污泥超聲破解效應(yīng)及厭氧消化性能研究

1、污泥超聲破解效應(yīng)及厭氧消化性能研究薛向東1, 2，金奇庭1，朱文芳21. 西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710055；2. 浙江科技學(xué)院環(huán)境工程研究所，浙江 杭州 310012摘要：針對(duì)超聲破解污泥的可行性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，重點(diǎn)考察了超聲頻率、比能耗、作用時(shí)間等因素對(duì)破解效應(yīng)的影響，探討了破解污泥的厭氧消化性能。結(jié)果表明，超聲作用的施加可使污泥固體有效破解，污泥細(xì)胞內(nèi)的活性有機(jī)物被釋放至水相并形成溶解性有機(jī)物，表現(xiàn)為SCODCr的顯著增加；采用低頻、高比能耗及延長(zhǎng)作用時(shí)間有利于獲取高的SCODCr增加值；污泥在頻率25 kHz、比能耗2.0 W/mL、作用時(shí)間30 min條件下

2、破解，其厭氧消化累計(jì)產(chǎn)氣量可從破解前的268 mL提高到473 mL，相應(yīng)TCODCr去除率、VS去除率分別從39.1%、33.5%提高至54.3%、61.7%。研究結(jié)果表明采用超聲破解技術(shù)提高污泥的厭氧消化性是可行的。關(guān)鍵詞：污泥；超聲破解；溶解性有機(jī)物；厭氧消化中圖分類(lèi)號(hào)：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-2175（2006）01-0050-04采用厭氧消化實(shí)現(xiàn)剩余污泥的減容穩(wěn)定化，具有能耗低、污泥穩(wěn)定性好、產(chǎn)生沼氣及殺滅病菌等優(yōu)點(diǎn)12，該技術(shù)現(xiàn)廣泛應(yīng)用于城市污水廠(chǎng)的污泥處置。由于污泥固體的生物降解性能低3，完全的厭氧消化需相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，即使2030 d的停留時(shí)間（SRT）僅可

3、去除部分揮發(fā)性污泥固體（VS）45。有效改善污泥固體的生物降解性、提高污泥的厭氧消化速率及程度是當(dāng)前該技術(shù)面臨的主要問(wèn)題。已有研究表明67，污泥厭氧消化經(jīng)歷水解發(fā)酵、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸及產(chǎn)甲烷3個(gè)階段，由于污泥絮體及細(xì)胞屏蔽作用的存在，胞內(nèi)活性有機(jī)物難以在胞外水解酶的作用下有效釋放并生成小分子，從而限制了污泥厭氧消化的速率及程度。因此，實(shí)現(xiàn)污泥細(xì)胞的分解及胞內(nèi)有機(jī)物的釋放是改善污泥厭氧消化性能、提高處理效率的關(guān)鍵。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)有效的污泥破解方法展開(kāi)了廣泛深入地研究，涉及熱水解4、臭氧氧化89、氯氧化10、堿水解11等多種途徑。本文采用超聲破解技術(shù)研究了污泥固體的分解性能，探討了超聲破解對(duì)污泥

4、厭氧消化性能的影響，并在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行了相關(guān)分析。1 實(shí)驗(yàn)方法1.1 實(shí)驗(yàn)裝置破解裝置：KQ-100A系列超聲波發(fā)生器，頻率25/40/80 kHz，有效容積3 L，功率100 W（昆山超聲波儀器廠(chǎng)）。厭氧消化裝置：由500 mL錐形瓶（厭氧消化瓶）和導(dǎo)氣管組成，采用排水量氣法測(cè)定產(chǎn)氣量，見(jiàn)圖1。ABCA. 厭氧消化瓶；B. 恒溫水浴裝置；C. 量氣裝置圖1 厭氧消化裝置示意圖Fig. 1 Schematic diagram for anaerobic digestion1.2 實(shí)驗(yàn)步驟剩余污泥及種污泥分別取自杭州某城市污水處理廠(chǎng)濃縮池及消化池。超聲破解實(shí)驗(yàn)：剩余污泥經(jīng)篩網(wǎng)過(guò)濾除去粗粒雜質(zhì)，即

5、為實(shí)驗(yàn)用原污泥（見(jiàn)表1），取不同量分次加入超聲波發(fā)生器，在不同條件下進(jìn)行破解實(shí)驗(yàn)。表1 原污泥主要特征指標(biāo)Table 1 Analyses of components of sewage sludge(TS)/(g×L-1)(VS)/(g×L-1)(TCODCr)/(g×L-1)(SCODCr )/(g×L-1)(NH3-N)/(g×L-1)(VFA)/(g×L-1)pH28.3119.3830.181.4640.2970.4836.7厭氧消化實(shí)驗(yàn)：取100 mL種污泥加入?yún)捬跸浚砑尤?00 mL超聲破解污泥，連接導(dǎo)氣管路并用N

6、2排除空氣，之后置于35±2 恒溫水浴反應(yīng)，間歇搖動(dòng)消化瓶以使各相混合均勻，以相同量種污泥作空白參比，每日測(cè)定污泥產(chǎn)氣量12次。1.3 測(cè)試指標(biāo)及方法CODCr測(cè)定采用重鉻酸鉀氧化法；TS、VS測(cè)定采用重量法；揮發(fā)性有機(jī)酸（VFA）測(cè)定采用氣相色譜法，具體見(jiàn)參考文獻(xiàn)16。2 結(jié)果與討論2.1 超聲破解效應(yīng)對(duì)污泥組分的影響A. 25 kHz；B. 40 kHz；C. 80 kHz圖2 超聲頻率對(duì)污泥破解效應(yīng)的影響Fig. 2 Effect of ultrasonic frequency on sludge disintegrationA. 0.2 W.mL-1; B. 0.5 W.mL

7、-1; C. 1.0 W.mL-1; D. 2.0 W.mL-1圖3 超聲比能耗對(duì)污泥破解效應(yīng)的影響Fig.3 Effect of ultrasonic power on sludge disintegration污泥固體在超聲作用下發(fā)生破解，生物絮體首先離散和解體，細(xì)胞內(nèi)活性有機(jī)物質(zhì)被釋放，進(jìn)而形成溶解性有機(jī)物；之后溶解性有機(jī)物進(jìn)一步分解成小分子物質(zhì)，由此使得污泥的生物降解性能得到改善。由圖2看出，溶解性CODCr (SCODCr)在總CODCr (TCODCr)中所占比值隨超聲作用時(shí)間延長(zhǎng)不斷增加，這表明超聲作用的確增強(qiáng)了污泥的溶解性能。圖中亦可看出，頻率效應(yīng)顯著，25 kHz、90 mi

8、n條件下，污泥SCODCr/TCODCr從初始4.8%增加至32.7%；而80 kHz、90 min條件下，SCODCr/TCODCr僅增加至21.8%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明低頻超聲對(duì)于SCODCr的增加更為有利。超聲破壞生物細(xì)胞致使胞內(nèi)物質(zhì)釋放的主要途徑可歸結(jié)為水力剪切和聲化效應(yīng)，相對(duì)分子質(zhì)量大于4000的大分子物質(zhì)可被水力剪切作用直接分解，聲頻越低，剪切作用越大，聲頻越高，則聲化效應(yīng)越強(qiáng)，此時(shí)在超聲空化泡內(nèi)將發(fā)生揮發(fā)性有機(jī)物的熱解反應(yīng)，而液相體中的非揮發(fā)性有機(jī)物則通過(guò)自由基反應(yīng)降解12。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以認(rèn)為，超聲水力剪切比聲化反應(yīng)具有更好的污泥分解效應(yīng)。圖3為超聲頻率25 kHz、不同比能耗條件

9、下SCODCr/TCODCr隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)，由圖可知，比能耗越高，對(duì)應(yīng)SCODCr/TCODCr越大。超聲作用60 min、0.2 W/mL條件下的SCODCr/TCODCr值為16.7%，相同時(shí)間、2.0 W/mL條件下的對(duì)應(yīng)值為43.7%。比能耗指標(biāo)反映了施加于相同體積污泥的換能器功率大小，其值越高，污泥接受的有效超聲功率越大，與之對(duì)應(yīng)的水力剪切作用越強(qiáng)，污泥分解則因此越徹底。此外，污泥分解還與超聲作用時(shí)間正相關(guān)，延長(zhǎng)作用時(shí)間有助于增大污泥的分解程度，類(lèi)似結(jié)論從圖1中亦可得出。結(jié)合兩圖實(shí)驗(yàn)結(jié)果可確定適宜的作用時(shí)間為30 min。A. 0.2 W.mL-1; B. 0.5 W.mL-1;

10、C. 1.0 W.mL-1; D. 2.0 W.mL-1圖3 超聲比能耗對(duì)污泥破解效應(yīng)的影響Fig. 3 Effect of ultrasonic power on sludge disintegration實(shí)驗(yàn)中還針對(duì)超聲破解前后污泥液中揮發(fā)性有機(jī)酸(VFA)的變化進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)圖4。一般認(rèn)為13，小分子有機(jī)酸易于被產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌利用并轉(zhuǎn)化為CO2、乙酸等，污泥消化液中VFA的非生物性積累有利于消化反應(yīng)的進(jìn)行。對(duì)于破解而言，VFA數(shù)值大小間接反映了污泥的分解程度。由圖4可知，相同比能耗條件下，施加80 kHz的超聲作用可獲取相對(duì)高的VFA增加值，其峰值為7.1%，相應(yīng)比能耗為1.0 W/m

11、L；而相同比能耗下施加25 kHz的超聲作用，VFA僅增加1.6%。這一結(jié)果說(shuō)明VFA的變化不同于SCODCr (見(jiàn)圖2)，亦可推斷相對(duì)高的SCODCr并不意味污泥液中含有更多的VFA，這取決于具體的超聲條件。實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)超聲前后污泥液中的NH3-N指標(biāo)變化與VFA類(lèi)似。A. 25 kHz(未消化)；B. 80 kHz(未消化)；C.25 kHz(消化12 h)；D. 80 kHz(消化12h)圖4 不同條件下污泥中VFA的變化Fig. 4 Variation of VFA in sludge under different condition根據(jù)相關(guān)解釋?zhuān)暉峤饧白杂苫磻?yīng)是生成低分子量有

12、機(jī)物的主要途徑1415，提高超聲輻射頻率有利于上述作用的發(fā)生，因此污泥在高頻條件下破解可生成更多的VFA。由圖4還可看出，厭氧消化初始階段(12 h)，破解污泥消化液中的VFA較原污泥明顯增多，而25 kHz系列值則高于對(duì)應(yīng)的80 kHz系列值，峰值2.31×103 mg/L出現(xiàn)在25 kHz、2.0 W/mL條件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明污泥破解所釋放出的溶解性有機(jī)物可迅速轉(zhuǎn)化為VFA，盡管在80 kHz條件下破解可直接產(chǎn)生的VFA相對(duì)較多，但由于其所釋放出的溶解性有機(jī)物總量較少，使得厭氧消化初期生成的VFA較少。由此可以推斷，污泥在低頻條件下破解對(duì)于后續(xù)厭氧消化更為有利。A. 25 kHz(

13、未消化)；B. 80 kHz(未消化)；C. 25 kHz(消化后)；D. 80 kHz(消化后)圖5 厭氧消化前后的SCOD質(zhì)量濃度變化Fig. 5 Comparison of SCOD content in disintegration sludge before and after digestion2.2 破解污泥的厭氧消化性能A. 0.2 W.mL-1; B.0.5 W.mL-1; C. 1.0 W.mL-1; D. 2.0 W.mL-1圖6 逐日累計(jì)產(chǎn)氣量變化曲線(xiàn)Fig. 6 Cumulative biogas productions vs. time表2給出了污泥經(jīng)厭氧消化25

14、d后的各相關(guān)指標(biāo)。從表2可以看出，污泥在比能耗0.2、0.5、1.0、2.0 W/mL條件下經(jīng)頻率25 kHz超聲破解30 min后，生物氣量較未破解污泥分別提高14.2%、33.2%、57.1%、76.4%；經(jīng)80 kHz超聲破解后，生物氣量則分別提高7.1%、8.2%、16.0%、31.3%。這一結(jié)果說(shuō)明低頻超聲更有利于污泥的厭氧消化。25 kHz、2.0 W/mL條件下，VS均產(chǎn)氣量、VS及TCODCr去除率分別達(dá)到最大值244 mL·g-1、61.7%、54.3%。超聲作用的施加使得污泥固體有效破解，污泥絮體結(jié)構(gòu)及細(xì)胞屏蔽作用消除，胞內(nèi)物質(zhì)得以進(jìn)入水相并形成溶解性有機(jī)物，因此

15、，破解污泥更易于被厭氧生物代謝分解。表2 破解污泥厭氧消化實(shí)驗(yàn)結(jié)果(超聲破解時(shí)間30 min)Table 2 Anaerobic digestion experimental results of disintegration sludge. The applied ultrasonic time was 30 minutes頻率/kHz比能耗/(W×mL-1)累計(jì)產(chǎn)氣量/mL氣量增加率/%VS去除率/%TCODCr去除率/%VS均產(chǎn)氣量/(mL×g-1)25 kHz0.230614.238.643.51570.535733.243.147.31841.042157.156

16、.352.82172.047376.461.754.324480 kHz0.22877.132.835.31480.52908.235.838.21501.031116.036.539.71612.035231.344.649.518200268033.539.1138破解污泥的SCODCr在消化前后的變化情況見(jiàn)圖5，由圖可知，25 kHz系列對(duì)應(yīng)的消化后SCODCr值始終小于80 kHz系列（差值在424656 mg/L范圍波動(dòng)），而消化前情況則相反，這說(shuō)明經(jīng)低頻破解的污泥具有更好的厭氧消化性能。由圖5還可看出，兩系列對(duì)應(yīng)的消化后曲線(xiàn)變化平緩，SCODCr無(wú)積累性增加，表明污泥破解后未產(chǎn)生明

17、顯的難降解有機(jī)物質(zhì)，SCODCr易于生物降解。圖6為25 kHz系列破解污泥的累計(jì)產(chǎn)氣量曲線(xiàn)，由圖6可知，厭氧消化前10 d產(chǎn)氣效率較高，各曲線(xiàn)變化幅度較大，表明污泥中易于消化的有機(jī)物可快速轉(zhuǎn)化為生物氣；之后曲線(xiàn)變化趨緩，產(chǎn)氣效率降低，表明污泥中殘余物質(zhì)不易被厭氧消化；消化實(shí)驗(yàn)至25 d后，污泥中仍含有相當(dāng)數(shù)量的VS（見(jiàn)表2），說(shuō)明污泥中有機(jī)物分解并不徹底，采取適當(dāng)措施進(jìn)一步改善消化后污泥的生物降解性有助于提高VS去除率及污泥的穩(wěn)定性，對(duì)此仍需深入研究。3 結(jié)論（1）污泥經(jīng)超聲破解后，胞內(nèi)活性有機(jī)物可有效被釋放至水相并形成溶解性有機(jī)物，表現(xiàn)為SCODCr的顯著增加；影響污泥破解效應(yīng)的主要因素為

18、超聲頻率、比能耗及作用時(shí)間，采用低頻、高比能耗及延長(zhǎng)作用時(shí)間均有利于污泥的破解。（2）超聲破解產(chǎn)生的溶解性有機(jī)物易于被生物降解，這改善了污泥的厭氧消化性能；污泥經(jīng)超聲頻率25 kHz、比能耗2.0 W/mL、作用時(shí)間30 min條件下破解，其厭氧消化累計(jì)產(chǎn)氣量為473 mL，此時(shí)TCODCr去除率、VS去除率分別為54.3%、61.7%，而未破解污泥消化后各相應(yīng)指標(biāo)則分別為268 mL、39.1%、33.5%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用超聲破解污泥以提高其厭氧消化性能是可行的。（3）破解污泥經(jīng)厭氧消化后仍含有相當(dāng)數(shù)量的VS，說(shuō)明污泥中有機(jī)物分解并不徹底，采取適當(dāng)措施改善消化后污泥的生物降解性則有助于進(jìn)

19、一步增強(qiáng)污泥的穩(wěn)定性，對(duì)此需深入研究。參考文獻(xiàn)：1 馬娜, 陳玲, 熊飛. 我國(guó)城市污泥的處置與利用J. 生態(tài)環(huán)境, 2003, 12(1):9295.MA Na, CHEN Ling, XIONG Fei. Disposal and reuse of city sludge in China J. Ecology and Environment, 2003, 12(1): 9295.2 唐小輝, 趙力. 污泥處置國(guó)內(nèi)外進(jìn)展J. 環(huán)境科學(xué)與管理, 2005, 30(3):6870.TANG X H, ZHAO L. The Development Of Sludge Disposal stra

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