麻城市一體化生活污水處理設(shè)備
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厭氧消化處理產(chǎn)物特征及轉(zhuǎn)化機理研究
厭氧消化處理產(chǎn)物特征分析
9座厭氧消化廠的進泥泥質(zhì)及穩(wěn)定化處理產(chǎn)物(消化沼渣)的性質(zhì)見表1。由表1可知，9座廠以蛋白質(zhì)和多糖為代表的有機物降解率排序為A4>A6>A5>A7>A8>A2>A9>A1>A3，其中A4～A8為高溫熱水解-厭氧消化處理工藝，其有機物降解率普遍高于傳統(tǒng)工藝，說明高溫熱水解在提高厭氧消化效率上具有重要意義。根據(jù)我國現(xiàn)行《室外排水設(shè)計規(guī)范》(GB 50014—2006，2016年版)中關(guān)于污泥穩(wěn)定化控制的相關(guān)標準，厭氧消化的有機物降解率需達到40%以上。在9座廠中，僅A4～A6達到這一要求。觀察發(fā)現(xiàn)，這3座廠的進泥有機物含量均高于60%，可見有機物降解率與進泥泥質(zhì)密切相關(guān);進泥有機物含量越高，有機物降解率也越高。但在我國南方地區(qū)，有些廠的進泥有機物含量尚不足50%，如A1、A7和A9，實現(xiàn)40%的有機物降解率就比較困難，即使采用高溫熱水解預處理(如A7)，有機物降解率的提升效果也十分有限。數(shù)據(jù)分析還發(fā)現(xiàn)，蛋白質(zhì)的減量與工藝有關(guān)，高溫熱水解-厭氧消化處理工藝的蛋白質(zhì)減量明顯高于傳統(tǒng)工藝，這也佐證了高溫熱水解的重要作用;但是多糖的減量相對不明顯(如A9)，采用與餐廚廢棄物協(xié)同厭氧消化，產(chǎn)物中的多糖含量反而增加。所以受厭氧消化工藝和進泥泥質(zhì)的差異，采用污泥有機物降解率作為穩(wěn)定化的指標就值得商榷了。

厭氧消化不僅是有機物(蛋白質(zhì)、多糖等)的降解過程，同時也是物質(zhì)的合成過程(腐熟或腐殖化)。經(jīng)厭氧消化處理后，腐殖酸的含量(富里酸與胡敏酸的總和)都有不同程度的增加，除A9外，其余各廠的產(chǎn)物中腐殖酸的含量均有不同程度的提高，提升幅度為24～117 mg/gVS。而A9，因其協(xié)同餐廚廢棄物處理，餐廚廢棄物占比50%，在有限的消化時間(20 d)內(nèi)，有機物降解地尚不夠*，產(chǎn)物中仍有98.1 mg/gVS的蛋白質(zhì)和86.5 mg/gVS的多糖。而腐殖酸的合成原料來源于有機物降解的中間產(chǎn)物，可見腐殖酸的合成與有機物的降解是相輔相成的。
2.2 產(chǎn)物轉(zhuǎn)化機理解析
為闡述厭氧消化過程有機物向有機質(zhì)的轉(zhuǎn)化機理，以A4為例，其采用高溫熱水解-中溫兩級厭氧消化-板框脫水處理工藝，污水處理規(guī)模100萬m3/d。圖2為各采樣點物料中蛋白質(zhì)、多糖和腐殖酸含量的變化規(guī)律。分析可知，污泥經(jīng)過熱水解和厭氧消化后，蛋白質(zhì)從136.3 mg/gVS減少到70.3 mg/gVS，減量64.6%;多糖從62.3 mg/gVS減少到40.4 mg/gVS，減量55.5%，這體現(xiàn)了污泥中有機物的降解。但是，腐殖酸總量從140.6 mg/gVS增加到253.6 mg/gVS，增量23.8%，這體現(xiàn)了厭氧消化過程中，簡單有機物向復雜有機質(zhì)的轉(zhuǎn)化。經(jīng)過板框脫水(藥劑調(diào)理)后，消化產(chǎn)物中的有機物含量略有降低，其中，腐殖酸含量由253.6 mg/gVS降至176.5 mg/gVS。試驗也分析了脫水濾液(取樣點e)中有機物的含量，檢測出濾液中含有139.2 mg/L的多糖和911.0 mg/L的腐殖酸，結(jié)合水質(zhì)水量計算可知，脫水濾液中的腐殖酸占消化出泥腐殖酸總量的14.2%，可見，板框脫水帶走了沼渣中的水溶性腐殖酸;加之脫水濾液含有大量的腐殖酸和無機氮(氨氮)，證明脫水濾液也具有作為液態(tài)營養(yǎng)液的再利用價值，為厭氧消化沼液的處理及再利用提供了思路。
利用三維熒光圖譜可以定性或半定量地分析蛋白質(zhì)類和腐殖酸類物質(zhì)的相對量，與標準物質(zhì)的光譜圖比對可知，峰A(Ex/Em=335/400)介于牛血清蛋白和富里酸標準物質(zhì)熒光峰的中間位置，在厭氧消化后消失，其代表一類具有熒光特性的蛋白質(zhì)類物質(zhì);峰B1(Ex/Em=385/(470~475)在富里酸標準物質(zhì)的位置出峰，其代表富里酸類物質(zhì);峰B2(Ex/Em=425/490)介于富里酸和胡敏酸熒光峰的中間位置，在厭氧消化后出現(xiàn)，代表富里酸向胡敏酸轉(zhuǎn)化的中間產(chǎn)物;峰C(Ex/Em=475/540)在胡敏酸標準物質(zhì)的位置出峰，代表胡敏酸類物質(zhì)。無鹽廢水在SCWO工藝中很容易被氧化降解。通常只含C、H、O、N的有機廢水不會造成反應器的嚴重腐蝕，系統(tǒng)可長期運行。處理此類廢水不需要特殊的反應器設(shè)計。
麻城市一體化生活污水處理設(shè)備為了降低含雜原子化合物在氧化過程中生成酸類可導致反應系統(tǒng)低溫段出現(xiàn)腐蝕的風險，必須對反應器進行結(jié)構(gòu)改造。一種簡單的解決思路由數(shù)位研究者提出，即在反應流中加入堿液中和生成的酸。但碳酸鹽的沉淀以及超臨界溫度下的腐蝕問題(見表2)指出了這種方法的風險性。圖2為反應器區(qū)間內(nèi)過程溫度與pH值的關(guān)系圖，可行的操作是將堿液引入反應區(qū)域的下游。廢水與氧化劑可以通過單獨的管路引入反應器。鈦合金為構(gòu)成系統(tǒng)中預熱器的*材質(zhì)，因為部分有機物在預熱器內(nèi)即被快速熱解、氧化成酸類，普通鋼材在高溫氧化環(huán)境中極易被腐蝕。反應器主體材質(zhì)因450-600 oC的高溫應選擇耐高溫的鎳基合金。反應后的廢液引入常溫的NaOH或KOH堿液中和，形成弱堿性的亞臨界水溶液。研究表明超/亞臨界溫度的梯度變化對腐蝕沒有較大影響。由于堿性溶液在超臨界溫度下具有很強的腐蝕性，引入的堿液必須盡量減少接觸超臨界溫度區(qū)域，這可通過縮小反應器與冷卻器的橫截面積來實現(xiàn)。此外，應確保氧化后的廢液呈堿性，含氯化物或溴化物的高溫水溶液也會導致嚴重腐蝕。

此方案的亮點在于盡量縮短反應器與液相接觸的時間。傳統(tǒng)SCWO工藝冷卻過程為A區(qū)至B區(qū)，先降溫后降壓，處理后的廢水由超臨界狀態(tài)降溫至亞臨界狀態(tài)，反應器一直處于腐蝕性較強的亞臨界水浸泡狀態(tài)。新方案類似閃蒸工藝，廢水由A區(qū)至C區(qū)，先降壓再降溫，處理后的廢水由超臨界狀態(tài)降壓至過熱水蒸氣狀態(tài)，同時此過程伴隨著急速降溫。過熱水蒸氣的腐蝕性遠遠低于亞臨界水，可有效緩解廢水對反應器的腐蝕。此外，冷卻段結(jié)構(gòu)的低壓力負荷，可選用如玻璃鋼的簡易結(jié)構(gòu)設(shè)計與材質(zhì)選擇。