作者简介: 吴静 (1974—), 女(侗), 贵州, 副研究员。E-mail:wu_jing@mail.tsinghua.edu.cn
中国污泥有机物质量比低,厌氧消化速率慢、产气少, 60℃左右的热水解是改善措施之一。该文在热水解罐中进行了剩余污泥低温热水解的中试研究,采用热泵供热。对水力停留时间(HRT)、 温度( T)、 污泥含固率和有机物质量比( CVSS/ CSS)等对剩余污泥低温热水解的影响以及重要性进行了分析。试验结果表明: 低温热水解的最佳工艺条件为: HRT为1 d, 温度54~60℃,污泥含固率3%。加碱可以促进水解,当污泥含固率5%时,调节pH到10可使VSS去除率和有机物溶出率分别增加46.8%和100%。正交试验结果表明: 温度、污泥含固率和有机物质量比都是热水解的关键影响因素,各因素对VSS去除率和有机物溶出率影响的重要性顺序一致,由大到小的顺序为: 污泥含固率、温度、有机物质量比。在最佳工况下,剩余污泥低温热水解后进行中温(35℃)厌氧消化,消化时间10d的情况下,沼气产量比未低温热水解时增加44%。
With low organic matter content, sludge in China has low reaction rates and low biogas production rates. Thermal hydrolysis at about 60 ℃ will enhance the digestion. Thermal hydrolysis of excess sludge at low temperatures was conducted in thermal tanks with a heat pump as a heat source. The effects of hydraulic retention time (HRT), temperature ( T), solid content and organic matter ratio ( CVSS/ CSS) of the sludge on thermal hydrolysis were analyzed. The results showed that the optimal operating conditions for thermal hydrolysis was HRT=1 d, T=54-60℃, and a solid content=3%. Adding alkalis enhanced the hydrolysis, with a solid content of 5%, NaOH was added to increase the pH to 10 to increase the VSS removal rate by 46.8% and the solution rate of organic substances by 100%. Orthogonal experiments indicated that the temperature, solid content and CVSS/ CSS were all crucial to the VSS removal rate and the solution rate of the organic matter. The solid content had the largest effect followed by the temperature and CVSS/ CSS. The biogas production rate of the sludge hydrolyzed with optimal conditions during 10 days anaerobic digestion at 35℃ was 44% higher than that of sludge without hydrolysis.
污泥是中国目前最紧迫的环境问题之一,截止到2010年底,中国脱水污泥产量近2200万 t据预测到2015年末至少达到2615万 t。厌氧消化是污泥减量化、稳定化与资源化的重要技术[1,2], 但胞外多聚物( extracellular polymeric substance, EPS)的凝聚作用[3,4,5]和微生物细胞壁的保护作用[6]使水解成为污泥厌氧消化的限速步骤[7,8,9]。20世纪70年代以来,热水解已经成为促进污泥中有机物溶出和水解、提高厌氧消化效率的重要预处理技术。热水解可分为高温热水解( >100 ℃)[10,11,12]和低温热水解( <100 ℃)这2种类型[13]。低温热水解具有明显的工程价值,可以使挥发性悬浮固体 ( volatile suspended solid, VSS)的去除率增加10~20 %[14], 沼气产量增加20~50 %[15,16,17], 水力停留时间( hydraulic retention tim, HRT)缩短到8~13 d[18]。此外,低温热水解能耗较低,工艺简单,目前的加热系统不必改造就可以满足供热需要。但目前大部分试验仍停留在小试阶段。另一方面,中国污泥的有机物质量比一般仅0.4~0.65, 比欧美大部分国家的污泥有机物质量比低 0.2~0.3, 因此国外的试验结果可能不能完全照搬。
本文为在南方某大型城市污水处理厂进行中试规模的剩余污泥低温热水解影响因素的研究,积累下一批实际数据,为生产性工程的设计和运行进行有益探索。
试验在中国南方某10万t/d城市污水处理厂进行,来水含有大量电子等工业废水。污泥为该厂A/A/O工艺浓缩剩余污泥,理化特性如表1所示。
 | 表1 剩余污泥理化特性 |
试验采用了2套热水解罐。罐1#有效容积为 0.21m3, 罐2#有效容积为1m3, 均设有水浴层和保温层,由热泵供热。HRT的试验在热水解罐1#中完成,其余试验均在热水解罐2#中进行,热水解温度为50~65℃。含固率5%的污泥还进行了热水解加碱试验,投加氢氧化钠使初始pH为10, 水解温度54~60℃, 水解时间为1d。
厌氧消化试验采用的是课题组开发的内循环污泥厌氧消化器[19], 消化温度为35℃,每日进泥,连续运行。
温度采用工业温度计计量; 悬浮固体(suspended solid, SS)、 挥发性悬浮固体VSS采用重量法测量; 化学需氧量(chemical oxygen demand, COD)采用COD速测仪(兰州连华环保科技有限公司, 5B-1型)测量; 挥发性脂肪酸(volatile fatty acid, VFA)采用气相色谱(安捷伦科技有限公司, 6 890N, 美国)测量; 碱度采用滴定法测量; 沼气产量采用LMF-2型防腐湿式气体流量计(成都聚阳机电公司)计量。
2.1.1 HRT的影响
剩余污泥的初始溶解性COD(soluble chemical oxygen demand, SCOD)的质量浓度为100mg/L、 COD的质量浓度为25 250mg/L、 有机物质量比 CVSS/ CSS为0.48, 水解温度55℃。低温热水解1d时, SCOD的质量浓度可以达到较高水平,试验结果见图1。当HRT小于等于1d时, SCOD的质量浓度随时间延长而增加, 1d时达到3 394mg/L, 说明剩余污泥中的难溶性有机物被水解酸化菌分解为可溶性物质,上清液中SCOD的质量浓度迅速上升。1d后随时间延长, SCOD的质量浓度不再明显增加,原因有:
1) 该温度条件下污泥中容易水解的有机物已经水解,剩余部分的水解速率较慢;
2) 反应器中各种微生物消耗水解产物,故溶解性有机物的产生与消耗大致相当,导致SCOD质量浓度不再增加。5d以后, SCOD质量浓度随着时间延长反而降低,说明溶解性有机物的消耗速率大于产生速率。
2.1.2 温度的影响
温度升高可有效加快反应速率。图2表示了HRT为1d、 污泥含固率为3%、 CVSS/ CSS为0.51~0.56的情况下,温度50~65℃对污泥热水解的影响。有机物溶出率定义为单位质量污泥溶解出的有机物的量,由于初始SCOD质量浓度较低,可以用SCOD质量浓度与污泥中有机物的质量浓度比表示。试验结果表明, 50~53℃时污泥的VSS去除率和有机物溶出率较低,平均为17.24%和0.17gCOD/gVSS, 超过54℃后VSS去除率和有机物溶出率显著增加。54~65℃时, VSS去除率和有机物溶出率相对平稳,平均值分别为22.31%和0.26gCOD/gVSS。Rocher[20]研究表明, 55 ℃污泥细胞开始失活, 60℃时细胞失活时间仅需2min。Neyens[21]发现当温度高于60℃, 微生物的细胞壁即可被破坏。Ge[22]等研究表明,预处理温度从50℃增加到60℃和65℃时, VSS去除率并未提高,与本试验结果一致。综合考虑污泥溶出效果与运行成本,中试的反应温度控制在54~60℃内。
2.1.3 污泥含固率的影响
污泥含固率是水解速率的重要影响因素之一。由图3可以看出, HRT为1d、 温度54~60℃时,含固率分别为1%、 3%、 5%时污泥的有机物溶出率分别为0.25、 0.26、0.18
2.1.4 加碱的影响
由前述结果可知,高浓度污泥水解时,有机物溶出率较低,因此在含固率为5%污泥的热水解试验中投加氢氧化钠,考察加碱对污泥热水解的促进效果。苑红英[23]等的研究表明, pH为10可提高污泥上清液中挥发性脂肪酸VFA浓度,利于后续厌氧消化的进行。欧阳云凤[24]研究表明, pH值过高会造成蛋白质水解过度,不利于后续厌氧消化过程对有机物的利用。本试验综合考虑成本后,在HRT为 1d、 温度54~60℃时,调节初始pH值为10左右进行水解。由图4可以看出,投加氢氧化钠后,污泥的VSS去除率和有机物溶出率分别由21.96%和0.18gCOD/gVSS增加到32.24%和0.36gCOD/gVSS, 分别增加了46.8%和100%,水解效果明显提高,说明加碱可以有效促进污泥水解。
2.1.5 污泥有机物质量比的影响
中国污泥的机物质量比低,是厌氧产气低的主要原因之一,因此也研究了有机物质量比的影响。试验所用剩余污泥的 CVSS/ CSS在0.43~0.56之间波动。图5给出了HRT为1d、 温度为54~60℃时,不同含固率污泥低温热水解效果随有机物质量比的变化情况。结果表明, VSS去除率随着有机物质量比的增加而有所增加; 污泥含固率5%时,有机物溶出率随有机物质量比的增加而增加,其它含固率下有机物溶出率变化不明显。
 | 图5 有机物质量比对VSS去除率和有机物溶出率的影响 |
由上述分析结果可知, HRT、 加碱对污泥低温热水解作用效果比较明显,而水解温度、污泥含固率和有机物质量比对污泥热水解的效果不够直观。为确定这3个因素对低温热水解影响的重要性顺序,对HRT=1d的试验结果进行了正交分析(见表2—表4)。
| 表2 正交试验因素水平设计 |
| 表3 VSS去除率和SCOD溶出率方差分析 |
| 表4 VSS去除率和有机物溶出率极差分析 |
由表3的方差分析结果可知,在选定的因素水平中,温度、含固率和有机物质量比这3个因素对污泥VSS去除率和有机物溶出率的影响均为关键因素。根据表4中极差 R的大小对影响污泥低温热水解的因素进行重要性排序,各因素对VSS去除率和有机物溶出率的影响排序相同,由大到小的顺序为: 含固率、温度、有机物质量比。低温热水解的最佳工艺参数为HRT=1d, T=54~60℃, 污泥含固率3%。
进行了本试验与国外污泥低温热水解试验的对比。Ge[25]等对含固率3%、 有机物质量比0.69的澳大利亚剩余污泥在60℃条件下水解2d, 去除率为24%。Bolzonella[26]等在70℃条件下对意大利含固率3.7%、 有机物质量比0.79的剩余污泥低温热水解1d后, VS去除率为22.8%, 有机物溶出率0.30gCOD/gTVS。本试验中,剩余污泥含固率3%, 有机物质量比0.51~0.56, 温度54~60℃,水解时间1d时,平均VSS去除率和有机物溶出率为 21.76% 和26gCOD/gVSS, 与国外的研究结果接近。延长水解时间和增加水解温度并未对水解效率产生明显促进作用,因此国内低有机物质量比污泥的低温热水解可根据实际情况选择合适的运行条件。
污泥含固率为3%、 有机物质量比为0.51~0.56、 温度54~60℃的条件下,低温热水解1d。经过低温热水解后,污泥VSS去除率为21.76%, SCOD由最初的平均132mg/L增加到4 326mg/L, 水解液中VFA与SCOD的质量之比为74.02%, 说明大部分水解产物转化为VFA, 有利于后续产甲烷菌的利用。热水解也使污泥的碱度由平均 228mg/L 增加到1 294mg·/L, 为产甲烷菌创造了更好的生存条件。
污泥经上述预处理后进行HRT为10d的中温(35℃)厌氧消化,沼气产量比无预处理时提高44%。Wang[18]等研究表明, 60℃预处理可显著提高甲烷产率,有机物去除率40%的情况下,低温预处理可使厌氧消化HRT由13d缩短到8d。Lu等[27]对初沉污泥进行2d、 70℃热预处理后,高温厌氧消化VSS去除率提高12%, 甲烷产率增加48%, 且产生的甲烷可满足热预处理的能量需求并有富余。试验结果与文献报道一致。
对剩余污泥进行低温热水解试验研究,主要结论如下:
1) 剩余污泥低温热水解的最佳工艺组合为: HRT=1d, 温度54~60℃, 污泥含固率3%。
2) 加碱可有效提高低温热水解效果。含固率5%、pH=10时进行低温热水解可使VSS去除率和有机物溶出率分别增加46.8%和100.0%。
3) 温度、含固率和有机物质量比都是影响VSS去除率和有机物溶出率的关键因素。各因素对VSS去除率和有机物溶出率影响顺序相同,从大到小的顺序都为:含固率、温度、有机物质量比。
4) 低温热水解可有效改善污泥的厌氧消化性能。
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