促进污泥厌氧消化产沼气技术研究

【摘要】：在我国城市污水厂污泥急剧增加和能源日益紧缺的背景下,厌氧消化产沼成为污水厂污泥快速稳定化和资源化的一个重要方法。但由于污泥中细胞壁的阻碍作用和产甲烷菌对条件的苛刻要求等原因,使得常规厌氧消化过程沼气转化率较低。因此,本文针对以上两个问题,开展了污泥厌氧消化热碱预处理、生物添加剂强化厌氧产甲烷和优化厌氧消化工艺参数等一系列厌氧消化促进技术研究,从而为污泥的厌氧消化的工程化应用提供了技术储备和理论指导。主要的研究结论包括: (1)采用单因素实验和正交实验相结合的方式,考察了污泥热碱预处理过程不同参数(温度、pH、反应时间)以及热处理和pH调节对污泥细胞溶出过程的影响效果。结果表明:污泥溶解性化学需氧量(SCOD)与反应温度、溶液pH、反应时间成正相关,其中pH对SCOD的影响最大,反应时间对其影响最小。污泥溶胞的最优条件:反应温度120℃,pH=11,反应时间为15min,在此条件下,污泥上清液SCOD可达14810 mg/L,与总化学需氧量(TCOD)之比为49.29%,总有机碳(TOC)达4560 mg/L,总氮(TN)则增加27%,总悬浮固体(TSS)和挥发性悬浮固体(VSS)去除率分别达22.85%和40.93%。上清液分子量分布(MWD)结果显示:热碱处理后污泥中1000KDa MW物质含量随pH和温度的增加而增加,当pH=11时,该部分物质可从原污泥的20.94%增加到31.70%;当温度为120℃时,该部分物质可达49.83%。 污泥在优化条件下热碱预处理后,进行厌氧消化实验,其单位VSS污泥累积产甲烷量达到166.23mL/g-VSS,较原泥130.01 mL/g-VSS增加了27.86%。同时,热碱处理后污泥产气中最大甲烷含量为68.14%,相对原泥的最大甲烷含量64.18%,提前6天出现,从而有效促进了污泥的厌氧产沼速率和产量。 (2)考察了不同微生物活性促进剂:还原型辅酶Ⅱ(NADPH)、乙酰辅酶A(Acetyl Coenzyme A)、对氨基苯甲酸(Para-aminobenzonic)、十二烷基硫酸钠(SDS)和十六烷基三甲基氯化铵(1631)对污泥的厌氧产沼过程的影响。研究发现:还原型辅酶Ⅱ的促进效果最为显著,产甲烷量高于对照组15.90%。在含固率为3%、35℃和300mL中的污泥厌氧反应体系中,NADPH添加量为50mg/L时厌氧促进效果最佳,在实验周期里,其累积产甲烷量为127.13mL/g-VSS,相比对照114.40mL/g-VSS,增加了11.12%。 通过综合比较各种厌氧工况下污泥单位VSS产甲烷量、产气速率、甲烷含量、SCOD变化、pH变化和VSS去除率得出,当初始pH值为碱性(pH=8.5)、温度(55℃)和含固率为3%时,其单位VSS厌氧产气效果最佳。 (3)最后,发展了基于水解为限速步骤的污泥厌氧降解产气动力学模型,并求解出该模型的动力学参数有机质产气转化率和水解速率常数kh。结合各工况下的实际厌氧产气情况,拟合产气动力学模型方程,根据模型方程中参数的大小验证各工况下的厌氧产气效果。通过综合比较不同添加量下的动力学模型发现:添加量为50mg/L时的和kh均最大,分别为223.978mL/g-VSS和0.14218d~(-1)。同时,各工况下多组数据的比较表明:以产气量来表征水解程度、运用一级水解动力学模型来近似反应厌氧动力学过程具有合理性和可行性。通过污泥中各有机组分水解程度分析,计算出厌氧甲烷产量203.40mL/g-VSS,总产气量403.64mL/g-VSS。 【关键词】：污泥 厌氧消化 热碱处理 NADPH 甲烷量 动力学模型
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：X703
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-27
• 1.1 污泥特性9-10
• 1.2 污泥处理处置现有标准10-11
• 1.3 污泥常用稳定化技术11-13
• 1.4 污泥厌氧消化的机理及其技术分析13-17
• 1.4.1 厌氧消化两阶段理论13-14
• 1.4.2 厌氧消化三阶段理论14-16
• 1.4.3 颗粒性物质厌氧消化过程16-17
• 1.5 污泥厌氧消化的影响因素17-19
• 1.6 厌氧促进剂介绍19-21
• 1.7 常见的污泥破解预处理21-24
• 1.8 课题提出、研究内容及技术路线24-27
• 1.8.1 课题提出24-25
• 1.8.2 课题的研究内容及技术路线25-27
• 第二章 实验装置与研究方法27-31
• 2.1 实验污泥来源27
• 2.2 实验方法与装置27-29
• 2.3 主要分析指标及分析方法29-30
• 2.3.1 污泥含水率29
• 2.3.2 污泥的VSS（挥发性悬浮固体含量）与VSS 去除率29
• 2.3.3 SCOD（污泥上清液的COD 值）29
• 2.3.4 甲烷含量29-30
• 2.3.5 分子量分布（MWD）30
• 2.3.6 其他指标及分析方法30
• 2.4 实验仪器与设备30-31
• 第三章 污泥热碱预处理研究31-44
• 3.1 热碱预处理不同工艺参数下对污泥破壁效果的影响31-36
• 3.1.1 反应时间对污泥溶出液各物质的影响31-32
• 3.1.2 反应温度对污泥溶出液SCOD 的影响32-34
• 3.1.3 反应pH 对污泥溶出液SCOD 的影响34-36
• 3.2 污泥溶出液中MWD 的变化情况36-39
• 3.2.1 不同反应时间下污泥溶出液的MWD36-37
• 3.2.2 不同反应温度下污泥溶出液的MWD37-38
• 3.2.3 不同pH 条件下污泥溶出液的MWD38-39
• 3.3 污泥溶胞过程的参数优化39-41
• 3.4 热处理后厌氧消化实验41-42
• 3.5 本章小结42-44
• 第四章 污泥厌氧产沼气促进剂研究44-68
• 4.1 污泥厌氧产沼气促进剂筛选44-46
• 4.2 最大比产甲烷速率U_(max)·CH_446-48
• 4.3 添加不同NADPH 添加量对污泥产甲烷效果的影响48-54
• 4.3.1 不同NADPH 添加量对产甲烷量的影响48-51
• 4.3.2 不同NADPH 添加量对SCOD 变化的影响51-52
• 4.3.3 不同NADPH 添加量下pH 的影响52-53
• 4.3.4 不同NADPH 添加量下VSS 的影响53-54
• 4.4 初始pH 值对污泥产甲烷效果的影响54-59
• 4.4.1 不同初始pH 值对产甲烷量的影响55-57
• 4.4.2 不同初始pH 值对SCOD 的影响57-58
• 4.4.3 不同初始pH 值对厌氧过程中pH 值的影响58
• 4.4.4 不同初始pH 值对VSS 的影响58-59
• 4.5 不同温度对污泥产甲烷效果的影响59-62
• 4.5.1 不同温度对产甲烷量的影响59-61
• 4.5.2 不同温度对SCOD 的影响61
• 4.5.3 不同温度对pH 值的影响61-62
• 4.5.4 不同温度对VSS 的影响62
• 4.6 不同含固率对污泥产甲烷效果的影响62-67
• 4.6.1 不同含固率对产甲烷量的影响63-65
• 4.6.2 不同含固率对SCOD 的影响65
• 4.6.3 不同含固率对pH 值的影响65-66
• 4.6.4 不同含固率对VSS 的影响66-67
• 4.7 本章小结67-68
• 第五章 污泥厌氧消化产气动力学模型68-77
• 5.1 厌氧发酵的微生物动力学原理68-69
• 5.2 建立模型的基本假设69-70
• 5.3 动力学模型的建立70-71
• 5.4 各工况下动力学参数的求解71-74
• 5.5 动力学模型的理论计算74-77
• 第六章 结论与建议77-80
• 6.1 结论77-79
• 6.2 建议79-80
• 参考文献80-85
• 致谢85-86
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文86-87
• 附件87-89

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