剩余污泥水解酸化的高压均质强化工艺
2018-04-21 09:50:38
目前，世界上应用较广泛的污水生物处理技术是传统的活性污泥法，但活性污泥法有一大弊端，会产生大量剩余污泥。截止2014年底，我国的城市污水处理量达382.72亿吨，湿污泥产量约为2143万吨。我国大约80％污水处理厂的污泥处理均采用浓缩——脱水——填埋这种单一模式，污泥没有进行稳定化和无害化处理，“二次污染严重”。众所周知，剩余污泥中含有大量有机物，而如何将其变废为宝，合理利用，是当前研究人员主要的研究课题。由于蛋白质和多糖等可溶性有机物大多聚集在微生物细胞内或者胞外聚合物中，微生物细胞壁的阻碍和污泥絮体的束缚使这些有机物难释放。通常采用污泥破解的方法，如机械破解、热水解、化学碱解、声破解和微波破解等，使污泥絮体破碎，胞内有机物和胞外聚合物（蛋白质和多糖等）择放到污泥液相，并用作碳源；或者将剩余污泥通过厌氧水解酸化作用，将胞内有机物和胞外聚合物降解为易被反硝化茵利用的有机物碳源。剩余污泥经过水解酸化后可产生大量挥发性脂肪酸等可溶性有机物。这些挥发性脂肪酸主要由己酸、丙酸等小分子有机物组成，可作为外加碳源促进污水生物脱氮过程，降低污水处理厂的碳源投加成本，同时剩余污泥也得到一定的稳定化、减量化和资源化处理。
高压均质技术是一种高效的机械破碎技术，能够将剩余污泥有效破解。本研究采用高压均质技术将剩余污泥破解，将破解后的剩余污泥进行水解酸化制备反硝化碳源。考察了不同破解压力强度对剩余污泥水解酸化的影响，获得适宜的反硝化碳源制备条件。在剩余污泥中，大多有机质存在于微生物细胞内，微生物的细胞壁是一种稳定的半刚性结构，对微生物细胞有较强的保护作用。细胞壁是生物难降解的惰性物质，不容易破解，会导致污泥厌氧消化的停留时间比较长，而污泥厌氧消化降解速率的限制步骤是污泥的水解过程。因此，将微生物细胞壁破碎，不仅会提高剩余污泥水解酸化的反应效率，也会大大缩短污泥的水解酸化时间，进而使污泥巧氧消化时间缩短。
仪器和原料
发酵罐BLBIO-3GJ（上海百仑生物科技有限公司）分析天平Mark500（意大利BEL）NanoDeBEE高压均质机（苏州微流纳米生物技术有限公司）高速离心机H/T16MM（湖南赫西仪器装备有限公司）COD快速测定仪5B-1（北京连华永兴科技发展有限公司）气浴恒温振荡器SHZ-82（常州国华电器有限公司）电热鼓风干燥箱101（北京市永光明医疗仪器厂）气相色谱仪3420A（北分瑞利分析仪器有限公司）紫外可见分光光度计T6（北京普析通用仪器有限公司）电子恒温水浴锅HHS-4S（上海宜昌仪器纱筛厂）溶解氧测定仪JPBJ-608（上海精密科学仪器有限公司）蠕动泵EP-9000（兰格恒流累有限公司）
本文所使用的剩余污泥取自北京市一家污水处理厂。污泥取回后，先用80目筛过滤，去除污泥中的无机颗粒，将其在4°Ｃ条件下保存待用。经过24h以上的静置沉淀后，弃去上清液，取浓缩污泥进行高压均质破解。
试验方法
取浓缩剩余污泥5L，用BEE高压均质机分别在50、100、150、200和250ＭPa条件下均质1次，每种压强条件下制备破解污泥500ml。
分别取500ml破解后的剩余污泥和未破解剩余污泥，置于500ｍl锥形瓶中，未破解剩余污泥实验组作为对照，不调节污泥pＨ值。充入氮气，用8号橡胶塞封口；置于恒温气浴摇床中震荡进行污泥的水解酸化实验；反应温度为35±1℃，摇床转速为10000r/min。实验周期为120h，每24h取样一次，取样时测定反应器内污泥pＨ值；取样后均充入氮气，重新放入恒温气浴摇床中震荡。将污泥试样用离心机在10000r/min下离心10min，然后用0.45um聚醚讽膜过滤，取滤液测定pＨ、SCOD、VFA、NH4+-Ｎ和P043--Ｐ等指标。
实验结果
剩余污泥浓度较高，在显微镜下都难以分辨，因此，将破解前后的剩余污泥均稀释3倍后进行观测。图1和图2显示的是高压均质破解前和150ＭPa破解后的污泥稀释3倍后，在Ｘ200和Ｘ400分辨率下的观测图(a)和(b)指两个不同污泥样品。从两图可以看出剩余污泥未经高压均质破解时，呈团状，颗粒大，观测过程中发现，微生物活动较为活跃。当污泥经高压均质破解后，团状、大颗粒性物质被破碎成小颗粒、细小的物质，同时观测到微生物活动有所降低。因此，高压均质作用能够有效地破解剩余污泥，且能破碎大部分微生物。
图1高压均质破解前剩余污泥显微镜观测图
图2高压均质破解后剩余污泥显微镜观测图
剩余污泥经高压均质处理后，pＨ值略有降低，不同压力破解后，污泥pH值差别很小。污泥破解后，污泥的SCOD增加明显，从56.4mg/L增加至1384.5-2627.0mg/L。随着破解压力的增加，破解后的污泥SCOD增加，破解压力从50Ｍpa增加到250Ｍpa时，污泥SCOD从1384.5mg／Ｌ增加到2627.0mg/L，污泥破解度也随着压力的增加而增加，从7.42％增加到14.36％，说明提高破解压强可以有效提高污泥的破解效果和破解度。高压均质处理可破碎污泥中微生物细胞，使细胞的胞容物和EPS，如蛋白质和多糖等有机物释放，从而増加了污泥的SCOD。破解后污泥的VFAｓ没有明显变化，说明高压均质处理没有化学反应，对VFAｓ的提高没有作用。污泥破解后，污泥中ＮH4＋－Ｎ和PO43－Ｐ浓度均增加。ＮH4＋－Ｎ浓度随着破解压力增加进一步增加，ＮH4＋－Ｎ浓度从破解前的6.2mg/L增加到破解后的18.7－33.7mg/L。PO43－Ｐ浓度随着破解压力增加进一步增加，PO43－Ｐ浓度从破解前的11.93mg/L增加到破解后的44.0-66.2mg/L。ＮH4＋－Ｎ和PO43－Ｐ含量的增加可能是微生物细胞破碎细胞内部ＮH4＋－Ｎ和PO43－Ｐ释放所致。
 |
高压均质强化剩余污泥水解酸化及水解酸化液作反硝化碳源研究_李高朋.pdf |
