低有机质脱水污泥热水解特性研究*

尹　娟，伍健威

(深圳市正源清环境科技有限公司，广东　深圳　518055)



低有机质脱水污泥热水解特性研究*

尹娟，伍健威

(深圳市正源清环境科技有限公司，广东深圳518055)

为了提高低有机质脱水污泥的厌氧消化效率，本文研究热水解对污泥的有机质溶解效率的影响。考察了热水解时间和反应温度对低有机质污泥性质的影响。结果表明：热水解对低有机质污泥的有机质溶解和水解有一定的促进作用，随反应时间延长污泥沉降性能提高，随热水解温度上升污泥粘度下降，最佳的热水解条件为160 ℃、20 min，此时悬浮性有机物溶解率为13.28%，COD溶解率为31.98%。

脱水污泥；热水解时间；反应温度；COD溶解率

污泥是城市污水处理的副产物，是一种由有机残片、细菌菌体、无机颗粒、胶体等组成的极其复杂的非均质体[1]，因其含有大量的病原体、细菌、重金属及多种有毒有害有机污染物，若对其不加以处理、随意排放，势必对生态环境造成严重的二次污染。

目前，促进污泥水解及提高厌氧消化性能的预处理方法主要有机械破碎、热水解、酶处理、酸/碱处理、湿式氧化及联合处理等。在污泥热水解-厌氧消化方面，国内外学者做了大量的研究：Li等[2]发现在175 ℃、60 min条件下污泥热水解效果较好，热水解后的污泥在厌氧消化水力停留时间为5 d时，COD去除率为60%以上。Stuckey等[3]发现热水解-厌氧消化工艺最佳热水解温度也在175 ℃左右，高于这一温度，热水解起反作用。王治军等[4]发现热水解-厌氧消化工艺最佳的热水解条件为170 ℃、30 min，此条件下污泥厌氧消化的COD去除率从预处理前的38.11%提高到56.78%。上述热水解试验污泥的有机质含量均高于50%。

近年来由于生物营养去除工艺的广泛应用，导致污水厂剩余污泥的有机质含量普遍偏低，这种现象在我国尤其明显[5]。深圳地区降雨量大，污水处理工艺较为完善，其市政污水厂产生的污泥多为有机质含量低的污泥。有机质含量低的污泥在进行传统厌氧消化过程中，生物可降解性差、沼气产率低等问题较一般污泥更为突出。目前国内外关于低有机质污泥进行热水解预处理或采用其他联用技术促进污泥厌氧消化的报道还较少。本文研究热水解时间和反应温度对低有机质污泥有机质含量、COD溶解率、沉降性能、粘度等指标的影响。

1　试验材料及方法

1.1污泥泥质

选取深圳市某污水处理厂的脱水污泥作为试验污泥。该污水处理厂采取浓缩-机械脱水-外运的污泥处理方式，其脱水污泥外观呈褐色或黑色，显示部分污泥已发生厌氧消化。该污水处理厂脱水污泥有机质成分较低(见表1)，低于厌氧消化对污泥有机质含量≥50%的一般要求，属典型的低有机质含量的污泥。

表1　试验脱水污泥有机质含量参数

1.2低有机质污泥热水解研究

热水解试验采用消解仪作为污泥加热及控制装置，若干带螺纹的密闭消解管作为盛装污泥的反应容器。试验考察不同加热温度和反应时间，对污泥固体成分、pH值、ORP、COD、SCOD、碱度、氨氮及污泥沉降性能、污泥粘度等热水解特性的影响。

一般认为，污泥初始含水率对污泥热水解的影响相对较弱，且较高固体浓度(>10%)易导致污泥屈服应力的迅速上升、流动性下降[6]。综合考虑，本次热水解试验预先将污泥稀释成含固率5%的污泥以作为最终的热水解试验用泥。

1.3分析方法

pH值采用雷磁pHS-3C型pH计进行测定；ORP采用联测ORP-986TS型笔式ORP计进行测定；TS、VS、SS、VSS采用称重法进行测定；COD、SCOD采用快速密闭催化消解分光光度法进行测定，其中所用消解液为哈希COD预制试剂，SCOD在离心机5000 r/min离心20 min后取上清液经0.45 μm滤膜过滤后进行测定；氨氮采用纳氏试剂分光光度法进行测定；碱度采用电位滴定法进行测定，其中以pH=3.7作为总碱度的滴定终点；污泥粘度采用上海精科NDJ-1型旋转式粘度计。

2　结果与讨论

2.1污泥有机质溶解及水解

污泥固体有机物在热水解过程中经历溶解及水解两个步骤。溶解主要是指污泥絮体解体，细胞壁破裂，胞内的有机物质被释放并于胞外不断溶解的物理过程；而水解则为复杂的溶解性的有机物质转化分解为简单的单体或二聚体的过程。有机物的溶解情况可以通过污泥热水解前后悬浮性有机物含量溶解率及COD的溶解率来表征。此处，COD的溶解率定义为污泥热水解前后污泥上清液SCOD与COD的比值变化量，悬浮性有机物溶解率定义为污泥热水解前后挥发性悬浮性固体含量(VSS)与总悬浮性固体含量(SS)的比值的变化量。

在温度为150 ℃热水解的条件下，随着热水解反应时间的延长，污泥热水解前后悬浮性有机物含量如图1所示，热水解后污泥悬浮性有机物含量均呈下降趋势，表明污泥经热水解处理后部分悬浮性有机物发生了溶解，溶解性有机物含量增加；具体在10、15、20、25 min四个系列的热水解反应时间内，污泥悬浮性有机物溶解率在8.05%～11.40%之间(见表2)，较为稳定，并未出现随反应时间延长悬浮性有机物溶解率明显增加的现象。

表2　低有机质污泥悬浮性有机物在不同热水解时间条件的溶解率(150 ℃条件下)

而在相同反应时间的条件下改变热水解反应温度，如表3所示，污泥经热水解处理后，污泥悬浮性有机物溶解率随着温度的上升有较好的线性增幅。在反应温度为120 ℃时污泥悬浮性有机物溶解率仅为1.91%，而当反应温度提高至140 ℃后污泥悬浮性有机物溶解率显著提升，至160 ℃时悬浮性有机物溶解率达13.28%，相较120 ℃时悬浮性有机物溶解率提高了85.6%。由此可见，污泥热水解反应温度对悬浮性有机物溶解率的促进作用比反应时间显著。

表3　低有机质污泥悬浮性有机物在不同热水解温度条件的溶解率(20 min条件下)

图1　热水解时间对低有机质污泥悬浮性有机物含量的影响(150 ℃条件下)

图2　热水解温度对低有机质污泥COD溶解率的影响(20 min条件下)

试验结果显示，脱水污泥在低温热水解前后总COD含量变化不大，但在不同的反应温度和反应时间的条件下，热水解后的污泥上清液中溶解性COD含量较未处理前有不同程度的增幅，故污泥热水解后COD溶解率的变化量实质是由溶解性COD含量变化引起的。如图2所示，COD的溶解率随着热水解温度的升高而升高，但当反应温度提升至150 ℃后污泥COD溶解率增幅减缓。其中，在热水解温度为130 ℃时，污泥液相的COD溶解率为24.91%时，污泥上清液SCOD的含量为2313.80 mg/L，而至160 ℃时，污泥液相的COD溶解率为31.98%时，污泥上清液SCOD的含量已达3113.80 mg/L；根据《污水综合排放标准》(GB 8978-1996)规定城镇二级污水处理厂的COD二级排放标准为120 mg/L。热水解后污泥上清液的SCOD明显高于该排放标准，不能直接排放，需进一步处理。Neyens等[7]、王治军等[8]认为热水解过程中有机物优先溶于液相，使得BOD/COD比值增大，故滤液可作为污水处理厂的反硝化碳源以资源化利用。

在污泥有机质水解方面，一般认为主要发生碳水化合物水解成小分子的多糖与单糖；脂肪水解成低分子脂肪酸与甘油，蛋白质水解成短肽与氨基酸，氨基酸进一步水解成低分子有机酸、氨及二氧化碳等水解反应[9]。试验通过对比污泥热水解前后pH、ORP、碱度及氨氮浓度变化了解低有机质污泥的水解情况。试验结果显示，污泥在反应时间10～25 min及100～160 ℃ 的条件下，污泥热水解前后pH值变化不大，整体pH值维持在7.5～8.5之间，且有部分的污泥热水解后出现pH值略微上升现象。而董滨等[10]在采用有机质含量为55.15%的剩余污泥进行低温短时热水解时发现，污泥的pH值随着热水解温度的升高而逐渐降低，在120 ℃时pH达到最低值6.26；相较表明，低有机质污泥在热水解过程中水解程度缓和，水解过程所生成的酸性成分含量低，系统中有足够的碱度缓冲以不至于出现酸化现象；而污泥热水解后pH值略有上升，这可能与溶于液相中的CO2在加热条件下转移至气相及蛋白质发生水解生成氨氮有关。

污泥ORP、碱度浓度在污泥热水解前后变化亦不大，污泥热水解后ORP在-400～-430 mV之间，碱度以CaCO3计在1378.24～1567.06 mg/L之间；氨氮浓度在污泥热水解后则略有增加，在236.58～260.10 mg/L之间。

2.2污泥沉降性能与粘度

图3　低有机质污泥热水解前后沉降性能变化(150 ℃，20 min)

图4　低有机质污泥在不同热水解时间污泥沉降性能变化(150 ℃)

图5　低有机质污泥在不同热水解反应温度污泥沉降性能变化(20 min)

污泥热水解预处理在改善污泥有机质溶解及水解性能的同时，也改变了污泥中固体颗粒与水分的结合形态，促使大量被束缚在污泥微生物细胞内部的结合水以及吸附于细胞表面的水分释放出来变成自由水，进而改善了污泥的沉降性能和脱水性能。为了进一步了解热水解对低有机质污泥沉降性能的影响，试验将热水解前后的污泥分别置于两个相同规格的100 mL量筒中，每隔一段时间记录量筒内污泥浑液面的刻度高度变化值，然后绘制污泥浑液面沉降曲线如图3(图3中热水解污泥的反应条件为150 ℃、反应时间20 min)。由图3可知，热水解污泥在简单的重力浓缩作用下，其污泥沉降性能优于未经预处理的污泥。而在相同热水解温度不同反应时间的条件下，热水解污泥有随反应时间延长沉降性能提高的趋势，但不同反应时间对污泥沉降性能改善情况不同(见图4)。当反应时间<15 min时，污泥热水解前后沉降性能相近，只有当反应时间>15 min后污泥的沉降性能方有显著提高；而在反应时间20 min的条件下，如图4所示，不同的反应温度对污泥沉降性能均有较为明显的促进作用。

污泥沉降性能与溶液的粘度大小密切相关。对于牛顿流体、剪切作用下产生的应力和剪切速率之间存在着线性关系，粘度的大小即等于剪切应力与剪切速率的比值。考虑污泥属于触变型非牛顿流体，污泥的粘度在不同测试条件下会出现不同的数值，为确保测试数据的准确性及可比性，试验在使用NDJ-1型旋转式粘度计4号转子，转速60 r/min，测量时间2 min的条件下进行热水解前后污泥粘度变化的测定。

在不同热水解反应温度条件下低有机质污泥热水解前后粘度变化情况如表4所示，热水解前的污泥即原泥的粘度为16.0 mPa·s(95%含水率)，而经过热水解处理后的污泥出现粘度下降的现象，在100 ℃，20 min反应时间条件下，热水解污泥相较原泥粘度下降了21.9%，在120 ℃，20 min反应时间条件下，热水解污泥相较原泥粘度下降了25.0%，在140 ℃，20 min反应时间条件下，热水解污泥相较原泥粘度下降了27.5%，在该温度范围内显示出污泥随热水解温度上升污泥粘度下降趋势。由于热水解后的污泥液体粘度下降，污泥所受的沉降阻力减小，颗粒沉速增大，故表现出如图3～图5所示污泥经过热水解处理后出现沉降性能改善的现象。但试验还发现，在160 ℃，20 min反应时间条件下，热水解污泥粘度下降趋势减缓，相较100 ℃、120 ℃、140 ℃热水解条件下的污泥粘度有所增大。崔伟莎[11]认为污泥经过较高温度的热水解处理后，污泥絮体结构被破坏，并且微生物细胞壁(膜)溶解，细胞破碎，使得污泥粒径变小，污泥中SCOD含量增加，从而导致污泥粘度增加。

表4　低有机质污泥在不同热水解反应温度条件下污泥粘度变化情况表(20 min)

3　结　论

(1)COD的溶解率随着热水解温度的升高而升高，当反应温度提升至150 ℃后污泥COD溶解率增幅减缓。热水解反应温度对悬浮性有机物溶解率的促进作用比反应时间明显。污泥粘度随热水解温度上升而下降。

(2)随热水解反应时间延长污泥悬浮性有机物溶解率未出现明显增加，然而沉降性能提高。当反应时间<15 min时，污泥热水解前后沉降性能相近，当反应时间>15 min污泥的沉降性能显著提高。

(3)在热水解反应时间10～25 min及热水解反应温度100～160 ℃的条件下，热水解前后污泥pH值、ORP、碱度浓度均变化不大。

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[11]崔伟莎. 污泥流变特性变化规律及其影响因素的研究[D]. 北京: 北京建筑大学, 2011: 47-48.

Thermal Hydrolysis Process of Low Organic Dehydrated Sludge*

YIN Juan， WU Jian-wei

(Shenzhen Zhengyuanqing Environmental Technology Co., Ltd., Guangdong Shenzhen 518000, China)

In order to improve the efficiency of the anaerobic digestion of low organic dewatering sludge, the effect of thermal hydrolysis of organic matter on the sludge dissolution efficiency was studied. The influence of thermal hydrolysis time and temperature on low organic sludge properties was also studied. The results showed that organic matter dissolved and hydrolyzed of low organic sludge was increased by thermal hydrolysis. Sludge settling performance was improved with the reaction time extended. Sludge solution viscosity was decreased with the water temperature increased. The best thermal hydrolysis conditions was 160 ℃, 20 min, that suspended organic matter and COD dissolution ratio was 13.28%, 31.98%, respectively.

dewatered sludge；thermal hydrolysis time；reaction temperature；COD dissolution rate

深圳市科技创新委员会技术创新计划项目(No：CYZZ20130318095422704)。

尹娟(1986-)，女，工程师，主要从事环境污染控制技术研究。

X703.1

A

1001-9677(2016)01-0062-04