碱性条件下，碱和高压均质化联合预处理对于厌氧污泥消化的影响外文翻译资料

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碱性条件下，碱和高压均质化联合预处理对于厌氧污泥消化的影响

摘要：

为了提高厌氧消化效率，将碱和高压均质化联合预处理应用于污水污泥预处理，详细研究了碱投加量对于污泥厌氧消化的影响。在联合预处理后，因为污泥分解导致污泥上清液的SCOD随着碱投加量的增加显著增加，有机物厌氧消化后显著下降，最大SCOD，TCOD和ORVS去除率分别为73.5％，61.3％和43.5％。累计生产沼气量，沼气中的甲烷含量和沼气产率随着碱性药量增加而增加。同时考虑沼气产生量和碱的用量，最优碱性剂量被选定为0.04摩尔/升。沼气生产和污泥分解之间的关系表明，累积产气量主要是因为污泥分解增强。当甲烷产量（毫升/ GVS）=4.66 COD- 9.69）时，甲烷产量随着DDCOD增加而线性增加。

关键词：碱性预处理、高压均质、污泥分解、有机物降解、沼气生产

1 引言

快速的城市化和人口增长在世界许多地区都导致了污水处理厂污水污泥量的增加（污水处理厂）。污水污泥通常含有大量有机物，重金属，有害昆虫卵等，这可能会导致严重的环境问题（谢胡等人，2012）。在中国，据估算含水率为80％的脱水污泥的年产量超过了3000万吨，并且这个数字一直在增加。（Wang等，2010）。此外，污泥处理的成本相当昂贵，占了污水处理厂总成本的20-60％（Luo等，2013）。

污泥最终处置前，厌氧消化是污泥处理和产生能源的一项合适的技术，因此在全球范围内被广泛使用。污水中污泥产量的显著增加使得厌氧消化变得越来越重要，并且成为一个稳定和资源化的过程（肖等人，2013年）。厌氧消化是一个多级过程：包括水解，酸化和产生甲烷（梅特卡夫，2002年）。在水解步骤中，不溶性的有机物质和较高分子量化合物如脂质，多糖，蛋白质，脂肪和核酸被转化为可溶的有机材料。这些较小的分子在酸化过程中被进一步细分；最终产物是乙酸盐，氢和二氧化碳。这些分子都是是产生甲烷的原料，在这个步骤中，两组产甲烷的微生物都参与到甲烷生产过程：一组是乙酸分解为甲烷和二氧化碳，第二组是利用氢气作为电子供体和碳氧化钛作为电子受体来产生甲烷。最后得到的沼气由甲烷，二氧化碳和一些微量级的气体组成。 然而，厌氧污泥消化的应用往往会被其20-30天的保存时间和低降解效率所限制。通常认为，在厌氧污泥消化，污泥水解限制了有机降解的程度和速率。但是，污泥水解速率可以通过厌氧消化预处理加速进行。该预处理过程通常能够穿透微生物壁以释放细胞外和细胞内的材料到上清液。污泥预处理最合理的方法是通过化学，热，机械和生物攻击打破污泥絮凝物和细胞。

为了促进污泥的水解速率，各种污泥预处理方法都被广泛研究。碱性氢氧化钠预处理得到了广泛的研究，对于破坏细胞的物质和胞外聚合物（EPS）是非常有效的，而且化学需氧量（COD）和总固体（TS）的去除速率也在碱性剂量的增加下而增加。然而，在极端的高pH值条件下，可能会导致污水污泥的生物降解能力变差（Penaud等，1999）。最近，碱性预处理常常与其他预处理方法相互结合，例如超声波，微波，和臭氧，使得污泥分解程度大大提高。

高压均质（HPH）是一个公认的用来细胞破碎的机械方法，并主要用于稳定的食物和乳制品乳剂（Jacquel等人，2008;帕奎因，1999年）。最近，HPH已经报道了一种高效预处理技术，此技术提高了污水厌氧消化的速率和污泥降解的程度（Onyeche等人，2003;拉伊andRao，2009; Zhang等，2012A）。该HPH预处理通过巨大的压力变化，高度集中的湍流涡旋和强大的剪切力来机械分解污泥（Barjenbruch和Kopplow，2003;面做等，2004）。作为机械方法，HPH显示了几个优点，如无明显的化学反应，效率高，操作简便等优点（卡马乔等人，2002; Middelberg等人，1991）。然而，HPH是能源密集型的，这可能会限制它的应用（Zhang等人，2012b）。但是可以通过与其他预处理方法相结合来降低能耗。

虽然化学和机械处理的结合已经实现了厌氧污泥消化速率的提高，但研究很少将目光放在有关碱和HPH联合预处理。在我们以前的研究里，碱和HPH联合预处理的模型被建立过，展现了碱和HPH预处理之间有一种协同效应（Zhang等人，2012b）。此外，研究表明，碱的投加量对于污泥分解是最重要的操作参数（Zhang等人，2012b）。本研究的目的是为了进一步调查碱的投加量与HPH预处理组合对厌氧污泥消化的性能效果影响。

碱的投加量对污泥厌氧消化的效果用总的化学需氧量（COD）、可溶性化学需氧量（SCOD）和挥发性固体（VS）的去除率、沼气和沼气产量来评价，联合污泥厌氧消化的速率跟污泥分解程度之间的关系进行分析。

2 方法

2.1 污泥

在这项研究中使用的污水污泥是从中国北京市政污水处理厂的A2O工艺中二次沉淀池中采取的。该污水处理厂的进水包括从2,400,000居民等同物的生活污水。污泥浓缩通过重力沉降，并储存在44摄氏度下，供以后使用。污泥用于后续实验的特性如下：525毫克/升SCOD，19,562毫克/升的TCOD，19530毫克/升TS，11920毫克/升VS ，6.92 pH值，和258毫克/升（以CaCO3）碱度。所有值均为平均值。

2.2 联合法破解污泥

将4mol/ L的浓度的NaOH溶液加到3L塑料容器装着的污泥中，加入NaOH的量分别为0.0，0.8，1.2，1.6和2.0（克/千克污泥）。当pH最后稳定在7-12的范围内的时候，将容器放在180转/分和28℃的拌装置中（HZS-HA，诺基公司，中国）。通过以往的研究，碱预处理时间被选定为0.5小时（Zhang等人，2012b）。碱性预处理后，根据我们以前的研究，污泥在60MPa的均质压力高压实验室均化器中被均化（J-30，盛通公司，中国）（Zhang等人，2012b）。

解的效率通过分解度（），将其计算为Eq.(1) (Bougrier等评估，2005）.

(1)

其中，SCOD是污泥处理前的COD。

2.3污泥厌氧消化

厌氧消化实验在两个相同的5 L有效容积的有机玻璃间歇反应器中批次进行。为了厌氧消化的温度稳定在35℃下，反应器的加热器带有联动系统，将其用一个温度传感器相连，然后分别包裹着石棉层。搅拌器在该蒸煮器中以100转/S的搅拌速度混合污泥，并用氮气冲洗5分钟，以代替空气。和污泥一起加入到之前的预处理反应器中，用4mol/ L盐酸（plusmn;0.2）中和至PH为7。

在本地污水处理厂中的厌氧池里获得能够厌氧消化的接种物。菌剂和污水污泥的平均组成比为4：6。当厌氧消化系统以2000-3000毫克/升的碱度稳定下来后，并且当甲烷含量超过沼气含量百分之50，pH为6.6-7.3时，再将预处理的污泥放入厌氧池中消化。厌氧消化周期为15天，产生沼气，每日用pH值为3的盐酸溶液作位移记录。厌氧消化是在甲烷含量稳定的沼气中进行测定的，SCOD，TCOD，VS，pH和碱性测定每隔一天进行。

2.4 分析

TS，VS，VFA和碱度测定根据APHA标准方法测定（Eaton等，2005）， COD通过COD计量计（CTL-12，华通公司，中国）测量。污泥样品在5000转/分钟的离心机中离心30分钟（TGL-20万津公司，中国），然后通过0.45um的透明膜，得到的滤液用于测定污泥SCOD。为了确定TCOD，污泥样品首先用0.5摩尔/ L剂量的氢氧化钠处理24小时，然后通过0.45um的透明滤，滤液的COD被用作TCOD（Tiehm等人，2001）。

沼气中甲烷的含量用气相色谱仪（GC-2014，岛津，日本）和列碳分子筛（TDX-01，HRBY公司，中国）分析。注射口、柱和检测器设定在100，130和150 摄氏度，以25毫升/分钟流速的氦用作载气，桥接电路，并设定在150毫安。

3 结果与讨论

3.1 碱用量对污泥分解作用

DDcod是评价可溶有机物从污泥固体液相释放的关键参数。污泥得到有效分解，通过碱和HPH预处理的联合，无论SCOD还是DD cod都随碱用量增加而迅速增加。SCOD和DDcod的碱性剂量几乎在0和0.04摩尔/L范围之间呈线性增加。单独与HPH预处理相比，当碱剂量为0.04摩尔/升时，所述COD和SCOD分别达到51.5％和10,326毫克/升，提高了约26％和93％。碱性预处理表现出对污水污泥分解的强大的效。然而，在SCOD和DDCOD增量变得微不足道时，碱的投加量从0.04至0.05摩尔/ L进一步增加时，COD和SCOD的含量分别为54.1％和10,825毫克/升。如果碱性剂量进一步增加，之后较弱和更敏感的细胞会选择性被破坏（Donsigrave;等人，2009），这是根据Zhang等提出的将污泥分解模型合并的理论中得来的。（2012b）。

3.2 碱用量对厌氧污泥消化的影响

3.2.1 有机物的去除

在厌氧消化过程中，有影响污泥SCOD的两个参数。一方面，在固相中的有机物可能在胞外酶的作用下被溶解到液相; 另一方面，在液相中的大分子有机物能够水解并酸化成小分子物质，并通过微生物进一步转化为甲烷和二氧化碳。如示于图1（a）中，污泥SCOD在第2天没有显示变化，然后就迅速下降，这是类似于Wang等人的结果（2005）。由于碱的投加量增加导致更高效的污泥分解程度，在碱的剂量较高条件下，当污泥被快速分解时，其初始污泥SCOD会很高，那是因为更高的碱性加成导致污泥分解程度的增加。在进一步的污泥消化期中，其SCOD会在高碱性的组合预处理下迅速下降。因为从污泥固体中释放的水溶性有机化合物会更加容易分解。仅在6天的HPH预处理消化后，BOD的减少变得平缓，可能是因为残留SCOD的可生化性太低。但是，污泥在经过6天的碱和HPH联合预处理中厌氧消化，其SCOD明显减少，尤其是在0.04和0.05摩尔/升的碱投加量中特别明显。可能在碱和HPH联合预处理后,更多污泥中的有机物可以被生物降解。在0.04和0.05摩尔/升碱性量之间，COD降低却无显著差异。经过14天的污泥厌氧消化，在碱性剂量为0、0.02、0.03、0.04和0.05摩尔/升的预处理中，Scod分别减少到54％，59％，64％，74％和73％（如示于图图1（b））。与单独HPH预处理相比，因为碱和HPH联合预处理（用0.04摩尔/ L的NaOH剂量），SCOD的增加减少了19％。在这项研究中SCOD 经过20天消化，其减少仍低于microwave-alkali预处理（初始SCOD为2700毫克/升）（特亚吉和Lo，2012），但比用臭氧预处理更高（Braguglia等人，2012）。

厌氧消化过程中，有机物的降解导致污泥减少，这通常是由VS去除和COD去除率的评价参数（Kim等人，2003）。在厌氧消化后VS去除和COD的去除如表1。单独使用HPH预处理，VS去除和COD去除率分别约为31％和43％。当碱和HPH联合预处理，VS去除和COD的去除率均上升。碱性用量越高，VS去除和COD去除率会越好，这可能因为通过污泥的低分子量化合物的转化，在碱性加成条件下更容易发生。罗等人（2000）。据报道，低分子量成分组合更迅速，也更容易被分解。我们从表1的结论是，当污泥在碱（用0.04摩尔/ L的氢氧化钠剂量）和HPH联合预处理中，VS去除率和Tcod去除率分别增加了12％和18％，显示出碱性加成有效地提高了厌氧生物降解。VS去除和COD去除率是通过alkaline-microwave处理发现的 (Dog ˘an and Sanin, 2009)。将0.05摩尔/ L和0.04摩尔/升的碱性用剂量相比较，在较高碱性剂量下，VS去除和COD的去除率均未见明显改善。表明对于碱与HPH联合预处理存在一个提高污泥厌氧消化的限制点。

结论

碱和HPH联合预处理中的污泥上清液里的SCOD明显比单独使用HPH预处理更高，经过厌氧消化，SCOD,TCOD和VS的去除率增加，沼气生产进程加快。因为从细胞释放的有机物成分可能会更快被生物降解，导致通过联合预处理的沼气中甲烷含量的增加。当碱性在0-0.05摩尔/升这种高碱性范围时，使得污泥消化快速提高。同时考虑沼气产量和碱的用量，最优碱性剂量被选定为0.04摩尔/升。对于厌氧污泥消化效率而言，污泥分解度的提高是一个重要因素。

3.2.2 碱用量对沼气生产的影响

厌氧消化的应用通常受到沼气产量低和停留时间长这类原因的限制。在碱性综合预处理结合的沼气厌氧污泥消化中，沼气的生产和甲烷含量示于图2。如在图2（a）所示，沼气在生产中的前三天显著增加，其次沼气产量从第4天显著增加至第10日，进一步消化并没有观察到显著增加。在甲烷有了一个短的适应阶段后，沼气的生产趋于稳定。在14天碱性与HPH预处理的结合厌氧消化后，观察到更高的产气量。该产气量随着碱性剂量增加而增加，但在0.04和0.05摩尔/升的碱性剂量范围中，产气量没有显著差异，污泥分解程度没有明显的变化，这意味着可能转变成污泥液体而不是更可溶的有机物。另一方面，高碱性剂量可能抑制微生物的活性，更多的Na 浓度可能会产生毒性钠甲烷（Chen等，2008; Feijoo等人，1995; Wu等人，2006）。与单独HPH预处理相比，在14天的厌氧消化后，因为碱性（0.4摩尔/升）和PHP预处理的联合，沼气累计增加了约60％。碱性预处理不仅提高了有机溶解性，而且表面积可用于酶促作用，这导致了厌氧消化性能的改进，更释放可溶性和低分子量的成分并被降解转化成组合预处理中的沼气。其他作者还总结了当污泥呈碱性时，沼气的生产量随着碱性药量的增加而增加（Lin et al; 1997; Lopez Torres et al; 2008)。

在0.05摩尔/升的碱剂量和60MPa的均质压力下，第12天达到最大的累计生产沼气量5029毫

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