【摘要】：伴隨著我國(guó)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(guó)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(duì)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(duì)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(zhǎng)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0.06d-1增長(zhǎng)至0.25-0.34d-1,顯著地提升了厭氧消化速率。一級(jí)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1.0-4.0kgVS/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(duì)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(duì)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(zhǎng);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(duì)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(duì)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(duì)混合基質(zhì)的最終累計(jì)甲烷產(chǎn)量未產(chǎn)生顯著影響;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(shì),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(duì)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)負(fù)荷升高對(duì)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(guó)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烷產(chǎn)量。
【學(xué)位授予單位】：廣西大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：O623.11;X703
【圖文】：

以乙酸為代謝基質(zhì)的產(chǎn)甲烷微生物［７６］。上述基質(zhì)代謝機(jī)理的發(fā)現(xiàn)為目前廣泛使用的厭逡逑氧消化四階段理論奠定了基礎(chǔ)。逡逑如圖１－３所示，有機(jī)固體厭氧消化降解可分為胞外水解、酸化、乙酸化和甲烷化等逡逑四個(gè)步驟［７７］。事實(shí)上，胞外水解涵蓋了解離和水解兩個(gè)過程，有機(jī)顆粒物在胞外酶和逡逑其他物化作用下解離破碎并進(jìn)一步水解為單糖、氨基酸、脂肪酸的復(fù)雜過程，此階段產(chǎn)逡逑生的有機(jī)小分子才能通過細(xì)胞膜進(jìn)入胞內(nèi)參與反應(yīng)［７８］。對(duì)于例如葡萄糖、氨基酸和揮逡逑發(fā)性脂肪酸等溶解性低分子有機(jī)物，甲烷化是整體消化反應(yīng)的限速步驟［７９］。逡逑１３逡逑

＂＾逡逑圖１－５邋Ｃａｍｂｉ邋ＴＨＰｔ－污泥熱水解工藝流程圖Ｍ３２］逡逑Ｆｉｇ．邋１－５邋Ｆｌｏｗ邋ｃｈａｒｔ邋ｏｆ邋ｓｌｕｄｇｅ邋ｔｈｅｒｍａｌ邋ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ邋ｐｒｏｃｅｓｓ，Ｃａｍｂｉ邋ＴＨＰＩＭ逡逑威立雅水務(wù)（Ｖｅｏｌｉａ）擁打ＢｉｏｔｈｅｌｙｓＩＭ和Ｅｘｅｌｙｓ？?jī)身?xiàng)污泥熱水解專利技術(shù)。逡逑Ｂｉｏｔｈｅｌｙｓ？工藝（圖１－６）將預(yù)熱和加熱兩個(gè)步驟置于同一反應(yīng)器中，反應(yīng)條件為１５０°Ｃ逡逑－１７０°Ｃ維持３０－６０ｍｉｎ。該工藝２００４年至今在法國(guó)、意大利和丹麥建成工業(yè)化污泥處理逡逑廠８座，干基污泥處理規(guī)模合計(jì)６８．４萬噸／年［１３６］。逡逑Ｄｅｗａｔｅｒｉｎ９邐Ｉ邋Ｗａｔｅｒ逡逑Ｓｌｕｄｇｅ邋—＾邋＿邐Ｌｉｖｅ邋Ｓｔｅａｍ邐灔＇ｓ＇逡逑＞１５％Ｄｓ＼邐（邐Ｔ邐（Ｂｉｏｇａｓ）逡逑Ｆｌａｓｈ邋Ｓｔｅａｍ邐Ｂｏｉｌｅｒ逡逑ｗ邋ｕｒ＾ｉｉ逡逑Ｆｅｅｄ邋Ｔａｎｋ｛逡逑Ｉ逡逑ＢｉｏＴｈｅｌｙｓ？邐Ｂｕ＾＾＾ｎｋ邐Ｔｏ邋ｄｉｇｅｓｔｉｏｎ逡逑Ｒｅａｃｔｏｒｓ邋■邋－邐邐ｆ－邋％：、邐令邋—？邋Ｈｙｄｒｏｌｙｚｅｄ逡逑”0〔邐個(gè)邐Ｓｌｕｄｇｅ逡逑）邐１０－１２％邋ＤＳ逡逑Ｄｉｌｕｔｉｏｎ邋Ｗａｔｅｒ逡逑圖１－６邋Ｂｉｏｔｈｅｌｙｓ？污泥熱水解工藝流程圖逡逑Ｆｉｇ．邋１－６邋Ｆｌｏｗ邋ｃｈａｒｔ邋ｏｆ邋ｓｌｕｄｇｅ邋ｔｈｅｒｍａｌ邋ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ邋ｐｒｏｃｅｓｓ，邋Ｂｉｏｔｈｅｌｙｓ，ｖ，逡逑２１逡逑

圖１－７邋Ｅｘｅｌｙｓ？污泥熱水解工藝流程圖［％逡逑Ｆｉｇ．邋１－７邋Ｆｌｏｗ邋ｃｈａｒｔ邋ｏｆ邋ｓｌｕｄｇｅ邋ｔｈｅｒｍａｌ邋ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ邋ｐｒｏｃｅｓｓ，邋ＥｘｅｌｙｓＩＭ逡逑ＥｘｅｌｙＳ？工藝（圖１－７）將污泥連續(xù)的泵送通過預(yù)熱器加熱至１６５°Ｃ，隨后進(jìn)入管式逡逑連續(xù)熱水解反應(yīng)器中停留約３０ｍｉｎ，最后經(jīng)換熱器降溫完成預(yù)處理過程。目前ＥｘｅｌｙＳ？逡逑工藝已在法國(guó)擁有３座應(yīng)用案例，干基污泥處理規(guī)模合計(jì)３０６００萬噸／年［１３７］。逡逑污泥熱水解技術(shù)不僅用于市政污泥處理，輕工行業(yè)大規(guī)模的高濃度有機(jī)廢水處理產(chǎn)逡逑生的剩余污泥也需要預(yù)處理以提高厭氧消化效率。例如，Ｐｕｈａｋｋａ研究了芬蘭造紙廠剩逡逑余活性污泥的厭氧消化性能，揮發(fā)性有機(jī)質(zhì)去除率在有機(jī)負(fù)荷為５ｋｇＶＳ／ｍ３的穩(wěn)定發(fā)酵逡逑階段可達(dá)４０％，沼氣產(chǎn)率為２２０ＮｍＶｔＶＳｌｎ［１３８］。Ｅｌｌｉｏｔ等認(rèn)為難降解的木質(zhì)纖維含量偏高逡逑的污泥厭氧可生化性一般，需要通過預(yù)處理縮短厭氧穩(wěn)定化周期，降低厭氧消化系統(tǒng)規(guī)逡逑模［１＇Ｌｉｎ等測(cè)試了中溫厭氧消化系統(tǒng)處理制漿造紙污泥

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2788916