咨询热线
热水解温度对污泥生物降解性和出水COD的影响
来源：广州超禹膜分离技术有限公司
发布时间：2025-10-17 10:59
随着我国城市化进程的加快，污水处理和污泥处置问题日益凸显。北京市为应对这一问题，已建成并稳定运行5座采用“热水解-厌氧消化-板框脱水”技术路线的污泥处理中心。尽管该工艺路线在实现污泥稳定化、资源化和无害化方面取得了成效，但在实际工程应用中仍存在一些问题。例如，热水解过程中产生的可溶性难降解化合物经过厌氧消化处理后，通过滤液回流到污水厂，导致出水COD浓度增加。这限制了热水解技术的应用。
温度是影响热水解过程的关键因素。一方面，热水解温度会影响污泥细胞的破壁效果及后续生物降解过程；另一方面，温度还会影响难降解化合物产生的速率和路径。研究发现，热水解温度每升高10℃，褐变速率可提高2~4倍。Zhang等研究发现，170℃热水解使污泥中难降解的溶解性COD（SCOD）浓度由1.7g/L升高至3g/L。工程化研究发现，对于污水处理规模为10×104m3/d、污泥处理量为25.44t/d（以VS计）的污水厂，130℃热水解与厌氧消化联用可使出水COD从41mg/L提高到44mg/L，当温度升至170℃时出水COD增加至56mg/L；在未配置厌氧消化系统、污水处理规模为20×104m3/d、污泥处理量为39.04t/d（以VS计）的污水厂，采用130和170℃热水解结合厌氧消化后，出水COD由原来的48mg/L提升至50和59mg/L。大量研究表明，热水解预处理通过破坏污泥有机物结构可显著提升其生物可降解性。在130~170℃区间内，随着热水解温度升高，沼气产率逐渐增加，如甲烷产率可以提升17%~27%。目前，工程应用中的热水解温度为160℃，关于降低温度对厌氧消化运行稳定性及难降解化合物生成的影响研究尚不充分。为此，探讨了降低热水解温度对污泥理化性质、厌氧消化过程以及难降解COD的影响；同时，评估了不同热水解温度下，污泥厌氧消化后的滤液回流到污水厂时对出水COD的影响，旨在为优化污泥热水解温度提供参考。
一、材料与方法：
① 污泥来源及性质：将北京市某再生水厂的初沉污泥和剩余活性污泥混合，经过离心脱水后得到预脱水污泥（RS），其中初沉污泥与剩余活性污泥的总固体（TS）之比约为6∶4；厌氧消化试验的接种污泥取自该再生水厂污泥处理中心已稳定运行的消化池。
② 试验方法：研究采用的试验流程如下：1）采用中试规模的热水解装置对预脱水污泥进行热水解。所用工艺为Cambi热水解工艺，包含热水解和闪蒸过程；间歇式运行，每个批次操作包括蒸汽产生、进料、热水解反应、闪蒸反应、排料等步骤；热水解温度分别设置为110、120、130、140、150、160和170℃，时间设置为30min。2）厌氧消化的基质污泥分别为预脱水污泥及110、120、130、140、150、160和170℃热水解污泥。试验前用自来水将基质污泥的TS稀释到8%左右后置于4℃冰箱备用，并在该TS条件下进行理化指标检测。3）采用有效容积为400mL的厌氧瓶进行产沼气潜力测试（BMP）。接种污泥和基质污泥的VS接种比为1∶1，即先取新鲜的接种污泥250g置于厌氧瓶中，后取150g稀释后的基质污泥置于厌氧瓶中。最后向厌氧瓶中充入氮气2min，形成厌氧环境后立即用带有微型搅拌器的胶塞密封，并开启搅拌器。空白组只加入250g接种污泥。厌氧瓶置于40℃的水浴锅中，并与1L的集气袋连接，根据产气情况每1~5d测量气袋内沼气产量。厌氧消化的累积产气潜能采用修正的Gompertz模型进行拟合。
③ 出水COD核算方法：以北京市再生水厂A为例核算不同温度热水解污泥厌氧消化后，滤液回流到污水处理单元对出水COD的影响。该厂污水处理规模为100×104m3/d，污泥采用“热水解-厌氧消化-板框脱水”工艺处理，根据2024年运行数据，滤液产量为1.80m3/t（污泥含水率以80%计）。
④ 分析项目及方法：采用苯酚-硫酸法测定多糖；采用Folin-酚法测定蛋白质；TS、VS、SS、VSS、氨氮、TCOD和SCOD采用《水和废水监测分析方法》（第4版）进行检测；VFAs采用岛津GC-2010Plus气相色谱仪测定；难降解COD按照文献中的方法进行测定，对滤液曝气5d后使用OxiTop®IS6BOD仪测定COD，所得值即为难降解COD浓度。厌氧消化后污泥中难降解COD浓度需扣除接种污泥即空白组的影响。
二、结果与讨论：
① 热水解对污泥COD的影响：热水解处理对污泥TCOD和SCOD的影响。随着热水解温度的升高，污泥的TCOD浓度呈现轻微下降趋势。当温度升至170℃时，TCOD浓度为84.9g/L，相较于预脱水污泥的88.3g/L，下降了3.85%。这一结果与Li等人报道的在180℃时TCOD降低3.9%的结论相一致。TCOD浓度下降主要归因于加热过程中部分有机物发生了气化。热水解使SCOD浓度显著提升，从预脱水污泥的6.2g/L增至170℃热水解的31.5g/L，且SCOD浓度与温度呈显著正相关（R2=0.9853），即：温度每升高10℃，SCOD平均增加约3.4g/L。高温可有效破坏细胞结构，促使细胞内物质释放，并有助于大分子有机物水解。SCOD/TCOD值是衡量有机物溶解程度的指标，线性拟合发现，在110~170℃区间内该值与温度呈显著线性关系（R2=0.9862）。预脱水污泥的SCOD/TCOD约为7.0%，110和170℃时分别为13.0%、37.1%，即每升高10℃，约有4%的TCOD转化为SCOD。这与Bougrier等的研究结果一致，在200℃以下，SCOD浓度随热水解温度升高而增加。
② 热水解对污泥可溶性有机物的影响：可溶性蛋白质和多糖是SCOD的重要组成部分。图2展示了热水解对污泥蛋白质和多糖浓度（分别记作CODpr和CODpo）的影响。在预脱水污泥中，可溶性蛋白质浓度仅为1.0g/L（以COD计）；当热水解温度为110、170℃时，可溶性蛋白质浓度分别上升至7.0和14.7g/L。污泥中可溶性多糖的浓度较低，其中，预脱水污泥的可溶性多糖浓度仅为0.2g/L（以COD计）；当热水解温度为110、170℃时，其浓度分别升高至0.8和2.5g/L。这一结果与之前研究报道一致。温度低于140℃时，蛋白质浓度的增幅较为平缓，每升高10℃增加约0.8g/L；超过150℃后，增速显著加快，每升高10℃增加约1.8g/L。与此不同的是，在110~170℃内多糖的溶解速率均相近，即每升高10℃增加约0.3g/L。有研究表明，在120~180℃范围内，随热水解温度升高可溶性蛋白质浓度增加；但在195~210℃时其浓度降低，这是因为美拉德反应速率加快，更多的蛋白质和多糖被消耗。本研究中，在110℃时可溶性蛋白质和多糖在SCOD中占比最高，且随温度升高而降低。董璐也发现，原污泥中类蛋白物质的比例为52.30%，而在经过180℃处理后的污泥中，这一比例降至27.72%。可见，随着温度升高，美拉德反应速率加快，导致更多的多糖和蛋白质被消耗。
③ 热水解对污泥VFAs的影响：预脱水污泥的VFAs浓度（以COD计）为1761mg/L，随着热水解温度的升高，VFAs浓度逐渐增加，经过110~170℃热水解后VFAs浓度分别提升了18.4%、32.0%、42.7%、50.9%、61.9%、78.4%和88.6%。这与刘研萍等人的研究相符，随着热水解温度的继续提升，VFAs浓度在190℃时达到峰值，而当温度升至200℃时VFAs浓度开始下降。这表明，虽然VFAs浓度随热水解温度升高而增加，但这种上升趋势并非无限持续。在本研究中，尽管VFAs浓度逐渐升高，但VFAs/SCOD值显著降低，预脱水污泥的VFAs/SCOD为28.4%，经过170℃热水解后降低到10.5%。这表明，尽管高温促进了有机物的溶解，但其向VFAs的转化效率逐渐下降。高温下，SCOD中的可溶性蛋白质和多糖更易参与缩合反应，生成难降解的类黑精等产物，而非进一步水解为VFAs。此外，高温可能加速短链脂肪酸的挥发或氧化，导致VFAs净积累量受限。
④ 热水解对污泥固体分布的影响：污泥中的有机物可以用VS来表示，预脱水污泥的VS/TS为58.8%，且随着热水解温度升高，部分有机物的气化损失导致VS/TS略有下降。在170℃时该比例降至最低值（56.6%），比预脱水污泥降低了2.2%。这一变化与TCOD的降低趋势相似。预脱水污泥的VSS/VS为82.1%，这说明污泥中有机物以不可溶性有机物为主。如图4所示，随着温度的升高，污泥的VSS/TS逐渐降低，从48.3%降低到41.3%；VDS/TS逐渐升高，从10.5%升高至15.6%。通过皮尔逊相关性分析，VDS/TS与SCOD呈极显著正相关（r=0.968，p<0.01），VDS每增加1%可产生5.0g/L的SCOD。这说明高温增强了固态有机物向溶解性组分的转化，从而显著促进了SCOD的增长。FSS/TS从40.4%降低到37.7%，FDS/TS从0.7%升高到了5.4%。这些数据表明，在热水解过程中，虽然污泥中的有机和无机固体物质都会发生溶解，但主要是有机物的溶解。
⑤ 热水解对污泥产沼气的影响：不同热水解温度下，单位污泥（以VS计）累积产气情况如图5所示。污泥厌氧消化10d后基本不再产气，与之前报道的热水解污泥BMP试验结果基本一致。预脱水污泥的累积沼气产率为345L/kg，大于文献中报道的202L/kg。这是因为预脱水污泥中含有初沉污泥，初沉污泥的沼气产率远高于剩余污泥。经过110~170℃热水解后，沼气产率分别为368、394、401、418、442、473、513L/kg。尽管沼气产率随热水解温度升高整体呈上升趋势，但其增速呈现明显的阶段性特征：110~140℃时，每升高10℃可使产气率提高16.6L/kg；超过150℃后，每升高10℃对应的产气率增幅提升至28.8L/kg。这表明在较高温度下，沼气的生成效率更高。但也有研究发现，当热水解温度超过180℃时，沼气产率开始降低。这是因为温度过高时产生了更多的难降解物质，对产沼气具有抑制作用。因此，虽然高温显著提升了有机物的生物可利用性，但需权衡与难降解COD生成的矛盾。
研究发现，不同热水解温度下污泥的厌氧消化产气迟滞期（λ）在0.17~0.34d之间，显著低于牛粪厌氧消化的迟滞期。这表明，消化系统能够迅速适应不同热水解温度的污泥，从而实现快速启动和高效产气。170℃热水解污泥的最大产甲烷速率（Rmax）为157.9L/（kg·d），相较于预脱水污泥提高了46.7%。随着热水解温度提高，污泥中的有机物更易被微生物利用，Rmax和最大甲烷产生潜能（Pm）也逐渐提高。这一结果与文献中的结果相似。
⑥ 热水解温度对污水厂出水COD的影响：预脱水污泥消化滤液中的难降解COD浓度为1600mg/L，与文献报道的1700mg/L相近。随着热水解温度的升高，滤液中的难降解COD浓度逐渐增加。经过110~170℃热水解处理后，难降解COD分别为1781、1958、2062、2142、2277、2735和2888mg/L。热水解温度低于150℃时，难降解COD的增加速率低于超过150℃时的增加速率。这主要是因为当温度超过150℃时，美拉德反应速率会加剧，从而生成更多的难降解物质。然而，Zhang等人研究发现，在170℃下热水解污泥消化滤液的难降解COD浓度反而低于150℃的，与本研究结果有所不同。这可能是由于不同来源污泥的有机物组成不同，这些差异会影响热水解效果以及后续的厌氧消化过程，进而影响难降解COD浓度。
根据《地表水环境质量标准》（GB3838—2002）中Ⅳ类水质的要求，污水处理厂出水COD应小于30mg/L。为了在水质波动的情况下也能保证出水达标，实际操作中通常会将控制目标设定在25mg/L以下。图6展示了不同热水解温度条件下，消化污泥滤液对污水厂出水COD的影响。根据运行数据，该厂每处理1×104m3污水会产生12t含水率为80%的污泥。在满负荷运行状态下（1200t/d），厌氧消化滤液直接回流至污水区后出水COD会从13mg/L升高至16.4mg/L；采用110~170℃热水解厌氧消化后，出水COD分别升高至16.8、17.5、17.6、17.6、17.9、18.9和19.2mg/L。这表明，该厂应用热水解-厌氧消化技术不仅能够有效处理其产生的污泥，还具备一定处理其他污水厂污泥的能力。例如，在160℃的热水解温度下，每天可以处理2400t含水率为80%的污泥，在170℃下则每天可以处理2300t含水率为80%的污泥。
三、结论：
① 在110~170℃的温度范围内，提升热水解温度能显著增强污泥中有机物的溶解性，进而提升污泥产生沼气的能力。② 150℃是实现难降解COD与沼气产率平衡的临界热水解温度，能够同时兼顾较高的沼气产率和较低的难降解COD水平。③ 在污水处理规模与污泥产量相匹配的污水处理厂中，采用160℃或170℃热水解温度不会导致出水COD超标，且具备处理外来污泥的潜力。
- 上一篇：剩余污泥吸附难降解有机污染物技术
- 下一篇：垃圾填埋场治理原位生物强化好氧稳定化技术
180-2635-8055