1、微波污泥预处理及其在原位污泥减量中的应用研究,魏源送中国科学院生态环境研究中心211.05.27,2011年中国城镇污泥处理处置技术与应用高级研讨会,内容提要,研究背景微波污泥预处理及其在原位污泥减量中的应用研究微波及其组合工艺污泥预处理C、N、P释放特性MW+H2O2工艺的H2O2投加策略研究MW+H2O2工艺影响因素研究污泥减量小试研究微波及其组合工艺污泥预处理中试研究致谢,3,2019/7/2,活性污泥法：目前世界上最广泛应用的污水生物处理技术污泥处理成本最高可达总运行费用的30-50昂贵的费用以及供填埋土地的日益稀缺污泥处理与处置 巨大挑战！,问题的提出,厌氧产气氮磷回收,基于溶胞-隐
2、性生长污泥减量,4,2019/7/2,问题的关键,.,基于微波预处理的原位污泥减量技术技术路线,5,2019/7/2,微波及其组合工艺,6,2019/7/2,微波及其组合工艺对污泥粒径的影响,7,MW-Acid：D10、D50、D90分别增加了2.3、1.8、1.4倍MW-Alkali：半凝胶状，沉降性、脱水性恶化MW-H2O2：污泥粒径明显减小，沉降性良好,2019/7/2,微波及其组合工艺对碳释放的影响,8,MW-H2O2MW-Alkali MW MW-Acid,2019/7/2,微波及其组合工艺对氮释放的影响,9,MW-H2O2MW-Alkali MW MW-Acid,2019/7/2,
3、微波及其组合工艺对磷释放的影响,10,MW-H2O2MW-Acid MW-Alkali MW,2019/7/2,微波及其组合工艺中磷的释放过程,11,30开始，每升高10取一次样，测定上清液中磷的含量。,2019/7/2,小结,12,单独MW处理的工艺对污泥的作用效果有限，微波组合工艺可显著改善对污泥的预处理效果。MW-Acid工艺可使处理后的污泥粒径显著增大，沉降性、脱水性明显改善；微波-碱处理后的污泥则沉降性恶化。极难脱水。MW-Alkali、MW-H2O2工艺对于溶出污泥中的含碳有机物、含氮物质具有明显作用。 MW-Acid、 MW-H2O2可促进污泥中磷的溶出，利于磷回收的进行。,20
4、19/7/2,13,2019/7/2,MW-H2O2预处理中的H2O2投加策略,14,2019/7/2,过氧化氢酶：区别好氧/厌氧微生物的特征之一，活性污泥中过氧化氢酶活为32.1unit/mg污泥升温速率：设定20度/分钟 ，升温过程中过氧化氢酶逐渐失活,过氧化氢酶对H2O2分解的影响,水浴控温条件下，污泥中过氧化氢酶对H2O2的分解效果,15,2019/7/2,H2O2剂量对有机物溶出以及H2O2残留比例的影响,H2O2剂量的影响,H2O2,16,2019/7/2,有机物的分布,处理过程中有机物的分布情况（以TC表示）,处理过程中有机物的分布情况（以COD表示）,表明污泥中有机物除了生成C
5、O2逸出外，仍有大部分有机物被氧化为小分子物质。,17,2019/7/2,小结,过氧化氢酶的作用显著影响其处理效果和过氧化氢的投加量。过氧化氢酶的活性在高温下（ 60和80 ）受到抑制。研究发现反应体系中H2O2有严重残留现象。确定了微波-过氧化氢污泥预处理过程中的H2O2投加策略，即80条件下按0.51的比例（ H2O2 TSS）投加,再升温至100。该过氧化氢的投加策略能显著提高H2O2的利用率和污泥溶胞效率。 随着H2O2投加量的增加，有机物逐步从固相中释放出来进入溶液以及气相中。,18,2019/7/2,污泥浓度分为2组考察 即等量与等比例投加H2O2,微波功率 在2001000W范围
6、内考察微波功率处理效果的影响,pH在211的范围内，研究其对污泥效果的影响,经济有效的操作参数,对常压微波-过氧化氢联合作用处理污泥的工艺参数进行优化,MW-H2O2污泥预处理工艺参数优化,基于RSM的交互作用研究,单因素研究,19,2019/7/2,污泥浓度对处理效果的影响（系列A H2O2为5000mg/L 系列B H2O2：COD=1：1）,在一定的H2O2投加量下，污泥浓度越高，其COD释放比例越低。在等比例于污泥浓度投加H2O2的情况下，污泥预处理效果不受污泥浓度的显著影响,两个不同H2O2使用量对比系列中，污泥处理程度均不受污泥浓度的影响，但较高的过氧化氢使用量有利与污泥的溶胞与稳
7、定,污泥浓度的影响,20,2019/7/2,160 s 62.5/min,823 s 12.1/min,微波的功率影响,21,2019/7/2,(初始TSS=5000mg/L 初始H2O2浓度为5000mg/L),污泥溶解比例随着污泥初始pH值的升高而增加，残留H2O2的比例从酸性及中性条件下的83%左右迅速下降至碱性条件下的43.4%(pH=11)。污泥溶胞后pH有降低趋势,pH=2 13.2%,pH =11 35.6%,在pH=2与pH=3时的VSS/TSS比值分别为0.84与0.83，略高于原污泥的0.82，但随着pH的逐步提高，VSS/TSS比值逐渐降低，在pH=11时降到了0.603
8、 与报道的酸性条件比，碱性条件下，微波过氧化氢处理更有利于污泥的溶胞与稳定,pH的影响,22,2019/7/2,选择与经济性最相关的三个因素 1 最佳处理条件的组合区域 2 建立主要参数的二阶预测函数模型采用中心复合设计（Central-composite），,交互作用,23,2019/7/2,试验条件与结果统计,24,响应面（RSM）分析,pH，TSS，H2O2对COD释放量的影响,pH，TSS，H2O2对H2O2残留量的影响,2019/7/2,25,2019/7/2,二阶预测模型,提出优化条件 构建了反应预测模型 预测反应后的以下各项指标变化COD 、COD/TCOD、 TCOD、 VSS
9、、 TSS、 VSS/TSS、 TC H2O2 residual、 H2O2 reserve% 、NH4-N 、 Metal (K Ca Mg Cu Zn)、 pH final,26,2019/7/2,污泥形态观察,1,2,3,原污泥,微波处理,微波-过氧化氢,27,2019/7/2,污泥溶胞过程,H2O2,OH,MW,处理后污泥的应用,28,2019/7/2,Sludge pretreatment,提高沼气产出效率；磷回收,A级标准 EPA-503,原位污泥减量（溶胞隐性生长）,原位污泥减量-实验室规模,29,2019/7/2,主要运行参数反应区4.8L 沉淀区1.6LHRT 8hSRT 1
10、2dDO 3 mg/L,预处理方式R1# 不处理R2# 回流处理上清液R3# 回流处理混合液,污泥产率,30,2019/7/2,基于微波预处理的原位污泥减量60%,污水处理效果,31,2019/7/2,微波预处理对污水处理效果无影响,小结,研发了微波污泥预处理的过氧化氢投加策略，减少了H2O2的损耗明确了污泥浓度是微波污泥预处理的显著影响因素研发了基于微波污泥预处理的原位污泥减量工艺，污泥减量效果显著。,32,2019/7/2,33,微波污泥预处理中试系统,2019/7/2,33,自主研制的微波反应器（JWX-10-W，定做于巨龙微波能设备公司），频率为2145 GHz，磁控管输出功率1 kW
11、10，5级调节，反应槽有效处理容积50 L,微波污泥预处理组合工艺中试效果,34,COD溶出比例和固体减量比例均表明，微波组合工艺能有效对污泥进行溶胞，释放出有机物,2019/7/2,微波污泥预处理组合工艺中试效果,35,pH,碱度,NH4-N,TN,PO4,TP,2019/7/2,2019/7/2,36,原位污泥减量示范工程,试验运行,CAS污水处理设计规模：400m3/d; 曝气池146.7m3运行阶段1（回流减量前）（2010.11.232010.29）：进水流量300t/d，HRT=11.74h，曝气量220-260m3/h运行阶段2 （回流减量前）（2010.12.152010.12
12、.21）：进水流量200t/d，HRT=17.60h，曝气量180-200m3/h运行阶段3 (回流减量阶段) （2010.12.232011.1.21）：进水流量200t/d，HRT=17.60h，曝气量180-200 m3/h,运行阶段1,运行阶段2,运行阶段3,2019/7/2,37,CAS系统运行特征,运行期间系统进水COD 250-400mg/L,出水COD 30-65mg/L，COD去除率82%-95%。在溶胞回流后阶段，出水COD并没有升高趋势，出水水质不受影响。,2019/7/2,38,2019/7/2,CAS系统运行特征,39,进水TN为20-60mg/L,氨氮去除率达90%
13、以上，TN去除率35%-75%。进水TP为2-10mg/L, TP去除率为70%-95%。在溶胞回流后阶段，出水总磷并没有升高趋势，出水水质良好。,微波污泥预处理单元运行特性,微波污泥预处理系统预处理工艺：微波+碱操作参数：pH=10，温度95，进泥浓度1522g/L；日处理量：0.5m3，折合干污泥重量约为8.60kg,占污泥日增量的8.42%；,2019/7/2,微波污泥预处理单元运行特性,2019/7/2,41,污泥减量效果计算方法,反应器参数及效果考察采用如下公式计算,参数 sf为比处理量，单位为d-1，是指每天通过微波处理的活性污泥干重占整体反应器内活性污泥总重的比例，反映了微波-碱
14、处理系统对于活性污泥系统的一个选择压力。每日的表观污泥产率（Y）为,每日产泥量（Px）=排出系统的污泥量+反应器内污泥总量的变化；每日进水有机物总量（Qcod）=（CODinf CODeff）* Q污泥减量率 RSP （%）采用如下公式计算,式中，Yobsunit为反映其中的表观污泥产率；Yobscontorl，为作为对照的活性污泥反应器中的污泥产率。,式（1）,式（2）,式（3）,42,污泥产率衡算表,43,不同运行阶段污泥产率比较,回流减量前，污泥产率系数分别0.55、0.66；溶胞回流后，污泥产率系数显著降低，Y=0.39。,2019/7/2,44,污泥减量系统效果评估,以净污泥产量作为
15、污泥减量计算的依据，则参照回流减量前运行阶段1、回流减量前运行阶段2，污泥减量效果分别为：,基于微波预处理的原位污泥减量效果显著,2019/7/2,45,技术经济分析,2019/7/2,小结,技术经济分析结果表明，由于污泥减量效果，吨水处理费用由1.48元下降到1.25元，单位污泥处理费用由2.38元下降到1.33元。预计可在扩大微波预处理规模的情形下继续降低吨水处理成本和单位污泥处理成本,经溶胞回流减量后，净污泥产量由32.20 kg/d54.12 kg/d下降为21.96 kg/d，减量效果为29.1%40.9%,微波污泥预处理系统的碳、磷、磷释放显著，污泥减量效果显著，对出水水质没有影响,2019/7/2,47,致 谢,国家863计划国家自然科学基金课题合作单位：天津大学、清华大学、上海大学天津创业环保股份公司课题组全体人员,Dec 9, 2009,THANK YOU FOR ATTENTION!,联系方式联系人：魏源送 研究员中国科学院生态环境研究中心Tel：01062849108, 13521192669E-mail: ,
