城市污泥厭氧消化處理研究進(jìn)展

1、城市污泥厭氧消化處理研究進(jìn)展Vo1.24.No.122006年12月中國資源綜合利用ChinaResourcesComprehensiveUtilization垃圾處理城市污泥厭氧消化處理研究進(jìn)展臺明青.一,賈東方,張麗莉,李磊,吳甲貴,李柯一,王寧(1_西安交通大學(xué)陜西生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,陜西西安710049;2.南陽市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究所,河南南陽473060;3.南陽市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測站,河南南陽473060)摘要:對城市污泥利用厭氧消化處理的工藝前處理方法及其它相關(guān)相關(guān)研究進(jìn)行了綜述,并指出了城市污泥厭氧處理中今后要解決的問題和應(yīng)用前景.關(guān)鍵詞:城市污泥;厭氧消化;前昔和問題中圖分類號:X7

2、03文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:10089500(2006)12002104ResearchandDevelopmentonDisposalofSewageSludgeTa/Mingqing,JiaDon#anS,ZhangLili2,LiLei.,WuJiagui3,LiKeyi.,WangNi(1.SchoolofLifeScienceandTechnology,XianJiaotongUniversity,Xian710049,China;2.NanyangEnvironmentalProtectionInstitute,Nanyang473060,Chinas3.NangyangEnvir

3、onmentalProtectionMonitoringStation,Nanyang473060,China)Abstract;Ithasbeenreviewedthetechniguespretreatmentandquestionsthingsaboutthesewagesludgetreatmentwithanaerobicdigestionaroundtheworld,andpointsoutthatthequestionsneedtobefuaherresearchedandtheprospeativeonthesewagesludgetreatmentwithanaerobicd

4、igestion.Keywords:sewagesludge;anaerobicdigestion;prospectiveandquestions城市污泥是污水處理廠在對污水處理的過程中產(chǎn)生的固體或半固體的沉淀物質(zhì),通常包括初沉污泥和剩余活性污泥.城市污泥的特點(diǎn)是,第一產(chǎn)量大,以體積計(jì)為污水處理量的0.5%8.0%(含水率99%).目前我國城市污水年排放量已經(jīng)達(dá)到414億m,二級處理率達(dá)到15%,污泥產(chǎn)生量大約1500萬t/a左右(按含水率97%計(jì))El;第二成分復(fù)雜,不僅含有大量有機(jī)質(zhì)和N,P,K等植物營養(yǎng)成分,而且含有很多病原微生物,同時(shí)還含有一定的重金屬和其他有毒有害成分.這樣就使城市污

5、泥的處理處置變得十分復(fù)雜.如何處理處置城市污泥,使之變廢為寶,循環(huán)利用,達(dá)到污泥的減量化,無害化,資源化是擺在世界各國環(huán)保工作者面前的一項(xiàng)重要課題.在城市污泥的各種處理方法中,厭氧消化處理方法是研究較為深入,在生產(chǎn)實(shí)際中應(yīng)用廣泛的一種方法.本文就國內(nèi)外對城市污泥厭氧的研究進(jìn)展作了總結(jié).1常規(guī)厭氧消化處理20世紀(jì)80年代以前,大多數(shù)的活性污泥均采用厭氧消化法處理,殺滅微生物病菌并生產(chǎn)部分可利用的沼氣.影響厭氧消化的影響岡素主要有溫度,分為低溫,中溫和高溫二種消化溫度;酸堿度,堿度一般應(yīng)在100150度(以CaO計(jì));攪拌方式,攪拌可以縮短消化時(shí)間,并在一定程度上提高產(chǎn)氣量;生,熟污泥配比,投配率

6、一般在5%12%;碳氮比,一般碳氮比為(10-20):1時(shí),消化效果較好;有毒物質(zhì),主要是重金屬離子和某些陰離子.在常溫厭氧污泥消化的停留時(shí)間分析研究中發(fā)現(xiàn),常溫消化的反應(yīng)速率,產(chǎn)氣率,有機(jī)物分解率均明顯低于高,中溫消化,為獲得同一程度的產(chǎn)氣率和有機(jī)物分解率,常溫消化需150天以上的停留時(shí)間,而中,高溫則為1230天.由于污泥水解速率低,傳統(tǒng)的厭氧消化存在消化速率低,停留時(shí)間長(2030d),處理效率低(揮發(fā)性固體VS的去除率30%-40%)等不足.近年來,人們對污泥的預(yù)處理進(jìn)行了大量研究,以期改善污泥的厭氧消化性能,提高處理效率,增大甲烷產(chǎn)量.2污泥厭氧消化的前處理技術(shù)收稿日期:200609

7、16作者簡介:臺明青(1964一),男,碩士,高級工程師,副所長,研究方向:三廢資源化利用,已發(fā)表論文20多篇.一21垃圾處理中國資源綜合利用第12期用超聲波預(yù)處理污泥,然后再厭氧消化是研究的較多的一種方法.污泥經(jīng)超聲處理后,污泥絮體被分解,絮體尺寸變小,超聲波處理30min前后,SCOD/TCOD由0.16提高到0.7左右,最高達(dá)到了0.8【引.另外超聲波能促進(jìn)酶活性,加快微生物生長,提高其對有機(jī)物的分解吸收能力,從而縮短厭氧發(fā)酵時(shí)間,提高厭氧處理效率.目前德國,英國,瑞典,美國,澳洲等國家都正在進(jìn)行把該技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)化的前期測試準(zhǔn)備工作.污泥的熱水解前處理技術(shù)也是近年來研究較多的方法之一,

8、它的機(jī)理是隨著熱水解溫度的升高,污泥的水解速率和水解程度增大,低分子有機(jī)物和有機(jī)酸濃度增加,因此,經(jīng)過熱水解預(yù)處理的污泥容易厭氧消化,性能得到改善,污泥經(jīng)過170oC,30min的熱水解預(yù)處理后,上清液容易厭氧消化,TCOD去除率達(dá)到89.5%,同時(shí)懸浮固體的厭氧消化性能也得到提高,TCOD去除率為44.47%.但是熱水解溫度過高時(shí),生成的中間產(chǎn)物在一定程度上抑制厭氧消化.最合適的熱水解條件為170,30min,此時(shí)污泥中TC0D的沼氣產(chǎn)率從熱水解前的160mL/g提高到250mL/g.美國的Rajan.R.V等發(fā)現(xiàn),在污泥中加入NaOH或Ca(OH)可以改善污泥的消化性能.污泥加堿預(yù)處理隅.

9、9得到廣泛研究.結(jié)果表明,污泥加堿后可促進(jìn)脂類和蛋白質(zhì)的利用,另外可使厭氧消化反應(yīng)皿內(nèi)的pH值控制在產(chǎn)甲烷的最佳范圍,從而提高污泥的甲烷產(chǎn)率,通常污泥固體濃度為0.5%一2%,堿的用量為8-16gNaOH/100TS.NaOH處理的污泥溶解性可達(dá)46%,甲烷氣體產(chǎn)生量增長了29%-112%.在對廢棄活性污泥的熱處理,化學(xué)處理,熱一化學(xué)預(yù)處理厭氧消化中,用130oC,pH值=13的條件和單純用170oC兩種狀態(tài)去對污泥進(jìn)行預(yù)處理,然后厭氧消化,結(jié)果表明在相同的停留時(shí)間下,后者對廢棄活性污泥的去除更有效,它可以導(dǎo)致71%的COD的去除和54%的TS的降解.另外,還有臭氧氧化污泥前處理法,Fento

10、n試劑氧化預(yù)處理輻射照射污泥,一射線照射污泥前處理法和高能電子束預(yù)處理法等,但這些方法大多數(shù)還停留在實(shí)驗(yàn)室小試階段.3污泥厭氧工藝的研究一22一為了提高污泥厭氧消化效率,除了對污泥進(jìn)行前處理后厭氧消化研究外,還在污泥厭氧工藝上進(jìn)行了大量研究.二相厭氧消化污泥工藝是把產(chǎn)酸階段和產(chǎn)甲烷階段分別放在二個(gè)反應(yīng)器中進(jìn)行,這樣根據(jù)二個(gè)階段的停留時(shí)間,pH值的不同分別進(jìn)行控制,從而提高污泥厭氧處理效率1.南陽酒精廠采用2個(gè)5000m的厭氧發(fā)酵罐和1個(gè)3000m的UASB厭氧反應(yīng)皿對高濃度酒精糟液進(jìn)行處理|l2,溫度控制5O一6OoC,CODcr有機(jī)負(fù)荷7.0kg/(m?d),處理后的厭氧消化液COD.=35

11、004300mg/L,BOD5=l500-2100mg/L,TN=400700mg/L,NH3一N=300600mg/L,堿度16002100mg/L,每天處理酒糟量為2000m左右,每天產(chǎn)沼氣40000m左右,可供l0萬戶家庭用沼氣,這也是我國利用酒精發(fā)酵產(chǎn)生沼氣規(guī)模較大,運(yùn)行較為成功的企業(yè).在對厭氧消化方法的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的對比中l(wèi),幾種方法包括高溫一中溫二階段消化(TPAD),酸性發(fā)酵/產(chǎn)甲烷發(fā)酵二相消化,中溫消化和高溫消化四種工藝,結(jié)果表明總停留時(shí)問是820天.在TPAD的中溫階段溫度變化范圍為3543.3,在高溫階段的溫度變化范圍為5558.9.與單獨(dú)中溫消解停留時(shí)問l0一l2.5天和高

12、溫消解停留時(shí)間l520天比較,TPAD有較高的VS去除率.在高溫/中溫雙重降解處理活性污泥研究中",第一階段高溫降解為第二階段的中溫(35)消化提供種子作用.高溫消化最初操作溫度在55,水力停留時(shí)間4h,然后在60停留時(shí)間為311.中溫消化水力停留時(shí)間分別為9天,l2天和l5天,在第一階段60時(shí)系統(tǒng)有很好的揮發(fā)性固體的減少,當(dāng)考慮甲烷產(chǎn)量時(shí),在第一階段的55和第二階段水力停留時(shí)間為l2天時(shí)的條件更有效.由中溫到高溫轉(zhuǎn)換過程中對城市污泥厭氧消化H中,最初消化為中溫35c【=,水力停留時(shí)間為27天,有機(jī)負(fù)荷為1.26kgVS/m?d時(shí),固體物質(zhì)降解效率達(dá)54.3%,當(dāng)生物氣體產(chǎn)生達(dá)O.3

13、6m'/m3.d時(shí),改變溫度緩慢以0.38c【=/d增加直到43,再增加到45,然后保持45,運(yùn)行32天,溫度再升到52oC(沒有加料),使停留時(shí)間為6552天,最后以0.13/d的速率再升到55,有機(jī)負(fù)荷率達(dá)1.48kgVS/m3?d,停留時(shí)間27d,固體物質(zhì)降第12期臺明青等:城市污泥厭氧消化處理研究進(jìn)展垃圾處理解效率達(dá)53.3%VS,生物產(chǎn)氣量達(dá)0.32m3/m3,d.在氣浮濃縮污泥兩相厭氧消化"中,研究了高溫酸化(55(),中溫甲烷化(35)兩相和中溫單相厭氧工藝處理氣浮濃縮污泥的性能.結(jié)果表明對于較高濃度的氣浮濃縮污泥在水力停留時(shí)間大于10d,揮發(fā)性固體的有機(jī)負(fù)荷小

14、于3.77kg?m_3.d的條件下,兩相厭氧消化系統(tǒng)去除率可超過40%.4其他廢棄物與城市污泥混合共厭氧消化為改變城市污泥的C:N比,達(dá)到以廢治廢,利用當(dāng)?shù)貜U棄物資源與城市污泥按一定比例混合后進(jìn)行厭氧消化研究近年來也十分活躍.在易腐有機(jī)廢物與剩余污泥混合厭氧消化處理中,易腐有機(jī)廢物主要為秸桿,雜草,果蔬以及廚房垃圾.二者混合后固體含量分別為20%,30%,35%和40%,結(jié)果表明,在TS為20%,30%,溫度35和rrs為35%,溫度55時(shí)均未出現(xiàn)抑制現(xiàn)象.中溫消化時(shí)VFA增加幅度大于高溫消化.當(dāng)TS增加到40%時(shí)出現(xiàn)了嚴(yán)重酸化,pH值維持在較低水平.消化液相COD經(jīng)過短時(shí)間的上升后濃度較高,

15、在10000.020000.0mg/L之間.原料中纖維素含量對降解率影響較大,原料纖維素含量較低時(shí)降解率很小.在廢棄食物與初沉污泥混合產(chǎn)生揮發(fā)性脂肪酸的酸性發(fā)酵¨研究中,廢棄食物為養(yǎng)雞飼料與污泥混合發(fā)酵,當(dāng)飼料在污泥中含量為10%和25%(重量比),水力停留時(shí)間為1天,3天和5天,溫度(環(huán)境溫度18+2,中溫35+2)和pH值從5.26.7.試驗(yàn)表明,在18+2時(shí)的揮發(fā)酸產(chǎn)生速率要高于在35+2的揮發(fā)酸產(chǎn)生速率.廢飼料占10%時(shí),當(dāng)增加水力停留時(shí)間時(shí),揮發(fā)酸增加到920mg/dm,但是當(dāng)廢飼料占25%時(shí),水力停留時(shí)間為35天.由于揮發(fā)脂肪酸轉(zhuǎn)化為生物氣體后將減少2610mg/dm,考

16、慮到生物氣體(CO和CH)的成分,有機(jī)物通過氧化方式在低溫度下靠特殊微生物,有機(jī)物轉(zhuǎn)化為CO,而中溫和最佳pH值(6.37.8)對靠甲烷菌增加VFA變?yōu)樯餁怏w的過程起了關(guān)鍵作用.揮發(fā)酸的產(chǎn)生速率和它們的轉(zhuǎn)化決定于廢飼料在污泥中的比例.在城市污泥和預(yù)水解過的含木質(zhì)的農(nóng)業(yè)廢棄物混合共消化ll引中,預(yù)水解的底物可以被用來去滲透人木質(zhì)纖維素的結(jié)構(gòu)中,從而增加溶解有機(jī)物的量.消化液中有機(jī)負(fù)荷從0.8上升到6.1gCODkg/dm3.d,相應(yīng)的揮發(fā)固形物負(fù)荷變化0.64.5/gVSfed?d.這個(gè)值耍稍高于污泥的傳統(tǒng)消化池.在有機(jī)負(fù)荷率為4.6gCOD/din,?d時(shí),甲烷最大產(chǎn)率達(dá)5.6mmoL/dm

17、d.可見,預(yù)水解的農(nóng)業(yè)廢物對去除木質(zhì)素對于連續(xù)厭氧消化過程是必要的.5利用厭氧消化獲得清潔能源氫氣氫氣作為一種清潔能源倍受大家關(guān)注,利用污泥厭氧發(fā)酵制氫,在降解有機(jī)物消除污染的同時(shí)又獲取氫氣.污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的影響因素研究中,原污泥和經(jīng)堿處理的污泥在不同初始pH值(3.0-12.5)條件下的產(chǎn)氫效果,以及污泥性質(zhì)和污泥濃度等對產(chǎn)氫效果的影響.結(jié)果表明,當(dāng)初始pH值為11.0時(shí)污泥發(fā)酵的產(chǎn)氫率達(dá)到最大值.6結(jié)語城市污泥厭氧消化處理在污泥處理中占有重要的位置,加之能回收沼氣,制備氫氣回收能源,在當(dāng)今能源危機(jī)的形式下更具長遠(yuǎn)戰(zhàn)略意義,但如何進(jìn)行高效,實(shí)用的污泥厭氧處理工業(yè)化應(yīng)用還需世界環(huán)保工作者作進(jìn)

18、一步的深入研究,相信不久的將來,城市污泥厭氧處理的工業(yè)化步伐會離我們越來越近.參考文獻(xiàn)1梁鵬,賈霞,錢易,等.污泥減量化技術(shù)的研究進(jìn)展J.環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備,2003,4(1):44-522顧夏聲,等.水處理工程M.北京:清華大學(xué)出版社.1989.2462473王治軍,王偉.熱水解預(yù)處理改善污泥的厭氧消化性能J.環(huán)境科學(xué),2005,26(1):68714曹秀芹,陳垢,唐臣,等.超聲處理后剩余污泥性質(zhì)變化及分析J_環(huán)境工程,20o5,23(5):84865王治軍,王偉.熱水解預(yù)處理改善污泥的厭氧消化性能J.環(huán)境科學(xué),2005,26(1):68716王治軍,王偉.剩余污泥的熱水解實(shí)驗(yàn)J.中國環(huán)

19、境科學(xué),2oo5,25(增):56607牟艷艷,于鑫,鄭正,等.污泥厭氧消化預(yù)處理方法研究進(jìn)展J.中國給水排水,2004,2O(7):313323垃圾處理中國資源綜合利用第12期8MulinCai,JunxinLiu,YuansongWei.EnhancedbiohydrogenproductionfromsewagesludgewithalkalinepretreatmentJ.EnvironmentalScience&Technology.2004,38(11):31959林志高,張守中,廢棄活性污泥加堿預(yù)處理后厭氧消化的試驗(yàn)研究J.給水排水,1997,23f1):1016

20、10AlexandreValoandsoon.Thermal,Chemicalandthermo-chemicalpre.treatmentofwasteactivatedsludgeforanaerobicdigestion.J.ChemTechnolBiotechnol.2Oo4.79:l197一l20311楊曉奕,蔣展鵬.濕式氧化兩相厭氧消化處理剩余污泥J.中國給水排水,2o03,19(4):485112楊健,周小波.酒精廢水消化液生物硝化和脫氫試驗(yàn)J.環(huán)境工程,20o6,24(1):27-29l3RRoberts.SonleandCFForster.Athermophilicmesophilicdualdigestionsystemfortreatingwasteactivatedsludge.J.ChemTechndBiotechnol,1999,74:445450l4高延耀,周恭明,周增炎.氣浮濃縮污泥兩相厭知識窗氧消化J.同濟(jì)大學(xué),1999,27(1):4346l5喬瑋,曾光明,袁興中,等.易腐有機(jī)物與剩余污泥混合厭氧消化處理J.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué).2004,23(3):607-610l6KsMin,ARKhan,MKKwon,YJJung.ZYun,YKiso.初沉污泥與廢棄食物混合酸性發(fā)酵中的揮發(fā)性脂肪產(chǎn)生J.ChemTechnolBiotechnol