碱和超声波预处理技术促进污泥厌氧消化效能及机理研究

一删⑥天洋大茅博士学位论文一’Ii一●一嘎‘树j：●■j■n】f■■■_一级学科：堡堕壁兰皇三墨学科专业：墅塑三墨作者姓名：塑董指导教师：垩垦壑堡天津大学研究生院200B年1月碱和超声波预处理技术促进污泥厌氧消化效能及机理研究CharacteristicsandMechanismofAnaerobicDigestionofWasteActivatedSludgebyAlkalineandUltrasonicPretreatment一级学科：学科专业：研究生：指导教师：环境科学与工程环境工程杨洁季民教授天津大学环境科学与工程学院二零零八年一月中文摘要针对传统污泥厌氧消化反应速率慢、消化时间长、池体体积庞大、生物气中甲烷含量低等问题，采用强化预处理的技术研究其对污泥厌氧消化的促进作用。本文分析比较了单独超声波、单独碱解以及碱和超声联合应用对污泥的破解效果；考察了污泥经超声波和碱联合作用后对厌氧消化性能的影响，初步探讨了污泥预处理对厌氧消化反应的促进机理，并在莫诺方程的基础上，建立了预处理污泥厌氧消化反应过程的动力学方程。主要研究成果如下：碱和超声波的组合方式对污泥的破解效果明显优于超声波和碱的单独处理，其不但可以提高污泥的水解速率，而且可以减少碱的投加量，缩短超声破解的时间。由SCOD随破解时间的变化曲线可知，各种预处理方式对污泥的水解过程可以分为快速水解和慢速水解两个阶段。对快速水解阶段进行动力学分析可知，碱和超声波同时作用的预处理方式获得的水解速率最高，为130'3mgSCOD／(L·min)。污泥经碱和超声波同时作用后进行厌氧消化，其生物气产量、有机物去除率、固体削减率均较控制组有显著提高，并且在维持同样的污泥产气率和有机物去除率的条件下，碱和超声波的预处理作用可使厌氧消化反应的污泥停留时间由一般的20d缩短N8d。预处理污泥在停留时间为8d时，生物气产量为控制组(污泥停留时间为20d)的2．6倍，VS和TCOD的去除率也分别较控制组(20d)提高了22．87％和14．38％。对预处理污泥在厌氧消化中的水解率、产酸率和产甲烷率进行研究得到：与控制组相比，碱和超声预处理可以提高污泥厌氧消化的水解率、产酸率和产甲烷率。预处理污泥在停留时间为8d时，其水解率、产酸率和产甲烷率分别较控制组(20d)提高了82．38％、76．47％和86．54％。对于原污泥的消化反应，水解阶段始终是整个厌氧消化过程的限速步骤：对于预处理污泥的消化反应，当污泥停留时间大于等于8d时，水解反应是整个厌氧消化过程的限速步骤；当污泥停留时间小于5d时，有机物的水解率和产酸率远大于其产甲烷率，因此，产甲烷反应是整个厌氧消化的限速步骤。通过对污泥上清液中有机物的成分组成分析和消化系统中产甲烷活性的测定得到预处理促进污泥厌氧消化性能的机理为：碱和超声的共同作用使污泥中的有机物能快速的由固相进入液相，污泥在破解预处理过程中的溶解速率远远高于其自溶速率，有机物的利用率较控制组得到显著提高。与污泥中溶解性有机物的量相对应，预处理污泥在消化反应中生成的有机酸量较控制组也有显著提高，并且当污泥停留时间大于等于8d时，这些生成的有机酸能够迅速被降解转化。当反应器经过预处理的污泥培养驯化后，其消化污泥的产甲烷活性较控制组有显著提高，并且在较短的污泥停留时间下还可以保持较高的产甲烷活性。采用一级动力学方程对消化反应中有机物的降解进行动力学分析可知，碱和超声波预处理可使反应的K值提高89．58％(以TCOD计算)，从而加快了有机物的降解速度，使污泥厌氧消化的性能得到提高。在莫诺方程的基础上，结合微生物增殖和底物降解的规律，根据微生物和底物的物料衡算方程，得出反应器厌氧消化动力学的四个基本参数为：YG=0．0726，b=0．0413d～，玉，-．9．65和ko=0．025，在这四个参数的基础上得到的预处理污泥厌氧消化系统的动力学方程式。关键词：活性污泥；超声破解；碱解；厌氧消化；动力学模型ABSTRACTAnaerobicdigestionisacommonprocessforwasteactivatedsludgestabilization．However,inanaerobicdigestion，thebiologicalhydrolysisisSOdifficult，whichresultsintheslowdegradation，longresidencetimeandlargevolume．Inordertoreducetheimpactofrate．1imitingstep，severalpretreatmentsforsludgehydrolysisarepresented．Inthisthesis，theeffectsofultrasonicpretreatment，