高级热水解预处理提高二级污泥中温厌氧消化产甲烷的研究外文翻译资料

 2022-08-08 10:02:33

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高级热水解预处理提高二级污泥中温厌氧消化产甲烷的研究

摘要：关于厌氧消化预处理发展和演变的研究如今正变得越来越广泛，这是由于这些工艺在污水污泥管理中可能带来显著益处。污水处理厂污泥的产生正成为一个极其重要的环境问题。本文介绍的内容是我们过去研究的继续，目的是了解和发展先进的热水解(ATH)工艺。ATH是一种新型的AD预处理方法，在热水解(TH)过程的基础上添加过氧化氢(H2O2)，利用了过氧化/直接蒸汽注入的协同效应。本研究的主要目的是比较TH和ATH在各种操作条件下作为中温厌氧发酵预处理的性能，重点是作为关键参数的甲烷产量的提高及其与污泥溶解的关系。结果显示，在随后的嗜温生物形态发生蛋白(生化甲烷潜力)试验中，与生物形态发生蛋白对照试验(原二级污水污泥)相比，TH和ATH明显提高了甲烷产量。除了其他有趣的结果和讨论之外，自从ATH在温度(115℃），预处理时间(5min)和压力(1bar)大大低于通常在TH (170℃，30min，8bar)，在随后的嗜温BMP测试中设法将甲烷产量[生物降解系数(fB)=累积CH4产量/累积CH4产量(对照)1.51plusmn;0.01]提高到与常规TH预处理非常相似的水平[fB=1.52plusmn;0.03]。

  1. 介绍

污水处理厂产生的污泥量越来越多，促使研究人员和工程师更加关注其管理的特定方面，特别是回收和废物转化为能源的问题。

根据污水污泥厌氧消化领域的文献，两个主要的关注点是有机干固体降解效率的提高和中温厌氧消化过程中甲烷的产生。

尽管如今厌氧发酵被认为是一种经济、环保的技术，是现代WWTP的重要组成部分，但厌氧发酵在高停留时间、有限的产甲烷量和整体有机干固体降解效率(中温厌氧发酵中为30-50%)方面存在一定的局限性。文献中的许多作者认为，这些主要是参与固体水解阶段的微生物低性能的固有后果，例如絮凝物、微生物群落、胞外聚合物(EPS)的聚集体、蛋白质和脂质的难降解化合物以及硬细胞壁的成分(纤维素、半纤维素和木质素)。然而，文献中的其他工作表明，在某些实验条件下，可溶性有机物[可溶性化学需氧量(SCOD)、可溶性碳水化合物和可溶性蛋白质]不会影响生化甲烷势(BMP)。还有人指出，产甲烷菌的缓慢增加是甲烷生产的动力学瓶颈，例如，由于某些化合物的可能抑制作用和/或所需化合物的缺乏。后一种说法在我们之前的工作中已经作为假设提到过了。

传统的中温厌氧发酵产量低[lt;40%的污泥减量和沼气产量(主要是CH4和CO2)]。众所周知，沼气作为一种能源潜力很大(1msup3;CH4=10kWh)。因此，为了开发提高沼气产量、质量和能源使用的技术，正在做出许多努力。事实上，为了提高甲烷产量，一个非常常见的建议是在AD之前实施预处理过程。在文献中可以找到大量关于替代性AD预处理的研究、设计和开发的工作。

一方面，在AD预处理中，热水解(通过从锅炉注入新鲜蒸汽进行加热)在科学和工业领域具有很高的接受度，全世界污水处理厂的全尺寸装置越来越多。在工业规模的最佳TH操作条件上确实存在普遍共识，即170℃，30min和8bar(平衡压力对应于反应器内的饱和蒸汽)。查阅文献可知TH提高AD甲烷产量效果显著 (170℃，30 min，8 bar)。Kepp等人(2000)在研究混合污泥时估计，混合污泥的净发电量将比传统污泥高20%以上。Perez-Elvira等人(2010a)报告说，通过混合污泥试验，该系统的沼气产量比传统系统高出40%。Donoso-Bravo等人(2011)报告称，通过对废弃活性污泥进行测试，该系统的沼气产量比传统系统高出约55%。 Wang and Wang(2005)的结果也与上述结果一致。它的倡导者指出，结合TH和AD的另一个优点是水解过程所需的能量输入是热能，可以通过过程本身的过剩能量来满足，实现能量自给过程。

另一方面，AD的热化学预处理已被广泛研究，并提出作为TH工艺的替代品。其中的例子是碱性热水解。在这一研究领域，最近关于过氧化氢(H2O2)或臭氧(O3)添加和热处理结合的研究也可以在文献中找到。与TH相比，尽管记录了一些有趣的结果，但在随后的AD中，热化学预处理在提高CH４产量方面并没有表现出总体令人满意的效率，这可以在文献中得到验证。从这个意义上讲，目前对污泥热化学预处理和热化学预处理进行比较的著作很少，这一点也得到了作者的证实。此外，它们都没有包括通过从锅炉注入新鲜蒸汽进行加热的实验，也没有对几种运行条件进行详尽的比较研究。

此外，在我们以前的工作中，报道和研究了另一种热化学替代钍工艺的方法。这种被称为高级热水解(ATH)的新方法利用了过氧化作用和直接蒸汽注入的协同效应，不使用催化剂，并旨在比其他热或热化学预处理条件更为宽松的条件下运行。在这些工作中，ATH过程被证明具有高效率，产生了相当好的结果。ATH对二级污水污泥的增溶产生了很高的增强作用在温度(T =115℃)并且反应时间(t lt; 30min)不像TH过程中常用的那样剧烈(170℃，30min)。

本研究的目的是比较TH和ATH作为中亲水AD预处理的性能，并强调提高甲烷产量是水研究的关键参数。本研究的目的是比较TH和ATH作为中温厌氧发酵预处理剂的性能，重点是提高甲烷产量作为水研究的关键参数。作为我们之前工作结论的一部分，建议需要进行进一步研究，以评估通过ATH工艺溶解的污泥的AD是否会产生至少与常规操作条件下(T= 170℃，t =30min)。根据该工作的建议，本研究在以下条件下运行ATH过程：

a .条件尽可能温和：nisin; [0.01，0.3]，T isin; [90，135]℃，t lt; 30 min。

b .涉及高温的条件（Tisin; [150，170]℃），低H2O 2含量n isin;[0.01，0.2]，t lt; 30min）。

其中，n为供氧量/氧化学计量，即氧化剂系数。

  1. 材料和方法
    1. 污泥预处理:热水解和高级热水解

使用的流入污泥是来自瓦拉杜利德足球俱乐部(西班牙)当地WWTP的二级污水污泥。它是部分增稠的，其特征：总固体(TS)=19.05plusmn;1.21g/L，挥发性固体(VS)=13.99plusmn;1.05g/L，总化学需氧量(TCOD)=20 593plusmn;2513mg/L，可溶性化学需氧量(SCOD)=807plusmn;286mg/L，总有机碳(TOC)=6350plusmn;324mg/L，氨（NH4 -N)=198plusmn;21mgNH4-N/L，凯氏氮总量(TKN) =1467plusmn;82毫克/升，PH=6.98plusmn;0.17，挥发性脂肪酸总量(VFA)浓度=89plusmn;34mgVFA/L。

TH和ATH实验均采用485 mL污泥样品在热水解实验室样机中进行，其主要部件包括一个蒸汽发生器、一个1.5 L不锈钢压力容器和一个6 L闪蒸罐。在每次ATH测试开始时，该设备允许单次注射H2O2(氧化剂，33% w/v水溶液)。在TH和ATH实验结束时，将反应物适度减压进入闪蒸槽。关于预处理系统的进一步信息和实验过程的描述可以在Abelleira等人(2012a,b)中找到。然后对原污泥和各预处理出水进行了中温间歇试验。

在这项工作中，在设计TH和ATH试验的试验计划时，考虑了Abelleira等人(2012a)给出的建议。表1总结了进行TH和ATH试验的实验条件。

    1. 厌氧生物降解性批量试验

在生化甲烷电位（BMP）测定中，对预处理（TH和ATH）产生的每种废水和原污泥进行评估，以确定特定的甲烷和二氧化碳产量。在恒温室内(35plusmn;0.6 ℃)使用血清瓶(容量为160 mL，用红色丁基橡胶塞密封)进行BMP检测，持续28天，使用机械式振动筛不断混合。它们被接种于一个中试规模的中温厌氧消化池中的厌氧消化污泥。接种剂的制备是按照Valladolid大学采用的方法进行的，该方法在许多其他文献著作中都有应用。预孵育3天(35plusmn;0.6℃)，以尽量减少残余可生物降解有机物的含量。培养液的特点是：总固体(TS)=26.34plusmn;2.52 g / L，挥发性固体(VS)=13.93plusmn;0.79 g / L，总化学需氧量(TCOD）=20759plusmn;1951 mgO2 / L，可溶性化学需氧量(SCOD)=2456plusmn;228 mgO2 / L，总有机碳(TOC)=8664plusmn;687C/ L，氨(NH4-N)=1664plusmn;61 mgNH4eN/L，总凯氏氮(TKN)=2686plusmn;215 mgN/L, pH=7.40plusmn;0.16,VFA=1447plusmn;166 mgVFA/L。按照Neves等人(2004)和Angelidaki等人(2009)的建议，饲喂/接种比F/I=0.5 gVS/gVS，血清瓶中的液体体积为100 mL(顶空体积=60 mL)。所有的测试都是一式三份，试验和消化试验分为三组(表1)，每组分别进行空白消化试验(接种剂 水)，以校正接种剂产生的沼气。以原污泥为饲料进行对照消化试验，分别进行TH和ATH试验。

定期(第一周1-3天，之后4-7天)测量每个反应堆顶部空间的气体压力和组成。使用手动压力变送器(IFM-PN5007，范围1bar)。在每次压力测量后，采集沼气样品，并将顶部空间降压至大气压力。利用国际纯粹应用化学联合会(IUPAC)定义的标准条件下的理想气体定律(P=1 bar和t=0℃)，这些压力增量转化为沼气体积。用气相色谱法测定了生物气的组成[CO2(%)， CH4(%)， H2S(%)]。CP3800气相色谱仪(以热导检测器，氦气为载气)。甲烷(CH4)和沼气(CO2 CH4)产量表示为在原料或预处理样品厌氧消化(mLCH4/gVSfed或 mL biogas /gVSfed)之前，每VS质量产生的CH4或CO2 CH4的体积。生物降解系数按式(1)计算，目的是比较不同控制BMP实验的产甲烷性能：

fB= (1)

    1. 分析方法

本研究采用了一套标准的分析方法，以表征原二级污水污泥、预处理污泥和接种量[TS,VS, TCOD, SCOD, TOC, NH4-N,TKN,PH]。用燃烧-红外法测定了岛津TOC-SM5000A仪器，可以在不预处理或稀释的情况下测定污泥样品的TOC(此外，通过温和的搅拌保证了所有样品的均匀性)。溶解性有机碳(DOC)分析在本工作中没有进行。采用闭合回流比色法测定TCOD和SCOD。将样品离心(5000 rpm, 5min)，用玻璃纤维过滤器(AP40)过滤上清，测定SCOD。

采用式(2)计算污泥崩解度(DD)，由该值可以直接确定经此过程溶解的颗粒物质相对于初始不溶部分的比例。

DD（％）= *100 （2）

其中SCOD为出水污泥的可溶性COD, SCOD0为原污泥的可溶性COD,TCOD0为原污泥的总COD。

氨(NH4-N)采用蒸馏法(标准法4500-NH3B)和滴定法(标准法4500-NH3C)测定。用蒸馏法(标准方法4500-NorgB)测定总凯氏氮(TKN)。

除了这些分析之外，可溶相的碱度(作为SCOD的评估而获得)通过滴定至pH 5.75而被评估为部分碱度(PA=碳酸氢盐碱度)，通过使用GLP 22克里森酸度计滴定至p

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