外加酶促进剩余污泥热水解的研究

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活性污泥法是目前世界上应用最广泛的污水处理技术,而产生的剩余污泥量约占总处理污水量的0.3%~0.5%(按含水率97%计),如进行深度处理,污泥量还可能增加0.5~1.0倍。在污水处理厂的全部基建费用中,用于处理污泥的约20%~50%,甚至达到70%,所以污泥处理是污水处理系统的重要组成部分。但是,传统的污泥好氧消化时间长,动力消耗大;而水解是污泥厌氧消化的限速步骤,剩余污泥的可降解性差又是制约其厌氧消化的瓶颈问题。相对于物理法(热处理、超声波等)、化学法(臭氧氧化、碱处理等)和生物法,外加水解酶(如淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶等)的污泥处理方法,不但可以缩短污泥水解时间,改善污泥的脱水和消化性能,有利于污泥的后续处理,且对环境无二次污染。结合后续工艺不仅可以实现污泥的“零排放”,还可实现废水的高效生物降解和沼气产能的增加,应用前景良好。而相对于厌氧水解,微好氧条件则操作简单,反应后污泥没有臭味,此外有氧存在的条件下,一方面外加酶可以促进污泥的水解,另一方面污泥中嗜热菌可以通过隐性生长实现污泥减量化。本研究采用向污泥中外加淀粉酶强化剩余污泥热水解的处理方式,考察了微好氧条件下淀粉酶(投加量分别为0.25、0.5、1.0、1.5g酶/L污泥)对剩余污泥热水解的影响,以及水解过程中污泥上清液各成分的变化情况,并对酶水解过程的动力学进行了分析。实验结果表明:淀粉酶对污泥热水解有促进作用。最适宜温度50℃,最佳投加量0.5g/L下反应4h后,污泥中SCOD/TCOD达到30.98%,比未加酶时高7.68%。在淀粉酶催化作用和热水解的共同作用下,污泥固体溶解,大分子碳水化合物被水解成小分子糖类,固相蛋白质溶出,并进一步水解。污泥水解过程中,上清液中糖、蛋白质浓度都是先增加后降低。加酶后污泥上清液中糖浓度于4h达到最大值271.43mg/L,蛋白质浓度于6h达到最大值1437.37mg/L。污泥水解反应前4h内,VSS溶解率和SCOD/TCOD增加迅速,符合一级反应动力学,4h后反应趋于平衡。4h时VSS溶解率达到22.01%。本研究主要考察了微好氧条件下复合酶(α-淀粉酶和中性蛋白酶)对剩余污泥的水解效果。结果表明,控制投加酶总量为0.5g/L污泥时,复合酶对污泥的水解效果优于投加单酶。在所选的温度范围40~50℃内,随着温度升高,污泥固体溶解效果越好。在微好氧条件下,控制总酶量0.5g/L污泥,反应温度50℃,淀粉酶:蛋白酶为2:1时,反应4h后污泥水解效果最好,SCOD/TCOD和VSS溶解率分别达到33.5%和25.4%,污泥上清液中糖、蛋白质的积累量分别为379.3mg/L、1479.5mg/L。低温有利于蛋白酶的催化活性,使氨氮得到有效积累。45℃时复合酶处理与投加单酶后氨氮浓度在84~88mg/L之间,相差不大;40℃下配比1:3时,氨氮浓度累积量为最大86.4mg/L。本研究还选取温度、投加酶总量、复合酶配比和反应时间四个因素,建立一组四因素三水平的正交试验,通过对试验结果的极差分析和方差分析,考察了各因素对污泥水解效果及水解产物的影响主次顺序,并得出了外加酶促进剩余污泥热水解的最佳处理条件。直观分析和方差分析结果表明,影响污泥SCOD的溶出和污泥VSS溶解率的主要因素是温度和反应时间。直观分析表明,各因素对水解产物糖的累积影响主次顺序为温度>总量>配比>时间;对蛋白质累积量的影响主次顺序为温度>时间>总量>配比;对氨氮累积量的影响主次顺序为时间>配比>温度>总量。综合考虑经济性和高效性,得出外加酶水解污泥的最佳处理条件为反应温度50℃,酶总量0.5g/L污泥,复合酶配比(淀粉酶:蛋白酶)2:1,反应时间4h。
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