高温厌氧消化污泥的培养试验研究.pdf

高温厌氧消化污泥的培养试验研究 * 韩育宏 1 季 民 2 柴建荣 1, 白谏平1, 李 庆1 1. 河北大学物理科学与技术学院, 河北 保定 071002; 2. 天津大学环境科学与技术学院, 天津 300072 摘要 在试验室半连续装置中培养高温厌氧消化污泥, 以中温厌氧污泥作为种泥, 中温启动运行一段时间后, 再逐步升 温, 经过100 d运行可达到高温厌氧消化运行的良好状态。整个试验过程中无需人为调节碱度, pH 值比较稳定。45 以下, 升温对厌氧消化系统的扰动比较小, 之后继续升温至48 , 厌氧消化系统不稳定。认为 45 48 可能存在着 中温和高温厌氧消化的临界温度, 在这一温度下, 中温细菌可能会大量死亡, 但是不适合高温菌生长或对应着较低的 生长速率。 关键词 中温; 高温; 厌氧消化污泥; 临界温度 CULTIVATION OF THERMOPHILIC ANAEROBIC DIGESTED SLUDGE Han Yuhong1 JiMin2 Chai Jianrong1 Bai Jianping1 Li Qing1 1 College of Physics Science and Technology, Hebei University, Baoding 071002, China; 2 College of Environmental Science andTechnology, TianjinUniversity, Tianjin 300072, China Abstract The cultivation of thermophilic anaerobic digested sludge was achieved by increasing the temperature gradually from mesophilic range to thermophilic range in semicontinuous experiments in 100 d seeding with mesophilic anaerobic sludge. In the experiment, the alkalinity need not be regulated, and the pH is stable. The impact of heating on the anaerobic digestion perance is not significant before the temeprature is lower than 45 . But, the anaerobic digestion perance is not stable ifthe temeprature is higher to 48 . The criticaltemperature within mesophilic and thermophilic anaerobic may exist between45 and 48 . Under the temperature, the mesophilc bacteriaes will die massivly and thermophilic bacterial will grow slowly. Keywords mesophilic; thermophilic; anaerobic digestion sludge; critical temperature * 教育部天津大学南开大学合作资助项目; 河北省自然科学基金项 目 A2007000127 。 0 引言 中温厌氧消化工艺已广泛应用于污泥的处理 [ 1] , 但中温消化的停留时间长, 有机物去除率和对大肠杆 菌等致病微生物的杀灭率低, 高温消化可以提高代谢 速率, 并且对有机物去除率和致病细菌的杀灭率均比 中温消化工艺要高 [ 23] 。在美国 1993 年颁布的 503 污 水污泥生物固体处理处置规则中, 提倡污泥处置优先 土地利用。但是, 随着社会的发展, 污泥土地利用技 术受到越来越严格的社会环境限制。为提高污泥土 地安全利用率, 有效杀灭污泥病原菌, 高温 55 污 泥厌氧消化技术得到快速发展。在欧美和日本, 许多 原有的中温消化池都相继改造为高温消化池, 而威立 雅对城市大型生活污水池的污泥进行高温厌氧处理 已经有 20 多座的业绩。但是目前, 在国内建成的城 市污水处理厂中, 仍采用中温消化的比较多。 一些研究者认为, 高温厌氧消化工艺的稳定性比 中温差, 而且接种物的选择比较困难 [ 4] 。采用高温消 化污泥作为高温厌氧工艺的接种物很容易启动, 但是 目前国内生产性高温厌氧反应器比较少, 难以获得高 温污泥来接种启动高温反应器。一个中温的反应器 可以直接或逐渐地把温度提高到高温范围, 这在文献 中已有很多报道。本试验采用逐步升温的方式将中 温反应器的温度提高到高温范围, 最终实现高温厌氧 反应器的启动 [ 5] 。 1 试验部分 11 试验污泥来源 污泥取自天津市纪庄子污水处理厂二沉池回流 污泥, 经重力浓缩将浓度调节为 污泥 25 35 g L 含固率为 25 35 。浓缩后的污泥置于4 冰箱中保存待用。 78 环 境 工 程 2009年 2 月第27 卷第1 期 以中温消化污泥作为种泥, 取自天津市东郊污水 处理厂, 污泥总固体 total solids, TS TS 约为 30 g L, 挥发性固体 VS VS 约为15 g L, 总的化学 需氧量 TCOD 约为26 g L。 12 试验装置 试验装置如图 1, 厌氧消化装置由有机玻璃加工 而成, 用来处理污泥的有效容积为2 L。反应器外部 有一个套层, 恒温水浴槽里的水在套层中循环流动以 保持反应器内的温度。采用电动搅拌器进行搅拌, 生 物气产量通过自动计数装置计量, 中间集气瓶中的水 用盐酸调节至 pH 1, 以避免二氧化碳的溶解。试验 共运行2 套反应器。 厌氧反应器在升高温度之前先在中温条件下运 行一段时间, 每天向反应器中投加100 mL新鲜污泥, 即投配率为 5。试验历时100 d, 根据运行的温度, 可分为中温 37 启动阶段 第 1 44 天 、 逐步升 温阶 段 第 45 78 天 、 高温 55 运行 阶段 第 79 100天 。其中, 逐步升温阶段又分为 5 个阶 段, 在第45, 55, 62, 67, 71 天, 温度分别升高到 39, 42, 45, 48, 51 。在升温过程中主要参考的参数是生物 气产量, 产气量比较稳定后即可继续升高温度。 1 进泥瓶; 2 蠕动泵; 3 搅拌器; 4 温度计; 5 厌氧消化罐; 6 出泥瓶; 7 气体自动计量装置; 8 循环水套层。 图 1 厌氧消化试验装置 13 测定指标及分析方法 化学需氧量 COD 重铬酸钾氧化法 [ 6] ; 总固体 TS 、 总挥发性固体 VS 称重法; 挥发性脂肪酸 VFAs 气相色谱法 [ 7] ; pH 值 哈纳 HI19321 型微电 脑式酸碱度计。 2 试验结果与讨论 21 产气量 两个反应器在37 下运行了44 d, 日平均产气量 分别为220, 200 mL。运行第 45 天, 温度升高到39 , 产气量变化不大, 可能是在这一温度存活的中温菌还 很多。这一阶段也没有造成 VFAs 的积累, 在运行的 第53 天, 测得两个反应器的 VFAs 总量分别为 96342, 81777 mg L。 第 45 天, 温度升高到42 , 这对 厌氧系统产生了一定的影响, 产气量整体呈下降的趋 势, 但平均产气量较前一阶段并无明显下降, VFAs 浓 度有所上升。运行第 62 天, 温度升高到45 , 产气 量也没有明显变化, 反应器 1 的日产气量在300 mL波 动, 反应器 2 的日产气量不但没有下降, 反而上升到 300 mL。第 67 天, 温度升高到48 , 这一升温产生 的扰动较大, 生物气产量一直下降, 但并没有发现 VFAs 的积累。分析原因可能是在48 中温菌大量 死亡, 这种环境也不适合高温菌的生长, 反应器内进 行的各种反应都很慢。 试验进行第 71 天, 温度升高到51 , 在之后的 8 d内产气量很不稳定, 一直下降, 最低甚至到几十毫 升。VFAs 的含量较高, 如在第 75 天, 两个反应器中 的VFAs 含量分别为 460406, 497910 mg L, 这可能 是由于在51 , 反应器内水解菌的数量很多, 水解产 物越来越多, 但高温产甲烷菌的数量有限, 造成了 VFAs 的积累, 影响产气量。 试验进行第 79 天, 将温度升高到55 , 开始几天 产气量忽升忽降, 不稳定。从第 87 天开始, 产气逐渐 趋于稳定, 分别在310 mL和280 mL附近波动, 高于中温 运行 阶 段 的 产 气 量。VFAs 也 没 有 形 成 累 积, VFAs 保持在100mg L左右。产气量的变化见图 2。 图 2 反应器产气量逐日变化情况 22 有机物去除率 图3 为不同温度下, 原泥、 各反应器出泥的TCOD 值以及 TCOD去除率变化的情况。可以看出, 在中温 下, 各反应器出泥的 TCOD 值分别为21 1815, 22 0513 mg L, 去除率分别为 2831 , 2704 。反 应器 1 和 2 在 39, 42, 45 下, 各反应器的有机物的 去除率不但没有下降反而有所升高, 这是因为在此运 行阶段, 进流污泥的有机物含量比较高, 反应器中存 在的产甲烷菌数量也比较多, 使得日产气量没有太大 的波动, 对厌氧消化系统的扰动比较小, 而出泥TCOD 值保持在原来的水平, 这样使得计算的TCOD 去除率 大。在接下来的升温阶段, TCOD 去除率开始下降, 说明厌氧消化系统不稳定, 这种环境不适合污泥厌氧 79 环 境 工 程 2009年 2 月第27 卷第1 期 消化的进行, 由图 2也可以看到产气量的不稳定。在 高温运行阶段, 各反应器的 TCOD 去除率明显上升, 分别为3670、 3754, 高于中温阶段。 图 3 各反应器不同温度下TCOD 的去除情况 23 固体物质去除率 图4、 图 5为不同温度下, 各厌氧消化反应的TS、 VS 去除情况, 变化趋势基本与 TCOD 相同。由图 4、 图5 可知, 各反应器出泥的固体含量随着原污泥固体 含量的变化不大, 但升温过程中的值要高于中温和高 温阶段的值, 大约高1 000 2 000 mg L。在45 之 前, 厌氧消化反应对固体物质去除率变化不大, 升温 对厌氧消化系统的扰动比较小。在接下来的升温阶 段, 厌氧消化系统不稳定,TS 和 VS 的去除率都下降, 但下降速率比TCOD 去除率下降的速率要慢。可能 是由于在这些温度阶段, 虽然有越来越多的有机物不 能被转化为CO2等气体去除, 但污泥中更多的固体物 质经历了水解阶段和产酸阶段, 不再以固体的形式存 在, 所以去除率高, 其下降速率慢。认为 45 48 可 能存在着中温和高温厌氧消化的临界温度, 在这一温 度下, 中温细菌可能会大量死亡, 然而, 这种环境并不 十分适合高温菌生长或对应着较低的生长速率。 已 图 4 各反应器不同温度下 TS 的去除情况 图 5 各反应器不同温度下VS 的去除情况 有学者 提出中 温和高 温存在 最优的 温度间 隔, Kugelman和 Guida [ 8] 也发现在45 时中温污泥产甲 烷活性下降, 他们建议采用中温污泥接种高温工艺 时, 应立即将温度由中温范围上升到高温范围。本试 验认为可以采用两步升温的方式, 先将稳定运行的中 温厌氧消化反应器的温度升高到45 , 稳定一段时 间后直接升高到55 , 这样有缩短驯化时间的可能 性, 并且保持较高的处理效率。 24 pH 值 微生物对 pH 值有一个适应范围, 并且对它的波 动十分敏感, 通常情况下, 微生物对 pH 值的变化适 应要比其对温度变化的适应慢得多。pH 值的波动对 厌氧污泥的产甲烷活性有影响, 而碱度的大小反应体 系的缓冲能力, 即酸性条件下调节 pH 值的能力。所 以通常情况下, 在消化过程中 pH 值突然增加的风险 较小, 因为在消化过程中通常可以产生足够的 CO2和 有机酸, 中和系统中的碱。 在试验中, 并没有人为的调节碱度, 反应器 1、 2 的 pH 值分别保持在698 750、 704 769。 在升高温度过程中, pH 值整体呈下降的趋势, 但 是到达高温运行阶段, pH 值的大小与中温运行阶段 相差不大。这是因为高温厌氧消化所需要的 pH 值 基本上与高温产甲烷菌需求的相同, 在 50 55 的 高温范围内, 产酸菌较弱的代谢能力与产甲烷菌较强 的代谢能力正好相匹配, 没有形成有机酸的积累, 从 而形成稳定的 pH 值环境。 3 结论 1 以中温消化污泥作为种泥, 中温启动, 再逐步 升高温度, 经100 d达到了高温运行的良好状态。这 表明以中温消化污泥接种启动中温反应器, 再升至高 温条件下运行是可行的。 2 在45 之前, 温度的升高对厌氧消化系统的 影响不大, 有机物和固体物质的去除率比较稳定。之 后, 厌氧消化能力明显下降。温度升高到55 后, 产 气量和有机物去除率又迅速恢复, 并优于中温状态。 3 在采用中温厌氧污泥作为种泥培养高温厌氧 污泥的过程中, 45 48 可能存在一个临界温度。 认为可以采用两步升温的方式, 即先将稳定运行的中 温厌氧消化反应器的温度升高到45 , 稳定一段时 间后直接升高到55 , 能缩短驯化时间, 并且能保持 相对高的处理效率。 下转第 84 页 80 环 境 工 程 2009年 2 月第27 卷第1 期 值 人类健康、 生态系统损害、 资源损害。 d. 将 3类损害值加权后相加得出生产过程的总 体环境负荷的单个值 记为Single Score 结果表明 转炉流程在人类健康和生态环境的损 害方面优于电炉流程, 而资源消耗和综合环境影响上 差于电炉流程。 3 结语 作为一种环境废弃物处理和资源化手段, 大多数 工业生命周期评价主要集中在冶炼技术上, 而对金属 选矿回收过程环境评价研究甚少。所以有必要对铜 渣回收工艺进行生命周期评价, 进行突破性的研究。 今后应该着重加强以下几个方面的相关研究 1 运用统计方法和 SimaPro71 软件, 通过 Eco indicator99 生态指数法, 对铜渣工艺进行生命周期评 价有着很重要的现实意义。此法通过特征化、 标准化 和加权将工艺过程的输入输出数据转化为单一的环 境负荷值, 极大减少了人工计算的工作量, 便于整理 分析, 避免了很多重复的工作。 2 对工艺路线的整体性能的评价不但要考虑环 境影响的指标, 同时还应采用其他手段来提供技术经 济和社会经济信息, 才能对整个工艺进行整合。 参考文献 [ 1 ] 李冬, 司继涛. 铬渣处理处置方法的生命周期评价[ J] . 现代化 工, 2006,26 7 298 301. 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