化学工程杂志 从活性污泥中选择性回收碳源的污泥破解预处理方法外文翻译资料

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从活性污泥中选择性回收碳源的污泥破解预处理方法

摘要

从碱、二氧化氯、超声波、均质化四种污泥破解预处理方法中进行筛选，以实现从剩余活性污泥中选择性地释放碳源，同时避免营养物质（P和N）的释放。本文从碳，氮和磷的变化进行比较，从实际的和理论之间的变化得到各预处理方法的评估。结果表明，这四个预处理方法在碳和营养物释放有不同的特点，这一现象提供了选择性释放的可能性。相对于释放养分，超声预处理更偏好于碳的释放，因此是一个对碳源进行选择性释放的很好的方法。但从成本上的考虑，我们更倾向于选择同质化预处理作为从剩余活性污泥中分解获得碳源的方法。碱性和二氧化氯预处理方法由于碳源的低选择性释放和有害气体的排放而不被主张使用。

关键词：剩余活性污泥，预处理，碳源，变异

1.引言

河流中高浓度的营养成分已经导致了河流的富营养化。相关政策和规定对排放到污水中的磷和氮的含量有明确的规定。虽然生物脱氮除磷工艺（BNR）已经成功运用于去除废水的营养成分，但是需要有足够的碳源以促成聚磷菌和异养反硝化菌的代谢以去除污水中的氮和磷。化学需氧量（COD）与总氮（TN）的比值和化学需氧量（COD）与总磷（TP）的比值如图6和35，分别显示了为去除这些营养成分而用的碳源。由于废水中通常都缺乏碳源，因此我们可以通过添加外部碳源如甲醇，乙醇，乙酸，乙酸盐，甲烷和工业废水中所含有的丰富的水解性碳以补充废水中的碳源以达到脱氮除磷最基本的碳—养分比例。

剩余活性污泥（SAS）的处置是许多污水处理设施中备受关注的，因为它的成本占废水处理总成本的一半。如果补充外加碳源可能会进一步增加SAS的生产率产量，同时也会增加污泥处理的成本。或者可利用通过SAS产生的内部碳源作为新碳源。内部碳源包含适用于生物脱氮除磷（BNR）的碳源，同时内部碳源已成功应用并改善了生物脱氮除磷（BNR）工艺。剩余活性污泥（SAS）作为碳源进行再利用不仅降低了脱氮除磷的碳源成本，同时也解决了污泥处理的问题。

污泥破解已被广泛研究以解决污泥处理和处置中遇到的问题，如污泥厌氧消化，隐性生长污泥减量，污泥脱水，以及生物制氢等。在机械、热学、化学和生物等领域的一系列技术已得到研究，然而这些技术中很少有被应用到污泥分解以获得碳源的工作中。超声和疏解机预处理用于污泥分解的试验，从而为生物脱氮除磷（BNR）提供碳源，结果显示可溶性化学需氧量（SCOD）增加至48倍、挥发性脂肪酸（VFAs）的最大浓度达到530mg/L。水热反应应用于将剩余活性污泥（SAS）液化以得到碳源，其中溶解性有机碳占总有机碳比例大约保持在65％左右，在大多数测试条件，和易于生物降解的底物如乙酸和丙酸的情况下，这个比例会随着反应温度的增加而增加。在臭氧分解反应下，随着臭氧剂量的增加，易生物分解的COD含量大幅度提高，在0.2g/干污泥的剂量下，COD的最大浓度可达到1588mg/L。利用碱性水解（7.78mM NaOH）和gamma;-射线（20kGy）的组合还可用于回收利用剩余活性污泥（SAS）中的碳源，在初始的总固体量（TS）浓度为16220mg/L时，溶解性COD（SCOD）可达到1900mg/L。由此可以得出结论——预处理方法对磷释放有显著的影响。

分解污泥会释放大量的碳，其中包括含有高浓度挥发性脂肪酸（12％）的溶解性COD（SCOD），还含有各种混合碳底物，如蛋白（30％），碳水化合物（13％），以及其他物质（45％），使得它广泛适用于一般的生物量。

在磷的释放试验中，对于不加入碳源的对照组，磷酸盐（）对磷释放量为4.3mg/L，相对于对照组，加入分解污泥后，磷酸盐（）磷的释放量增加为14.9 mg / L。在反硝化试验中，硝酸盐（）的消耗量由对照组的() 提高至加入污泥的( )。脱硝率达到。与使用醋酸盐(0.024 mg PO4-P/g VSS min, 0.027 mg NO3-N/

g VSS min)相比，分解剩余活性污泥(SAS)(0.031 mg PO4-P/g VSS min, 0.038 mg NO3-N/g VSS min) 能获得更好的脱氮除磷效果。因此，分解污泥的整体性能是令人满意的。然而，这样的缺点是，若废水中氮和磷的量增加，会对生物脱氮除磷（BNR）的效果造成不利影响。虽然已经一些研究人员提出这个问题，但目前为止仍没有一个可以从分解污泥中脱氮除磷的解决方案。更好的解决方案是通过适当的预处理选择性地释放碳的方法，以达到最大碳释放量和最小磷和氮的释放量。这个想法是基于我们的以前的工作，我们发现预处理方法以显著改变碳和养分从剩余活性污泥（SAS）中的释放的情况，从而导致分解污泥中出现不同的SCOD/ TN和SCOD/ TP比例。我们假设一个可能性是通过适当的预处理可以选择性地释放出碳（由SCOD索引），同时避免磷和氮的释放（由总磷和总氮索引）。在这项工作中，我们研究四中种预处理方法，包括用碱，二氧化氯，超声，及同质化研究对SCOD，TN和TP的释放的影响，由此确定从剩余活性污泥（SAS）中分解污泥并选择性回收碳的最佳方法。

2.材料和方法

2.1破解剩余活性污泥的预处理方法

剩余活性污泥（SAS）是通过小规模的SBR处理污水的废水栽培，水质为COD 100-500mg/L（平均157mg/L），TN 20-40 mg/L（平均23.8mg/L），和TP 2-8mg/L（平均2.36mg/L）。定期排出一部分混合液以保持SBR系统中的混合液悬浮固体浓度（MLSS）保持在3500mg/L左右。排出的混合液经过重力沉淀直到总固体量达到30000mg/L以上。这些稠化的污泥储存于44 C的环境中做一周以内的预处理。所需的一定浓度的污泥样品用自来水稀释稠化污泥得到。碱性预处理，是将一定量浓度为20g/L的污泥样品等分至八个烧杯，然后将10mol/ L的NaOH分别加入烧杯，调整初始pH值到8.0，9.0，10.0，11.0，12.0，12.5，13.0和13.5，于150rpm下搅拌2小时。试验中的纯氢氧化钠是从Kermel Plant（中国天津）购买的。对于二氧化氯预处理，将100毫升浓度为15mg/L的污泥样品加入烧杯，然后分别加入0至10毫克二氧化氯/ g干污泥的二氧化氯后，二氧化氯与污泥样品在120rpm的搅拌速度下反应40分钟。高纯氯氧化钛（95％）是用次氯酸盐与盐酸在二氧化氯发生器（HYCB-50，中国）中反应产生。对于超声预处理，超声波发生器的电极将被投入15g/L的污泥样品中反应6分钟，超声波强度从0到3W/mL中变化。极超声发生器（SCIENTZ-IID，中国）具有20kHz的频率和0-950 W的可调电源。对于同质化预处理，将浓度为15g/ L的污泥样品加压泵入一个同质化的循环过程中，工作压力在0到150MPa间变化（当工作压力高于150兆帕，将会出现频繁堵塞）。试验中使用的高压均质机（IN-02HC，巨能生物科技有限公司，广州，中国）工作压力范围0-210MPa。如上所述，立即将分解后的污泥样品通过0.45um的微孔滤膜进行过滤

，从而测定污泥样品释放的可溶性物质，并且将滤液保存用于分析。对于滤液，用方法5220D（关闭回流，滴定法）测量COD，检测40 mg /L以上的浓度; 用方法4500-N（过硫酸盐法）测定TN，检测2.9mLN / L以下的浓度;用4500-P（抗坏血酸方法）测量TP，并检测0.01-6mLP / L的范围内的浓度；TS和VS则用按照方法2540G进行测量。所有实验都在室温下（20-27℃）进行并至少重复一次，取平均值以反映了所有数据。

2.2 碳和养分的释放

上述的四个预处理方法的操作条件根据溶解性COD（SCOD）的释放情况决定的，而溶解性COD（SCOD）通常是确定污泥分解的程度的指标评价。最佳条件下的最高分列在表1中，这些资料在我们以前的研究中已经报道过;除了一个关于碱性的报告将在另一项研究中提出。在现阶段的研究中，对于分解污泥的碳源利用，氮和磷的释放依然是研究的对象。

2.3 统计分析

为了研究选择性碳源的释放机理，我们队实际与理论值之间的偏差程度进行了评估。此外，我们利用统计学对变化程度进行分析表现四个预处理实验组在碳和养分释放上的差异和发展趋势。

所有数据集的常态假设是利用夏皮罗 - 威尔克测试以测试在此之前的任何额外的分析常态。 所有的数据集都违反常态的假设，因此需要利用非参数试验的数据进行管理。在这里， Kruskal–Wallis试验用来确定在四个预处理组中的显著的变化。作为后续行动，Jonckheere–Terpstra试验用于测定四个预处理组中的变化趋势。P lt;0.05的概率被作为所有比较的基准。所有的统计分析所用的统计软件为社会科学统计软件（SPSS17.0，公司，芝加哥，IL，美国）。

3.结果与讨论

3.1解体剩余活性污泥的特性

虽然污泥分解在污水污泥处理和处置中有广泛的应用，但我们应该注意了解

污泥破解程度，关于破解污泥的物质特性我们知道的很少。在这项工作中，我们把注意力更多的集中在污泥分解过程中的物质释放流程以更好地了解污泥分解过程。

3.1.1碱性预处理

对于碱性预处理，pH值是最重要的影响因素。图1A通过在不同pH值下的碱性预处理表明碳和养分从SAS释放的趋势。结果表明，通过碱性预处理后污泥分解结果较好。很明显的看出，随着pH的增加，SCOD从250mg/L增加到6632mg/L。Kim等人观察到了相同的趋势，并由Li等人获得了的高分释放值。

TP释放的趋势与SCOD的趋势相似，其浓度由45mg/L增加至220mg/L。TN释放趋势与上所述的不同，其不同点在于，它表现出逐步增加。pH值为8~10时并没有TN释放，当pH为11（427-822mg/L）时可以观察到TN的释放量急剧上升，当pH为12~13.5时，TN的释放稳定增加。类似与碳的释放，TN释放的加速点在pH值约为11时。因此认为污泥分解的临界点是pH=11，这时集总细胞破碎，细胞内的有机物发生泄漏。泄露的有机物包括富含碳、氮和磷的核酸、蛋白质和多糖。

3.1.2二氧化氯预处理

二氧化氯剂量是影响二氧化氯预处理效果最重要的因素。图1B表明通过二氧化氯预处理，在不同的二氧化氯剂量下碳和养分从SAS的释放的趋势。随着二氧化氯剂量的增加，SCOD连续不断的增加，当二氧化氯剂量达到8mg二氧化氯/g干污泥时，SCOD达到最大值为110mg/L。TN和TP的释放表现出相同的趋势，在最初的快速增加后，分别在18.2mg/L和13.5mg/L变得稳定。

3.1.3超声预处理

对于超声预处理方法，超声波强度是最重要的影响因素。图1C显示，超声波强度从0.5 W /mL增加至3W/mL时，SCOD从SAS中释放的量从290mg/L增加到700mg/L。SONIXtrade;径向号角的分解造成SCOD的显著上升，对于非BNR SAS和BNR SAS，SCOD的最大值分别达到14300mg/L和5650mg/L，这表明碳释放取决于污泥源。这一发现也说明了在我们的研究中，通过超声预处理后SCOD的释放量较少是因为使用了不同的污泥样品。当浓度为2.6毫克/升6.2毫克/升，TP释放的趋势与SCOD的释放趋势相似。TN释放的趋势与SCOD和TP的略微不同在于，当浓度达到35.5毫克/升后，TN的释放量相对减少。

3.1.4同质化预处理

对于同质化预处理，压力是最重要的影响因素。图1D表明，当压力从30MPa增加到150MPa，SCOD从SAS的释放量呈线性增加（1059—2771mg/L），满足 SCOD = 14.2 压力 692 (R2 = 0.990)的方程。张等人还成功地通过多元线性回归建立了污泥分解模型以量化同质化预处理。

TN释放表现出与SCOD相同的趋势，释放量从116mg/L—285mg/L呈线性增加并满足方程TN=1.41压力 79（R2 =0.992）。TP释放的趋势不同，当浓度为49.5mg/L时，TP的释放量更少。

总之，对于不同的预处理方法，碳和养分释放的趋势有明显不同。不同的释放

偏好也表示了碳源选择性释放的可能性。

3.2碳与营养元素比例的比较

在污泥解体的优化条件下，解体污泥相应的SCOD/ TN和SCOD/ TP比率彼此不同（表1）。和预期相同，这些预处理方法之间的差异进一步证明了碳源的选择性释放。

应该优选在分解污泥中有更高碳 - 养分比值的预处理方法。在四预处理方法中，超声波具有最高SCOD/ TN和SCOD/ TP比值，同时是碳从SAS中释放的最佳方法。相比之下，二氧化具有最低的比率因此不适于作为污泥分解的预处理方法以使碳从SAS释放。

在这项研究中，进水中COD / TN和COD / TP比值（在第2.1节污废水）分别为6.6和66.5，进水中的低比率表明了进水碳源的短缺。在这项工作中，只有经二氧化氯预处理的分解污泥具有比进水更高的COD/ TN和COD/ TP比值，这表明预处理后的分解污泥可以为BNR提供额外的碳。因此，分解污泥是合适的碳源，特别是对于普遍缺乏进水碳源的中国北方的污水处理厂。对于经过二氧化氯预处理的分解污泥，氧化产生的CO 2造成的有机碳的损失可能造成出水中较低的SCOD/ TN和SCOD/ TP比值。此外，机械预处理方法（超声均质化）想对于化学方法（碱性和二氧化氯）可以获得更高的碳 —养分比率。根据实验，在测试条件下，碱性预处理（15mM氢氧化钠）的最大SCOD/ TN比率分别为11.4和13.6和伽玛射线预处理（50kGy）下的分别为18和21。这一结果是根据上述结论得出的。

3.3选择性碳源释放的机制

3.3.1实际与理论值之间的差异

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