提高剩余污泥厌氧消化过程中沼气产率的预处理技术研究

【摘要】：传统的污泥厌氧消化法存在水解反应速率慢、池体占地面积大、产气率及产气量较低等缺点。本论文通过采用一定的预处理技术，破坏细胞结构，释放有机质，促进污泥的水解速率，从而达到提高污泥厌氧消化沼气产率的目的。在众多污泥预处理技术中，热预处理、热碱预处理及碱预处理是比较有效且具有应用前景的方法。本课题组在前期研究中发现，电化学预处理作为一种新颖的预处理技术手段，对于改善污泥的厌氧消化性能也具有明显的效果。本课题就是在上述背景的基础上提出的，以城市污水处理厂剩余活性污泥为研究对象，分析比较了热预处理、热碱预处理、碱预处理以及电化学预处理对污泥的破解效果，考察了不同预处理技术对污泥后续中温厌氧消化产沼性能的影响，并对各预处理技术促进污泥厌氧消化性能的机理进行了比较分析。主要研究结果如下： （1）不同的预处理技术均能提高污泥的破解程度、促进污泥的水解，但对污泥的破解程度和破解效果有较大差异。通过比较分析污泥预处理前后SCOD、蛋白质、碳水化合物的溶出增长率，发现电化学预处理对剩余污泥的破解效果是最好的，其污泥SCOD溶出增长率达到了38.13。经热预处理、热碱预处理和碱预处理后的污泥ORP值均下降至-300mV左右，而电化学预处理后的污泥ORP值反而上升为28±6mV，说明电化学预处理过程中产生了强氧化性物质。不同预处理后上清液VFAs各组分所占比例不同，电化学预处理后VFAs各组分含量与传统的厌氧消化体系中组分含量的大小规律更为接近。 （2）电化学预处理、热碱预处理、碱预处理和热预处理累积沼气产量与对照处理相比较分别提高了63.38%、52.78%、41.41%、32.07%。通过对累积沼气产量进行阶段性线性拟合分析后发现：在0~5天消化阶段，碱预处理组的日均沼气产率最大，达到了Kalkaline=90.3L/(kgVS·d)；在6~10天内，热碱预处理组产沼气速率是最大的为Kthermal-alkaline=32.8L/(kgVS·d)，热预处理组和电化学预处理组次之，分别为Kthermal=31.3L/(kgVS·d)、Kelectrochemical=26.6L/(kgVS·d)；在11~20天的中期厌氧消化阶段，电化学预处理组日均产沼速率最大，达到Kelectrochemical=25.7L/(kgVS·d)；在21~45天中后期消化阶段，各预处理组日均沼气产率均低于3.0L/(kgVS·d)，产气效率均较低。 （3）电化学预处理组每日产气中甲烷含量高于其他预处理组，最高可达64.9%。不同预处理组对每日产气中CH4/CO2比值的影响不同，电化学预处理组和热碱预处理组的CH4/CO2比值在2.0~2.4之间；而碱预处理组仅为1.5~1.6。 （4）不同预处理后的污泥最终VS去除率分别为：热预处理组43.7%、热碱预处理组46.2%、碱预处理组43.5%、电化学预处理组45.5%，均高于空白对照组的38.9%。通过分析各消化系统累积沼气产量与VS去除率的关系，可知电化学预处理组沼气转化效率和细胞增殖量都是最高的。 （5）通过对厌氧消化过程中污泥及其上清液性质和组分含量变化的分析，可以得到电化学预处理组厌氧消化过程中的pH、ORP、C/N比值及VFAs含量较其他预处理组更有利于产甲烷菌的生长。通过对各指标数据的分析发现，电化学预处理后的污泥中残留有氧化性物质，这些物质在厌氧消化前期对污泥的溶出和水解起到促进作用，从而在整体上提高了污泥的厌氧产沼气效率和有机物的去除效果。 【关键词】：剩余污泥 厌氧消化 产沼气 预处理 电化学
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：X703
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-10
• 目录10-12
• 第一章 绪论12-31
• 1.1 剩余污泥的产生及特性12-13
• 1.1.1 剩余污泥的产生12
• 1.1.2 剩余污泥的特性12-13
• 1.2 污泥的厌氧消化技术13-19
• 1.2.1 厌氧消化的两阶段学说13-14
• 1.2.2 厌氧消化的三阶段学说14
• 1.2.3 厌氧消化的四阶段学说14-15
• 1.2.4 影响污泥厌氧消化产甲烷的因素15-19
• 1.3 污泥厌氧消化产甲烷工艺的研究进展19-20
• 1.3.1 污泥厌氧消化产甲烷的研究现状19-20
• 1.3.2 污泥厌氧消化存在的问题20
• 1.4 污泥厌氧消化预处理技术研究现状与发展动态20-28
• 1.4.1 热预处理法21-22
• 1.4.2 机械预处理法22-24
• 1.4.3 化学预处理法24-27
• 1.4.4 电化学预处理法27-28
• 1.5 课题研究意义与主要内容28-31
• 1.5.1 课题目的与意义28-29
• 1.5.2 研究内容29
• 1.5.3 创新性29-30
• 1.5.4 研究路线30-31
• 第二章 试验材料与分析方法31-37
• 2.1 污泥来源与基本性质31
• 2.2 预处理方法及装置31-33
• 2.2.1 热预处理31
• 2.2.2 热碱预处理31-32
• 2.2.3 碱预处理32
• 2.2.4 电化学预处理32-33
• 2.3 厌氧消化方法及装置33-34
• 2.4 主要分析指标及方法34-36
• 2.5 主要实验仪器与设备36-37
• 第三章 不同预处理技术对污泥性质的影响研究37-45
• 3.1 不同预处理技术对污泥 pH 和 ORP 的影响37-38
• 3.2 不同预处理技术对污泥 COD 的影响38-40
• 3.3 不同预处理对污泥上清液组分含量变化的影响40-43
• 3.3.1 上清液碳水化合物和蛋白质的含量变化40-41
• 3.3.2 上清液 VFAs 的含量变化41-43
• 3.4 本章小结43-45
• 第四章 不同预处理技术对剩余污泥厌氧沼气产率的影响45-59
• 4.1 不同预处理对沼气产量的影响45-52
• 4.1.1 不同预处理技术对累积沼气产量的影响45-46
• 4.1.2 不同预处理技术对日沼气产量的影响46-47
• 4.1.3 不同预处理技术对日均产沼速率的影响47-52
• 4.2 不同预处理技术对 CH_4含量的影响52-54
• 4.2.1 CH_4的含量变化52-53
• 4.2.2 CH_4/CO_2比值变化53-54
• 4.3 不同预处理技术对有机物去除效果的影响54-57
• 4.3.1 VS 去除率的变化54-56
• 4.3.2 VS 去除率与累积沼气产量的关系56-57
• 4.4 本章小结57-59
• 第五章 不同预处理技术促进剩余污泥厌氧消化机理研究59-73
• 5.1 厌氧消化过程中 pH 的变化59-60
• 5.2 厌氧消化过程中 ORP 的变化60-61
• 5.3 上清液中 SCOD 含量的变化61-63
• 5.4 上清液总氮的含量变化63-66
• 5.4.1 STN 含量的变化63-64
• 5.4.2 C/N 比值变化的分析64-66
• 5.5 上清液 STP 和正磷酸盐的含量变化66-68
• 5.5.1 STP 含量的变化66-67
• 5.5.2 正磷酸盐含量的变化67
• 5.5.3 Ortho-P/STP 比值变化的分析67-68
• 5.6 厌氧消化过程中 VFAs 含量的变化68-70
• 5.7 本章小结70-73
• 第六章 结论与建议73-75
• 6.1 结论73-74
• 6.2 问题与建议74-75
• 参考文献75-84
• 致谢84-85
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文85

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