剩余污泥微波热处理碳氮磷强化释放特性

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目前,污水厂的提标改造已迫在眉睫,对于我国部分地区的低碳源污水而言,TN是制约污水处理达标排放的主要指标。为了满足日益严格的出水标准,国内污水厂大多采用投加外碳源导致运行成本增大。剩余污泥中含有丰富的“碳源”,污泥中碳源的回收利用可以降低污水处理成本。受污泥微生物细胞壁或细胞膜的阻碍以及污泥絮体的束缚作用,细胞内和胞外聚合物(EPS)中蛋白质等有机物难以释放。如何破解细胞壁促进胞内有机物质的有效释放成为了剩余污泥碳源化利用的技术瓶颈和当前国内外研究的热点。与传统热处理相比,微波热处理具有加热时间短、速度快,能促进污泥水解等特点成为了当前研究的热点。然而,目前的研究集中于低含固率(1%6%)污泥的微波处理,含水率高、处理体积大,微波处理能耗存在浪费。提高微波处理污泥含固率时,由于微波处理后污泥粘度增大,致使污泥有机物包裹或吸附现象严重,反而使有机物溶出率低,增加了破解污泥碳资源回收的难度。污泥中无机物等成分复杂,微波破解液难以直接回收利用,对于微波热处理污泥中碳氮磷等基质的释放和转化过程尚不明确。本课题拟采用淘洗技术促进微波热处理污泥中的有机物与固相分离,期望通过淘洗作用强化微波处理高含固率污泥基质的释放,从而提升高含固率污泥中有机物的有效溶出率。主要研究内容包括:剩余污泥微波热处理基质释放特性及影响因素研究、微波热处理污泥基质强化释放特性,探讨淘洗技术强化微波热处理高含固率污泥基质的释放实际应用可行性,为剩余污泥碳源化研究提供理论依据。研究结果表明:(1)通过微波单因素影响实验表明:微波功率为800W时,污泥的COD最大溶出率为23.43%。破解液中C/N的比值为13.54,C/P的比值为44.39,NH3-N/TN比值增大至0.43,PO43--P/TP的比值升高至0.59,微波功率增加对污泥中蛋白质、氨基酸等有机物水解为NH3-N以及聚磷酸盐和有机磷分解为PO43--P的过程有促进作用。污泥含固率为6%时,污泥的COD最大溶出率为23.53%,当污泥的含固率逐渐增大至17%时,污泥的COD溶出率逐渐降低至9.1%。由此可见,高含固率污泥的微波处理,污泥有机物溶出率低,高含固率污泥的微波处理存在局限性。微波时间为10 min时,破解液中的COD溶出率最大为23.32%;微波处理时间延长对污泥絮体和微生物细胞壁破坏程度有限,污泥有机物的溶出率不再明显增加;微波处理温度与污泥COD的溶解率可以很好的拟合成一条直线,两者存在正相关关系(R2=0.951)。正交因素试验得到最佳微波热处理剩余污泥的实验条件为:功率为800W、含固率为6%、微波时间为10 min,此时污泥的COD溶出率为24.12%,C/N和C/P分别为14.6和44.13。(2)用水淘洗微波处理高含固率污泥时,污泥中COD最大溶出率为18.04%,与淘洗之前相比,COD溶出率提高了6.2%。用碱液(0.10 mol/L NaOH溶液)淘洗污泥时,污泥中最大COD溶出率为39.21%,COD的溶出率增加了25.31%。(3)通过研究淘洗液碱浓度对污泥基质释放的影响发现,当NaOH浓度超过0.1mol/L时,COD溶出量增加不显著,从经济角度考虑,在实际的过程应用过程中应注意控制碱液浓度从而节约成本,本研究建议碱液的浓度为0.10 mol/L。(4)用碱液+水复合淘洗污泥时,污泥最大COD溶出率为39.21%。与用碱溶液先后淘洗两次相比,COD的溶出率并没有明显的增大,从实际应用的角度考虑,最佳的复合淘洗方式是碱液和水复合淘洗。当含固率在13%15%时,淘洗液中有机物的碳氮磷比值理论上能满足脱氮除磷的需求,有作为碳源被后续资源化利用的潜力。(5)通过分析MW、MW-水洗、MW-碱洗-水洗三种处理方式COD溶出率与能耗之间的关系发现,微波能耗是微波-淘洗能耗的近3倍,污泥淘洗的方式增加了微波能量的有效利用率。另外,通过淘洗方式解决了高含固率污泥微波热处理后有机物被包裹吸附,脱水性变差固液相难以分离等问题,促进污泥中有机质的释放,提高了高含固率污泥有机物有效溶出率。
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