Application of sulfate radicals from ultrasonic activation: Disintegration of extracellular polymeric substances for enhanced anaerobic fermentation of sulfate-containing waste-activated sludge

基于超聲活化硫酸根自由基的應(yīng)用：解體胞外聚合物以增強(qiáng)含硫酸鹽廢物活性污泥的厭氧發(fā)酵

來源：Chemical Engineering Journal, Volume 352, 2018, Pages 380-388

《化學(xué)工程雜志》，第352卷，2018年，第380-388頁

 

摘要

摘要部分闡述了該研究應(yīng)用超聲活化過硫酸鹽或硫酸鹽產(chǎn)生硫酸根自由基，用于解體污泥絮體和胞外聚合物，從而促進(jìn)后續(xù)厭氧發(fā)酵過程，提高揮發(fā)性脂肪酸和氫氣的產(chǎn)量。研究顯示，超聲與過硫酸鹽協(xié)同預(yù)處理對(duì)化學(xué)需氧量溶出、蛋白質(zhì)釋放和污泥解體最為有效，尤其在低超聲密度下能有效解體緊密結(jié)合的胞外聚合物，并將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為松散結(jié)合和可溶性胞外聚合物。但高超聲能量輸入會(huì)導(dǎo)致過度氧化，消耗部分化學(xué)需氧量。

 

研究目的

研究目的包括提出一種新的污泥解體方法，研究超聲活化過硫酸鹽或硫酸鹽高級(jí)氧化過程對(duì)廢物活性污泥解體行為的影響，并評(píng)估不同預(yù)處理方法在厭氧發(fā)酵中的性能，重點(diǎn)關(guān)注胞外聚合物組成、有機(jī)物溶出、揮發(fā)性脂肪酸和蛋白質(zhì)含量等方面的變化。

 

研究思路

研究思路首先通過超聲裝置處理污泥，添加過硫酸鹽或硫酸鹽，利用超聲空化效應(yīng)激活自由基形成，進(jìn)行高級(jí)氧化過程。實(shí)驗(yàn)包括電子順磁共振檢測(cè)自由基、污泥預(yù)處理、胞外聚合物分層分析以及批量厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)。測(cè)量了化學(xué)需氧量、蛋白質(zhì)、揮發(fā)性脂肪酸、氫氣等參數(shù)，并分析了顆粒大小分布和表面電荷變化，以評(píng)估預(yù)處理效果和發(fā)酵性能。

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義

1 測(cè)量了可溶性化學(xué)需氧量和蛋白質(zhì)濃度在胞外聚合物中的變化，數(shù)據(jù)來自Fig.1a和Fig.1b。研究意義是評(píng)估污泥解體程度和有機(jī)物釋放效率，表明協(xié)同預(yù)處理能促進(jìn)緊密結(jié)合胞外聚合物的破壞，增強(qiáng)后續(xù)生物降解。

 

2 測(cè)量了揮發(fā)性脂肪酸和氫氣產(chǎn)量 during anaerobic fermentation，數(shù)據(jù)來自Fig.3a和Fig.3b。研究意義是驗(yàn)證預(yù)處理對(duì)厭氧發(fā)酵的增強(qiáng)作用，顯示超聲與過硫酸鹽組合能顯著提高揮發(fā)性脂肪酸和氫氣產(chǎn)量，促進(jìn)資源回收。

 

3 測(cè)量了電子順磁共振光譜以檢測(cè)自由基，數(shù)據(jù)來自Fig.4。研究意義是確認(rèn)超聲活化過程中羥基自由基和硫酸根自由基的產(chǎn)生，證明高級(jí)氧化過程的機(jī)制。

 

4 測(cè)量了顆粒大小分布和表面電荷，數(shù)據(jù)來自Fig.5。研究意義是分析污泥解體后顆粒變化，表明預(yù)處理能減小顆粒尺寸，提高分散性，有利于發(fā)酵。

 

5 測(cè)量了污泥基本特性，如pH、揮發(fā)性懸浮固體、總懸浮固體等，數(shù)據(jù)來自Table 1。研究意義是提供污泥初始狀態(tài)基準(zhǔn)，用于比較預(yù)處理效果。

 

結(jié)論

1 超聲與過硫酸鹽或硫酸鹽協(xié)同預(yù)處理對(duì)污泥解體有積極協(xié)同作用，能有效破壞緊密結(jié)合胞外聚合物，促進(jìn)有機(jī)物轉(zhuǎn)化。

2 自由基在高級(jí)氧化過程中起關(guān)鍵作用，但高能量輸入會(huì)導(dǎo)致過度氧化，消耗小顆粒有機(jī)物，影響后續(xù)發(fā)酵。

3 適當(dāng)超聲能量輸入能增強(qiáng)厭氧發(fā)酵，提高揮發(fā)性脂肪酸和氫氣產(chǎn)量，為含硫酸鹽污泥處理提供經(jīng)濟(jì)有效方法。

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense氫微傳感器測(cè)量溶解氫濃度的研究意義在于精確量化厭氧發(fā)酵過程中的氫氣產(chǎn)量，從而評(píng)估預(yù)處理方法對(duì)產(chǎn)氫效率的增強(qiáng)效果。該數(shù)據(jù)直接關(guān)聯(lián)到污泥資源化利用的潛力，因?yàn)闅錃馐且环N有價(jià)值的清潔能源產(chǎn)物。通過測(cè)量氫濃度，研究能夠驗(yàn)證超聲活化自由基預(yù)處理如何促進(jìn)蛋白質(zhì)降解和β-氧化路徑，提高產(chǎn)氫量，同時(shí)抑制甲烷生成，優(yōu)化發(fā)酵階段。這為實(shí)際應(yīng)用中調(diào)控厭氧過程提供了關(guān)鍵參數(shù)，支持廢物轉(zhuǎn)化為能源的策略。