脱水剩余污泥热碱预处理及其固态厌氧消化规律研究

摘要

随着我国城市建设的发展，污水处理厂脱水剩余污泥的产量逐年增加，对其进行减量和能源回收就显得非常重要。环保部将污泥中温厌氧消化工艺作为污泥处理的一种最佳工艺。但污泥的生物分解性差，导致传统的厌氧消化时间长，设备体积大。为解决污泥厌氧消化的这些问题，本文尝试了脱水剩余污泥固态热碱预处理改善其可生化性后，直接固态厌氧消化的技术路线，并研究了固态预处理和固态厌氧消化过程中底物变化和产气规律。
　　通过对脱水剩余污泥固态热预处理的研究发现，脱水剩余污泥中SCOD（可溶性COD）、可溶性蛋白质和可溶性糖的含量随着热预处理温度的提高显著增加，在最高温度120℃预处理下，与未处理组相比，分别提高了819.8％、496.3%和2666.1%；在固态厌氧消化阶段，预处理组与未处理组相比，甲烷产气率在厌氧消化中多出一个明显的峰值，累计甲烷产量显著增加，其中120℃预处理产量最高，相比未处理组提高71.28%。通过对脱水剩余污泥固态碱预处理的研究发现，脱水剩余污泥中SCOD、可溶性蛋白质和可溶性糖的含量随着碱量的增加显著增加；固态厌氧消化结果显示，预处理组累计甲烷产量随碱量增加呈减少趋势，与未处理组相比，20 mgNaOH·g-1TS污泥碱预处理组提高了35.34%，而80 mgNaOH·g-1TS污泥碱预处理组则下降了6.99%。
　　通过响应面中心复合设计，优化热碱协同预处理试验，发现热碱协同预处理能够显著增加脱水剩余污泥中可溶性成分，固态厌氧消化中累计甲烷产量显著提高,并且随着温度和碱量的提高维持高甲烷产气率的时间依次延长；通过响应曲面法建立变量与响应之间的关系，模型模拟得到最优条件为：温度134.95℃和碱量23.77 mgNaOH·g-1TS，拟合度R2大于0.99。试验验证发现，热碱协同预处理对脱水剩余污泥中有机物质的溶出，温度起主要作用，热碱协同预处理组累计甲烷产量与模拟值差异很小。通过优化条件下热碱协同预处理固态厌氧消化试验，发现SCOD和VFAs（挥发性有机酸）在厌氧消化过程中呈先升高后降低的趋势，累计产甲烷量和验证试验结果一致，热碱协同效应使累计产甲烷量提高了7.78%，热碱协同效应明显；同时发现甲烷产气率和VFAs之间曲线呈环形，预处理深度越大，环形面积越大。累计甲烷产量动力学分析发现，Gompertz模型更适合模拟热和热碱协同预处理的累计甲烷产量曲线，其拟合度R2在0.99以上。

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第一章 绪论

1.1脱水剩余污泥及其处理现状

1.2污泥厌氧消化历程及其工艺特点

1.3热碱预处理技术原理及其在污泥预处理中的应用

1.4污泥固态厌氧消化研究现状及存在问题

1.5主要研究内容和意义

第二章 实验材料与方法

2.1脱水剩余污泥和接种物

2.2脱水剩余污泥预处理固态厌氧消化试验

2.3脱水剩余污泥固态厌氧消化实验装置及系统

2.4实验仪器设备及实验测试方法

第三章 脱水剩余污泥固态热和碱预处理及其固态厌氧消化规律研究

3.1热和碱预处理对脱水剩余污泥溶解特性的影响

3.2热及碱预处理对脱水剩余污泥固态厌氧消化的影响

3.3 本章小结

第四章 脱水剩余污泥固态热碱协同预处理及其固态厌氧消化特征

4.1热碱协同预处理对脱水剩余污泥溶解特性的影响

4.2热碱协同预处理对脱水剩余污泥固态厌氧消化的影响

4.3 热碱协同预处理条件优化及效果验证

4.4 本章小结

第五章 脱水剩余污泥固态厌氧消化过程中底物变化特征和产气规律研究

5.1固态厌氧消化过程底物中各物质的变化特征

5.2固态厌氧消化过程中产气变化特征

5.3甲烷产气率随底物中VFAs含量的变迁特征

5.4 本章小结

第六章 产甲烷动力学研究

6.1一级动力学模型和Gompertz模型

6.2热及碱预处理产甲烷动力学分析

6.3 热碱协同和验证实验模型动力学分析

6.4本章小结

第七章 结论与展望

7.1结论

7.2创新点

7.3展望

参考文献

攻读博士学位期间发表论文和参加科研情况

致谢