
• 6.3.1 污泥消化耗热量
• 6.3.2 系统运行产热量
• 6.3.3 系统运行热能平衡分析
• 6.4 本章小结
• 第7章 剩余污泥中温两相厌氧消化过程动力学研究
• 7.1 厌氧消化基本理论
• 7.2 厌氧生物处理动力学模型研究
• 7.2.1 Monod动力学
• 7.2.2 修正的动力学模式
• 7.3 两相厌氧消化系统动力学模型
• 7.3.1 模型的提出
• 7.3.2 数据分析
• 7.4 Chen-Hashimoto模型中试应用研究
• 7.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历