基于不同破解方法的污泥厌氧消化产气量优化研究

基于不同破解方法的污泥厌氧消化产气量优化研究（姓名单位邮编）摘要本文通过对不同破解方法改善污泥厌氧消化产气量优化程度进行试验比较，研究的指标主要包括有沼气沼气累计产量、日均产气速率、日均产气速率变化、CH4在沼气中的含量等。研究结果发现，不同的破解方法对污泥厌氧消化产气量的优化程度是不同的，其中，电化学预处理破解方式的产气累计量最多，同时其影响的CH4在沼气中的含量也最为明显，总体而言，该种方式对于污泥厌氧消化产气量的优化是较为理想的。关键词：污泥厌氧消化；产气量；预处理；破解污泥是污染城市环境的有害物质之一，其中含有的众多有机成分、重金属以及病原体等甚至会影响人类的身体健康。因此，对其进行有效处理，降低或消解其有害性是至关重要的。一般来讲，对于污泥实施无害化处理、减量化处理是常见的处置手段。在众多的处置技术中，基于生物稳定性的污泥厌氧消化方法是目前最为安全且成本较低的技术。在污泥厌氧消化处理过程中，需要对其污泥进行一定的预处理，以此来增加污泥细胞的破解程度，从而达到一系列包括提升水解速率、增加沼气产量的目标。大量学者通过研究发现，不同的污泥预处理技术对厌氧消化沼气产量有着不同的优化作用。Baeyens（2010）通过对高含固率(10%)的剩余污泥进行热碱预处理技术研究，发现当PH值维持为11时，随着温度不断升高，污泥COD、蛋白质以及碳水化合物的溶出效果明显增加，促进了厌氧消化的性能。Climent（2012）对造纸污泥的碱性预处理技术与生物预处理技术进行研究后发现，这两种预处理技术都可以改变造纸污泥自身的结构，使其更为平滑和紧凑，降低每个颗粒间的空隙，从而对污泥厌氧消化性能产生影响。陈泾涛（2014）研究了高压均质与超声波两种物理预处理技术对污泥厌氧消化性能的影响，发现高压均质与超声波预处理技术都能够明显破坏了污泥絮体结构，但从总体情况来看，高压均质所产生的破坏程度更为剧烈，对污泥厌氧消化性能的影响更甚。在前人研究的基础上，本文创新在四种不同预处理方式产生的污泥细胞破解效果的基础上，对污泥厌氧消化沼气产量的优化程度进行试验比较，分析不同破解方法的优劣。通过研究，对于考察单独的热预处理、碱预处理、热碱预处理以及电化学热处理对于污泥厌氧消化产气量的优化具有重要的意义，同时对于解决当前城市污泥预处理技术中存在的一些瓶颈问题起到一定的推动作用。一、污泥厌氧消化沼气产生的主要影响因素针对污泥进行的厌氧消化生物处理，是具有很多环节的，其本质是利用厌氧微生物将污泥中的有机物进行转变，转变的最终结果包括有CH4、水与CO2，但在厌氧消化过程中，其转变的结果容易受各种外界因素的影响，这些影响因素主要包括有温度、碱度、PH值、氧化还原电位等。温度作为厌氧反应的基本要素，主要是对微生物的成长环境实现影响，从而让厌氧消化过程的微生物能够达到较为满意的结构与数量。在污泥厌氧消化反应时，通常要保持温度的恒定，避免大幅度波动而抑制微生物的活性。碱度的重要作用是要对污泥中的有机酸进行中和，从而保障污泥厌氧消化过程中的PH值保持在某一限定范围内。在污泥厌氧消化反应器中，缓冲体系会在一定程度上降低PH值的稳定性，此时碱度便会产生作用。PH值是污泥厌氧消化体系中的基本要素，由于甲烷菌对于PH值的改变表现出比较敏感的特征，所以选择促使其成长的PH值范围一般在6.5至7.2之间，过分活跃的PH值改变会影响到甲烷菌的活性。氧化还原电位是有效表征污泥厌氧环境的一个因素，不同的厌氧消化系统的氧化还原电位并不相同，但大多数厌氧环境要求的氧化还原电位需要低于-350mV,在一些高温的厌氧环境中，氧化还原电位还可以低至-600mV。二、试验材料、方法与分析指标1、污泥来源本次试验研究选择的污泥选自某污水处理厂四期工程的二沉池，该污水处理厂主要针对居民生活产生的污水进行处理，采取A-A-O工艺，处理能力为1万m3/d，二沉池的污泥会进行重力浓缩处理使其含固率约为3%左右。此次污泥取回之后，先使用格筛过滤掉大颗粒物质及夹杂的毛发，之后使用4℃的冰箱将其保存10小时，并将上层滤清液排掉。污泥的主要特性如下表1所示：表1试验污泥主要特性PH值TS（g/kg）STP(mg/L)STN(mg/L)VS(g/kg)SCOD(mgO2/L)TCOD(GO2/L)6.71±0.0628.9~33.514.8~37.444.7~119.518.9~22.697.3~429.628.8~33.22、不同破解方法的预处理过程本文所选择的不同破解方法及其具体的处理过程描述如下：热预处理的过程：把1L上述选择的污泥置于2L的锥形瓶中，为防止在长时间放置的水分挥发，使用保鲜膜与锡箔纸进行严密覆盖锥形瓶口；之后将锥形瓶放置在震荡且可以恒温保持的水床内，当加热温度达到为70℃时，执行计时，持续9小时，再将锥形瓶取出后放置在4℃的环境中，等待试验使用。热碱预处理的过程：把1L选择的污泥利用NaOH和HCl进行PH值的调节，使其增加至11，调节之后的污泥置于2L的锥形瓶中，防止在长时间放置过程中的水分挥发，在锥形瓶口使用保鲜膜与锡箔纸进行严密覆盖；之后采取与热处理过程相同的加热方式，但为了保证污泥PH值不变，每半小时补充一次碱度，当温度达到90℃之后，开始计时，持续恒温10小时，再将锥形瓶取出后放置在4℃的环境中，等待试验使用。碱预处理的过程：把1L选择的污泥利用NaOH和HCl进行PH值的调节，使其增加至10，调节之后的污泥置于2L的锥形瓶中，使用带孔的橡胶塞进行密封，利用孔隙补充碱度，使PH值维持在10；再将锥形瓶至35±1℃的培养箱中实施速率为80r/min的震荡，持续8天；之后将锥形瓶取出后放置在4℃的环境中，等待试验使用。电化学预处理的过程：在已选择的污泥中加入0.6%（V/V）的次氯酸钠溶液，摇匀搅拌，使其均匀混合，再将污泥的PH值调节为8；之后取调节好的污泥放置在电化学容器中，分别插入曝气管以及电化学板，保持大约2cm的距离，加电压20V，持续时间40分钟，之后将污泥取出后放置在4℃的环境中，等待试验使用。3、厌氧消化的方法在进行不同破解方法的预处理之后，便可继续展开厌氧消化。按照本文试验的目的，将不同预处理之后的污泥与未经任何处理的原污泥按照1：1的比例作为接种量达到50%的接种污泥。利用NaOH以及HCl把接种污泥的PH值调节到6.8至7.2的范围内，提取其中的5L污泥置于厌氧消化反应器内，实施厌氧消化。4、主要分析指标本试验的主要指标是围绕污泥、上清液以及气体三个主要部分设置的，污泥是作为不同预处理技术以及厌氧消化的主要样本；其上清液则是对污泥实施离心一段时间之后借助孔径很小的滤膜过滤后得到的；气体则是伴随着厌氧消化逐步产生的。根据此次试验的目标，需要分析的指标主要为产气总量和产气速率。具体到试验过程中对于厌氧消化效果的衡量，主要借助厌氧消化过程中累计沼气的产量和每日平均产生沼气速率进行。由于本试验涉及到不同的破解方式，为便于比较不同破解方法对产气效果的优化，对于每种破解方式都设置了两套厌氧消化装置，一为根据计划对相关的污泥与上清液指标值进行获取，二为直接收集气体，并借助湿式流量计进行气体量数值获取，在整个厌氧消化过程中，每日都需要保证当日沼气产量的数值读取，并在此基础上计算第N日的沼气产量累计值以及日产气率。具体的装置仪器列表如下：表2试验装置仪器列表装置仪器名称规格产地PH计PH-2011型上海烘箱电热鼓风烘箱DH-9070A型上海COD消解仪JK-HP-400型恒温加热器山东电子天平精密JH6101型上海恒温振荡水溶摇床QYC-2102C型江苏高压灭菌锅SANYO型上海此外，对于沼气组分的分析本文采取了日本某科谱分析仪器有限公司生产的GC-2010型气相色谱仪，分析基本条件如下：检测器TCD，基本温度为120℃，柱流量2ml/min，样品进口温度约为100℃，使用该仪器对任何一个样品沼气组分分析消耗的时间约为12分钟。三、试验结果与讨论污泥样本在经过不同的破解方法预处理之后，所表现出来的厌氧消化沼气产量并不会完全相同，这可以通过试验数据得出结果。在本试验中，分别通过对不同破解组以及对照组的厌氧消化过程进行处理和观察，任何一组厌氧反应器都保持5L污泥，同时接种量按照前文所述的50%，厌氧消化反应之前的PH值调节到7.0±0.2，温度恒温保持在35±1℃，搅拌或转动速率为30r/min，每次在反应器中装料之后，都使其厌氧发酵反应45天。1、不同破解方法对污泥厌氧消化沼气累计产量的优化比较在污泥厌氧消化过程中，每日都对产生的沼气量进行取值，并可随时根据往日的取值获得沼气累计产量。下图1所示为采取不同破解方法之后的污泥厌氧消化过程中沼气累计产量随着时间改变而发生变化的具体情况。不难发现，使用不同破解方法的污泥厌氧消化产气累计量都比对照组的产气累计量更高，增加的幅度较为明显。具体来讲，在厌氧消化45天之后，对照组的产气累计量为395L/kgVS，但在经过不同破解方法之后，依次增加为热预处理522L/kgVS，碱预处理562L/kgVS、热碱预处理607L/kgVS以及电化学热处理648L/kgVS。四种不同的破解方法所测定的产气累计量以电化学预处理最高，而热预处理最低。从图中的趋势变化情况可以发现，热预处理组在第16天之后沼气产量趋于稳定，而热碱预处理组在第18天之后沼气产量趋于稳定，碱预处理组在第10天之后沼气产量趋于稳定，电化学预处理组在第24天之后逐步趋于稳定。综上所述，对于不同的破解方法而言，电化学预处理组最终得到的沼气累计产量是最大的。图1不同破解方法的沼气累计产量2、不同破解方法对污泥厌氧消化日产气量的优化比较本次试验还重点观察分析了使用不同破解方法之后，污泥厌氧消化日产气量所产生的变化，寻求不同破解方法对日产气量优化的不同。根据持续观察所得到的数据，得到如下图2所示的结果。从图中不难发现，污泥厌氧消化反应器最开始运行的6天内，碱预处理组拥有最大的日产气量，具体数据为103L/kgVS，其它的破解方法依次有所降低。这充分说明了在污泥厌氧消化的开始时间内，碱预处理组的日产气量是最大的，即代表了此种破解方法使得污泥厌氧消化的速度最快，除此之外，电化学预处理组与对照组之间在开始时间段具有差距不大的日产气量。在厌氧消化持续到第7天开始，碱预处理组的日产气量出现了快速下降的趋势，在很大一段时间内比对照组日产气量还少，热碱预处理组的日产气量则出现了相对缓慢的下降趋势，电化学预处理组日产气量则是在持续的波动过程中逐步下降的，而且电化学预处理组在第7至24天这一时间段内，日产气量明显高于其它预处理组和对照组。在污泥厌氧消化反应运行第24天之后，无论是哪种破解方法，以及对照组的日产气量都处于相对平稳的态势中，基本都在20L/kgVS数量之下，差异性较小。归根到底，由于碱预处理之后会较大的提升污泥的破解程度，使其在开始阶段的水解速度达到较快水平，即沼气产生的基础物质较为充分，因此其日产量在初期很高，而在反应一段时间之后，逐步产生了较多的有机酸，从而降低了污泥的PH值，不利于沼气菌的活性。图2不同破解方法的沼气日产量3、不同破解方法对日均产气速率改变的基本趋势从上文的分析不难发现，不同破解方法对污泥厌氧消化的日均产气速率是有影响的，为了进一步明确不同破解方法影响污泥厌氧消化产气速率的情况与差异，笔者在将整个污泥厌氧消化的过程划分为4个不同的阶段，其中0~5天为初始阶段，6~10天前期阶段，11~20中期阶段，21~45天为后期阶段。针对这四个不同的阶段分别对污泥厌氧消化的日均产气速率进行计算后得到如下图3所示的速率变化趋势。根据这一趋势可以明显地发现，不同破解方法的日均产气速率的基本趋势是类似的，都是随着时间的推移而逐渐降低的，差异性不大。但从降低的速度方面来看却有所不同，具体来讲，碱性预处理组比其它预处理组的产气量速率下降速度更快，从初始阶段的90.5L/（kgVS·d）很快降低到前期阶段的10.2L/（kgVS·d），其它预处理组的降低速度明显要平缓很多，特别是电化学预处理组，其总体的