低温热水解污泥厌氧产甲烷过程研究

第48卷第7期2019年7月Vol.48No.7Jul.2019化工技术与开发Technology&DevelopmentofChemicalIndustry低温热水解污泥厌氧产甲烷过程研究钟婷婷，俞美圆，杨晓瑾，张锺一，王甜甜，杨文婧，刘亚利（南京林业大学土木工程学院，江苏南京210037）摘要：为了促进剩余污泥（WAS）的厌氧降解转化，本文在50~110℃温度下，对WAS进行热水解，考察热水解污泥的厌氧产气效能。粒径、溶解性蛋白和多糖、磷酸盐等指标的分析结果表明，低温热水解能有效破坏WAS的絮体结构，促进有机物释放。110℃处理2h后，WAS粒径从208.9µm降低至10.8µm，相应的溶解性化学需氧量（SCOD）浓度提高3.29倍。此外，生物气产量随热水解温度的升高而升高，最大累积生物气产量比对照组提高34.1%，且CH4和H2含量合计可达81.8%。关键词：剩余污泥；低温热水解；生物气；粒径中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：1671-9905(2019)07-0045-04基金项目：江苏省自然科学基金（BK20160937）；南京林业大学青年科技创新基金项目（CX2017025）；大学生创新基金（201810298019Z）收稿日期：2019-04-17环保与三废利用我国2014年的剩余污泥（WAS）量为510亿t，其处理处置费用占污水厂运行总费用的50%[1]。厌氧消化（AD）能够实现污泥减量，杀死病原菌并回收资源，因而受到广泛关注[2-3]。然而，WAS主要由微生物构成，其胞外聚合物（EPS）和细胞壁较难降解，成为AD的限速步骤[4]。热水解能破坏污泥的絮体结构，释放胞内有机物，且160~180℃下热水解30~60min的效果最佳[5-9]，然而，温度超过150℃，会产生难溶或有毒中间体，影响甲烷产生。研究发现，低温热水解可使甲烷产量提高50%，因此，本文考察了低温热水解过程中污泥粒径、SCOD、溶解性蛋白和多糖的变化情况，研究温度与甲烷产量及构成之间的响应关系。1实验材料及方法1.1实验材料试验所用的剩余污泥取自南京市桥北污水厂的厌氧-好氧工艺后的二沉池。WAS经1cm的筛子滤去大颗粒杂质后，室温下静沉24h，去除上清液后，置于4℃冰箱保存备用。接种污泥取自实验室的连续搅拌厌氧反应器，其性质如表1所示。1.2实验方案1.2.1低温热水解分别取250mL的WAS置于编号为1~5的5个500mL烧杯中，分别将2~5号烧杯置于50℃、70℃、90℃、110℃条件下预处理2h，未进行任何处理的1号烧杯作为对照组。5个烧杯的搅拌速率控制在80r·min-1。反应结束后，从1~5号烧杯中各取10mL样品进行分析。1.2.2厌氧消化试验从上述1~5号烧杯中各取200mL污泥于500mL的血清瓶中，并向各血清瓶内投加100mL的接种污泥。分别向各血清瓶中通入5min的N2，用橡胶塞密闭，置于(35±1)℃的气浴摇床中进行厌氧消化试验。摇床的震荡频率控制在120r·min-1，每天测定产生的生物气量，并分析其组分。1.3分析检测方法SCOD、VS、TS等常规指标的检测方法参见《水表1剩余污泥和接种污泥的性质Table1Characteristicsofactivatedwastesludgeandinoculationsludge指标剩余污泥接种污泥总固体(TS)/mg·L-120200±50028900±500VS/mg·L-113220±20024650±300溶解性化学需氧量(SCOD)/mg·L-11280±103160±100pH7.27.26溶解性蛋白质/mg·L-1285.6-溶解性多糖/mg·L-164.8氨氮/mg·L-191.2-磷酸盐/mg·L-148.6-46化工技术与开发第48卷和废水检测分析方法》（第4版）[10]。pH值采用PHS-3C型pH计测定。采用Folin-酚试剂法（Lowry法）测定蛋白质含量[11]；采用苯酚-硫酸法测定总糖的含量[12]。生物气体积采用排水法进行测定，生物气组分采用气相色谱法（Agilent7890GC）进行测定[13]。2实验结果与讨论2.1低温热水解对污泥粒径的影响污泥用不同温度的热水水解处理2h后，粒径的变化规律如图1所示。由图可见，对照组WAS的粒径为208.9µm，随着热水解温度的升高，粒径呈逐渐降低趋势。当热水解温度升高到90℃时，污泥粒径降低至11.7μm，继续升高温度至110℃，污泥粒径未发生明显的降低，说明热水解能有效破坏WAS的胞外聚合物（EPS），而对细胞壁的破坏作用并不明显。250200150100500平均粒径/mm对照50℃70℃90℃110℃图1低温热水解对污泥粒径的影响Fig.1Effectoflow-temperaturethe