基于水热预处理的污泥高温厌氧消化技术的研究

摘要

传统的污泥厌氧消化法存在反应周期长、池体占地面积大、有机质去除率低及产气率低等缺点，为改善污泥的厌氧消化性能，各种污泥厌氧消化预处理技术以及新型的厌氧消化工艺成为现今研究的热点。水热预处理技术是最常用的预处理技术之一，具有效果好、时间短、运行操作相对简单的特点，但是由于加热过程的高能耗，使得该技术难以实现污泥中的能量回收。本课题组针对上述问题，探究了污泥与餐厨垃圾的高温混合厌氧消化特性、低温水热预处理中污泥浓度对后续高温厌氧消化性能的影响、化学调质对低温水热预处理高浓度污泥高温厌氧消化的影响以及污泥厌氧消化后置水热预处理工艺的处理效果。分析了不同操作方式对污泥高温厌氧消化的影响机理，并对比了不同工艺的能量收支情况。主要研究结果如下:
　　(1)污泥与餐厨混合消化的产气性能明显优于污泥单独厌氧消化，餐厨垃圾在厌氧消化过程中能够快速的完成水解酸化过程，产生的大量有机酸有助于污泥的破壁和水解酸化，并且有机酸可促进产甲烷菌的活性，加快产气速率，从而提高整体处理效率。混合消化过程中，沼气产量和甲烷产量随着有机负荷率的升高而升高，而产甲烷率则是随有机负荷率的增加先升高后减小。过高的有机负荷率将导致甲烷产率和有机质利用率降低。工艺可以选择实验工况:进料由污泥(TS:6％)和餐厨以9∶1的配比投加，HRT为16.7 d，有机负荷率为2.64kg-VS/(m3·d)，可获得甲烷产率为132.4 mL/g-VS，有机质去除率可达47％。
　　(2)水热预处理对改善污泥的厌氧消化性能有显著作用，其中污泥产气速率有了大幅度的提升，累计产气率有一定增长但不显著。浓度为6％的污泥，水热后产气速率提高了45.8％，而累计产气率仅提高了11.3％。样品的最终累计产气率随污泥浓度的增长呈现上升趋势，并且通过增大浓度可显著增加最终累计产气率。而产气速率随着污泥浓度的增加而减少，在9％和12％之间出现了产气速率的骤降，从0.0068 h-1下降至0.0040 h-1。
　　(3)不同化学调质方式对水热污泥的产气性能影响变化较大。产气能力的顺序为:醋酸组＞pH3组＞pH4.5组＞仅水热组＞pH9组＞双氧水组＞未处理组＞pH8组＞次氯酸钠组。使用酸预处理水热污泥效果较好，沼气产气率为323.7mL/g-VS，相对于仅水热实验组提高了22.9％。酸预处理是理想的水热污泥厌氧消化化学预处理方式，具有较高的产气率和相对较高的VS去除率，且无明显的抑制作用;醋酸组尽管有最高的产气率，但VS的去除率仅为36.0％;氧化剂组与之相对，产气性能较差，但具有较强的VS去除率，双氧水组和次氯酸钠组分别为54.9％、47.1％。利用不同化学药剂的优势，开发新的混合药剂，对进一步提高污泥厌氧消化性能产生积极作用。
　　(4)前水热和后水热的污泥性质不同。由于污泥中大部分易生物降解的物质已经被消化分解了，且污泥中已经形成了厌氧消化环境，具有一定的缓冲能力，并且后水热污泥中的COD和碳水化合物也较难被降解。未经过预处理的污泥在停止产气后，剩余的污泥经热水解处理仍具有一定的产气能力，且通过化学调质仍可对产气性能有所改善。BMP实验中，产气率的大小顺序为后水热+HCl组＞后水热未加药组＞后水热+NaOH组，盐酸对后水热污泥有较好的促进作用，产气率为113.0 mL/g-VS，相对于后水热未加药组提高了19.2％。
　　(5)在比较的五组工艺中，仅有两组后水热工艺是可以产出能量的，且后水热+盐酸工艺产能最多，年平均热能收益为526610 kcal/d。此外，后热工艺有机质去除率均达到40％以上。化学调质对提高工艺的效益有显著作用。在前水热工艺中，处理50吨污泥，用醋酸调节pH为4.5，每吨污泥仅需多花2.00元的药剂费，便可减少外部供能1，031，993 kcal/d，每日可多产525KWh电，有机质去除率可提高近8个百分点。同样，在后水热工艺中，盐酸以非常低的成本，使产能提高了308，807 kcal/d。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 污泥的性质

1．3 厌氧消化技术

1．3．1 厌氧消化反应机理

1．3．2 影响因素

1．3．3 污泥厌氧消化存在的问题

1．3．4 提高污泥厌氧消化性能的研究进展

1．4 预处理技术

1．5 课题的研究目的与内容

第二章 污泥与餐厨垃圾的高温厌氧混合消化特性研究

2．1 实验方法

2．1．1 实验材料

2．1．2 实验仪器

2．1．3 实验装置

2．1．4 主要分析指标

2．1．5 厌氧消化方法

2．2 结果与讨论

2．2．1 有机负荷率(OLR)对产气性能的影响

2．2．2 混合厌氧消化与污泥单独厌氧消化对产气性能的影响

2．2．3 有机负荷率对甲烷产率的影响

2．2．4 有机负荷率对pH的影响

2．2．5 氨氮

2．3 本章小结

第三章 低温水热预处理中污泥浓度对后续高温厌氧消化性能的影响研究

3．1 实验材料

3．2 实验仪器和设备

3．3 实验方法

3．3．1 不同浓度污泥的配制方法

3．3．2 污泥粘度的测定方法

3．3．3 SS和VSS的测定方法

3．3．4 水热预处理的方法

3．3．5 BMP实验方法

3．3．6 拟合方法

3．4 实验结果

3．4．1 水热预处理对不同浓度污泥可溶化率的影响

3．4．2 污泥浓度对产气效果的影响

3．5 本章小结

第四章 化学调质对低温水热预处理高浓度污泥高温厌氧消化的影响研究

4．1 实验材料

4．2 实验仪器与设备

4．3 实验方法

4．4 实验结果

4．4．1 低温水热预处理对污泥的影响

4．4．2 化学调质对水热污泥COD和SCOD的影响

4．4．3 化学调质对水热污泥蛋白质和碳水化合物的影响

4．4．4 化学调质对水热污泥产气的影响

4．4．5 化学调质对水热污泥有机质去除率的影响

4．5 本章小结

第五章 污泥厌氧消化后置水热预处理工艺研究

5．1 背景

5．2 后置水热预处理工艺

5．3 污泥后水热特性研究

5．3．1 实验方法

5．3．2 化学调质对水热污泥的影响

5．3．3 产气性能的影响

5．4 能量收支情况

5．4．1 计算条件和假设

5．4．2 不同工艺能量收支情况

5．4．3 结果与讨论

5．5 本章小结

第六章 研究结论和展望

6．1 研究结论

6．2 展望

参考文献

硕士期间研究成果

附录

致谢