预处理后剩余污泥中温两相厌氧消化效能研究

论文摘要

随着我国城市化进程的加快和环境质量标准的提高,污水处理率和处理程度逐年提高,污水处理过程中副产物——剩余污泥的量也急剧增加。由于剩余污泥中含有大量有机质,一般需对其进行稳定化处理后再进行在最终处置,污泥厌氧消化处理技术是应用最为广泛的污泥稳定化技术,但目前应用的污泥厌氧消化工艺,普遍存在处理周期长、甲烷产率低等问题。本研究采用中温两相厌氧消化工艺对剩余污泥进行处理,首先对比分析单独热水解、单独高压以及高压与热水解联合应用对污泥厌氧消化性能的影响;之后对预处理后污泥进行中温两相厌氧消化,将产酸相控制在乙醇型发酵阶段,在系统稳定运行的基础上,探讨了中温两相厌氧消化工艺运行特性,研究了厌氧消化后污泥VS、沉降性能、脱水性能及重金属形态分布的变化情况,建立了剩余污泥厌氧消化动力学模型;最后对剩余污泥经乙醇型发酵后上清液作为反硝化碳源的特性进行了研究。高压与热水解联合处理对污泥的厌氧消化性能提高明显优于高压和热水解单独处理,而且可缩短热水解处理的时间,联合处理在5MPa、150℃处理30min后剩余污泥厌氧消化性能高于单独采用热水解170℃处理45min后污泥。以5MPa,150℃条件下处理30min后剩余污泥为基质,考察了中温两相厌氧消化系统的运行效能。结果表明,污泥VS去除率随着有机负荷的增加而下降,在有机负荷为0.98、1.57、2.35和3.13kgVS/m3d时,系统VS去除率分别为59.4%、54.7%、50.21%和42.2%。接种经驯化后的乙醇型发酵污泥,可快速将产酸相控制在乙醇型发酵阶段,在不同有机负荷下,产酸相出泥VFA组分中乙醇和乙酸的量占总VFA的比例不同,产酸相比氢气产率也各不相同;在产酸相有机负荷为4.40、7.05、10.56和14.08kgVS/m3d时,平均比氢气产率分别为0.0183、0.0238、0.0221和0.0194 L·H2/g·VS。高压与热水解联合预处理后污泥沉降性能和脱水性能得到明显改善,之后进行中温两相厌氧消化,其污泥沉降性能和脱水性能变差,但均优于原剩余污泥;污泥经高压与热水解联合预处理后污泥中以稳定态分布的Zn、Cu含量明显提高,进行中温两相厌氧消化后Zn、Cu稳定性进一步提高。在Lawrence - McCarty模型基础上,结合微生物生长和有机底物降解规律,得出剩余污泥中温两相厌氧消化动力学的4个基本参数:单位基质下微生物理论产率Y、微生物衰减常数Kd、基质最大比去除速度vmax以及饱和常数Ks分别为0.2471、0.3697、2.1767和10.4158。产酸相有机负荷为10.56kgVS/m3·d时,发酵后污泥上清液作为反硝化碳源,在C/N和MLVSS相近的条件下,上清液和甲醇作为反硝化碳源的反硝化过程总比反硝化速率分别为2.26、2.23mgNO3--N/ gVSS·h,是生活污水的2.86倍。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 剩余污泥的产生及其对环境的危害
• 1.2.1 剩余污泥的产生
• 1.2.2 污泥的主要性质及其危害
• 1.3 剩余污泥的处理处置方式
• 1.3.1 污泥的主要处理方式
• 1.3.2 污泥的最终处置方式
• 1.4 污泥厌氧消化处理技术研究进展
• 1.4.1 污泥厌氧消化预处理技术
• 1.4.2 污泥厌氧消化工艺研究
• 1.4.3 剩余污泥厌氧发酵制取氢气
• 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
• 1.5.3 技术路线图
• 第2章 试验材料与试验方法
• 2.1 污泥来源及性质
• 2.1.1 剩余污泥来源及性质
• 2.1.2 接种污泥来源及性质
• 2.2 试验装置
• 2.2.1 污泥预处理装置
• 2.2.2 两相厌氧消化试验装置
• 2.3 试验方法
• 2.3.1 污泥预处理
• 2.3.2 乙醇型发酵菌培养及驯化
• 2.3.3 剩余污泥中温两相厌氧消化
• 2.3.4 反硝化间歇试验
• 2.4 分析项目和方法
• 2.5 实验仪器
• 第3章 污泥热水解和高压预处理效果研究
• 3.1 热水解对污泥的预处理效果
• 3.1.1 对污泥固体物质溶解的影响
• 3.1.2 对污泥 COD 的影响
• 3.1.3 污泥水解液中有机酸组分变化
• 3.1.4 对污泥厌氧消化性能的影响
• 3.2 高压对污泥的预处理效果
• 3.2.1 对污泥固体物质溶解的影响
• 3.2.2 对污泥 COD、VFA 的影响
• 3.2.3 对污泥厌氧消化性能的影响
• 3.3 高压与热水解联合应用对污泥的预处理效果
• 3.3.1 对污泥固体物质溶解的影响
• 3.3.2 对污泥 COD 的影响
• 3.3.3 对污泥有机组分的影响
• 3.3.4 pH、碱度变化
• 3.3.5 对污泥厌氧消化性能的影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 乙醇型发酵菌培养驯化研究
• 4.1 乙醇型发酵菌培养
• 4.1.1 进出水 COD 变化
• 4.1.2 进出水pH、ORP 变化
• 4.1.3 出水 VFA 浓度及其组分变化
• 4.1.4 反应器污泥量及微生物活性变化
• 4.2 乙醇型发酵菌的驯化
• 4.2.1 进出水 COD 变化
• 4.2.2 进出水pH 值、ORP 变化
• 4.2.3 出水中有机酸浓度及其组分变化
• 4.2.4 产气量及气体含量变化
• 4.2.5 微生物相解析
• 4.3 本章小结
• 第5章 剩余污泥两相厌氧消化效能研究
• 5.1 两相厌氧消化工艺启动试验研究
• 5.1.1 pH 值、碱度变化
• 5.1.2 ORP 变化
• 5.1.3 COD 变化
• 5.1.4 VFA 变化
• 5.1.5 污泥 VS 变化
• 5.1.6 产气量及气体组分变化
• 5.1.7 污泥活性变化
• 5.2 两相厌氧消化工艺运行效能研究
• 5.2.1 污泥 VS 变化
• 5.2.2 两相厌氧消化后污泥 VFA 变化
• 5.2.3 污泥上清液中氮、磷的变化
• 5.2.4 污泥沉降性和脱水性变化
• 5.2.5 污泥活性变化
• 5.2.6 两相系统产气量及其组成变化
• 5.2.7 污泥中重金属形态分布变化
• 5.3 两相厌氧消化过程中热能平衡分析
• 5.3.1 污泥厌氧消化耗热量
• 5.3.2 厌氧消化过程产热量
• 5.3.3 厌氧消化过程中热能平衡分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 剩余污泥两相厌氧消化动力学研究
• 6.1 两相厌氧消化体系动力学模型的建立
• 6.1.1 微生物浓度变化
• 6.1.2 有机底物浓度变化
• 6.2 动力学模型参数的求解
• 6.3 本章小结
• 第7章 剩余污泥发酵产物作为反硝化碳源的特性研究
• 7.1 反硝化过程分析
• 7.1.1 反硝化过程硝态氮变化
• 7.1.2 反硝化过程 COD 变化
• 7.2 三种碳源反硝化速率研究
• 7.2.1 上清液为碳源反硝化速率
• 7.2.2 甲醇为碳源反硝化速率
• 7.2.3 生活污水为碳源反硝化速率
• 7.3 本章小结
• 结论与建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录