提高剩余污泥厌氧消化过程中沼气产率的预处理技术研究

摘要

传统的污泥厌氧消化法存在水解反应速率慢、池体占地面积大、产气率及产气量较低等缺点。本文通过采用一定的预处理技术,破坏细胞结构,释放有机质,促进污泥的水解速率,从而达到提高污泥厌氧消化沼气产率的目的。在众多污泥预处理技术中,热预处理、热碱预处理及碱预处理是比较有效且具有应用前景的方法。本课题组在前期研究中发现,电化学预处理作为一种新颖的预处理技术手段,对于改善污泥的厌氧消化性能也具有明显的效果。本课题就是在上述背景的基础上提出的,以城市污水处理厂剩余活性污泥为研究对象,分析比较了热预处理、热碱预处理、碱预处理以及电化学预处理对污泥的破解效果,考察了不同预处理技术对污泥后续中温厌氧消化产沼性能的影响,并对各预处理技术促进污泥厌氧消化性能的机理进行了比较分析。本研究主要内容包括：
　　⑴不同的预处理技术均能提高污泥的破解程度、促进污泥的水解,但对污泥的破解程度和破解效果有较大差异。通过比较分析污泥预处理前后 SCOD、蛋白质、碳水化合物的溶出增长率,发现电化学预处理对剩余污泥的破解效果是最好的,其污泥SCOD溶出增长率达到了38.13。经热预处理、热碱预处理和碱预处理后的污泥O RP值均下降至-300 mV左右,而电化学预处理后的污泥 O RP值反而上升为28±6 mV,说明电化学预处理过程中产生了强氧化性物质。不同预处理后上清液VFAs各组分所占比例不同,电化学预处理后VFAs各组分含量与传统的厌氧消化体系中组分含量的大小规律更为接近。
　　⑵电化学预处理、热碱预处理、碱预处理和热预处理累积沼气产量与对照处理相比较分别提高了63.38％、52.78%、41.41%、32.07%。通过对累积沼气产量进行阶段性线性拟合分析后发现:在0~5天消化阶段,碱预处理组的日均沼气产率最大,达到了Kalkaline=90.3L/(kgVS·d);在6~10天内,热碱预处理组产沼气速率是最大的为Kthermal-alkaline=32.8L/(kgVS·d),热预处理组和电化学预处理组次之,分别为Kthermal=31.3L/(kgVS·d)、Kelectrochemical=26.6L/(kgVS·d);在11~20天的中期厌氧消化阶段,电化学预处理组日均产沼速率最大,达到Kelectrochemical=25.7L/(kgVS·d);在21~45天中后期消化阶段,各预处理组日均沼气产率均低于3.0L/(kgVS·d),产气效率均较低。
　　⑶电化学预处理组每日产气中甲烷含量高于其他预处理组,最高可达64.9%。不同预处理组对每日产气中C H4/CO2比值的影响不同,电化学预处理组和热碱预处理组的CH4/CO2比值在2.0~2.4之间;而碱预处理组仅为1.5~1.6。
　　⑷不同预处理后的污泥最终 VS去除率分别为:热预处理组43.7%、热碱预处理组46.2%、碱预处理组43.5%、电化学预处理组45.5%,均高于空白对照组的38.9%。通过分析各消化系统累积沼气产量与VS去除率的关系,可知电化学预处理组沼气转化效率和细胞增殖量都是最高的。
　　⑸通过对厌氧消化过程中污泥及其上清液性质和组分含量变化的分析,可以得到电化学预处理组厌氧消化过程中的pH、ORP、C/N比值及VFAs含量较其他预处理组更有利于产甲烷菌的生长。通过对各指标数据的分析发现,电化学预处理后的污泥中残留有氧化性物质,这些物质在厌氧消化前期对污泥的溶出和水解起到促进作用,从而在整体上提高了污泥的厌氧产沼气效率和有机物的去除效果。

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第一章 绪论

1 .1剩余污泥的产生及特性

1 .2污泥的厌氧消化技术

1 .3污泥厌氧消化产甲烷工艺的研究进展

1 .4污泥厌氧消化预处理技术研究现状与发展动态

1 .5课题研究意义与主要内容

第二章 试验材料与分析方法

2 .1污泥来源与基本性质

2 .2预处理方法及装置

2 .3厌氧消化方法及装置

2 .4主要分析指标及方法

2 .5主要实验仪器与设备

第三章 不同预处理技术对污泥性质的影响研究

3.1不同预处理技术对污泥pH和ORP的影响

3 .2不同预处理技术对污泥C OD的影响

3 .3不同预处理对污泥上清液组分含量变化的影响

3 .4本章小结

第四章 不同预处理技术对剩余污泥厌氧沼气产率的影响

4 .1不同预处理对沼气产量的影响

4 .2不同预处理技术对C H4含量的影响

4 .3不同预处理技术对有机物去除效果的影响

4 .4本章小结

第五章 不同预处理技术促进剩余污泥厌氧消化机理研究

5 .1厌氧消化过程中p H的变化

5 .2厌氧消化过程中O RP的变化

5.3上清液中SCOD含量的变化

5 .4上清液总氮的含量变化

5 .5上清液ST P和正磷酸盐的含量变化

5.6厌氧消化过程中VFAs含量的变化

5 .7本章小结

第六章 结论与建议

6 .1结论

6 .2问题与建议

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文