熱水解污泥-餐廚垃圾協(xié)同厭氧消化及產(chǎn)甲烷動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、伴隨著我國制糖等輕化工業(yè)和市政污水處理能力逐年攀升，活性污泥法產(chǎn)生的污泥處理處置已成為完善污水處理工藝鏈條的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。厭氧消化是污泥減量化、穩(wěn)定化和資源化的可行性技術(shù)選擇，我國污泥有機(jī)質(zhì)普遍偏低的特點(diǎn)引發(fā)了污泥厭氧消化技術(shù)推廣的兩個(gè)難題:首先，污泥降解穩(wěn)定化周期受制于水解速率，難以提高厭氧消化系統(tǒng)效率;其次，低有機(jī)質(zhì)污泥的產(chǎn)甲烷潛力有限，減低了污泥處理及沼氣綜合利用的經(jīng)濟(jì)性。本研究針對上述問題提出了污泥熱水解預(yù)處理和餐廚垃圾協(xié)同厭氧消化

2、的解決方案。
　　污泥熱水解預(yù)處理通過高溫促進(jìn)污泥絮體解離、胞內(nèi)有機(jī)質(zhì)釋放和水解，消除有機(jī)固體顆粒胞外水解的限速障礙，形成大量易降解有機(jī)質(zhì)提高了后續(xù)厭氧消化的甲烷產(chǎn)量和產(chǎn)甲烷動(dòng)力學(xué)速率。餐廚垃圾易降解和高產(chǎn)甲烷潛力的特點(diǎn)可以提升污泥厭氧消化系統(tǒng)的甲烷產(chǎn)量，改善污泥處理系統(tǒng)的能量平衡。
　　本研究首先考察熱水解條件（溫度和時(shí)間）對污泥累計(jì)甲烷產(chǎn)量和產(chǎn)甲烷動(dòng)力學(xué)的影響，證實(shí)了熱水解溫度是決定污泥厭氧可生化性的關(guān)鍵參數(shù)，最佳條件為

3、165℃和30min;且熱水解溫度是決定污泥厭氧可生化性的基礎(chǔ)上，利用累計(jì)產(chǎn)甲烷增長率揭示了低溫?zé)崴庵饕饔檬谴龠M(jìn)污泥絮體解離繼而增大胞外水解酶的吸附反應(yīng)效率，溫度升高促進(jìn)有機(jī)質(zhì)溶解是從根本上改變污泥厭氧可生化性的原因。累積甲烷釋放率表明熱水解污泥中易降解基質(zhì)的比例隨反應(yīng)溫度升高，Y3依次為45.5％至62.6％。產(chǎn)甲烷動(dòng)力學(xué)研究表明，污泥水解速率常數(shù)kh經(jīng)熱水解從0.06 d-1增長至0.25-0.34d-1，顯著地提升了厭氧消化速

4、率。一級反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型最適合描述熱水解污泥動(dòng)力學(xué)特征，而響應(yīng)曲線模型和修正Gompertz模型則更適用于描述有遲滯期的發(fā)酵過程。半連續(xù)厭氧消化實(shí)驗(yàn)表明，熱水解污泥厭氧消化能夠在1.0-4.0 kgVS/m3·d的有機(jī)負(fù)荷范圍內(nèi)維持穩(wěn)定，需要密切關(guān)注氨氮和pH值波動(dòng)避免出現(xiàn)自由氨抑制。
　　其次，考察了熱水解溫度對污泥中重金屬總量和化學(xué)形態(tài)分布的影響。參照《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質(zhì)》，樣本之前沒提及的主要污染因子是鉛、鎘

5、和鋅，三者的含量均超過酸性土壤施用限值，鋅含量甚至處于堿性土壤的超標(biāo)限值的臨界區(qū)間，因而該污泥不宜采取土地施用的處置方式。熱水解對污泥中的重金屬總含量影響有限，表明重金屬能穩(wěn)定的與污泥固相相結(jié)合。重金屬連續(xù)提取法的結(jié)果表明:砷殘?jiān)鼞B(tài)為主的分布特征未隨溫度改變;鎘和鉛主要存在于殘?jiān)鼞B(tài)和酸溶態(tài)，熱水解會(huì)提高鎘在酸溶態(tài)與可氧化態(tài)的比例，而殘?jiān)鼞B(tài)鉛比例略微增長;鉻和銅平均分布于可氧化態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)中(＞97％)，熱水解使鉻向可氧化態(tài)轉(zhuǎn)化而銅的化學(xué)分

6、布基本穩(wěn)定;鎳的總量在熱水解中平均下降14.5％，其可還原態(tài)和可氧化態(tài)合計(jì)占據(jù)超過64.5％;鋅的化學(xué)形態(tài)對熱水解不敏感，其可還原態(tài)和可氧化態(tài)比例超過53％。
　　再次，基于污泥熱水解的研究結(jié)論，進(jìn)一步探討與餐廚垃圾協(xié)同厭氧消化對累積甲烷產(chǎn)量、產(chǎn)甲烷動(dòng)力學(xué)和厭氧消化穩(wěn)定性的影響。厭氧可生化性實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明:在穩(wěn)定的厭氧消化條件下，根據(jù)混合基質(zhì)構(gòu)成計(jì)算的理論甲烷產(chǎn)量與實(shí)驗(yàn)值相符，表明協(xié)同厭氧消化發(fā)酵對混合基質(zhì)的最終累計(jì)甲烷產(chǎn)量未產(chǎn)生

7、顯著影響;理論累計(jì)產(chǎn)甲烷產(chǎn)量的偏離度RD值表明協(xié)同效應(yīng)呈先增后減的趨勢，在第10天達(dá)到32.0％-34.1％的峰值，隨后逐步回落至1.5％以內(nèi)，熱水解污泥與餐廚垃圾的協(xié)同效應(yīng)表現(xiàn)為發(fā)酵前期的加速甲烷釋放。通過對比，修正Gompertz模型的能夠更好的反映餐廚發(fā)酵停滯期(λ)和協(xié)同厭氧消化的累積產(chǎn)甲烷曲線。協(xié)同厭氧消化實(shí)驗(yàn)表明，向熱水解污泥消化罐中添加餐廚垃圾一方面提高了比甲烷率，同時(shí)需要密切注意pH值、堿度和揮發(fā)性脂肪酸等指標(biāo)，跟蹤有機(jī)

8、負(fù)荷升高對厭氧消化系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。
　　最后，基于有機(jī)固體廢棄物區(qū)域化處理的原則，以服務(wù)人口規(guī)模為150萬的市政污水處理廠為例，考察了區(qū)域內(nèi)污水處理（48萬m3/d）、污泥處理（450 t/d）和餐廚垃圾（195 t/d）綜合處理實(shí)現(xiàn)能源中性污水處理廠的可行性。從能耗結(jié)構(gòu)的角度，污水處理單元用電量占污水處理廠（污水處理+污泥處理）合計(jì)用電量的90％，污泥熱水解是主要蒸汽消耗單元?；谀茉唇Y(jié)構(gòu)與價(jià)格，沼氣用于電熱聯(lián)產(chǎn)的節(jié)能收益領(lǐng)先

9、沼氣鍋爐達(dá)0.88元/m3。熱水解污泥新增的甲烷產(chǎn)量經(jīng)電熱聯(lián)產(chǎn)實(shí)現(xiàn)了電力凈輸出和收益，然而污泥預(yù)處理產(chǎn)生了3.73萬kWh/d的蒸汽缺口，整體而言降低了污泥處理經(jīng)濟(jì)性。向現(xiàn)有污泥厭氧消化系統(tǒng)內(nèi)加入餐廚垃圾105t/d，可實(shí)現(xiàn)污泥處理單元的蒸汽平衡并輸出實(shí)現(xiàn)4.32萬kWh/d的電力輸出，滿足污水處理單元30％的用電量;若新建獨(dú)立90t/d餐廚垃圾厭氧單元可以增加額外3.32萬kWh/d的電力盈余，將其與與污水-污泥處理系統(tǒng)整合使污水處理

10、廠的電力自給率提升至37.5％，除了同時(shí)電熱聯(lián)產(chǎn)除滿足污泥熱水解和餐廚垃圾的預(yù)熱外，還能輸出9.60萬kWh/d的盈余蒸汽與熱水滿足消化沼渣干燥系統(tǒng)半干化（含水率從80％降至50％）所需熱量的42.7％至62.3％。通過餐廚垃圾-污泥協(xié)同厭氧消化能夠提升污水處理廠的能源自給率，但在我國實(shí)現(xiàn)能源中性污水處理廠的前提是:(1)從能耗結(jié)構(gòu)來說，需要降低污水處理系統(tǒng)的單位電耗;(2)從可再生能源回收的角度，需提高污泥有機(jī)質(zhì)含量以提高厭氧消化的甲