碱和超声波预处理技术促进污泥厌氧消化效能及机理研究

摘要

针对传统污泥厌氧消化反应速率慢、消化时间长、池体体积庞大、生物气中甲烷含量低等问题，采用强化预处理的技术研究其对污泥厌氧消化的促进作用。本文分析比较了单独超声波、单独碱解以及碱和超声联合应用对污泥的破解效果；考察了污泥经超声波和碱联合作用后对厌氧消化性能的影响，初步探讨了污泥预处理对厌氧消化反应的促进机理，并在莫诺方程的基础上，建立了预处理污泥厌氧消化反应过程的动力学方程。主要研究成果如下： 碱和超声波的组合方式对污泥的破解效果明显优于超声波和碱的单独处理，其不但可以提高污泥的水解速率，而且可以减少碱的投加量，缩短超声破解的时间。由SCOD随破解时间的变化曲线可知，各种预处理方式对污泥的水解过程可以分为快速水解和慢速水解两个阶段。对快速水解阶段进行动力学分析可知，碱和超声波同时作用的预处理方式获得的水解速率最高，为130.3 mg SCOD/（L·min）。 污泥经碱和超声波同时作用后进行厌氧消化，其生物气产量、有机物去除率、固体削减率均较控制组有显著提高，并且在维持同样的污泥产气率和有机物去除率的条件下，碱和超声波的预处理作用可使厌氧消化反应的污泥停留时间由一般的20d缩短到8d。预处理污泥在停留时间为8d时，生物气产量为控制组（污泥停留时间为20d）的2.6倍，VS和TCOD的去除率也分别较控制组（20d）提高了22.87％和14.38％。 对预处理污泥在厌氧消化中的水解率、产酸率和产甲烷率进行研究得到：与控制组相比，碱和超声预处理可以提高污泥厌氧消化的水解率、产酸率和产甲烷率。预处理污泥在停留时间为8d时，其水解率、产酸率和产甲烷率分别较控制组（20d）提高了82.38％、76.47％和86.54％。对于原污泥的消化反应，水解阶段始终是整个厌氧消化过程的限速步骤：对于预处理污泥的消化反应，当污泥停留时间大于等于8d时，水解反应是整个厌氧消化过程的限速步骤；当污泥停留时间小于5d时，有机物的水解率和产酸率远大于其产甲烷率，因此，产甲烷反应是整个厌氧消化的限速步骤。 通过对污泥上清液中有机物的成分组成分析和消化系统中产甲烷活性的测定得到预处理促进污泥厌氧消化性能的机理为：碱和超声的共同作用使污泥中的有机物能快速的由固相进入液相，污泥在破解预处理过程中的溶解速率远远高于其自溶速率，有机物的利用率较控制组得到显著提高。与污泥中溶解性有机物的量相对应，预处理污泥在消化反应中生成的有机酸量较控制组也有显著提高，并且当污泥停留时间大于等于8d时，这些生成的有机酸能够迅速被降解转化。当反应器经过预处理的污泥培养驯化后，其消化污泥的产甲烷活性较控制组有显著提高，并且在较短的污泥停留时间下还可以保持较高的产甲烷活性。采用一级动力学方程对消化反应中有机物的降解进行动力学分析可知，碱和超声波预处理可使反应的K值提高89.58％（以TCOD计算），从而加快了有机物的降解速度，使污泥厌氧消化的性能得到提高。 在莫诺方程的基础上，结合微生物增殖和底物降解的规律，根据微生物和底物的物料衡算方程，得出反应器厌氧消化动力学的四个基本参数为：YG=0.0726，b=0.0413d-1，K=-9.65和k0=0.025，在这四个参数的基础上得到的预处理污泥厌氧消化系统的动力学方程式。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 有机物厌氧生物降解的基本过程

1.2.1 水解阶段

1.2.2 发酵阶段

1.2.3 产乙酸阶段

1.2.4产甲烷阶段

1.3 对污泥厌氧消化过程强化处理的新认识

1.3.1 污泥厌氧消化中存在的问题

1.3.2 影响有机物水解过程的因素

1.4 污泥厌氧消化强化技术

1.5 碱解和超声波技术在污泥处理中的研究现状

1.5.1 超声波技术与污泥处理

1.5.2碱解技术与污泥处理

1.5.3 碱和超声的联合应用

1.6 研究的目的及主要内容

1.6.1 试验目的

1.6.2 研究内容

第二章 试验装置与试验方法

2.1 污泥来源

2.2 试验装置

2.2.1 超声波反应器

2.2.2 动态厌氧消化试验装置

2.2.3 静态厌氧消化试验装置

2.3 试验方法

2.3.1 超声波破解污泥的方法

2.3.2 污泥碱解的方法

2.3.3 厌氧消化反应的动态试验方法

2.3.4 厌氧消化反应的静态试验方法

2.3.5 污泥产甲烷活性试验方法

2.4 分析项目与测定方法

第三章 污泥超声破解和碱解预处理的效果研究

3.1 污泥特性

3.2 单频探头式和多频槽式超声波反应器对污泥破解效果的比较

3.2.1 单频探头式超声波反应器对污泥的破解效果

3.2.2 多频槽式超声波反应器对污泥的破解效果

3.2.3 两种模式的超声波反应器对污泥破解效果的比较

3.3 碱解预处理对污泥固体破解及减量化的影响

3.3.1 固体性物质的碱解作用效果

3.3.2 污泥中有机组分的碱溶效果

3.3.3 碱处理过程中碱的消耗

3.3.4 污泥浓度对碱处理效果的影响

3.3.5 污泥碱解的动力学分析

3.3.6 碱解处理对污泥厌氧消化产气的影响

3.4 碱和超声波的组合应用

3.4.1 先碱解后超声对污泥破解效果的影响

3.4.2 碱和超声同时作用对污泥破解效果的影响

3.5 几种预处理方式对污泥破解效果的比较

3.5.1 几种预处理方式对污泥水解速率的比较

3.5.2 种预处理方式对污泥VS和VSS去除的比较

3.6 本章小结

第四章 碱和超声破解预处理促进污泥厌氧消化试验研究

4.1 试验材料

4.1.1 污泥来源

4.1.2 污泥的碱和超声波预处理

4.2 碱和超声波预处理对污泥厌氧消化性能的影响

4.2.1 污泥预处理对厌氧消化气体产量的影响

4.2.2 污泥预处理对厌氧消化中有机物去除的影响

4.2.3 污泥预处理对厌氧消化中固体有机物去除的影响

4.2.4 污泥预处理对厌氧消化甲烷转化率的影响

4.2.5 污泥预处理对厌氧消化系统中酸碱性的影响

4.3 本章小结

第五章 碱和超声预处理对污泥厌氧消化促进机理的探讨

5.1 动态试验中污泥预处理对厌氧消化反应中有机物组分的影响

5.1.1 对SCOD的影响

5.1.2 对污泥上清液中蛋白质和碳水化合物的影响

5.2 污泥厌氧消化静态试验中上清液成分组成分析

5.2.1 上清液中蛋白质的变化

5.2.2上清液中碳水化合物的变化

5.2.3 上清液中VFA的变化

5.3 碱和超声波预处理对污泥厌氧消化中水解、产酸和产甲烷率的影响

5.3.1 有机物的水解率、产酸率和产甲烷率的计算方法

5.3.2 污泥预处理对总有机物的水解、产酸和产甲烷率的影响

5.3.3 污泥预处理对蛋白质水解率和产酸率的影响

5.3.4 污泥预处理对碳水化合物的水解率和产酸率的影响

5.4 碱和超声预处理对污泥产甲烷菌活性的影响

5.5 污泥中有机物降解的动力学分析

5.6 本章小结

第六章 污泥厌氧消化系统动力学模型的建立

6.1 微生物增殖速率与底物消耗速率的关系

6.2 剩余污泥厌氧消化反应器动力学模型的建立

6.3 动力学模型参数的确定

6.4 本章小结

第七章 结论与建议

7.1 结论

7.2 论文创新点

7.2 问题与建议

参考文献

发表论文和科研情况说明

致 谢