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. 西安建筑科技大學環(huán)境與市政工程學院，陜西 西安 710055；2. 浙江科技學院環(huán)境工程研究所，浙江 杭州 310012摘要：針對超聲破解污泥的可行性進行了實驗研究，重點考察了超聲頻率、比能耗、作用時間等因素對破解效應(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，污泥細胞內(nèi)的活性有機物被釋放至水相并形成溶解性有機物，表現(xiàn)為SCODCr的顯著增加；采用低頻、高比能耗及延長作用時間有利于獲取高的SCODCr增加值；污泥在頻率25 kHz、比能耗2.0 W/mL、作用時間30 min條件下

2、破解，其厭氧消化累計產(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；溶解性有機物；厭氧消化中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：1672-2175（2006）01-0050-04采用厭氧消化實現(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12，該技術(shù)現(xiàn)廣泛應(yīng)用于城市污水廠的污泥處置。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長的時間，即使2030 d的停留時間（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前該技術(shù)面臨的主要問題。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個階段，由于污泥絮體及細胞屏蔽作用的存在，胞內(nèi)活性有機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，實現(xiàn)污泥細胞的分解及胞內(nèi)有機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，國內(nèi)外學者針對有效的污泥破解方法展開了廣泛深入地研究，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，探討了超聲破解對污泥

4、厭氧消化性能的影響，并在實驗基礎(chǔ)上進行了相關(guān)分析。1 實驗方法1.1 實驗裝置破解裝置：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）。厭氧消化裝置：由500 mL錐形瓶（厭氧消化瓶）和導(dǎo)氣管組成，采用排水量氣法測定產(chǎn)氣量，見圖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 實驗步驟剩余污泥及種污泥分別取自杭州某城市污水處理廠濃縮池及消化池。超聲破解實驗：剩余污泥經(jīng)篩網(wǎng)過濾除去粗粒雜質(zhì)，即

5、為實驗用原污泥（見表1），取不同量分次加入超聲波發(fā)生器，在不同條件下進行破解實驗。表1 原污泥主要特征指標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厭氧消化實驗：取100 mL種污泥加入?yún)捬跸?，另加?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，每日測定污泥產(chǎn)氣量12次。1.3 測試指標及方法CODCr測定采用重鉻酸鉀氧化法；TS、VS測定采用重量法；揮發(fā)性有機酸（VFA）測定采用氣相色譜法，具體見參考文獻16。2 結(jié)果與討論2.1 超聲破解效應(yīng)對污泥組分的影響A. 25 kHz；B. 40 kHz；C. 80 kHz圖2 超聲頻率對污泥破解效應(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，細胞內(nèi)活性有機物質(zhì)被釋放，進而形成溶解性有機物；之后溶解性有機物進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間延長不斷增加，這表明超聲作用的確增強了污泥的溶解性能。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%，實驗結(jié)果說明低頻超聲對于SCODCr的增加更為有利。超聲破壞生物細胞致使胞內(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，此時在超聲空化泡內(nèi)將發(fā)生揮發(fā)性有機物的熱解反應(yīng)，而液相體中的非揮發(fā)性有機物則通過自由基反應(yīng)降解12。根據(jù)實驗結(jié)果，可以認為，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隨時間的變化曲線，由圖可知，比能耗越高，對應(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%，相同時間、2.0 W/mL條件下的對應(yīng)值為43.7%。比能耗指標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，與之對應(yīng)的水力剪切作用越強，污泥分解則因此越徹底。此外，污泥分解還與超聲作用時間正相關(guān)，延長作用時間有助于增大污泥的分解程度，類似結(jié)論從圖1中亦可得出。結(jié)合兩圖實驗結(jié)果可確定適宜的作用時間為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 超聲比能耗對污泥破解效應(yīng)的影響Fig. 3 Effect of ultrasonic power on sludge disintegration實驗中還針對超聲破解前后污泥液中揮發(fā)性有機酸(VFA)的變化進行了測定，結(jié)果見圖4。一般認為13，小分子有機酸易于被產(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)的進行。對于破解而言，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)果說明VFA的變化不同于SCODCr (見圖2)，亦可推斷相對高的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。實驗中還發(fā)現(xiàn)超聲前后污泥液中的NH3-N指標變化與VFA類似。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，超聲熱解及自由基反應(yīng)是生成低分子量有

12、機物的主要途徑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。實驗結(jié)果說明污泥破解所釋放出的溶解性有機物可迅速轉(zhuǎn)化為VFA，盡管在80 kHz條件下破解可直接產(chǎn)生的VFA相對較多，但由于其所釋放出的溶解性有機物總量較少，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 逐日累計產(chǎn)氣量變化曲線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。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)及細胞屏蔽作用消除，胞內(nèi)物質(zhì)得以進入水相并形成溶解性有機物，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驗結(jié)果(超聲破解時間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圖5，由圖可知，25 kHz系列對應(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），而消化前情況則相反，這說明經(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，兩系列對應(yīng)的消化后曲線變化平緩，SCODCr無積累性增加，表明污泥破解后未產(chǎn)生明

17、顯的難降解有機物質(zhì)，SCODCr易于生物降解。圖6為25 kHz系列破解污泥的累計產(chǎn)氣量曲線，由圖6可知，厭氧消化前10 d產(chǎn)氣效率較高，各曲線變化幅度較大，表明污泥中易于消化的有機物可快速轉(zhuǎn)化為生物氣；之后曲線變化趨緩，產(chǎn)氣效率降低，表明污泥中殘余物質(zhì)不易被厭氧消化；消化實驗至25 d后，污泥中仍含有相當數(shù)量的VS（見表2），說明污泥中有機物分解并不徹底，采取適當措施進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)活性有機物可有效被釋放至水相并形成溶解性有機物，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、比能耗及作用時間，采用低頻、高比能耗及延長作用時間均有利于污泥的破解。（2）超聲破解產(chǎn)生的溶解性有機物易于被生物降解，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、作用時間30 min條件下破解，其厭氧消化累計產(chǎn)氣量為473 mL，此時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)指標則分別為268 mL、39.1%、33.5%，實驗結(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數(shù)量的VS，說明污泥中有機物分解并不徹底，采取適當措施改善消化后污泥的生物降解性則有助于進

19、一步增強污泥的穩(wěn)定性，對此需深入研究。參考文獻：1 馬娜, 陳玲, 熊飛. 我國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. 污泥處置國內(nèi)外進展J. 環(huán)境科學與管理, 2005, 30(3):6870.TANG X H, ZHAO L. The Development Of Sludge Disposal stra

20、tegyJ. Environmental Science and Mangent, 2005, 30(3): 6870.3 喬瑋, 曾光明, 袁興中, 等. 易腐有機廢物與剩余污泥混和厭氧消化處理J. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報, 2004, 23(3): 607610.QIAO W, ZENG G R, YUAN X Z, et al. Anaerobic co-digestion of putrescible organic waste and sewage sludge J. Journal of Agriculture Environment Science, 2004, 23(3): 6076

21、10.4 王治軍, 王偉, 夏州, 等. 熱水解污泥的厭氧消化實驗研究J. 中國給水排水, 2003, 19(9):14. WANG Z J, WANG W, XIA Z, et al. Experimental study on thermal hydrolysis and anaerobic digestion of sewage sludge, China Water & WastewaterJ. 2003, 9(9): 14. 5 王世和, 遠藤郁夫. 常溫厭氧污泥消化的停留時間分析J. 中國環(huán)境科學, 1998, 18(3): 218222. WANG Sihe, IKUO

22、E. The analysis of the retention time in the process of the normal temperature anaerobic sludge digestion J. China Environmental Science, 1998, 18(3): 218222.6 蔡木林, 劉俊新. 污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的影響因素J. 環(huán)境科學, 2005, 26(2): 98101.CAI Mulin, LIU Junxin. Factors of effecting hydrogen production from anaerobic fermentati

23、on of excess sewage sludge J. Environmental Science, 2005, 26(2): 8101.7 楊曉奕, 蔣展鵬. 兩相厭氧處理濕式氧化后剩余污泥的研究J. 給水排水, 2005, 31(1):5356.YANG Xiaoyi, JIANG Zhanpeng, Study on two-phase anaerobic treatment of waste activated sludge after wet air oxidation treatmenJ. Water & Wastewater Engineering, 2005, 31

24、(1): 5356.8 KAMIYA T, HIROTSUJI F. New combined system of biological process and intermittent ozonation for advanced wastewater treatment J. Water Science Technology, 1998,38(8): 145153.9 WEEMAES M, GROOTAERD H, SIMOENS F, et al. Anaerobic digestion of ozonized biosolidJ. Water Research, 2000, 34(8)

25、: 23302336.10 SABY S, DJAFER M, CHEN G H. Feasibility of using a chlorination step to reduce excess sludge in activated sludge processJ. Water Research, 2002, 36(2): 656666.11 林志高, 張守中.廢棄活性污泥加堿預(yù)處理后的厭氧消化實驗研究J. 給水排水, 1997, 23(1): 1012.LING Zhigao, ZHANG Shouzhong. Study on anaerobic treatment of waste

26、 activated sludge after alkali hydrolyze treatmentJ. Water & Wastewater Engineering, 1997, 23(1): 1012.12 葉建忠, 陳長對, 方應(yīng)翠, 等. 有機廢水超聲降解動力學的分析及應(yīng)用J. 合肥工業(yè)大學學報, 2003, 26(1): 7177.YE Jianzhong, CHEN Chendui, FANG Yingcui, et al. Kinetic research on the ultrasonic degradation of organic wastewater and it

27、s applicationJ. Journal of Hefei University of Technology, 2003, 26(1): 7177.13 趙慶良, 王寶貞, 庫格爾. 厭氧消化中的重要中間產(chǎn)物-有機酸J. 哈爾濱建筑大學學報, 1996, 29(5): 3240.Zhao Qingliang, Wang Baozhen, KUGEL G. The important intermediate products in anaerobic digestion-organic acidsJ. Journal of Harbin University of Architectur

28、e and Engineering, 1996, 29(5): 3240.14 白曉慧.超聲波技術(shù)與污水污泥及難降解廢水處理J. 工業(yè)水處理, 2000, 20(12): 811.BAI Xiaohui. Application of ultrasonic technique to sewage sludge and refractory wastewater treatment J. Industrial Water Treatment, 2000, 20(12): 811.15 陳剛, 李丹陽, 張光明. 高濃度難降解有機廢水處理技術(shù)J. 工業(yè)水處理, 2003, 22(3): 1316.

29、CHEN Gang, LI Danyang, ZHANG Guangming. Treatment technologies for highly concentrated refractory organic wastewater J. Industrial Water Treatment, 2003, 22(3): 1316.16 國家環(huán)保局水和廢水監(jiān)測分析方法編委會. 水和廢水監(jiān)測分析方法 M. 北京: 中國環(huán)境科學出版社, 1989.National Environm Ental Bureau. The Monitor and Analysis Methods of Water and

30、 WastewaterM. Beijing: China Environmental Science Press, 1989. Ultrasonic disintegration of sewage sludge and its anaerobic digestibilityXUE Xiangdong1, 2, JIN Qiting1, ZHU Wenfang21. Department of Environmental Science and Engineering, Xian University of Architecture & Technology, Xian 71005, China;2. Environmental Institute of Zhejiang University of Science & Technology, Hangzhou 310012, ChinaAbstract: This paper focuses on the pretreatment of sewage sludge by ultrasonic disintegration an