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脱水消化污泥的嗜热高固体消化

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用于嗜热高固体消化脱水消化污水污泥的标题图像

大肠Nordella、b,J. Moestedta, b, c,J.Österman.,维,s. shakeri yektab, c,比约恩b, c, l .太阳E.,她b, c, e *

  • Tekniska verken i Linköping AB,沼气研发部,1500箱,SE-581 15 Linköping,瑞典(E-mail:erik.nordell@tekniskaverken.se
  • 沼气研究中心,Linköping大学,SE-581 83 Linköping,瑞典
  • 环境变化专题研究系,Linköping大学,SE-581 83 Linköping,瑞典
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  • 瑞典农业科学大学生物中心分子科学系,瑞典乌普萨拉,Box 7015, SE-750 07anna.schnurer@slu.se

1.介绍

在沼气生产厂,污泥(和其他生物质类型)的巴氏杀菌有几种常见的方法,包括在52℃或55℃、>24或>8 h暴露时间下的嗜热厌氧消化(TAD)。乐动时时彩乐动appb相对于更常用的亲中温条件,TAD具有许多优点,包括提高降解速率(从而缩短停留时间),降低流体粘度(从而降低搅拌能耗)。然而,嗜热操作也增加了与高游离氨氮(FAN)水平相关的过程不稳定的风险。

对脱水污泥进行TAD处理(即“干消化”)可以改善降解和稳定总固体浓度(>15%)高的有机废物,并且比相应的湿消化系统要求更小的反应器体积(因此加热更少)。此外,生成的消化液具有较低的含水量和较高的营养浓度,使其作为一种肥料更有吸引力。

本研究旨在评价在瑞典污水处理厂使用塞流(PF)反应器对脱水消化污泥(DDS)进行后处理时的高固体嗜热消化。性能评估参考沼气和净能源生产,消毒和饲料脱水污泥(DS)的稳定。此外,利用固相法分析了固相有机质特性的变化13.C交叉极化魔角自旋(CP-MAS)核磁共振(NMR)技术。

2.实验

2.1反应器设计与设置

使用38L圆柱形的机械搅拌的不锈钢PF反应器用于研究,使用填充充水的夹套加热到52℃的过程温度。反应器从全尺寸的Nykvarnsverket WWTP接种,反应器用新鲜的DDS填充了新鲜的DDS。然后在脱水后直接从全尺寸植物(图1)直接收集底物,即DDS,并将其送入反应器,在约30天后达到全容量。底物总固体(TS)和挥发性固体(Vs)浓度分别为27±5%,分别为6.1±2.4 kg与/(m的OLR)的平均有机加载速率(OLR)分别为64±5%(vs)。3..d)。从第135天到第176天,10%的消化液(TS: 23%±1.7%,VS: 59%±1.5%)与新鲜DDS一起再循环到入口,连续再接种,平均保留时间为30天,锂示踪证实了这一点(第3节)。

图1所示。Nykvarnsverket污水处理厂消化部分示意图。虚线盒代表额外的嗜热消化过程,在中试规模使用塞流反应器模拟
图1所示。Nykvarnsverket污水处理厂消化部分示意图。虚线盒代表额外的嗜热消化过程,在中试规模使用塞流反应器模拟
图1所示。Nykvarnsverket污水处理厂消化部分示意图。虚线盒代表额外的嗜热消化过程,在中试规模使用塞流反应器模拟

通过对病原菌的消化分析来评价巴氏灭菌沙门氏菌大肠杆菌(> 105.cfu / g w / w)肠球菌(> 105.cfu / g)蛔虫suum蛋。将这些添加到DDS Feed中以确保反应器入口处的高水平病原体。

PF反应器的体积产气量以及甲烷含量被在线监测。记录的污泥质量决定因素包括底物和沼液中的TS和VS、pH、挥发性脂肪酸(VFA)、铵态氮(NH)4.-N) (FAN NH3.通过平衡热力学计算得到的k - N)、估算的原蛋白质含量(根据凯氏定氮含量与氨氮含量的差值)和碳水化合物含量。采用CP-MAS NMR测定DDS和酶解后样品中的固相有机官能团,确定类蛋白物质的命运。

通过测量在30°C厌氧培养40天期间产生的甲烷,对未处理和消化的DDS的剩余甲烷电位进行了评估。最后,进行能量平衡,以评估实验测量的沼气产生的热值(CV)的差异,以及加热和搅拌污泥消耗的能量:

特征热敏高固体消化EQN 1
特征热敏高固体消化EQN 2
特征嗜热高固体消化EQN 3

1基于从本研究中实验模拟中获取的数据。
m = 9.97 kWh/Nm3.甲烷。n =千瓦时/ m3.水。
不考虑加热污泥的再循环,也不考虑在流出污泥上使用热交换器。

3.结果与讨论

3.1流程性能

PF反应堆的锂离子水力剖面测试表明,在30天左右呈正态分布,这表明在30天的固体滞留时间(SRT)下,最佳塞流。在54天的启动期间,甲烷产量很低(10-15 mL/g VS),而VFA浓度很高(45 g/L)(图2)。在这段时间之后,VFA浓度下降,甲烷产量相应增加,在46 mL CH时达到峰值4./g VS,相应的pH值从启动期间的7.8变化到108天后的8.4(图3)。在全规模的Nykvarnsverket装置中,主反应器的最大甲烷产量约占总甲烷产量的6%。相比之下,干燥消化脱水,未消化污泥的甲烷产量为18-157毫升CH4./ g VS。

图2。脱水消化污泥在高温干燥消化过程中的周平均甲烷产量和总挥发性脂肪酸(VFA)浓度
图2。脱水消化污泥在高温干燥消化过程中的周平均甲烷产量和总挥发性脂肪酸(VFA)浓度
图2。脱水消化污泥在高温干燥消化过程中的周平均甲烷产量和总挥发性脂肪酸(VFA)浓度
图3.反应器消化中的VFA物种配置文件
图3.反应器消化中的VFA物种配置文件
图3.反应器消化中的VFA物种配置文件

计算蛋白质含量在衬底和digestate 82和55克/公斤TS,分别提出有效的蛋白质降解(图4),这是符合同时稳定相的浓度增加ammonium-nitrogen ~ 18 ~ 33 g / kg TS,与新鲜的DDS相比增加了183%。因此,与基于连续搅拌釜式反应器(CSTR)配置的全规模中温工艺相比,使用PF反应器的DDS的嗜热干燥消化似乎改善了蛋白质和氨基酸的降解。

图4。DDS热干燥消化过程中氨物质的浓度
图4。DDS热干燥消化过程中氨物质的浓度
图4。DDS热干燥消化过程中氨物质的浓度

固相有机质CP-MAS NMR分析表明,在复杂的有机基质中,羰基(C=O)的形成发生了转变,很可能源于蛋白质的含量。相反,从消化DDS得到的CP-MAS NMR谱中较低强度的蛋白质衍生的羰基信号表明高固体消化过程可以去除蛋白质。从之前的全尺寸中温过程中水解的残余蛋白因此被热的高固体消化过程加强。

图5。有机结合和非结合氨物种的分布,以及在消化和DDS中计算的蛋白质水平
图5。有机结合和非结合氨物种的分布,以及在消化和DDS中计算的蛋白质水平
图5。有机结合和非结合氨物种的分布,以及在消化和DDS中计算的蛋白质水平

铵水平与高pH和嗜热过程温度组合,导致在稳定相期间(图3)的平均值增加到1至〜2g / kg的风扇水平,显着高于1.0-的上阈值1.1 g / l超出了一个过程发生故障。因此,似乎使用PF反应器的干性消化可以耐受高于预期在CSTR系统中产生的甲烷抑制的水平的氨水量。

尽管操作条件稳定,但消化液中的VFA水平高于底物,表明抑制作用。与消化后DSS蛋白质含量下降相反,出水中碳水化合物单体和纤维素的相对浓度高于饲料DDS。

3.2巴氏灭菌法

巴氏杀菌法的验证参考文献肠球菌大肠杆菌噬菌体,沙门氏菌,尽管饲料DDS添加了>10,但仍低于处理污泥的检测限5.cfu /克大肠杆菌肠球菌蛔虫suum在干消化后孵育的鸡蛋被发现不生长,可能是由于高操作温度和氨水平的结合使它们失活。

3.3剩余甲烷势

残余甲烷电位(RMP)指示值<0.05 m3.CH.4.干消化后的消化率为0.94-1.25 m3.CH.4./吨(w / w)用于未处理的DDS(表1)。因此,尽管含有高水平的易降解的有机材料(即136g / kg糖和22-22-29g / l VFA,但其RMP的嗜热性消化导致其RMP降低> 96%。通过极高的氨 - 氮浓度抑制微生物活性,这些化合物的甲致原性降解可能是阻碍的。这种结果是令人鼓舞的,因为甲烷比二氧化碳更多的强效温室气体,使得污泥的全球变暖潜力(GWP)有效地减少了28吨CO2EQ.将DDS降至0.6吨CO2EQ.用干消化法进行消化。

表1。剩余甲烷潜力(RMP)脱水消化污泥(DDS)和消化产物从PF反应器两个测试运行
RMP
(m3.CH.4./吨)
RMP
(千瓦时CH4./吨)
与未治疗的DDS相比减少(%)
新的DDS运行1(第36天) 1.25 12.4 0%
第1期(第73天) 0.05 0.5 -96%
新鲜DDS运行2(第73天) 0.94 9.4 0%
第2期(第103天) - 留言。 -100%

3.5能量平衡

Nykvarnsverket污水处理厂的全规模中温过程的消化产物温度为38°C,脱水后降至~30°C。为了达到干燥消化所需的52°C的温度,需要提高超过22°C的温度。与此相关的估计能量,不考虑从排出的消化液中回收热量,可以计算为25千瓦时/吨DDS。这可以用沼气的CV来抵消,相当于~80千瓦时/吨DDS。搅拌和泵送的能耗估计为~210 MWh/年,相当于21 kWh/吨DDS。因此,采用干消化法进行巴氏杀菌的净能源效益约为每吨DDS 34千瓦时,或1万吨DDS/年安装的净能源效益为340兆瓦时/年(基于Nykvarnsverket污水处理厂的产量)。

4。结论

中试验清楚地表明,高温高固体消化脱水污泥(DDS)从一个全面的污水处理厂提供了良好的卫生处理结合增加沼气产量,产生净能源产量。具体甲烷产量为46ml CH4./g VS,与Nykvarnsverket污水处理厂的全规模工厂相比,增加了6%。此外,所得到的消化产物具有较低的残余生物甲烷潜力,这很可能是由于DDS的蛋白质部分具有非常高的降解效率。蛋白质的降解导致高铵浓度,作为一种潜在的肥料,为消化物增加价值,超过了报道的抑制水平。尽管氨水平明显受到抑制,但在大约100天的初始启动期后,该过程仍可持续,甲烷产量稳定。综上所述,DDS的热流塞流干式消化能够满足污泥巴氏杀菌的要求,同时产生能量并降低处理后污泥甲烷排放的风险。

确认

本文摘自:

Nordell, E., Moestedt, J., Österman, J., Shakeri Yekta, S., Björn, A., Sun, L., & Schnürer, A.(2021)。脱水消化污泥后处理的高温高固体消化巴氏杀菌与正能量输出.废物管理,119,11-21。

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此页面最近更新于2021年3月22日

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