污泥高温水解工艺的发展及工程化应用VIP免费

污泥高温水解工艺的发展及工程化应用摘要：由于细胞膜阻止了胞外酶分解污泥，水解是控制步骤污泥中温厌氧消化的限速步骤。本文减少了污泥高温水解预处理工艺的基本原理，简述了该技术的发展历程和各阶段产业化工艺的应用概况。目前较为成熟的高温水解技术有Cambi工艺和Biothelys工艺，在全球已有超过50个生产性设备投入运行，获得了良好的经济效益与社会效益。随着我国对污泥处理处置问题的重视，国内大型污水处理厂逐步具备污泥高温水解工艺工业化设备的应用空间。关键词：污泥，厌氧消化，高温水解，Cambi，Biothelys1.导言长期以来，污泥厌氧消化技术受制于消化周期漫长（20~30天）和有机质减量有限（30~50%）推广缓慢。污泥厌氧消化的控制步骤是污泥水解。厌氧条件下，污泥细胞壁阻止胞外酶分解细胞内和胞壁上的大分子有机物，导致污泥厌氧可生化性不佳。高温水解（ThermalHydrolysis）在高温高压环境下，污泥絮体解体，细胞破裂，细胞的有机质（如多糖、蛋白质和脂肪等）释放并水解为小分子有机物（如单糖、氨基酸和脂肪酸等）。经水解处理的污泥特性发生明显变化：1由于细胞破裂和胞外聚合物（EPS）变性释放细胞结合水，改善污泥的脱水性能；2由于有机物的溶解与水解，污泥厌氧可生化性显著提高，加快污泥厌氧消化速率。2.污泥热水解研究概况Brooks[1]于1970年发现污泥在高温处理后部分有机物被溶解并发生水解反应，处理污泥的脱水性能明显改善。尽管污泥破解效果与处理温度正相关，但Fisher[2]等在研究热解温度对污泥生化性的影响后认为，污泥热解的最佳温度范围在160~180℃。高于最佳温度时污泥中的蛋白质和还原糖发生美拉德反应（Maillardreaction），生产的复杂环状有机物降低水解产物的可生化性，不利于后续消化产沼气。Haug[3]推荐热处理温度取175℃可兼顾水解程度和产物可降解性，污泥消化产气量较生污泥表现提升60~70%。Hiraoka研究了100℃以下的热处理，发现60~80℃依然促进消化产气，但由于预处理时间太长并不适用于生产性处理系统应用。Pinnekamp[4]分析了污泥主要成分（多糖、蛋白质和脂肪）的可生化性，以及热处理对这些组分的影响。蛋白质属有机大分子难以水解，试验通过热处理溶解了63%的蛋白质极大提升了污泥的消化产气能力。Li和Noike[5]得到的剩余污泥最佳预处理-消化条件是：污泥在170℃下热解30~60min，消化罐停留时间根据产气量变化和产甲烷微生物增殖周期控制5~10天。他们发现热水解对蛋白质和多糖类基质的降解优于脂肪，而污泥中60%的挥发性组分为蛋白质和多糖。通过热解将高聚物分解为单糖和氨基酸令污泥消化过程顺利跨越水解阶段，达到提高稳定化速率的处理目标。Elbing[6]以135℃处理的污泥作为中温消化原料，停留时间12天和15天的产气量分别增加为空白样的135%和235%。王志军研究了污泥溶解和水解的过程，认为溶解过程符合一级反应动力学模型，溶解速度常数与温度的关系符合Arrhenius方程，水解产物中挥发性脂肪酸（VFA）占COD的30%~40%，VFA主要成分为乙酸。[7]在热解过程中投加化学药剂削弱细胞对污泥脱水性、可生化性和泥饼含水率等特性的影响也被广泛研究，常用的药剂包括硫酸、烧碱、臭氧和双氧水。Tanaka研究了烧碱在不同剂量和反应温度下的预处理，结果表明热化学处理使产沼气量提升了2.2倍，但投药量并未考虑工艺处理成本。Neyens[8]利用双氧水作为均相氧化剂强化污泥有机质的溶出提高了污泥产甲烷潜力。3.污泥高温水解工业化人们最早应用污泥热处理目的是改善污泥脱水性，获得高固含量泥饼、缩小运输填埋体积。上世纪80年代美欧各国纷纷立法规范污泥处理处置标准，限制污泥的含水率和寄生虫数量，最终推动了污泥处理技术的工业化应用。3.1Porteous首座Porteous处理设施于1939年在英国的Halifax建成投产。首先用热水和蒸汽将污泥逐级加热至185℃~200℃并恒温反应30分钟，接着水解污泥进入沉淀池重力分离。高浓度上清液循环到水处理工段进一步处理，污泥经机械脱水后固含量由20%上升至40%。在欧洲，1960年前后共有仅30座Porteous设备投入运行，配合后续的干化焚烧实现污泥的最终处置。虽然Porteous工艺可将污泥含水率降低至50%左右，但高...