當前位置:碧臣儀器>>技術文章>>甲烷潛力測試儀應用|含鋁剩余活性污泥厭氧消化性能強化
摘要:
“十四五"規劃在技術要求中明確提出限制污泥填埋,全面提升環境基礎設施水平,城市污泥無害化處置率達到90%,鼓勵污泥能量資源回收利用。污泥厭氧消化是對有機污泥進行穩定處理的常用的方法,產生大量的高熱值的沼氣作為能源利用,使污泥無害化、資源化。大量污水廠為保證出水質量,向工藝中投加含鋁混凝劑,從而產生了大量難以進行厭氧消化的剩余活性污泥和含鋁化學污泥(Al-WAS)的混合物。針對這一問題2022年5月23號南京師范大學環境與生態修復團隊陳赟博士提出了一種“以廢治廢"的策略,采用投加陳化的鐵混凝污泥強化含鋁剩余活性污泥厭氧消化性能。
中國經濟的快速發展增加了污水處理廠(WWTP)的數量,為達到國家城鎮污水處理廠污染物排放標準中總磷一級A標準(0.5 mg/L),化學絮凝劑鋁鹽通常添加到一些污水處理廠的生物單元中,形成Al-WAS。厭氧消化(AD)是處理Al-WAS經濟有效的方法,但由于鋁混凝劑較強的團聚性,含鋁污泥結構緊密,界面反應的能量壁壘較高,及其生物毒性,這使得含鋁污泥的厭氧消化性能較差。
為了解決上述問題,南京師范大學環境與生態修復團隊陳赟博士提出將三價鐵引入含鋁污泥的厭氧消化過程中,這一舉措大幅提高了含鋁剩余污泥厭氧消化的甲烷產量(圖1)。研究分析了厭氧消化過程中含鋁污泥的物理結構、固-液界面能等的變化,確定了三價鐵在含鋁剩余污泥厭氧消化中的促進機制:一方面,瓦解了含鋁污泥緊密的物理結構,提供了更多污泥與微生物的結合位點,從而提高了污泥中蛋白類有機質的水解;另一方面,顯著降低了含鋁污泥表面的能量壁壘,使反應的路易斯酸堿吉布斯自由能()由正轉負,為污泥表面生化反應自發進行提供能量條件。此外,三價鐵的介入還使消化污泥由親水轉為疏水,極大提高了消化污泥的脫水性能。
圖1:三價鐵促進含鋁剩余污泥厭氧消化機理
向AD系統中添加適量的鐵可有效降低厭氧微生物與含鋁污泥絮體之間界面的能量屏障,并促進其接觸,從而增加甲烷的潛在產量,但成本高昂,需要開發一種低成本的替代方法。在以上研究基礎上,團隊收集污水廠的鐵混凝化學初沉污泥,即含鐵化學強化初沉(Fe-CEPS)污泥作為替代鐵源,以降低工藝成本。研究發現在現場存放過程中Fe-CEPS污泥會發生陳化現象,隨著陳化時間延長,Fe-CEPS污泥中的鐵氧化物的形態和組成以及污泥的結構均發生了顯著的變化,如三價鐵逐步被還原為二價鐵,鐵氧化物由初期的水鐵礦逐步轉化為強晶型的藍鐵礦;污泥表面官能團也隨著陳化時間的延長逐步由Fe-O鍵向Fe-P-O鍵轉化。
圖2:陳化過程影響含鐵化學初沉污泥的結構和成分
研究表明,將不同陳化時間下的Fe-CEPS污泥投加到含鋁剩余污泥中進行厭氧消化,呈現出不同的分散特性。陳化時間越長的Fe-CEPS污泥導致的消化污泥團聚現象越明顯,不利于與微生物接觸。而投加了陳化3天時間的Fe-CEPS污泥顯著降低了消化污泥的分形維數,表明消化污泥松散的物理結構的形成。
圖3:不同陳化時間處理Fe-CEPS污泥強化Al-WAS產甲烷及VFAs變化。
添加不同老化時間的Fe-CEPS污泥對甲烷和VFAs生成有顯著影響。鐵添加組的甲烷生成速率略高于對照組。三個短期老化組(C1、C3和C5)的累積甲烷產量分別比對照組高20.3、28.6和20.7%,三個組的最大甲烷產量分別為134.1、143.3和134.5 mL/g VS。同時在對照組中檢測到更多累積的VFAs,表明添加Fe-CEPS污泥可以緩解VFAs的累積。
研究結果表明,含有多種形式鐵的Fe-CEPS污泥是提高鋁甲烷產量的有效替代鐵源。污泥的老化時間對鋁的甲烷潛在產量有顯著影響。在較短的老化時間內,Fe-CEPS污泥含有無定形鐵氧化物,具有較大的表面積和豐富的反應位點。因此,Fe-CEPS污泥可以作為厭氧微生物和污泥絮體之間的橋梁,以克服能量障礙,最終提高了Al-WAS產甲烷的能力。這證明Fe-CEPS污泥作為替代鐵源能有效提高Al-WAS產甲烷產量,最終實現“以廢治廢"的目的。
厭氧消化工藝作為一種重要的污水污泥處理技術,其研究和應用已經受到了科研和工業圈的廣泛關注。國內北京排水集團、蘇伊士水務、天津創業環保、重慶中法水務、中信環境等環保企業,應用MultiTalent 203甲烷潛力測試系統用于評價污水處理廠污泥厭氧消化的產氣性能及不同預處理、共消化等對產氣潛力的影響,為優化工藝運行和提升運行管理水平做指導。
隨著“十四五"規劃和30·60雙碳目標的提出,污泥處理的技術路線正逐步清晰化:“十四五"規劃在技術要求中明確提出限制污泥填埋,穩步推進資源化,鼓勵污泥能量資源回收利用。30·60雙碳目標提出后,未來污泥處理處置將以節能降耗及能源資源回收為目標,這對污泥處理提出了更為清晰的技術路徑方向,厭氧消化是優選途徑。
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