熱處理對(duì)剩余污泥中溫厭氧消化的影響

郭思宇,彭永臻,李夕耀,何岳蘭,高瑤遠(yuǎn),李璐凱 (北京工業(yè)大學(xué)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室,北京市污水脫氮除磷處理與過(guò)程控制工程技術(shù)研究中心,北京 100124)

熱處理對(duì)剩余污泥中溫厭氧消化的影響

郭思宇,彭永臻*,李夕耀,何岳蘭,高瑤遠(yuǎn),李璐凱 (北京工業(yè)大學(xué)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室,北京市污水脫氮除磷處理與過(guò)程控制工程技術(shù)研究中心,北京 100124)

在 70℃條件下對(duì)處理實(shí)際生活污水所產(chǎn)生的剩余污泥進(jìn)行不同時(shí)間(0～100min)的熱預(yù)處理,再通過(guò)批量試驗(yàn)研究了不同預(yù)處理時(shí)間和不同固體停留時(shí)間(SRT)(20d和30d)對(duì)剩余污泥中溫(35℃)厭氧消化的影響.結(jié)果表明,在SRT為20d,預(yù)處理時(shí)間為100min的條件下,厭氧消化后總化學(xué)需氧量(TCOD)的平均去除率最高,達(dá)到55.76%;預(yù)處理時(shí)間為100min,SRT分別為20d和30d的條件下,毛細(xì)吸水時(shí)間(CST)平均值較對(duì)照組分別下降了26%和37%;在SRT為20d,預(yù)處理時(shí)間為60min條件下,甲烷平均產(chǎn)量最高,達(dá)到10.83mL/d;經(jīng)濟(jì)分析表明經(jīng)過(guò)70℃預(yù)處理后,剩余污泥厭氧消化處理費(fèi)用可以減少50.9～499.5元/噸干污泥.因此,本試驗(yàn)得出熱預(yù)處理的最佳SRT為20d,最佳預(yù)處理時(shí)間為60min.

厭氧消化；熱處理；沼氣產(chǎn)量；經(jīng)濟(jì)分析

厭氧消化是污泥常用的減容、穩(wěn)定工藝,具有能耗低、污泥穩(wěn)定性好、產(chǎn)生生物能源沼氣等優(yōu)點(diǎn)[1],因此該技術(shù)在世界各國(guó)得到廣泛應(yīng)用.厭氧消化過(guò)程通?？煞譃椋阂夯怆A段、酸化階段和產(chǎn)甲烷階段[2],其中液化水解階段是將不溶性有機(jī)物和大分子聚合物(脂肪、蛋白質(zhì)、多糖等)轉(zhuǎn)化成可溶性小分子物質(zhì),供產(chǎn)酸菌利用,由于這一階段反應(yīng)復(fù)雜,速度較為緩慢,為有機(jī)物厭氧消化的限速階段[3-4].為了提高液化水解的速率,目前通常采用多種預(yù)處理方法(熱水解、化學(xué)處理、機(jī)械破碎、超聲破碎、酶水解等)[5].使污泥中的胞外聚合物和細(xì)胞物質(zhì)釋放,加快有機(jī)質(zhì)從固相轉(zhuǎn)移到液相;同時(shí)改變污泥中有機(jī)物的可利用性,提高厭氧消化效率[6],克服污泥厭氧消化停留時(shí)間長(zhǎng)、消化池容積大等不足[7].其中,熱預(yù)處理可以明顯改善污泥脫水性能,促進(jìn)污泥減量,提高沼氣產(chǎn)量[6,8-10],為后續(xù)處理處置剩余污泥減輕負(fù)擔(dān).

污泥熱水解是通過(guò)高溫?zé)崃π?yīng)促使有機(jī)質(zhì)及污泥中的細(xì)胞結(jié)構(gòu)破碎,并將破碎細(xì)胞釋放出的部分高分子有機(jī)物(脂肪、蛋白質(zhì)、碳水化合物等)分解為小分子的有機(jī)酸(乙酸、丁酸、氨基酸),從而強(qiáng)化產(chǎn)甲烷菌對(duì)污泥中有機(jī)物的利用,提高原料污泥的產(chǎn)氣率[11].相關(guān)研究表明熱預(yù)處理溫度在70～90℃范圍內(nèi),污泥中有機(jī)物的溶出及厭氧消化效果均有提升,最適條件為 90℃、60min,此時(shí)沼氣體積提高 20%[12].但有更多研究表明,70℃為最適溫度.通過(guò)對(duì)低溫預(yù)處理?xiàng)l件下高濃度固體剩余污泥的厭氧消化效果的研究,表明最適預(yù)處理?xiàng)l件為70℃、30min,此時(shí)溶解性化學(xué)需氧量(SCOD)濃度增長(zhǎng)了52.5倍,污泥破解率為13%,單位總化學(xué)需氧量(TCOD)沼氣產(chǎn)率提高了11%,厭氧消化時(shí)間從22d降低15d[13].還有研究表明 70℃預(yù)處理使污泥沼氣產(chǎn)量提高了大約 30%,甲烷含量提高了5%[14].目前關(guān)于剩余污泥熱預(yù)處理改善厭氧消化性能的研究較多,大部分研究結(jié)果表明最適熱處理溫度為 70℃,且大多數(shù)實(shí)驗(yàn)是將接種污泥與預(yù)處理后的污泥按1：1的比例投加到反應(yīng)器中,進(jìn)行厭氧消化實(shí)驗(yàn),采用排水集氣法收集產(chǎn)生的氣體,直至產(chǎn)氣結(jié)束.少有研究使用半連續(xù)型厭氧消化反應(yīng)器,定期排出厭氧消化后的污泥,同時(shí)投加新鮮的剩余污泥.

因此,本文以實(shí)際短程硝化剩余污泥作為處理對(duì)象,在熱預(yù)處理溫度為 70℃條件下,探究不同預(yù)處理時(shí)間對(duì)剩余污泥性質(zhì)及不同SRT對(duì)半連續(xù)型反應(yīng)器長(zhǎng)期厭氧消化的影響.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)污泥

所用污泥取自北京工業(yè)大學(xué)以實(shí)際低 C/N生活污水為處理對(duì)象的反應(yīng)裝置產(chǎn)生的剩余污泥,剩余污泥取回后靜置24h,棄去上清液,濃縮后總固體(TS)為20～25g/L,放入4℃冰箱貯存,供試驗(yàn)使用.試驗(yàn)污泥的性質(zhì)如表1所示,其中CST為毛細(xì)吸水時(shí)間,SC為溶解性多糖,SP為溶解性蛋白質(zhì),VS為揮發(fā)性固體.

表1 剩余污泥性質(zhì)Table 1 Characteristics of sewage sludge

厭氧消化接種污泥取自實(shí)驗(yàn)室中溫厭氧消化發(fā)酵罐,發(fā)酵罐運(yùn)行控制條件為：SRT=30d、pH=7、T=35℃.發(fā)酵罐基質(zhì)用泥來(lái)自北京工業(yè)大學(xué)以實(shí)際低 C/N生活污水為處理對(duì)象的反應(yīng)裝置產(chǎn)生的剩余污泥.

1.2 熱水解試驗(yàn)

將5個(gè)裝有500mL剩余污泥的玻璃瓶置于70℃恒溫水浴搖床中,預(yù)處理時(shí)間分別為20、40、60、80和100min,到達(dá)相應(yīng)時(shí)間后取出,放入4℃冰箱中待用,另取1瓶裝有500mL剩余污泥不做預(yù)處理,作為空白.每次熱預(yù)處理后每瓶抽取30mL污泥測(cè)定污泥性質(zhì).

1.3 厭氧消化試驗(yàn)

試驗(yàn)分為2組,每組有6個(gè)體積為1.5L的半連續(xù)型反應(yīng)器,分別加入 1.2L接種污泥,通過(guò)溫控探頭和加熱攪拌器控制反應(yīng)器溫度為35℃,在連接氣路管前,用氮?dú)獯得?5min,確保反應(yīng)器中無(wú)剩余空氣.分別在取樣口和集氣口前端加裝兩通閥門,在不取樣和不集氣的時(shí)間段內(nèi)封閉閥門,使反應(yīng)器始終保持密封狀態(tài).每組反應(yīng)器啟動(dòng)前均已在同等SRT下投加未經(jīng)預(yù)處理剩余污泥穩(wěn)定運(yùn)行40d.設(shè)置第一組SRT為20d,每天8：30～9：00之間從各反應(yīng)器中抽取60mL污泥,再分別投加未經(jīng)預(yù)處理的剩余污泥和預(yù)處理時(shí)間為20、40、60、80和100min的剩余污泥60mL, 其中投加未經(jīng)預(yù)處理剩余污泥的反應(yīng)器為對(duì)照組.第二組SRT為30d,每天8：30～9：00之間從反應(yīng)器中抽取40mL污泥,再投加40mL污泥,種類與第一組相同.在測(cè)樣的前一天,加泥后給反應(yīng)器加氣袋,以測(cè)定反應(yīng)器的產(chǎn)氣量,取樣前通過(guò)便攜式氣體測(cè)定機(jī)測(cè)定反應(yīng)器中甲烷含量.

1.4 能量和經(jīng)濟(jì)分析

對(duì)于加熱污泥實(shí)際所需的能量采用以下公式計(jì)算[15]：

式中：Q1表示加熱污泥所需的能量,kJ;ρsl表示剩余污泥的濃度,kg/m3;Cp表示污泥的比熱容, 4.18kJ/kg℃; tfinal污泥的最終溫度,℃; tinitial表示污泥的初始溫度,℃.

當(dāng)加熱到指定溫度后,持續(xù)時(shí)間內(nèi)所需能量采用以下計(jì)算公式計(jì)算：

式中：Q2表示水浴鍋維持 70℃所需要的能量, kJ;4.18是將Kcal轉(zhuǎn)化為kJ的系數(shù);A表示水浴鍋的與空氣接觸的表面積,m2; K1表示環(huán)境氣溫系數(shù)(取設(shè)備和保溫結(jié)構(gòu)外表面的一般放熱系數(shù)為1.163kcal/(m2?h?℃)); K2表示其他綜合系數(shù)(取1.53kcal/(h?℃)); t恒表示水浴鍋恒定水溫,℃; t外表示外部空氣溫度,℃; T恒表示水浴鍋維持恒定溫度的時(shí)間,h.

對(duì)預(yù)處理進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析,預(yù)處理的主要花費(fèi)在于將剩余污泥加熱到指定溫度并持續(xù)加熱一段時(shí)間所用的費(fèi)用,計(jì)算時(shí)遵循以下幾個(gè)條件(a)剩余污泥的初始溫度為25℃,(b)預(yù)處理裝備消耗20%的熱量,(c)剩余污泥接受80%的熱量[16].污泥脫水,運(yùn)輸及填埋的費(fèi)用約為1500元/t干污泥[17],根據(jù)北京市資費(fèi)標(biāo)準(zhǔn),電費(fèi)及天然氣價(jià)格分別為0.5元/(kW?h)和2.3元/m3.

1.5 分析方法

取樣后測(cè)定 CST、TCOD,樣品再經(jīng) 4000r/ min的離心機(jī)離心10min,0.45μm濾膜抽濾,獲得的濾液用來(lái)測(cè)定SCOD、SC、SP和揮發(fā)性脂肪酸(VFA).試驗(yàn)中TS和VS采用重量法;COD采用5B-3(B)型COD快速測(cè)定儀測(cè)量;SC采用苯酚-硫酸法測(cè)定;SP采用改良型Bradford法蛋白質(zhì)濃度測(cè)定試劑盒測(cè)定(生工SK3041);CST采用型號(hào)為304M的污泥毛細(xì)吸水時(shí)間測(cè)定儀;VFA 使用安捷倫7890N氣相色譜儀測(cè)定;氣體體積通過(guò)濕式氣體流量計(jì)測(cè)定;氣體中甲烷含量通過(guò)便攜式氣體測(cè)定機(jī)測(cè)定.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同預(yù)處理時(shí)間及SRT對(duì)有機(jī)物溶出的影響

圖1 污泥預(yù)處理及厭氧消化后平均COD濃度Fig.1 Averge concentration of chemical oxygen demand after pretreatment and anaerobic digestion

隨著污泥中有機(jī)物的溶化和水解,懸浮固體中的有機(jī)物(蛋白質(zhì)、碳水化合物及脂肪)轉(zhuǎn)移到液相,因此污泥的SCOD 濃度會(huì)增大[18].圖1a為試驗(yàn)所用剩余污泥通過(guò)不同時(shí)間預(yù)處理后TCOD和SCOD平均濃度,由圖1a可以看出,經(jīng)過(guò)預(yù)處理后剩余污泥中 SCOD平均濃度有顯著增加,且隨著預(yù)處理時(shí)間的延長(zhǎng),SCOD濃度明顯上升.當(dāng)預(yù)處理時(shí)間分別為20、40、60、80、100min時(shí),SCOD濃度分別為原泥的4.50、5.66、6.78、8.03、9.08倍.這是由于熱預(yù)處理破壞了污泥中細(xì)胞壁和細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu),使有機(jī)物溶出[12],且時(shí)間的延長(zhǎng)使有機(jī)物溶出效果明顯.而污泥中 TCOD濃度有少量下降,當(dāng)預(yù)處理時(shí)間為 100min時(shí),剩余污泥中 TCOD濃度較原污泥下降 6.7%,這與Valo[19]的研究一致.

圖1b、c分別為當(dāng)SRT為20和30d時(shí),厭氧消化后剩余污泥平均TCOD和SCOD濃度.由圖1b中可以看出,當(dāng)SRT為20d時(shí),厭氧消化反應(yīng)器中污泥TCOD濃度呈下降趨勢(shì),有顯著的TCOD去除現(xiàn)象.其中對(duì)照組TCOD去除率為50.2%,隨著投加污泥預(yù)處理時(shí)間的延長(zhǎng),當(dāng)預(yù)處理時(shí)間為20、40、60、80、100min時(shí),TCOD去除率分別為50.42%、53.19%、52.97%、55.52%、55.76%.經(jīng)過(guò)厭氧消化后,污泥中SCOD濃度有顯著變化,對(duì)照組中SCOD濃度較原污泥提高142.12%,而當(dāng)預(yù)處理時(shí)間為 20、40、60、80、100min時(shí),厭氧消化反應(yīng)器中 SCOD濃度分別比預(yù)處理后的剩余污泥中 SCOD濃度下降了 43.68%、58.74%、66.45%、63.15%、66.23%.因此,厭氧消化能有效去除 SCOD,且當(dāng)預(yù)處理時(shí)間為 60min時(shí),SCOD去除效果最好.由圖1c中可以看出,當(dāng)SRT為30d時(shí),COD濃度變化規(guī)律與第一組基本相同.對(duì)照組中TCOD去除率為39.13%,投加剩余污泥的預(yù)處理時(shí)間分別為 20、40、60、80、100min時(shí),TCOD 去除率分別為 38.42%、38.91%、39.39%、42.10%、41.36%.比較當(dāng)SRT為20d和30d時(shí)兩組TCOD去除率,第二組較第一組平均降低13.9%.由圖1c中可以看出,對(duì)照組中SCOD濃度比預(yù)處理后剩余污泥中SCOD濃度提高91.43%,投加經(jīng)過(guò)預(yù)處理剩余污泥的厭氧消化反應(yīng)器中SCOD濃度分別下降了53.34%、61.07%、67.21%、71.06%、75.41%.可見(jiàn),當(dāng)SRT為30d時(shí)SCOD濃度普遍低于第一組,SCOD去除率隨預(yù)處理時(shí)間延長(zhǎng)而不斷增大,這是由于更多的SCOD被利用,生成甲烷等氣體,其中去除率最高的為預(yù)處理時(shí)間為100min時(shí)的反應(yīng)器.

圖2 最佳SCOD溶出條件下不同有機(jī)物溶出情況Fig.2 Condition of different organic dissolution on the best soluble chemical oxygen demanddissolution

圖2為兩組反應(yīng)器中SCOD去除效果最好的運(yùn)行條件下,反應(yīng)器中SCOD各組分的平均分布情況.由圖2中可以看出,兩個(gè)反應(yīng)器中SC和SP的比例基本相同,SC分別占SCOD的2.96%和2.6%,僅相差0.36%,SP分別占SCOD的6.66%和6.63%,僅相差0.03%,可見(jiàn)不同SRT對(duì)SCOD中SC和SP的組分影響不大.當(dāng)SRT為20d時(shí),揮發(fā)性脂肪酸(VFA)所占比例較高為 24.56%,當(dāng)SRT為30d時(shí),VFA所占比例僅為10.19%.由于厭氧消化過(guò)程是由水解、產(chǎn)酸、產(chǎn)甲烷3個(gè)部分組成,因此當(dāng) VFA 所占比例相對(duì)較低時(shí),后續(xù)產(chǎn)甲烷氣體體積會(huì)相對(duì)較高.

2.2 不同預(yù)處理時(shí)間及SRT對(duì)污泥脫水性能的影響

圖3 不同預(yù)處理?xiàng)l件和SRT對(duì)剩余污泥毛細(xì)吸水時(shí)間的影響Fig.3 Differenr pretreatment and solid retention time on capillary suction time of excess sludge

CST是衡量污泥脫水性能的指標(biāo).脫水性好,既可以使污泥體積大大減少又能提高脫水效率[20].圖 3a為剩余污泥經(jīng)過(guò)不同時(shí)間預(yù)處理后CST的平均值.由圖 3a中可以看出,在預(yù)處理溫度為70℃條件下,延長(zhǎng)預(yù)處理時(shí)間對(duì)CST的值有一定影響,當(dāng)預(yù)處理時(shí)間分別為20、40、60、80、100min時(shí),剩余污泥中CST值較原泥中CST值分別增加了26.87%、76.3%、130.52%、149.79%、154.94%.圖3b、c為當(dāng)SRT分別為20d和30d時(shí),兩組厭氧消化反應(yīng)器穩(wěn)定時(shí) CST的值.從圖中可以看出,經(jīng)過(guò)熱預(yù)處理后的剩余污泥,盡管脫水性能嚴(yán)重下降,但經(jīng)過(guò)厭氧消化后,其脫水性能均優(yōu)于對(duì)照組且相對(duì)穩(wěn)定.兩組實(shí)驗(yàn)中CST值的趨勢(shì)基本相同,并不是隨著時(shí)間延長(zhǎng)CST值逐漸增加,不同反應(yīng)器中CST平均值由大到小分別為投加了預(yù)處理時(shí)間為0、20、100、80、60和40min的剩余污泥.可見(jiàn),當(dāng)處理時(shí)間超過(guò)40min時(shí),剩余污泥脫水性能有所下降.第一組各個(gè)反應(yīng)器中CST平均值均低于第二組,其中厭氧消化后剩余污泥脫水性能最好的條件為 SRT20d,預(yù)處理時(shí)間為40min.反應(yīng)器中CST平均值為53.00s,相對(duì)于對(duì)照組平均值為82.07s,下降了35.42%.第二組中同樣是預(yù)處理時(shí)間為40min條件下,污泥脫水性能最好為68.46s,相對(duì)于對(duì)照組的CST平均值119.10s下降了42.51%.因此,當(dāng)SRT為20d,預(yù)處理時(shí)間為40min條件下剩余污泥脫水效果最好,當(dāng)SRT為30d,預(yù)處理時(shí)間為40min條件下剩余污泥脫水性能效果較對(duì)照組提升最高.

2.3 不同預(yù)處理時(shí)間及SRT對(duì)污泥減量及產(chǎn)氣效果的影響

檢驗(yàn)剩余污泥厭氧消化效果的兩個(gè)最重要標(biāo)準(zhǔn)：污泥減量效果及產(chǎn)氣效果.污泥減量的最直接表現(xiàn)就是厭氧消化后污泥VS濃度的變化.剩余污泥經(jīng)水解和酸化作用不斷地液化減量,并最終表現(xiàn)為發(fā)酵污泥的VS持續(xù)下降[21].這是因?yàn)?5℃時(shí)發(fā)酵系統(tǒng)中的水解菌和產(chǎn)酸菌的活性均較強(qiáng),水解菌的生長(zhǎng)速率、新陳代謝速率及其數(shù)量基本達(dá)到峰值[22].

圖4和圖5分別為在SRT為20d和30d時(shí),預(yù)處理后剩余污泥和厭氧消化后剩余污泥的SS、VS、VS/SS、厭氧消化后剩余污泥的日產(chǎn)甲烷量、甲烷氣體占總氣體的比例及VFA含量.

圖4 SRT為20d時(shí)污泥減量及產(chǎn)氣效果Fig.4 Reduction and biogas production on 20d of solid retention time

從圖4a中可以看出經(jīng)過(guò)熱預(yù)處理后剩余污泥中SS、VS及VS/SS均有下降,其中SS和VS下降明顯.當(dāng)預(yù)處理時(shí)間為20、40、60、80和100min時(shí),VS平均值分別較對(duì)照組中 VS平均值下降2.99%、9.97%、13.42%、16.11%、16.86%. VS/SS表示剩余污泥中揮發(fā)性懸浮物占總懸浮物的比例,代表剩余污泥中有機(jī)物的含量,從圖 4a中可以看出,VS/SS呈下降趨勢(shì),當(dāng)預(yù)處理時(shí)間為100min時(shí)較對(duì)照組下降最多為3.14%.從圖4b中可以看出經(jīng)過(guò)厭氧消化后,SS,VS和 VS/SS值均有明顯下降,可見(jiàn)厭氧消化使有機(jī)物含量大幅下降,但在不同預(yù)處理?xiàng)l件下各項(xiàng)指標(biāo)差別不大,對(duì)比原泥中VS值,投加不同預(yù)處理時(shí)間剩余的反應(yīng)器中 VS的值分別下降了51.2%、54.1%、57.2%、56.1%、56.1%、59.7%.因此,通過(guò)延長(zhǎng)預(yù)處理時(shí)間對(duì)剩余污泥減量效果影響較小,若主要目的為污泥減量,不建議選用低溫短時(shí)熱預(yù)處理方法.從圖 4c中可以看出熱預(yù)處理對(duì)沼氣產(chǎn)量均有較大影響,當(dāng)預(yù)處理時(shí)間為20、40、60、80和100min時(shí),其平均每日沼氣產(chǎn)量分別較對(duì)照組上升了50%、150%、250%、275%、175%.其中,當(dāng)預(yù)處理時(shí)間80min時(shí),產(chǎn)沼氣效果最好.隨著日沼氣產(chǎn)量的變化,沼氣中甲烷比例也隨之變化,當(dāng)預(yù)處理時(shí)間為60min時(shí),沼氣中甲烷比例最高為 38.69%,比當(dāng)預(yù)處理時(shí)間為 80min時(shí)提高34.87%,因此,當(dāng)預(yù)處理時(shí)間為 60min時(shí),產(chǎn)甲烷效果最好.這是由于當(dāng)預(yù)處理時(shí)間延長(zhǎng)至 80min后SCOD濃度有大幅上升,因此消化速率變慢,導(dǎo)致后續(xù)產(chǎn)氣及甲烷含量降低.

表明延長(zhǎng)時(shí)間熱預(yù)處理產(chǎn)生了某種物質(zhì)抑制了剩余污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷,許多研究指出這種現(xiàn)象為美拉德效應(yīng)[23].同時(shí)比較不同預(yù)處理?xiàng)l件下厭氧消化后的剩余污泥中總VFA含量的變化,在預(yù)處理時(shí)間為0～80min的條件下,隨著預(yù)處理時(shí)間的延長(zhǎng),剩余污泥沼氣產(chǎn)量不斷增加,產(chǎn)酸量呈下降趨勢(shì),總VFA含量從170mg/L下降到135mg/L,當(dāng)預(yù)處理時(shí)間延長(zhǎng)到100min時(shí),剩余污泥厭氧消化后沼氣產(chǎn)量有所下降,產(chǎn)酸量并沒(méi)有上升,總VFA含量為134mg/L,可見(jiàn),隨著預(yù)處理時(shí)間的延長(zhǎng)生成某種物質(zhì)抑制了剩余污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷,與Vlyssides[24]研究發(fā)現(xiàn)熱處理過(guò)程中有難以生化降解的中間物質(zhì)生成從而對(duì)中溫厭氧消化過(guò)程略有抑制的結(jié)論一致.

圖5 SRT為30d時(shí)污泥減量及產(chǎn)氣效果Fig.5 Reduction and biogas production on 30d of solid retention time

從圖5中可以看出,當(dāng)SRT為30d時(shí),以上各項(xiàng)指標(biāo)的變化趨勢(shì)與SRT為20d時(shí)基本相同.從圖5b中可以看出經(jīng)過(guò)不同時(shí)間預(yù)處理后,剩余污泥中VS平均值較原泥中VS平均值分別下降6.17%、6.72%、8.95%、11.07%、12.41%,這與SRT為20d時(shí)的VS下降比例略有不同,這是由于不同實(shí)驗(yàn)條件下種泥的細(xì)微差異引起的.在不同預(yù)處理?xiàng)l件下厭氧消化后剩余污泥中 VS的值較原泥中分別下降46.53%、49.29%、51.30%、49.90%、52.23%、53.05%,污泥減量效果低于SRT為20d時(shí)的污泥減量效果.從圖5d得出當(dāng)預(yù)處理時(shí)間為20、40、60 80和100min時(shí),反應(yīng)器每日平均沼氣產(chǎn)量分別較對(duì)照組中平均每日沼氣產(chǎn)量上升了 50%、88%、125%、150%、50%.當(dāng)預(yù)處理時(shí)間80min時(shí),產(chǎn)沼氣效果最好,比預(yù)處理時(shí)間同為80min,SRT為20d時(shí)的沼氣產(chǎn)量低33.33%.在預(yù)處理時(shí)間為60min時(shí)沼氣中甲烷比例達(dá)到最高值為46.65%,比SRT為20d時(shí)的甲烷比例高7.69%.總VFA含量隨預(yù)處理時(shí)間延長(zhǎng)而不斷下降,從 95.12mg/L下降到68.86mg/L,均低于SRT為20d時(shí)的總VFA含量.

2.4 經(jīng)濟(jì)分析

由于剩余污泥處理費(fèi)用占城市污水處理廠總處理費(fèi)用的 50%[25].因此,在選用預(yù)處理方法時(shí),經(jīng)濟(jì)可行性的分析非常重要.相比較傳統(tǒng)厭氧消化系統(tǒng),對(duì)剩余污泥進(jìn)行預(yù)處理會(huì)消耗部分能量,增加費(fèi)用,但后續(xù)厭氧消化后產(chǎn)生甲烷且節(jié)約污泥減量費(fèi)用.根據(jù)本實(shí)驗(yàn)結(jié)果,對(duì)反應(yīng)器每處理1t污泥進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析.表2顯示相對(duì)于不進(jìn)行預(yù)處理的厭氧消化系統(tǒng),不同預(yù)處理?xiàng)l件下所節(jié)省的費(fèi)用.從表2中可以看出,延長(zhǎng)預(yù)處理時(shí)間對(duì)預(yù)處理費(fèi)用影響不大,這是由于將能量傳遞到剩余污泥中,使其溫度由室溫升高到70℃所需的能量及費(fèi)用占主要部分,而保持這個(gè)溫度繼續(xù)加熱則只需考慮延長(zhǎng)這段時(shí)間所需的能量,因此預(yù)處理花費(fèi)差別不大.產(chǎn)甲烷節(jié)約費(fèi)用占總節(jié)約費(fèi)用的比重較大,相較于對(duì)照組,產(chǎn)甲烷節(jié)約費(fèi)用在80.5～543.9元/t干污泥,這是由于我國(guó)天然氣價(jià)格比較高且熱預(yù)處理對(duì)提高甲烷產(chǎn)量有很大作用.通過(guò)剩余污泥減量而節(jié)約的費(fèi)用相對(duì)較少,這是由于未經(jīng)預(yù)處理的中溫厭氧消化已經(jīng)能使剩余污泥減量明顯,所以熱預(yù)處理對(duì)剩余污泥的減量化優(yōu)勢(shì)不突出.綜合所有費(fèi)用,剩余污泥經(jīng)預(yù)處理后再進(jìn)行厭氧消化比直接進(jìn)行厭氧消化節(jié)約了 50.9～499.5元/t干污泥的費(fèi)用,其中效果最好的是在SRT為20d,預(yù)處理時(shí)間為60min的條件下,每噸干污泥可節(jié)約534元.

表2 對(duì)比空白試驗(yàn)不同預(yù)處理?xiàng)l件下的經(jīng)濟(jì)分析表Table 2 Economic assessment for different pretreatment process compare to the control

3 結(jié)論

3.1 經(jīng)70℃預(yù)處理可以使剩余污泥釋放出溶解性有機(jī)物,在預(yù)處理時(shí)間 100min時(shí),SCOD濃度最高,為原污泥的9.08倍,同時(shí)剩余污泥脫水性能下降,CST值增加了154.94%.

3.2 經(jīng)過(guò)厭氧消化后,SRT為 20d和 30d的TCOD去除率分別為53.57%和39.67%,SCOD分別下降了 59.65%和 65.58%.同時(shí)污泥脫水性能有所提高,在SRT=20d,預(yù)處理時(shí)間為40min的條件下,CST平均值最低,為51.7s.

3.3 70℃預(yù)處理對(duì)中溫厭氧消化的沼氣產(chǎn)量有影響.當(dāng)預(yù)處理時(shí)間為80min,SRT為20d和30d條件下效果最好,分別較對(duì)照組上升了 275%和150%,同時(shí),當(dāng)預(yù)處理時(shí)間為80min,SRT為20d和30d條件下沼氣中甲烷含量也分別提高了125%和161%.

3.4 通過(guò)經(jīng)濟(jì)分析表明經(jīng)過(guò) 70℃預(yù)處理后,剩余污泥厭氧消化后處理費(fèi)用可以減少 50.9～499.5元/t污泥.因此,本文得出當(dāng)SRT=20d,預(yù)處理時(shí)間為60min時(shí)最經(jīng)濟(jì)合理,平均每處理1t剩余污泥節(jié)約499.5元.

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GUO Si-yu, PENGYong-zhen*, LI Xi-yao, HE Yue-lan, GAO Yao-yuan, LI Lu-kai (National Engineering Laboratory for Advanced Municipal Wastewater Treatment and Reuse Technology, Engineering Research Center of Beijing, Beijing 100124, China). ChinaEnvironmental Science, 2017,37(6)：2106～2113

The waste activated sludge produced by the treatment of actual domestic sewage was subjected to thermal pretreatment at different time (0～100min) at 70℃, and the effects of different pretreatment time and different solid residence times (20d and 30d) were studied by batch test on the anaerobic digestion of waste activated sludge at 35℃. The results showed that after anaerobic digestion, the average removal rate of total chemical oxygen demand was 55.76% under the conditions that SRT was 20d and pretreatment time was 100min.when the pretreatment time was 100min,the average capillary suction time decreased by 26%(20d) and 37%(30d) comparing with the control group. And the average yield of methane was 10.83mL/d under the condition that SRT was 20d and pretreatment time was 60min. Economic analysis showed that the anaerobic digestion of waste activated sludge can reduce the cost of 50.9 ～499.5yuan/ton dry sludge after 70℃ pretreatment. Therefore, the best SRT was 20d and the best pretreatment time was 60min for the thermal pretreatment.

anaerobic digestion；thermalpretreatment；methane production；economic analysis

X703

A

1000-6923(2017)06-2106-08

郭思宇(1992-),女,北京人,北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院碩士研究生,主要從事污水、污泥處理與水污染控制研究.

2016-11-04

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題(2016YFC0401102);北京市教委資助項(xiàng)目

* 責(zé)任作者, 教授, pyz@bjut.edu.cn