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影响污泥厌氧消化的因素探析及预处理技术介绍

  导语:

  污泥是由多种微生物形成的菌胶团的集合体,含有大量极易腐败的有机物,据统计,2015年我国污泥生成量已达到3015.9万吨,预计到2020年将突破6000万吨。污泥产量增长的同时亦带来了严峻的环境污染压力。因此如何减少污泥污染并且有效利用这类生物质能源对实现环境和经济的可持续发展具有重要意义。
 
  一、污泥厌氧消化技术概述
 
  目前污泥的主要处理处置工艺有厌氧消化、好氧堆肥、干化焚烧、石灰稳定、深度脱水等。污泥处置技术虽然呈多样化的形式,但大多是基于使污泥达到减量化、无害化和稳定化的目的。因此,在达到这些目的同时,如何结合社会效益、经济效益和环保效益最大化地利用污泥中的有机质,是今后污泥处理处置技术发展所需考虑的重点方向。
 
  其中,污泥厌氧消化产沼气作为污泥处置的重要技术,不仅能够解决生成量见长的污泥所造成的环境问题,而且能够缓解当前日益紧张的能源供需矛盾。早在“十一五”起,国家已提出厌氧发酵产沼气作为污泥处理的重要工艺技术,并鼓励广泛推广。
 
  但是,污泥厌氧消化的投资高、处理技术较复杂、启动和处理的时间长,特别是我国北方地区由于温度低,对污泥厌氧消化系统的运行管理提出了更高的要求,因此一定程度上限制了污泥厌氧消化法的使用。因此如何充分发挥污泥厌氧消化的优势,解决污泥厌氧消化的问题,提高污泥消化速率,走污泥的资源化利用之路,是今后发展污泥厌氧消化处理的重中之重。
 
  二、污泥厌氧消化的原理
 
  污泥厌氧发酵产沼气是指利用厌氧菌对污泥进行发酵,使污泥中富含的蛋白质、碳水化合物、脂类等大分子有机质逐级降解为甲烷、二氧化碳等小分子物质的过程。目前厌氧消化较为公认模式为三阶段理论,第一阶段为水解发酵阶段,第二阶段为产氢产乙酸阶段,第三阶段为产甲烷阶段。
 
  在第一阶段,污泥中的一些结构复杂的有机物被分解成简单的有机物,如一些脂类的物质会被转化成脂肪酸和甘油,一些蛋白质分子会被转化成氨基酸,一些纤维素类物质也会被水解成糖类等,然后产酸菌会通过厌氧发酵和氧化等过程把这些简单的有机物进一步的转化成醇类和脂肪酸类如甲酸、乙酸、丙酸等;
 
  在第二阶段,产氢产乙酸菌会把水解阶段产生的中间产物,如醇类和丙酸、丁酸等脂肪酸类简单有机物(甲烷、甲醇、乙酸除外)转化乙酸和氢并且会有二氧化碳放出;
 
  在第三阶段,产甲烷菌会将前两个阶段产生的乙酸、氢气及二氧化碳等小分子物质转化为甲烷。
 
  三、污泥厌氧消化的影响因素
 
  一般而言,影响污泥厌氧消化的因素主要包括以下四点:
 
  1.温度。温度是厌氧发酵过程主要影响因素,适宜的温度能使污泥中有机物充分分解,增加产气量。根据温度的高低可分为常温消化(10-30℃ )、中温消化(30-35℃左右)和高温消化(50-55℃左右)。目前的消化系统温度一般在35℃左右,属于中温消解,在此温度下,有机物的反应速率较快,产气量比较多,产生的浮渣量比较少,且反应后污泥混合液固液容易分离。
 
  2.污泥底物营养组成。污泥底物营养主要表现在C/N比值,厌氧细菌所需要的营养物质是由投配污泥提供的,是衡量营养配比的最重要的指标,C/N太高,细菌所需要的氮含量不足,消化液的缓冲能力就会降低,pH值就会下降;C/N太低,氮含量过多,pH值就会升高,从而抑制消化过程,则容易造成系统中氨氮浓度过高,出现氨中毒。
 
  3.pH值。水解过程与发酵菌及产氢产乙酸菌对pH值的适应范围大致为5-6.5,而对产甲烷菌的pH值的适应范围为6.6-7.5。如果超出厌氧微生物生长繁殖适宜的pH值范围,进而影响微生物细胞内的生物化学过程。
 
  其他影响因素,如搅拌,其目的是使消化池内的新旧污泥混合均匀,同时避免污泥结壳,使消化产物及时分离,从而提高消化效率、增加产气量。另外则是污泥龄与投配率则表现在污泥在消化池内的停留时间,投配率是指每天投入的新污泥占消化池有效体积的比例,投配率高,消化速度慢,则会造成产气量下降,所以需根据基建面积和含水率适量投配。
 
  四、污泥厌氧消化技术预处理方式
 
  在污泥厌氧消化过程中,可以通过采用一定的预处理技术,例如破坏细胞结构,释放有机质,促进污泥的水解速率,从而改善污泥厌氧消化性能,使污泥厌氧消化技术的经济性和可用性不断得到提高。
 
  1.高压喷射预处理技术
 
  利用高压泵,循环喷射污泥至一个固定的碰撞盘上,在这个过程中产生的机械力可以将污泥当中微生物的细胞结构
 
  给予破坏,释放细胞当中的物质,使污泥中蛋白质含量得到提高,促进水解。利用3MPa高压喷射预处理的污泥,经过厌氧消化,污泥挥发性固体的去除率明显获得提高,可以达到13%-50%,这就说明利用高压喷射方法可以促进污泥厌氧消化的进行。
 
  2.超声波预处理技术
 
  利用超声波处理法、破碎细胞超声波技术实施污泥的预处理。主要是破坏微生物细胞的细胞壁,可以释放细胞的有机质,促进污泥水解和消化。通过实验可以明确,利用低频超声波可以获得最有效地机械力,超声波处理污泥的时间要控制在30分钟以内,因为随着处理时间的增加,污泥产气量也会由此增加。超声波技术不会产生污染,同时分解速度非常快,可以在极短的时间内释放细胞中的物质,但是固体水解效果却比较差,此外各种液体参数和超声波设备会直接影响到超声波的作用,因此在大规模工程中仍旧无法普及应用。
 
  3.热处理技术
 
  热处理法主要就是利用加热的方式,使污泥当中部分细胞体受热膨胀,最后破裂,释放出蛋白质和胶质等,随后在高温影响下,通过受热水解、溶化,形成氨氮、挥发酸、碳水化合物等,这样可以促进污泥厌氧消化。通过大量的试验,可以得知污泥水解热处理最佳的温度范围为165℃-180℃。
 
  4.碱处理法
 
  在常温条件下,通过加碱的方式,促进污泥溶解自身一些纤维成分。利用碱液预处理,可以有效地溶解污泥中硝化纤维,转化硝化纤维为有机碳化合物,具有可溶性特点。总之,利用碱处理法可以在增污泥中COD和VS的降解率,使其产气量不断增大,同时提高产气中的甲烷含量,使污泥厌氧消化的周期不断明显缩短。
 
  结语:
 
  通过对污泥厌氧消化技术及预处理方式进行探究,在污泥厌氧消化处理过程中,可以通过科学合理的预处理技术,充分发挥污泥厌氧消化的优势,有利于促进污泥厌氧消化技术在我国的应用和普及,发展循环经济、节约能源。
 
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  参考资料:陈传积《污泥厌氧消化技术发展及预处理方式研究》,查湘义《污泥厌氧消化处理技术分析》
 
  


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