不同污泥預(yù)處理方法對(duì)污泥厭氧消化產(chǎn)氣量影響研究

趙陽 金剛 汪輝

（臺(tái)州市環(huán)境科學(xué)設(shè)計(jì)研究院 浙江臺(tái)州 318000）

1 引言

污泥是污染城市環(huán)境的有害物質(zhì)之一，其中含有的眾多有機(jī)成分、重金屬以及病原體等甚至?xí)绊懭祟惖纳眢w健康。因此，對(duì)其進(jìn)行有效處理，降低或消解其有害性是至關(guān)重要的。在眾多的處置技術(shù)中，基于生物穩(wěn)定性的污泥厭氧消化方法是目前最為安全且成本較低的技術(shù)。污泥溶胞破解是提高污泥厭氧消化產(chǎn)氣量的重要手段。大量學(xué)者通過研究發(fā)現(xiàn)，不同的污泥預(yù)處理技術(shù)對(duì)厭氧消化沼氣產(chǎn)量有著不同的優(yōu)化作用[1-6]。Gou C等[3]通過對(duì)高含固率(10%)的剩余污泥進(jìn)行熱堿預(yù)處理技術(shù)研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)pH值維持為11時(shí)，隨著溫度不斷升高，污泥COD、蛋白質(zhì)以及碳水化合物的溶出效果明顯增加，促進(jìn)了厭氧消化的性能。Tan等[1]對(duì)污泥的堿性預(yù)處理技術(shù)與生物預(yù)處理技術(shù)進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，這兩種預(yù)處理技術(shù)都可以改變污泥自身的結(jié)構(gòu)，使其更為平滑和緊湊，降低每個(gè)顆粒間的空隙，從而對(duì)污泥厭氧消化性能產(chǎn)生影響。陳涇濤[7]研究了高壓均質(zhì)與超聲波兩種物理預(yù)處理技術(shù)對(duì)污泥厭氧消化性能的影響，發(fā)現(xiàn)高壓均質(zhì)與超聲波預(yù)處理技術(shù)都能夠明顯破壞了污泥絮體結(jié)構(gòu)。

本文通過實(shí)驗(yàn)比較了熱預(yù)處理、堿預(yù)處理、熱堿預(yù)處理以及電化學(xué)熱處理四種破解方法對(duì)污泥厭氧消化產(chǎn)氣量的優(yōu)化效果影響，通過對(duì)沼氣累計(jì)產(chǎn)量、日產(chǎn)氣量、日產(chǎn)氣速率、CH4在沼氣中的含量占比等指標(biāo)分析不同污泥破解方法的優(yōu)劣，從而優(yōu)化污泥厭氧消化產(chǎn)氣量，為優(yōu)化工藝的工程應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 污泥來源

本次試驗(yàn)研究選擇的污泥選自某污水處理廠四期工程的二沉池，該污水處理廠主要針對(duì)居民生活產(chǎn)生的污水進(jìn)行處理，采取A-A-O工藝，處理能力為1×104m3/d，二沉池的污泥經(jīng)重力濃縮后其含固率約為3%。污泥取回之后，先使用格篩過濾掉大顆粒物質(zhì)及夾雜的毛發(fā)，之后放入冰箱，在4℃條件下保存10h，并將上層濾清液排掉。污泥的主要特性如表1所示。

表1 試驗(yàn)污泥主要特性

2.2 不同破解方法的預(yù)處理過程

熱預(yù)處理的過程：把1L上述選擇的污泥置于2L的錐形瓶中，為防止在長(zhǎng)時(shí)間放置過程中水分揮發(fā)，使用保鮮膜與錫箔紙行嚴(yán)密覆蓋錐形瓶口；之后將錐形瓶放置在恒溫水床內(nèi)震蕩，保持溫度為70℃時(shí)，持續(xù)9h，然后將錐形瓶取出后放置在4℃的環(huán)境中，等待試驗(yàn)使用。

熱堿預(yù)處理的過程：把1L選擇的污泥利用NaOH和HCl進(jìn)行pH值的調(diào)節(jié)，使其增加至11，調(diào)節(jié)之后的污泥置于2L的錐形瓶中，防止在長(zhǎng)時(shí)間放置過程中的水分揮發(fā)，在錐形瓶口使用保鮮膜與錫箔紙進(jìn)行嚴(yán)密覆蓋；之后采取與熱處理過程相同的加熱方式，但為了保證污泥pH值不變，每半小時(shí)補(bǔ)充一次堿度，當(dāng)溫度達(dá)到90℃之后，開始計(jì)時(shí)，持續(xù)恒溫10h，再將錐形瓶取出后放置在4℃的環(huán)境中，等待試驗(yàn)使用。

堿預(yù)處理的過程：把1L選擇的污泥利用NaOH和HCl進(jìn)行pH值的調(diào)節(jié)，使其增加至10，調(diào)節(jié)之后的污泥置于2L的錐形瓶中，使用帶孔的橡膠塞進(jìn)行密封，利用孔隙補(bǔ)充堿度，使pH值維持在10；再將錐形瓶至35±1℃的培養(yǎng)箱中實(shí)施速率為80r/min的震蕩，持續(xù)8天；之后將錐形瓶取出后放置在4℃的環(huán)境中，等待試驗(yàn)使用。

電化學(xué)預(yù)處理的過程：在已選擇的污泥中加入0.6%（V/V）的次氯酸鈉溶液，搖勻攪拌，使其均勻混合，再將污泥的pH值調(diào)節(jié)為8；之后取調(diào)節(jié)好的污泥放置在電化學(xué)容器中，分別插入曝氣管以及電化學(xué)板，保持大約2cm的距離，加電壓20V，持續(xù)時(shí)間40min，之后將污泥取出后放置在4℃的環(huán)境中，等待試驗(yàn)使用。

2.3 厭氧消化的方法

污泥經(jīng)不同的預(yù)處理方法處理之后，開展污泥厭氧消化試驗(yàn)。按照本文試驗(yàn)的目的，將不同預(yù)處理之后的污泥與未經(jīng)任何處理的原污泥按照1:1的比例作為接種量達(dá)到50%的接種污泥。用NaOH以及HCl把接種污泥的pH值調(diào)節(jié)到6.8至7.2的范圍內(nèi)，提取其中的5L污泥置于厭氧消化反應(yīng)器內(nèi)，實(shí)施厭氧消化。厭氧消化過程中溫度保持在35±1℃，攪拌或轉(zhuǎn)動(dòng)速率為30r/min，每次在反應(yīng)器中裝料之后，都使其厭氧發(fā)酵反應(yīng)45天。

2.4 指標(biāo)及分析方法

根據(jù)此次試驗(yàn)的目標(biāo)，需要分析的指標(biāo)主要為沼氣累計(jì)產(chǎn)量和產(chǎn)氣速率。每種破解方式都設(shè)置了兩套厭氧消化裝置，在整個(gè)厭氧消化過程中，每日都需要保證當(dāng)日沼氣產(chǎn)量的數(shù)值讀取，并在此基礎(chǔ)上計(jì)算第N日的沼氣產(chǎn)量累計(jì)值以及日產(chǎn)氣率。

此外，對(duì)于沼氣組分的分析本文采取了日本某科譜分析儀器有限公司生產(chǎn)的GC-2010型氣相色譜儀，分析基本條件如下：檢測(cè)器TCD，基本溫度為120℃，柱流量2mL/min，樣品進(jìn)口溫度約為100℃，使用該儀器對(duì)任何一個(gè)樣品沼氣組分分析消耗的時(shí)間約為12min。

3 結(jié)果與討論

3.1 沼氣累計(jì)產(chǎn)量的比較

經(jīng)不同破解方法預(yù)處理后的污泥的厭氧消化產(chǎn)氣累計(jì)量都比對(duì)照組的產(chǎn)氣累計(jì)量更高，增加的幅度較為明顯，這與陳漢龍[8]、張萬欽[9]、袁光環(huán)[10]等學(xué)者的研究結(jié)論一致。具體來講，在厭氧消化45天之后，對(duì)照組的產(chǎn)氣累計(jì)量為395L/kgVS，但在經(jīng)過不同破解方法之后，依次增加為：熱預(yù)處理522 L/kgVS、堿預(yù)處理562 L/kgVS、熱堿預(yù)處理607 L/kgVS以及電化學(xué)熱處理648 L/kgVS。四種不同的破解方法所測(cè)定的產(chǎn)氣累計(jì)量以電化學(xué)預(yù)處理最高，而熱預(yù)處理最低。

3.2 日產(chǎn)氣速率的比較

可將整個(gè)污泥厭氧消化的過程劃分為4個(gè)不同的階段，其中0~5天為初始階段，6天~10天前期階段，11天~20天中期階段，21天~45天為后期階段。針對(duì)這四個(gè)不同的階段分別對(duì)污泥厭氧消化的日產(chǎn)氣速率進(jìn)行計(jì)算，堿性預(yù)處理組比其它預(yù)處理組的日產(chǎn)氣速率下降速度更快，從初始階段的90.5 L/（kgVS·d）很快降低到前期階段的10.2 L/（kgVS·d），其它預(yù)處理組的降低速度明顯要平緩很多，特別是電化學(xué)預(yù)處理組，其總體的日產(chǎn)氣速率降低是最為緩慢的，甚至在前期階段與中期階段都一直保持在25.8 L/（kgVS·d）至34.1 L/（kgVS·d）的水平內(nèi)，正是由于電化學(xué)預(yù)處理組的這種特點(diǎn)，使得其最終的累計(jì)產(chǎn)氣量達(dá)到最大，優(yōu)化效果最好。

圖1 不同破解方法的沼氣累計(jì)產(chǎn)量

3.3 CH4在沼氣中的含量占比的比較

通過對(duì)上述試驗(yàn)中的5組不同污泥厭氧消化反應(yīng)器在不同時(shí)間內(nèi)的CH4含量進(jìn)行測(cè)定，以計(jì)算CH4在沼氣中的含量的變化趨勢(shì)，最終得到圖4所示的結(jié)果。結(jié)果表明，不同破解方法中，CH4在沼氣中的含量占比變化趨勢(shì)和對(duì)照組有顯著差別，經(jīng)破解后的污泥為平穩(wěn)上升態(tài)勢(shì)，而對(duì)照組則是先下降后上升態(tài)勢(shì)。具體來說，對(duì)照組在污泥厭氧消化持續(xù)到第15日時(shí)CH4在沼氣中的含量占比達(dá)到最低，為48.4%，之后持續(xù)上升，在厭氧消化持續(xù)到第40日時(shí)CH4在沼氣中的含量占比達(dá)到最大，為59.7%。對(duì)熱預(yù)處理組，CH4在沼氣中的含量占比波動(dòng)幅度較小，分布在54.2%至59.6%之間。對(duì)熱堿預(yù)處理組，CH4在沼氣中的含量占比從第5日的48.5%一直持續(xù)上升到第40日的64.4%。對(duì)堿預(yù)處理組，CH4在沼氣中的含量占比變化規(guī)律與熱堿預(yù)處理組類似，從第5日的40.2%的一直持續(xù)上升到第40日的55.8%。電化學(xué)預(yù)處理組CH4在沼氣中的含量占比增長(zhǎng)的幅度相對(duì)較小，從第5日的56.2%一直持續(xù)上升到第40日的64.8%。從圖2中可以進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，從開始到第15日，電化學(xué)預(yù)處理組的CH4在沼氣中的含量占比是最大的，其次為熱預(yù)處理、熱堿預(yù)處理，最小的為堿預(yù)處理；而當(dāng)厭氧消化進(jìn)入到中后期階段，即從第20日開始至第40日這一時(shí)期內(nèi)，仍然是電化學(xué)預(yù)處理組的CH4在沼氣中的含量占比是最大的，但其次為熱堿預(yù)處理組、熱預(yù)處理組，含量最小的仍然是堿預(yù)處理組。

圖2 不同破解方法CH 4在沼氣中的含量占比變化

4 結(jié)語

通過對(duì)不同破解方法的污泥厭氧消化產(chǎn)氣量?jī)?yōu)化進(jìn)行試驗(yàn)比較后發(fā)現(xiàn)：

4.1 在沼氣累計(jì)產(chǎn)量量方面，在厭氧消化45天之后，對(duì)照組的產(chǎn)氣累計(jì)量為395L/kgVS，熱預(yù)處理為522L/kgVS，堿預(yù)處理為562L/kgVS、熱堿預(yù)處理為607L/kgVS，電化學(xué)熱處理648L/kgVS，四種不同的破

解方法所測(cè)定的產(chǎn)氣累計(jì)量以電化學(xué)預(yù)處理最高，而熱預(yù)處理最低。

4.2 在日產(chǎn)氣速率方面，堿性預(yù)處理組比其它預(yù)處理組的日產(chǎn)氣速率下降更快；從初始階段的90.5L/（kgVS·d）很快降低到前期階段的10.2L/（kgVS·d），其它預(yù)處理組的日產(chǎn)氣速率變化趨勢(shì)明顯較為平緩，特別是電化學(xué)預(yù)處理組，其日產(chǎn)氣速率降低速率最為緩慢，甚至在前期階段與中期階段都一直保持在25.8L/（kgVS·d）至34.1L/（kgVS·d）的水平內(nèi)。

4.3 在CH4在沼氣中的含量占比方面，不同破解方法均出現(xiàn)了隨著時(shí)間推移，CH4在沼氣中的含量占比呈增加的趨勢(shì)，其中電化學(xué)預(yù)處理組的CH4在沼氣中的含量占比是最高的。

4.4 總體來看，電化學(xué)預(yù)處理對(duì)于污泥厭氧消化產(chǎn)氣量的優(yōu)化是較為理想的。

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