污泥厌氧消化过程流变规律与脱水性能文档格式.docx

1、Volatile solids/挥发性性脂肪酸Volatile fatty acids/ （mg-L1）常规厌氧消化7.575.259.0209.3低温热水解-厌氧消化7.324.556.3248.3接种污泥&.523.642.3132.61.2试验设计与方法为了比较不同基质对厌氧消化中流变和理化性质改变的影响，本研究共设置2个处理, 分别以原污泥和低温热水解污泥作为基质（称常规厌氧消化和低温热水解厌氧消化）。污泥低 温热水解条件：在实验室可智能控温的小型试热反应釜中进行污泥的热水解试验，工作时维 持反应釜内搅拌转速为36r/min,温度为90C,热解时长48h。基质与种泥的混合比例为2 ：

2、1（质量比），试验设置3个平行组，每组包括8个平行反应器以立期地评估理化性质（如VFAs、 pH值、VSATS等）和流变特性。本试验厌氧消化反应器为实验室小试反应器，反应器体枳为 500mL,试验前充入氮气，保持反应器内良好的厌氧环境，反应器内温度为（371）C，整 个消化试验运行20d。厌氧消化前基质的基本理化性质如表1所示。1.2.1常规理化指标的分析方法总氨氮（totalammonianitrogencontent, TAN）由2种主要形式组成，即自由氨 （freeanimonianitrogencontent, FAN）和讓根离子（NH4+）,其各自的相对含戢与温度、pH值有 关。基于

3、温度和pH值，FAN浓度可以通过式（1）计算获得：式中FAN为自由氨的质量浓度，mg/L, TAN是总氨质虽:浓度，mg/L, T（K）表示开尔文 温度，Ko基于VS去除水平（removallevelbasedonVS. VSr）通过式计算,假设不可降解物质（无 机部分）的质量是恒定的。vshi-W VS0.（l-VSt）式中VSt表示消化第td污泥中的VS/TS值，VS0表示厌氧消化启动时污泥中的VS/TS 值。1.2.2污泥脱水指标的分析方法试验引入离心脫水方法，这种方法作为可滤性测量的可靠替代被广泛接受。使用污泥离 心过滤后所得泥饼的含固率TSt（TSt：表示厌氧消化第t天，污泥离心脱水

4、泥饼的固体含量） 来判断污泥的脱水性。本研究中，选择离心转速为10000r/min,离心时间20min.将离心后 的污泥通过0.45 u m孔径的微孔纤维滤膜以得到离心脱水过滤泥饼。1.2.3污泥流变指标的分析方法使用HAAKEViscotester550旋转黏度计（徳国Haake公司）测定污泥流变特性，由于实际 测量过程中样品温度难以维持在（37C,测量选用比较常用且经典的（200.1）aCo所有 样品在测试前均先使用0.6mm的筛子进行过滤，减小污泥由大颗粒导致的试验误差。对于 每组流变试验，将50mL污泥样品引入杯形为圆柱形几何形状（内径29mm,外径32mm,长 度44mm）,流变仪剪

5、切速率设左为在180s内由0增大到lOOOs-L由剪切速率扫描试验获得 污泥流动曲线。由于Herschel-Bulkley（H-B）m型涵盖了假塑性、剪切稀化和屈服应力这些特 性，且能够较好描述静止和流动条件下污泥的流变行为，英模型表达式如式（3）所示。使用 H-B模型对不同厌氧发酵时间污泥获得的污泥流动曲线进行拟合。r = r0 4- A: （3）式中T表示剪切应力，Pa, TO表示屈服应力，Pa, k称为流体稠度系数 （fluidconsistencyindex）,反映材料黏性的大小，Pasn, 丫表示剪切速率，s-1, n表示流动指 数。1.3测定指标及方法污泥pH值采用Mettler-

6、Toledo-210型pH计测左。TS, VS根据质量法测泄，为避免吸 水，将残留物立即置于干燥器中以达到室温（25C。然后将干燥的样品在马弗炉中5509 下燃烧2h,英后质量的减轻用于计算VS/TS。在测量溶解性有机物之前，先将污泥样品在 10000r/min下离心处理20min,然后将上淸液通过孔径为0.45 u m的微纤维滤膜以收获滤液, 所得滤液用于后续溶解性有机物含量的测定。挥发性脂肪酸（VFAs）含量通过配备火焰离子化 检测器（FID）和毛细管柱（Rtx-WAX, 0.25mmX30m）的日本岛津GC-2010Plus气相色谱仪测 量，N2用作载气，流量为30mL/min,滤液预先

7、用甲酸酸化将pH值调节至2.0。进样口和 检测器的工作温度分别为210sC和250C,柱温为100C（保持lmin）,并在10min增加至210C （保持lmin）o氨氮含量（TAN）通过纳氏试剂测宦，以上所有指标测立每次共需要抽取污泥样 品 50mLo1.4数据处理方法试验前期每隔2d取样一次，随着系统逐渐稳立每隔3d取样一次，最后一次取样在第 20天，第21天结束厌氧消化试验。厌氧消化过程中污泥基本理化指标（pH值、FAN、VFAs和VSr）的3个平行组，试验每 组取样测量一次，获得数据即：XI, X2, X3, II-算获得平均值X和标准差“X。污泥流变 学曲线经过H-B模型拟合获得基础

8、流变学参数。二、结果与分析2污泥厌氧消化性能随着厌氧消化过程的进行，反应器中各项理化指标随消化时间改变如图1所示。图1厌氧消化过程中pH值，FAN, VFAs和VSr随消化时间的变化对产酸微生物和产甲烷菌而言，其最适pH值分别在5&5和6.57.8范囤之间。图1 显示出厌氧消化过程中pH值的变化，在整个厌氧消化过程中，pH值均维持在6.87.9之 间，虽在厌氧消化进行到18d时，常规厌氧消化的pH值超过7.8,但国内相关研究表明， 厌氧消化过程中大多数细菌可以在pH值为5&5的范囤内生长良好。试验中pH值波动在 厌氧消化允许的范围之内。厌氧消化过程易受某些累枳化学物质（如钠、钾、锁盐等）抑制，

9、这些盐类会引起毒性效 应从而对微生物起到抑制作用，其中FAN被认为是最主要的抑制剂。随着消化时间的延长, 由于含氮有机物质如蛋白质等的降解，FAN浓度先上升然后逐渐达到稳泄，之后维持在某 一范用内上下浮动。同时，由图1可知，低温热水解污泥中的FAN浓度只是比常规厌氧消 化污泥稍有增加，说明90C低温热水解有改善蛋白质由颗粒状向溶解态的水解作用，蛋白 质大部分被溶解而不是降解试验中FAN的浓度位于10130mg/L之间，低于Mccarty等所 报道的抑制水平150mg/LuVFAs在厌氧消化过程中变化如图1所示，常规厌氧消化和低温热水解厌氧消化在0 5d和03d内VFAs浓度显著增加，这一阶段V

10、FAs的积累也导致了厌氧消化前期pH值的 下降。低温热水解污泥先于常规厌氧消化污泥2d达到VFAs的最大值，原因是低温热水解 加速了水解这一限速步骤，缩短了厌氧消化的运行时间。之后随着消化过程的继续进行， VFAs被不断转化为CO2和CH4,其浓度随之下降，最后达到一个较低的水平。在厌氧消化之前。低温热水解污泥中的VFAs含量比常规厌氧消化污泥中的要高，原因可能是由于脂 质的降解所引起的，由于热处理的作用，长链脂肪酸可能被还原成较低分子量的脂肪酸，而 它们本身可以在低链脂肪酸中被降解。VFAs的产生也可能源于少疑蛋白质降解。如图1所示，随着消化时间的不断延长，VS去除水平逐渐升髙，并最终趋于平

11、衡，表 示随消化过程进行，有机物逐渐被微生物分解后趋于稳立化。研究表明，在污泥厌氧消化期 间，VS减少量在30%45%的范围内，本试验中常规厌氧消化的最终VS去除率为44.6%。 低温热水解-厌氧消化的最终VS去除水平达到48.3%,较常规厌氧消化污泥髙3.7个百分点。 厌氧消化产生的气体体积与VS降解呈正相关，预示着低温热水解预处理后，污泥具有更高 的沼气产量。2.2厌氧消化过程中污泥脱水性能对于不包含预处理过程的常规厌氧消化单元而言，消化产物的脫水性随着消化过程的继 续而不断恶化，也有报道脱水性得到了改善。苴他研究人员发现了厌氧消化期间污泥的脱水 性不稳泄：出现一开始有所改善随后恶化，一开

12、始恶化随后改善，或保持大致不变等情况。 但是，当超声波或低温热水解等预处理应用于厌氧消化时，普遍认为消化物的脱水性可以得 到改善。试验采用离心脱水的方法来评价厌氧消化对污泥脱水性的作用。随着消化过程的进行, 消化污泥的脱水性随时间的改变如图2所示。常规厌零消化Conventional anaerobic digestion 低温热水解厌氧消化Low-tempcraturc thermal hydrolysis-anaerobic digestion1.141.1210OH 1.08H 1.061.041.023 6 9 12 15 18 211.00I消化时间Digestion time/d注

13、：TS（）是厌氧消化启动时，污泥离心脱水泥饼的固体含量：T&是厌氧消 化第f天，污泥离心脱水泥饼的固体含量。Note: TSo is the total solids of sludge centrifugal dewatering when anaerobic digestion was started; TS（ is the total solids of sludge centrifugal dewatering when anaerobic digestion in the t days.图2 脱水性能随消化时间的变化由图2可知，消化污泥的脱水能力均随着消化持续时间的延伸而得到改善，这

14、表明厌氧 消化增强了污泥的脫水性。消化污泥中挥发性有机固体主要成分是多糖和蛋白质等物质，能 够显著影响污泥网络强度和结合水含虽:，由于消化过程使得VS不断彼溶解或去除，导致结 合水得到释放，污泥结构变得更为松散流动性能加强，引起脫水能力的提升。Dai等使用热 重分析仪（纯氮气载气系统）测量了厌氧消化前后污泥中的水分分布情况，发现经过厌氧处理 后污泥中的结介水和表面水的含量减少，而自由水和间隙水所占的比例增加，有利于脱水的进行。本试验在整个消化过程中，低温热水解厌氧消化中TSt/TSO的值均高于常规厌氧消 化，污泥低温热水解预处理厌氧消化后，较常规厌氧消化污泥的脱水性提髙1.59%。2.3厌氧消

15、化过程中污泥流变特性的改变根据旋转粘度计法，获得在不同厌氧消化时间内污泥流动曲线图，使用Herschel-Bulkley 模型对污泥流动曲线进行拟合，拟合情况如表2和表3所示。表2常规厌氧消化污泥流动曲线IIB模型拟合Table 2 Herschel-Bulkley model lining of sludge flow curvecorresponding to conventional anaerobic digestion消化时间 Digestio n time/ d参数ParameterTotkn24.0130.6400.5080.99413.2470.4200.6020.99532.

16、7700.3850.6710.99752.5170.2730一7440.99672.0030.1790595101.9240.1210.836131.5310.0760.8520.993161.4890.0610.873201.4240.0580.901血为厌氧消化第f天污泥届服应力，Pa： k为流体稠度系数；n为流动指数：，为拟合优度，下同。表3低温热水解-厌氧消化污泥流动曲线ILB模型拟合Table 3. Herschel-Bulkley model fitting of sludge flow curvecorresponding to low-temperature thermal h

17、ydrolysis-anaerobicdigestion消化吋间 参数ParameterDigestion time/ d於2.8750.6140.5150.9912.0270.4110.6231.6200.3320.6790.9981.3090.2690.7520.9921.3550.1700.7990.9900.1020.8490.9770.0750.8560.9090.0540.8760.8200.0440.903从表2和表3中可以看出，伴随厌氧消化持续时间的不断增长，屈服应力（t 0（）和流体 稠度系数（k）不断降低，而流动指数（n）值持续上升，说明污泥经过厌氧消化后流动性变好。 低温

18、热水解-厌氧消化污泥和常规厌氧消化污泥在第20天的屈服应力较在初始时的屈服应 力分别了降低了 64.51%和71.47%。经20d厌氧消化后，低温热水解预处理厌氧消化污泥t 0t值较常规厌氧消化污泥减少42.41%。低温热水解-厌氧消化污泥和常规厌氧消化污泥在第 20天的稠度系数（k）较在初始时的稠度系数分别了降低了 90.94%和92.83%。经20d厌氧消 化后,低温热水解预处理厌氧消化污泥k值较常规厌氧消化污泥减少24.13%。且整个厌氧 消化过程中，低温热水解预处理污泥较传统常规污泥的流动性增强，可能是低温热水解-厌 氧消化污泥较常规厌氧消化污泥VS去除率较高的原因之一。研究表明固体含

19、量是影响污泥流变性的一个最主要的因素,这是因为固体含量的增加可 以减少污泥颗粒之间的距离，增加他们之间的相互作用，并随后增强污泥在受到剪切时的流 动阻力。伴随厌氧消化的进行，VS不断被降解去除，导致固体含量持续减小，这可能是引 起污泥流动性能改善的主要原因。Dai等揭示了厌氧消化处理可以改变污泥中的水分分布， 使结合水和表而水的含量减少，同时增加了自由水和间隙水的含虽:，这也是引起污泥流动性 改善的原因之一。2.4厌氧消化过程中污泥流变特性与理化指标关系本研究中选择屈服应力作为考察厌氧消化过程的特征流变参数。同时，有针对地选择 VS/TS比值作为监测消化进程的特征理化参数，探究消化过程中污泥的

20、特征流变和理化参数 间的关系。伴随消化过程的进行，污泥的VS/TS比值、t 0t（ t 0（表示厌氧消化第t天污泥屈服应 力）随消化时间的改变分別如图3和图4所示。可以看出，在整个厌氧消化期间，VS/TS比 值不断降低，同时屈服应力也不断减小。消化过程使VS不断被降解去除，造成系统内的 TS含量的下降，而TS含量与屈服应力值呈正相关，从而引起消化过程屈服应力的降低。 通过数据拟合，伴随消化过程中，污泥VS/TS比值与t 01均大致遵循对数下降的趋势，拟 合优度均达到0.98以上。对数方程拟合式如图3、图4所示。4035 I I I l I I |0 3 6 9 12 15 18 21消化时 |

21、hJ Digestion time/d图3厌氧消化过程VS/TS的变化Fig.3 Change of VS/TS during anaerobic digestion常规厌氧消化4.0Conventional anaerobic digestionr（=3.78-0.8lln（r+0.77） /?-0.984他温热水解-厌氧消化Low-temperature thermal hydrolvsis-anacrobic digestion r（-2.O9-O.43ln（r+O.I6）用-0.989c i i i i i i i3（） 3 6 9 12 15 18 21图4厌氧消化过程屈服应力的改变

22、作对应不同消化时间的屈服应力（丫 01）和VS/TS比值的图，如图5所示。结果发现，t Ot和VS/TS之间存在着线性关系，拟合方程如图5所示，拟合优度R2在0.94以上，表明 污泥中的VS主要影响污泥TOt,同时TOt的改变也可以反映VS的变化。如图6所示，消 化过程中污泥屈服应力变化（T 0 T 00）和脱水性能（TStfTSO）的改变存在线性关系，拟合方程 如图6所示,拟合优度R2在0.97以上,表明t 01/ t 00与TSI/TS0具有很强的相关性。Conventional anaerobic digestion r =0.180VS/TS-6394 曲0.944低温热水解-厌魚消化

23、Low-temperature thermal hydroIvsis-anaerobic digestion q=027VS/TS-4.206 /?2=0.975Ql 1 1 1 1 135 40 45 50 55 60VS/TS/%图5屈服应力Tg和VS/TS关系常规厌舗消化l.!4r1.12-1.10-1.08-1.06-1.04-1.02-0.1.00-.2 03 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 i.O 1.1Wri）o血为厌氧消化启动时污泥屈服应力.Pao Tqo is the yield st匚ess of sludge when anaerobic digestio

24、n was stared, Pa.图6消化过程中 珈琢）和TStfrS0关系为全而了解污泥流变性（TOt、TO” T00）和理化性质（VSATS、TSt/TSO）之间的关系，使 用Pearson相关性进行了总体交互作用的统计研究。统计概率是通过线性回归得到的，每个 相关性的置信限度为95%。当P值小于0.05时，验证各参数之间的相关性，结果如表4所 7Je表4不同污泥理化性质与流变性能皮尔逊相关性Table 4 Pearson conelation between physico-chemical andrheological properties of sludge n =9）处理 Trea

25、tmentrotVS/TSot/roots/tSo0.975*0.995*-0.993*常规厌氧0.965*-0.970*消化Ot/TOO-0.989*TSt/TSofot0.990*0.970*-0.977*低温热水 解厌氧消化0.956*-0.962*rot/roo-0.992*水在001级别（双尾）相关性显著:（+）:正相关：:负相关：由表4可知，在常规厌氧消化污泥反应过程中，屈服应力与VS/TS（R=0.975, P0.01）、 TOt/TOO与TSt/TS0（R=0.989, P0.01）两者之间有较强的相关性，任低温热水解-厌氧消化污 泥反应过程中，fOt 与 VS/TS（R=0.990, P0.01）、