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热碱处理对污水处理厂污泥特性的影响研究 目前污泥热碱处理的研究大多仅限于各单因素(如温度、 pH值等)和双因素(如温度-pH、 温度-时间、 pH-时间等)

放大字体  缩小字体 发布日期:2017-02-21  浏览次数:138
核心提示:热碱处理对污水处理厂污泥特性的影响研究 目前污泥热碱处理的研究大多仅限于各单因素(如温度、 pH值等)和双因素(如温度-pH、 温度-时间、 pH-时间等)
中国给水排水2024年城镇污泥处理处置技术与应用高级研讨会(第十五届)邀请函 (同期召开固废渗滤液大会、工业污泥大会、高浓度难降解工业废水处理大会)

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热碱处理对污水处理厂污泥特性的影响研究

 来源:环境科学  作者:杨世东 陈霞  2017/2/17   
所属频道: 水处理  关键词:污水处理 污泥处理 热碱处理

在污水生物处理过程中会产生大量剩余污泥,污泥产量通常占污水量体积的0.3%~0.5%,或者约为污水质量的1%~2%. 据统计,目前我国污水处理能力约1.53亿m3 ˙d-1,年产生含水量80%的污泥3 500多万t,随着今后我国的经济发展,污水处理量和污水处理率会不断增加,随之而产生的剩余污泥量也会越来越多. 因此,剩余污泥的处理与处置已成为迫在眉睫的问题.

厌氧消化是一种传统的污泥处理方法,其中,水解过程是限速步骤. 采用适当的预处理可以在较短的时间内将污泥水解,提高污泥厌氧消化效率. 近年来,污泥热碱联合处理法在污泥预处理中得到研究者的广泛关注. 在热碱处理中,碱可以减弱微生物细胞壁对高温的抵抗力,使细胞受热时更容易破裂,从而释放出大量的有机物(如蛋白质、 碳水化合物等). 该方法具有操作简单、 处理时间短等优点,并且能获得比单独碱处理或热处理更好的溶出效果. 研究表明,当热碱处理温度为170℃、 pH值为12时,污泥中SCOD释放量比未经处理污泥增加83%,随后将此污泥进行厌氧消化发现其甲烷产量比未处理污泥提高54%. 在热碱处理过程中污泥的性质会发生改变,以有利于后续的污泥处理. 研究表明,在热碱处理过程中对污泥特性影响较大的因素有温度(20~210℃)、 pH值(7~12.5)、 处理时间(0~60 min)、 污泥浓度(10~40 g ˙L-1)、 加热方式(间接热交换、 直接加热等)、 加碱种类[NaOH、 Ca(OH)2等].

然而,目前污泥热碱处理的研究大多仅限于各单因素(如温度、 pH值等)和双因素(如温度-pH、 温度-时间、 pH-时间等),缺乏多种因素的综合影响研究. 为了考察热碱处理过程中各因素同时作用对污泥特性的综合影响,本研究采用正交试验同时考察不同污泥浓度、 pH、 温度和处理时间的组合条件对污泥特性的影响,并找出热碱处理的最优组合条件.

1 材料与方法

1.1 污泥

试验用泥为北京市某污水处理厂的剩余污泥,该污水处理厂采用活性污泥法处理城市污水. 自二沉池取得污泥后,采用40目筛网过筛,去除污泥中的大颗粒物,重力沉降将污泥浓缩到一定浓度,去上清液后使用. 污泥特性如下:pH 6.9±0.1,总化学需氧量(TCOD)(10 260±120)mg ˙L-1,SCOD(75±20)mg ˙L-1,总悬浮性固体(SS)(14.3±0.2)g ˙L-1,挥发性悬浮性固体(VSS)(9.6±0.2)g ˙L-1. 1.2 正交试验 1.2.1 正交试验设计

选择污泥浓度、 pH、 温度和处理时间4个因素,并取4个水平进行热碱处理正交试验,选择L9(45)正交表,正交试验设计表如表 1所示.


表 1 L9(45)正交试验表


正交试验表中每组试验做3个平行,通过浓缩和稀释调节控制污泥浓度,采用8 mol ˙L-1 NaOH进行pH调节,污泥加热是将装有污泥的水热反应釜(上海岩征)置于不同温度的马弗炉(Nabertherm P330,德国)中完成,加热时间根据设计要求控制. 污泥进行完热碱处理,冷却后进行相关分析. 1.2.2 验证试验

为了验证正交试验得出的单位污泥SCOD随温度和pH的变化趋势,进行如下验证试验:采用8 mol ˙L-1 NaOH分别将污泥pH调节为6.9±0.1、 9.0±0.1、 10±0.1、 11.5±0.1、 12.5±0.1,并稳定5 min. 再将上述5种不同pH值污泥分别置于20、 100、 175及210℃处理60 min,冷却后进行相关分析,各做3组平行试验. 1.3 分析方法

COD采用COD分析仪(HACH D2800,美国)测定. SCOD的测定,首先将样品在4 500 r ˙min-1离心分离10 min,之后用0.45 μm的微孔水系滤膜过滤之后进行测定. 污泥的粒径采用激光粒度分析仪(Malvern Mastersizer 2000,英国)测定,用中值粒径d0.5表示. 分形维数根据激光粒度仪的测量数据按照光散射法计算确定. pH值采用pH计(Sartorius PB-10,德国)测定,SS、 VSS等采用标准方法测定. 每个指标做3个平行,其平均值为检测结果. 2 结果与讨论 2.1 不同热碱预处理条件对污泥融胞的影响

热碱处理会破坏污泥的絮体和微生物细胞,从而导致细胞间胞外聚合物和细胞内有机物被释放[18]. 污泥的融胞作用可以用溶解性有机物(SCOD)的释放来表示,按正交设计表(表 1)进行热碱处理后,单位污泥SCOD的变化见表 2,其极差及方差分析见表 3. 从中可知,极差大小为:pH>温度>时间>污泥浓度. 结合方差分析结果可知,这4个因素对污泥释放SCOD影响的显著性为pH值是高度显著,温度和处理时间是显著,污泥浓度是不显著. 因此,这4个因素对污泥释放SCOD影响的显著性顺序为:pH>温度>时间>污泥浓度.


表 2 正交试验结果


表 3 污泥SCOD正交试验极差及方差分析 1)

根据试验结果,可以得到单位污泥SCOD随4个因素的变化(图 1). 从图 1中可知,单位污泥SCOD随pH的升高或处理时间的延长而升高,此变化趋势与文献一致. 单位污泥SCOD随温度的升高呈先升高后降低的变化:当温度低于175℃时,SCOD随温度升高而增加,而当温度高于175℃时,SCOD值随温度的升高反而降低. Neyens等[20]研究表明:污泥在175℃条件下热处理60 min后微生物细胞被破坏,从而释放出大量SCOD,但当热处理温度高于175℃会限制污泥释放SCOD. 此外,随着污泥浓度升高,单位污泥SCOD有一定增加,但增加幅度不如其它3个因素. 图 1表明,在本试验条件下,4个因素对热碱处理释放单位污泥SCOD的最佳组合条件为:污泥浓度36.55 g ˙L-1、 pH 12.5、 温度175℃和处理时间60 min.


图 1 污泥SCOD随各因素的变化

在热碱处理过程中pH和温度对污泥释放SCOD的影响是高度显著,为了进一步验证SCOD随温度和pH的变化趋势,进行了验证试验,试验结果见图 2.


图 2 热碱处理对污泥SCOD的影响

从图 2可以看出,SCOD随pH升高而升高,当温度低于175℃时,SCOD随温度升高而增加,但当温度高于175℃时,SCOD值随温度的升高而降低,这个结果与前面结果一致. Dwyer等研究表明,高温处理下污泥中还原糖的醛基和氨基酸中的氨基会发生美拉德反应,生成难降解的褐色多聚氮. 210℃时污泥的胞内物质多糖被大量释放并在高温下生成大量褐色难降解物质,从而导致单位污泥SCOD在210℃低于175℃. 2.2 不同热碱预处理条件对污泥浓度的影响

热碱预处理后,污泥中部分不溶性物质转化为溶解性物质,使污泥浓度降低. 按正交设计表(表 1)进行热碱处理后污泥的SS和VSS减少率如表 2所示,其极差及方差分析见表 4. 从中可知,污泥SS和VSS减少率的极差大小均为:pH>温度>时间>污泥浓度. 结合方差分析结果可知,这4个因素对污泥SS和VSS影响的显著性均为pH值、 温度和处理时间是显著,污泥浓度是不显著. 因此,这 4个因素对污泥SS和VSS影响的显著性顺序为:pH>温度>时间>污泥浓度.


表 4 污泥SS、 VSS正交试验极差及方差分析 1)

根据表 2中的试验结果,可以得到污泥SS、 VSS减少率随4个因素的变化(图 3). 从图 3中可知,SS、 VSS减少率随处理时间延长和污泥浓度升高而升高,但随污泥浓度的增加幅度小,这一变化规律与文献一致. 此外,SS、 VSS减少率随温度的升高呈先升高后降低的趋势,此趋势与文献一致. 但是,SS、 VSS减少率却随pH的升高呈先降低后升高的趋势. 图 3表明,在本试验条件下,4个因素对热碱处理降低SS、 VSS的最佳组合条件为:污泥浓度36.55 g ˙L-1、 pH 12.5、 温度175℃和处理时间60 min. 对比单位污泥SCOD和污泥浓度(SS和VSS)的变化(表 2、 图 1和图 3)可知,4个因素对3个参数的影响相似,这主要是由于污泥SCOD的释放来源于污泥絮体和微生物细胞的破裂、 融胞所释放的有机物,有机物释放会使一部分不溶性物质转化为溶解性物质,从而降低污泥浓度.




图 3 污泥SS、 VSS减少率随各因素的变化

2.3 不同热碱处理条件对污泥形态特征的影响

热碱处理能破坏污泥絮体结构,改变污泥表观形态,减小污泥粒径,并提高污泥的ξ电位,从而影响污泥的形态特征. 污泥形态特征可以用粒径和分形维数表示. 分形维数是一个很重要的参数,它影响了絮体的密度,分形维数的提高说明污泥絮体由松散型向致密型过渡. 采用激光粒度仪测定污泥粒径,并根据光散射法计算污泥絮体的分形维数,试验结果如表 2所示,其极差及方差分析见表 5. 从中可知,粒径及分形维数的极差大小均为:pH>温度>时间>污泥浓度. 结合方差分析结果可知,这4个因素对污泥粒径的影响是显著的,显著性顺序为:pH>温度>时间>污泥浓度. 而只有pH值对分形维数的影响是显著性的,其它3个因素均不显著.


表 5 污泥粒径及分形维数正交试验极差及方差分析 1)

根据表 2中的试验结果,可以得到污泥粒径及分形维数随4个因素的变化(图 4). 从图 4中可知,粒径和分形维数随温度的升高或处理时间的延长均呈先降低后升高的趋势. 而污泥浓度、 pH值对粒径和分形维数的影响有区别,其中粒径随污泥浓度或pH值的升高均呈先增大后减小的趋势,然而分形维数几乎不受污泥浓度影响,但随pH的升高而降低. 刘金凤等[27]研究表明热碱处理能促使污泥固体溶解和水解,减小污泥粒径和分形维数,提高污泥厌氧消化性能. 因此,粒径和分形维数越小表明污泥热碱处理效果越好. 图 4表明,在本试验条件下,4个因素对热碱处理减小污泥粒径和分形维数的最佳组合条件为:污泥浓度36.55 g ˙L-1、 pH 12.5、 温度175℃和处理时间45 min.


图 4 污泥粒径及分形维数随各因素的变化

3 结论

通过正交试验研究了污泥热碱处理对污水处理厂污泥特性的影响. 结果表明,研究的4个因素—污泥浓度、 pH、 温度和处理时间均会影响污泥特性,这些特性包括SCOD、 污泥浓度、 粒径和分形维数. 4个因素对单位污泥释放SCOD和污泥浓度污泥影响显著性顺序为pH>温度>时间>污泥浓度,最佳组合条件为:污泥浓度36.55 g ˙L-1、 pH 12.5、 温度175℃和处理时间60 min. 而对于粒径和分形维数影响的显著性顺序则为pH>温度>时间>污泥浓度,最佳组合条件为:污泥浓度36.55 g ˙L-1、 pH 12.5、 温度175℃和处理时间45 min.

原标题:热碱处理对污水处理厂污泥特性的影响研究





 
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中国给水排水2024年污水处理厂提标改造(污水处理提质增效)高级研讨会(第八届)邀请函暨征稿启事  同期召开中国给水排水2024年排水管网大会  (水环境综合治理)  同期召开中国给水排水 2024年 海绵城市标准化产业化建设的关键内容 结合项目案例,详细介绍海绵城市建设的目标、技术体系及标准体系,探讨关键技术标准化产业化建设的路径,提出我国海绵城市建设的发展方向。
报告题目:《城镇智慧水务技术指南》   中国给水排水直播平台: 主讲人简介:  简德武,教授级高级工程师,现任中国市政工程中南设计研究总院党委委员、副院长,总院技术委员会副主任委员、信息技术委员会副主 第一轮通知 | 国际水协第18届可持续污泥技术与管理会议 主办单位:国际水协,中国科学院  联合主办单位:《中国给水排水》杂志社 等
技术沙龙 | 先进水技术博览(Part 11) 直播时间:8月19日(周六)上午10:00-12:00 2023-08-19 10:00:00  广东汇祥环境科技有限公司  湛蛟  技术总监  天津万 中国水业院士论坛-中国给水排水直播平台(微信公众号cnww1985):自然—社会水循环与水安全学术研讨会
WaterInsight第7期丨掀浪:高铁酸钾氧化技术的机理新认知及应用 直播时间:2023年8月5日(周六)上午10:00-11:00 2023-08-05 10:00:00 开始 直播:“一泓清水入黄河”之山西省再生水产业化发展专题讲座 直播时间:2023年7月23日(周日 )08:00-12:00 2023-07-23 08:00:00 开始
珊氮自养反硝化深度脱氮技术推介会 直播时间:2023年7月21日(周五) 欧仁环境颠覆性技术:污水厂扩容“加速跑”(原有设施不动,污水处理规模扩容1倍!出水水质达地表水准IV类标准!),推动污水治理提质增效。  诚征全国各地污水厂提标扩容工程需求方(水务集团、BOT公司、设
直播预告|JWPE网络报告:自然系统中难降解污染物去除的物化与生化作用及水回用安全保障 中国给水排水 直播题目: 高排放标准下污水中难降解COD的去除技术     报告人:苏伊士亚洲 技术推广经理 程忠红
WaterTalk|王凯军:未来新水务 一起向未来  For and Beyond Water 中国环境科学学会水处理与回用专业委员会以网络会议形式举办“水与发展纵论”(WaterTalk)系列学术报 5月18日下午 14:00—16:00 直播  题目: 高密度沉淀池技术的迭代更新 主讲人: 程忠红 苏伊士亚洲 技术推广经理  大纲:  高密池技术原理 不同型号高密池的差异和应用区别 高密池与其他
BEST|绿色低碳科技前沿与创新发展--中国工程院院士高翔教授  直播时间:2023年4月30日 14:00—16:00 2023-04-30 14:00:00 开始 日照:“碳”寻乡村振兴“绿色密码”  凤凰网山东    乡村生态宜居,乡村振兴的底色才会更亮。我市坚持乡村建设与后续管护并重,市、区、镇联
BEST论坛讲座报告第十三期(cnwww1985):全球碳预算和未来全球碳循环的不稳定性风险 The global carbon budget and risks of futur 国际水协IWA 3月17日直播:3月17日 国际水协IWA创新项目奖PIA获奖项目介绍分享会 直播时间:2023年3月17日 9:00—11:30 2023-03-17 09:00:00 开始
中国给水排水直播:云中漫步-融合大数据、人工智能及云计算的威立雅智慧水务系统Hubgrade 直播时间:2023年3月15日 中国给水排水直播平台会议通知 | 2023污泥处理处置技术与应用高峰论坛(清华大学王凯军教授团队等)
中国污水千人大会参观项目之一: 云南合续环境科技股份有限公司  海口市西崩潭水质净化中心 中国给水排水 Water Insight直播:刘锐平  清华大学 环境学院 教授 博士生导师—高浓度硝酸盐废水反硝化脱氮过程强化原理与应用 会议时间:2023.1.7(周六)10:00—11:00
智慧水务的工程全生命周期实践分享 直播时间:2023年1月6日 15:00-16:00 对话嘉宾:窦秋萍  华霖富水利环境技术咨询(上海)有限公司  总经理 主持人:李德桥   欧特克软件(中国)有限 苏伊士 直播时间:12月30日14:00-16:00直播题目:污泥处理处置的“因地制宜和因泥制宜” 主讲人:程忠红,苏伊士亚洲  技术推广经理 特邀嘉宾:刘波 中国市政工程西南设计研究总院二院总工 教
苏伊士 直播时间:12月27日14:00-16:00;复杂原水水质下的饮用水解决方案    陈智,苏伊士亚洲,技术推广经理,毕业于香港科技大学土木与环境工程系,熟悉市政及工业的给水及污水处理,对苏伊士 曲久辉  中国工程院院士,美国国家工程院外籍院士,发展中国家科学院院士;清华大学环境学院特聘教授、博士生导师;中国科学院生态环境研究中心研究员
基于模拟仿真的污水处理厂数字化与智慧化:现状与未来 直播时间:2022年12月28日(周三)9:30—12:00 2022城镇溢流污染控制高峰论坛|聚焦雨季溢流污染控制的技术应用与推广 中国给水排水
王爱杰 哈尔滨工业大学教授,国家杰青,长江学者,国家 领军人才:广州大学学术讲座|低碳水质净化技术及实践 直播时间:2022年12月18日 9:30 国际水协会哥本哈根世界水大会成果分享系列网络会议 直播时间:2022年12月15日 20:00—22:00
德国专场直播主题:2022 中国沼气学术年会暨中德沼气合作论坛 2022 中国沼气学术年会暨中德沼气合作论坛德国专场 时间:2022年12月20日  下午 15:00—17:00(北京时间) 2022中国沼气学会学术年会暨第十二届中德沼气合作论坛的主论坛将于12月15日下午2点召开
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