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研究生:吳璽文
研究生(外文):Hsi-Wen Wu
論文名稱:鹼及超音波水解對污泥減量及提昇消化效能之研究
論文名稱(外文):Alkali and Ultrasonic Hydrolysis to Reduce Sludge Amount and Promote Digestion Potential
指導教授:莊順興莊順興引用關係
指導教授(外文):Shun-Hsing Chuang
學位類別:碩士
校院名稱:朝陽科技大學
系所名稱:環境工程與管理系碩士班
學門:工程學門
學類:環境工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2010
畢業學年度:98
語文別:中文
論文頁數:113
中文關鍵詞:水解污泥減量消化厭氧產氣
外文關鍵詞:DigestionHydrolisisAnaerobic gas productionReduce sludge amount
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本研究主要目的為針對都市污水處理廠初沉污泥及廢棄活性污泥進行三種不同水解前處理技術(鹼、超音波與鹼併同超音波)之探討,比較水解後產物產氣之特性,期能透過水解技術將固體性有機物破碎,提升微生物利用的效率,增加厭氧產氣效益。
試驗結果發現TS 4 %初沉污泥經pH 12鹼水解後,其SS削減2510 mg/L並有3732 mg/L的SCOD溶出,每單位污泥之有機物溶出量為 1.49 g SCOD/g SS,而以超音波(約0.1 kW)水解30 min有3785 mg/L的SS削減,並有3708 mg/L的SCOD溶出,溶出量為0.98 g SCOD/g SS;若將鹼水解再搭配超音波水解30 min,可使SS削減13205 mg/L並有16072 mg/L的SCOD溶出,溶出量為1.22 g SCOD/g SS。廢棄活性污泥經pH 12鹼水解30 min後,其SS削減2985 mg/L並有4632 mg/L的SCOD溶出,每單位污泥之有機物溶出量為1.55 g SCOD/g SS,而以超音波水解30 min有2475 mg/L的SS削減,並有2948 mg/L的SCOD溶出,溶出量為1.19 g SCOD/g SS;若將鹼水解搭配超音波水解30 min,可使SS削減14820 mg/L並有5018 mg/L的SCOD溶出,溶出量為0.34 g SCOD/g SS。
由以上結果可說明,廢棄活性污泥經鹼水解後有較初沉污泥高的固體物減量及SCOD溶出效果,初沉污泥則在超音波水解有較佳成效,鹼併同超音波對兩種污泥的固體物減量效益接近,但廢棄活性污泥因細胞結構損壞並行褐變反應,其產生溶解性有機物質明顯低於初沉污泥。溶解性氮、磷成份亦在水解過程中被釋出至水體中。將TS 4 %污泥以NaOH調整pH至12進行鹼水解,所需之鹼劑量約為70 meq/L,超音波水解30 min之電力約需5.5×10-2 kWh/L。
The main purpose of this research is to study three different hydrolysis pretreatment methods (Alkali, Ultrasonic, and Alkali with Ultrasonic)on primary sludge and waste activated sludge inside metropolitan sewage treatment plant to compare the characteristics of gas production from hydrolysis. It is hoped that the anaerobic gas produce rate can be increased through breaking solid organic materials with the hydrolysis methods.
The test result discovers that by hydrolyzing primary sludge of 4% total solids with pH12,its suspended solids(SS)are decreased of 2,510 mg/L and dissolved in 3,732 mg/L of SCOD, the production of dissolved organic from each suspended solid is 1.49g SCOD/g SS. While hydrolyzing by Ultrasonic (about 0.1 kW) for 30 minutes, its SS are decreased of 3,785 mg/L and dissolved in 3,708 mg/L of SCOD, the production of dissolved organic from each suspended solid is 0.98 g SCOD/g SS. If hydrolyzing by alkali with ultrasonic for 30 minutes, its SS are decreased of 13,205 mg/L and dissolved in 16,072 mg/L of SCOD, the production of dissolved organic from each suspended solid is 1.22g SCOD/g SS.
By hydrolyzing waste activated sludge with pH12 alkaline for 30 minutes, its SS are decreased of 2,985 mg/L and dissolved in 4,632 mg/L of SCOD, the production of dissolved organic from each suspended solid is 1.55g SCOD/g SS. While hydrolyzing by Ultrasonic for 30 minutes, its SS are decreased of 2,475 mg/L and dissolved in 2,948 mg/L of SCOD, the production of dissolved organic from each suspended solid is 1.19g SCOD/g SS. If hydrolyzing by alkali with Ultrasonic for 30 minutes,its SS are decreased of 14,820 mg/L and dissolved in 5,018 mg/L of SCOD, the production of dissolved organic from each suspended solid is 0.34g SCOD/g SS.
From test result above, it explains that after being hydrolyzed by alkaline, the waste activated sludge performs better than primary sludge in decreasing suspended solids and SCOD dissolving. However, the primary sludge acts better in Ultrasonic hydrolysis. The alkaline with Ultrasonic hydrolysis method provides similar result of SS decreasing volume to both sludges. Yet, the waste activated sludge has browning reaction caused by damage of cell structure, its dissolute organic materials are obviously lesser than that of the primary sludge. The ammonia and phosphorus are released to water during the hydrolysis process. By hydrolyzing activated sludge of 4% total solids with NaOH adjusted to pH12, the required alkali volume is approximately 70 meq/L, the required electricity for ultrasonic hydrolysis for 30 minutes is approximately 5.5×10-2 kWh/L.
總目錄
中文摘要 I
Abstract II
誌謝 IV
總目錄 V
目錄 V
圖目錄 VIII
表目錄 XII
目錄
第一章 前言 1
1.1 研究緣起 1
1.2研究目的 2
1.3研究內容 2
第二章 文獻回顧 3
2.1污泥組成及其特性 3
2.1.1初沉污泥 3
2.1.2廢棄活性污泥 4
2.2 污泥水解技術 6
2.2.1 化學水解技術 6
2.2.2 物理水解技術 16
2.2.3生物水解技術 22
2.2.4 整合式水解技術 23
2.3污泥水解產物產氣評估 24
2.3.1厭氧消化 24
2.3.2厭氧醱酵氣體 25
第三章 研究方法與設備 32
3.1 研究方法 32
3.1.1研究架構 32
3.2水解試驗 34
3.2.1鹼水解 34
3.2.2超音波水解 34
3.2.3鹼併同超音波水解 34
3.3污泥水解產物產氣試驗 36
3.3.1生化甲烷產能試驗 36
3.4 研究設備與分析方法 40
3.4.1 研究材料 40
3.4.2研究設備 42
3.4.3分析方法 43
第四章 結果與討論 44
4.1鹼水解前處理特性 44
4.1.1 鹼水解污泥減量 45
4.1.2鹼水解有機物溶出 48
4.1.3鹼水解污泥氮磷釋出 51
4.1.4污泥鹼水解比較 53
4.2超音波水解前處理特性 55
4.2.1超音波水解污泥減量 57
4.2.2超音波水解污泥有機物溶出 60
4.2.3超音波水解污泥氮磷釋出 62
4.2.4污泥超音波水解比較 64
4.3鹼(pH 11)併同超音波水解前處理特性 67
4.3.1 pH 11併同超音波水解污泥減量 68
4.3.2 pH 11併同超音波水解污泥有機物溶出 72
4.3.3 pH 11併同超音波水解污泥氮磷釋出 75
4.3.4 污泥pH 11併同超音波水解比較 77
4.4鹼(pH 12)併同超音波水解前處理特性 80
4.4.1 鹼(pH 12)併同超音波水解污泥減量 81
4.4.2 鹼(pH 12)併同超音波水解污泥有機物溶出 84
4.4.3 鹼(pH 12)併同超音波水解污泥氮磷釋出 87
4.4.4 污泥pH 12併同超音波水解比較 89
4.5不同污泥水解前處理綜合比較 91
4.5.1污泥減量 91
4.5.2有機物溶出 95
4.5.3氮磷釋出情況 99
4.6污泥水解產物產氣之特性 104
4.6.1累積產氣量 104
第五章 結論與建議 107
5.1 結論 107
5.2 建議 108
參考文獻 109

圖目錄
圖2.1活性污泥絮狀物在任意尺度的尺吋示意圖 4
圖2.2 鹼水解時間與各濃度污泥之SCOD關係圖 9
圖2.3 鹼劑劑量與總溶解氮濃度關係圖 11
圖2.4 不同鹼劑量水解後之溶解性氮分佈及濃度(TS 1%) 11
圖2.5 不同pH值下之SCOD濃度變化 12
圖2.6 經醱酵作用後不同pH值正磷酸鹽濃度之變化 13
圖2.7 經醱酵作用後不同pH值氨氮濃度之變化 13
圖2.8 不同SDS劑量(g SDS/g dry sludge)經醱酵後總VFA濃度之變化 15
圖2.9 不同音波範圍之頻率 16
圖2.10 比能量對3%TS污泥SCOD增加之影響關係圖 18
圖2.11不同濃度污泥隨超音波時間對SCOD之影響 19
圖2.12不同濃度污泥之比能量對SCOD之影響 19
圖2.13 不同溫度下之污泥殘餘量 21
圖2.14 不同溫度下水解樣品之CST值 22
圖2.15 傳統及改良式好氧消化流程圖 23
圖2.16 有機質厭氧分解反應機制圖 24
圖2.17污泥以不同鹼劑量水解產物之BMP試驗 30
圖2.1 A、B兩種活性污泥以不同水解方式之生物氣體累積量 31
圖3.1研究架構圖 33
圖3.2 鹼水解前處理試驗裝置 35
圖3.3 超音波水解前處理試驗裝置 35
圖3.4 BMP產氣試驗示意圖 38
圖3.5 BMP試驗操作流程圖 39
圖3.6污泥採集位置示意圖 40
圖4.1 鹼水解使用之鹼劑(NaOH)當量數與pH之關係 44
圖4.2 初沉污泥鹼水解之SS及VSS變化 46
圖4.3 廢棄活性污泥鹼水解之SS及VSS變化 46
圖4.4污泥鹼水解後TS及TVS變化 47
圖4.5污泥鹼水解後SCOD濃度變化 49
圖4.6鹼水解對初沉污泥SS削減量及SCOD增加量變化 50
圖4.7鹼水解對廢棄活性污泥SS削減量及SCOD增加量變化 50
圖4.8鹼水解對污泥溶解性氨氮之變化 52
圖4.9鹼水解對污泥溶解性正磷酸鹽之變化 52
圖4.10超音波水解時間對污泥溫度變化 56
圖4.11超音波水解時間對污泥pH變化 56
圖4.12超音波水解對污泥SS濃度之變化 58
圖4.13超音波水解後對污泥TS及TVS濃度之變化 58
圖4.14初沉污泥超音波水解對其SS、VSS及VSS/SS比例之變化 59
圖4.15廢棄活性污泥超音波水解對其SS、VSS及VSS/SS比例之變化 59
圖4.16超音波水解對污泥SCOD濃度之變化 61
圖4.17初沉污泥超音波水解對SS削減量及SCOD溶出量之變化 61
圖4.18廢棄活性污泥超音波水解對SS削減量及SCOD溶出量之變化 62
圖4.19超音波水解後對污泥氨氮濃度之變化 63
圖4.20超音波水解後對污泥正磷酸鹽濃度之變化 63
圖4.21超音波比能量對污泥SCOD溶出量之變化 65
圖4.22 pH 11併同超音波水解對污泥溫度之變化 67
圖4.23 pH 11併同超音波水解對污泥SS濃度之變化 70
圖4.24 pH 11併同超音波水解對污泥TS及TVS濃度之變化 70
圖4.25 pH 11併同超音波水解對初沉污泥SS、VSS及VSS/SS之變化 71
圖4.26 pH 11併同超音波水解對廢棄活性污泥SS、VSS及VSS/SS之變化 71
圖4.27 pH 11併同超音波水解對污泥SCOD濃度之變化 73
圖4.28 pH 11併同超音波水解對初沉污泥SS削減量及SCOD溶出量變化 73
圖4.29 pH 11併同超音波水解對廢棄污泥SS削減量及SCOD溶出量變化 74
圖4.30 pH 11併同超音波水解對污泥氨氮濃度之變化 76
圖4.31 pH 11併同超音波水解對污泥正磷酸鹽濃度之變化 76
圖4.32 pH 11併同超音波之比能量對SS及SCOD濃度之變化 77
圖4.33 pH 12併同超音波水解對污泥溫度之變化 80
圖4.34 pH 12併同超音波水解對污泥SS濃度之變化 82
圖4.35 pH 12併同超音波水解對污泥TS及TVS濃度之變化 82
圖4.36 pH 12併同超音波水解對初沉污泥SS、VSS及VSS/SS之變化 83
圖4.37 pH 12併同超音波水解對廢棄活性污泥SS、VSS及VSS/SS之變化 83
圖4.38 pH 12併同超音波水解對污泥SCOD濃度之變化 85
圖4.39 pH 12併同超音波水解對初沉污泥SS削減及SCOD溶出之變化 85
圖4.40 pH 12併同超音波水解對廢棄活性污泥SS削減及SCOD溶出變化 86
圖4.41 pH 12併同超音波水解對污泥氨氮濃度之變化 88
圖4.42 pH 12併同超音波水解對污泥正磷酸鹽濃度之變化 88
圖4.43 pH 12併同超音波之比能量對SS與SCOD濃度之變化 89
圖4.44不同水解方式對初沉污泥固體物減量之效果 92
圖4.45不同水解方式對廢棄活性污泥固體物減量之效果 92
圖4.46不同水解方式對初沉污泥有機物溶出之效果 96
圖4.47不同水解方式對廢棄活性污泥有機物溶出之效果 96
圖4.48不同水解方式對初沉污泥氨氮釋出之影響 100
圖4.49不同水解方式對廢棄活性污泥氨氮釋出之影響 100
圖4.50不同水解方式對初沉污泥正磷酸鹽釋出之影響 101
圖4.51不同水解方式對廢棄活性污泥正磷酸鹽釋出之影響 101
圖4.52不同初沉污泥水解方式之累積產氣量 105
圖4.53不同廢棄活性污泥水解方式之累積產氣量 105

表目錄
表2.1污泥之物化特性比較 5
表2.2化學併同熱水解進行污泥前處理相關研究 8
表2.3活性污泥熱化學前處理之溶解性及產甲烷性 8
表2.4不同來源污泥鹼水解對SCOD溶解之結果 10
表2.5 不同污泥前處理方法之溶解性氮與磷 11
表2.6厭氧產氫與產甲烷之比較分析表 26
表2.7中溫厭氧消化與都市固體廢棄物混合之污泥之產氣效能 28
表2.8污泥水解產物厭氧消化後COD及VS濃度變化 29
表3.1營養鹽儲備液之配置 36
表3.2 BMP試驗規劃表 37
表3.3原污泥成份分析 41
表4.1初沉污泥在不同pH值時之溶解特性 53
表4.2廢棄活性污泥在不同pH值時之溶解特性 53
表4.3初沉污泥鹼水解之SS、VSS、SCOD及氮磷變化量 54
表4.4廢棄活性污泥鹼水解之SS、VSS、SCOD及氮磷變化量 54
表4.5污泥在不同超音波操作時間之輸出功率 64
表4.6初沉污泥超音波水解之SS、VSS、SCOD及氮磷變化量 65
表4.7廢棄活性污泥超音波水解之SS、VSS、SCOD及氮磷變化量 66
表4.8污泥在各pH 11併同超音波操作時間之輸出功率 78
表4.9初沉污泥pH 11併同超音波水解之SS、VSS、SCOD及氮磷變化量 78
表4.10廢棄活性污泥pH 11併同超音波水解SS、VSS、SCOD及氮磷變化 79
表4.11污泥在不同pH 12併同超音波操作時間之輸出功率 89
表4.12初沉污泥pH 12併同超音波水解之SS、VSS、SCOD及氮磷變化 90
表4.13廢棄活性污泥pH 12併同超音波水解SS、VSS、SCOD及氮磷變化 90
表4.14初沉污泥不同水解程序之SS減量效果 94
表4.15廢棄活性污泥不同水解程序之SS減量效果 94
表4.16初沉污泥不同水解程序之SCOD溶出情形 98
表4.17廢棄活性污泥不同水解程序之SCOD溶出情形 98
表4.18初沉污泥不同水解程序之氮磷釋出情形 103
表4.19廢棄活性污泥不同水解程序之氮磷釋出情形 103
表4.20不同初沉污泥水解方式之產氣量 106
表4.21不同廢棄活性污泥水解方式之產氣量 106
英文文獻
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