电离辐射与热水解破解污泥机理及其资源化利用方法研究

摘要

城镇污水厂剩余污泥由于产量大、不易脱水、有机物含量高且易腐败，导致其处理处置的费用高、能耗大，如何高效低耗地处理剩余污泥已成为污水处理厂普遍面临的难题。同时，剩余污泥中含有大量碳水化合物、蛋白质和脂肪等有机物和氮、磷等营养元素，具有一定的回收利用价值。本文利用γ射线辐照破解剩余污泥以改善其理化性质和脱水性能，并探究其破解机理；将厌氧消化污泥作为对比，研究辐照对其脱水性能的影响及影响机理，并利用磷酸铵镁沉淀法回收辐照后脱水液中的磷；利用热水解技术破解剩余污泥，研究其理化特性的变化，并将水解上清液作为外加碳源用于中试规模的生物反硝化脱氮工艺，同时建立两级缺氧/好氧（A/O）工艺氮平衡模型。本研究为剩余污泥减量化和资源化提供了理论与应用基础，主要结论如下： （1）1～15kGy的电离辐射对剩余活性污泥的预处理可以分为改善脱水性能及提高破解效率两个阶段。在第一阶段（≤4kGy），辐射只能轻微地破坏污泥的絮体及细胞结构，将少量胞外聚合物（EPS）及非溶解性COD由污泥固相释放到液相，固相组分含量及颗粒粒径略有减小。此阶段剩余活性污泥及浓缩后剩余污泥的脱水性能达到最佳，原因在于该阶段污泥的颗粒粒径、溶解性EPS含量及破解率处在最适宜的水平。在第二阶段（4～15kGy），污泥破解和溶解效应显著增强，表现为SCOD、溶解性EPS含量及上清液浊度随剂量增大而不断增加，蛋白质及核酸等胞内物质显著释放，污泥颗粒粒径明显减小，固相有机物含量显著降低，沉降性能进一步提高，但脱水性能有恶化趋势。因此，剂量为1～4kGy的辐照适于提高剩余污泥的脱水性能，而剂量大于4kGy的辐照适用于强化剩余污泥的破解。 （2）采用2~15kGy的γ射线对厌氧消化污泥进行辐照破解预处理后，污泥的脱水性能明显改善，但上清液中的营养物质含量有所增加。当辐射剂量为5～10kGy时，剂量越大污泥的脱水性能改善越趋明显；剂量大于10kGy后不仅脱水性能没有得到进一步改善，且可能存在放射性残留，因此5~10kGy是提高其脱水性能的适宜剂量范围。经10kGy辐射后污泥的脱水性能达到最佳，此时过滤时间（TTF50）和泥饼含水率分别由辐照前的660s和80.08%降至195s和73.46%，脱水性能改善的主要原因是EPS的释放及Zeta电位绝对值减小。辐射 与阳离子聚丙烯酰胺（CPAM）联用没有出现协同效应。辐射后厌氧消化污泥脱水液中的P用鸟粪石沉淀法处理，其回收率可达86%。与阳离子聚丙烯酰胺（CPAM）联用没有出现协同效应。辐射后厌氧消化污泥脱水液中的P用鸟粪石沉淀法处理，其回收率可达86%。 （3）温度为60~120℃、时间为60min及污泥含水率为97.4%的单因素污泥热水解小试结果表明，热水解可以有效破坏污泥絮体及细胞结构，有机物及营养物质显著释放，但脱水性能逐渐恶化。水解污泥脱水性能逐渐恶化可能是由于大量EPS释放，增加了污泥表观黏度所致。DNA含量的测试结果表明，60℃时即可发生污泥细胞结构破裂。水解后上清液的BOD5/COD介于0.51~0.62之间且80℃时BOD5/COD最高，表明水解上清液可生化降解性好；SCOD/TN介于16.7~26.2之间，表明C/N较高。因此，剩余污泥热水解后的上清液可作为生物脱氮的外加碳源。 （4）根据热水解小试结果及中试的实际条件，确定开展中试的最适宜热水解条件为80℃、90min及污泥含水率98%，该条件下污泥水解上清液中的SCOD/TN为15.8，将此热水解上清液作为碳源投加到中试规模的两级A/O系统，约40d的稳定运行结果表明，水解上清液可以作为两级A/O工艺前后两个A池的反硝化外加碳源，并且上清液中的其他物质对生物系统无明显不良影响。 （5）建立了两级A/O工艺氮平衡模型，利用中试结果对其进行的验证与理论分析结果表明，在不同进水水质条件下，可以通过调节二级碳源投加量、生物反应池的污泥浓度及内回流比使出水达到预期的排放标准。该模型具有较高的模拟精度，可用于优化两级A/O工艺的运行策略。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 选题背景

1.1.1 我国污泥处理处置现状

1.1.2 污泥破解预处理的目的与意义

1.2 电离辐射法概述

1.2.1 辐射化学原理

1.2.2 辐射影响因素

1.2.3 污泥电离辐射研究现状

1.3 热水解法概述

1.3.1 热水解影响因素

1.3.2 污泥热水解研究现状

1.4 研究目的、内容和技术路线

1.4.1 研究目的和意义

1.4.2 研究内容

1.4.3 技术路线

1.4.4 研究方案

第2章 γ射线辐射对剩余污泥理化特性及脱水性能的影响研究

2.1 材料与方法

2.1.1 试验污泥

2.1.2 污泥辐照方法

2.1.3 试验测定方法

2.2 结果与讨论

2.2.1 污泥物理性质变化

2.2.2 污泥化学性质变化

2.2.3 污泥脱水性能变化及机理

2.3 本章小结

第3章 γ射线辐射对厌氧消化污泥脱水性能的影响及其上清液P回收研究

3.1 材料与方法

3.1.1 试验污泥

3.1.2 试验方法

3.2 结果与讨论

3.2.1 辐射对厌氧消化污泥脱水性能的影响及机理分析

3.2.2 鸟粪石沉淀法回收辐射污泥脱水液中的P

3.2.3 剩余活性污泥与厌氧消化污泥脱水性能对比分析

3.3 本章小结

第4章 低温热水解对剩余污泥理化特性的影响及碳源回收利用研究

4.1 材料与方法

4.1.1 试验污泥

4.1.2 热水解方法

4.1.3 热水解上清液作为反硝化碳源的中试装置及试验方法

4.1.4 待测指标和分析方法

4.2 结果与讨论

4.2.1 热水解单因素小试结果

4.2.2 热水解正交小试结果

4.2.3 热水解上清液用作两级A/O工艺外加碳源中试结果

4.2.4 两级A/O工艺氮平衡模型构建

4.3 本章小结

第5章 电离辐射及热水解处理污泥的对比分析

5.1 电离辐射和热水解处理污泥的机理及效果对比分析

5.1.1 两种技术的差异

5.1.2 两种技术的相同点

5.2 电离辐射及热水解技术的工程应用对比分析

5.2.1 应用现状对比分析

5.2.2 存在问题对比分析

5.3 本章小结

第6章 结论、创新与展望

6.1 结论

6.2 特色与创新

6.3 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间获得与学位论文相关的科研成果目录