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用：解體胞外聚合物以增強含硫酸鹽廢物活性污泥的厭氧發酵

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

《化學工程雜志》，第352卷，2018年，第380-388頁

 

摘要

摘要部分闡述了該研究應用超聲活化過硫酸鹽或硫酸鹽產生硫酸根自由基，用于解體污泥絮體和胞外聚合物，從而促進后續厭氧發酵過程，提高揮發性脂肪酸和氫氣的產量。研究顯示，超聲與過硫酸鹽協同預處理對化學需氧量溶出、蛋白質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合的胞外聚合物，并將有機物轉化為松散結合和可溶性胞外聚合物。但高超聲能量輸入會導致過度氧化，消耗部分化學需氧量。

 

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氧化過程對廢物活性污泥解體行為的影響，并評估不同預處理方法在厭氧發酵中的性能，重點關注胞外聚合物組成、有機物溶出、揮發性脂肪酸和蛋白質含量等方面的變化。

 

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，利用超聲空化效應激活自由基形成，進行高級氧化過程。實驗包括電子順磁共振檢測自由基、污泥預處理、胞外聚合物分層分析以及批量厭氧發酵實驗。測量了化學需氧量、蛋白質、揮發性脂肪酸、氫氣等參數，并分析了顆粒大小分布和表面電荷變化，以評估預處理效果和發酵性能。

 

測量的數據及研究意義

1 測量了可溶性化學需氧量和蛋白質濃度在胞外聚合物中的變化，數據來自Fig.1a和Fig.1b。研究意義是評估污泥解體程度和有機物釋放效率，表明協同預處理能促進緊密結合胞外聚合物的破壞，增強后續生物降解。

 

2 測量了揮發性脂肪酸和氫氣產量 during anaerobic fermentation，數據來自Fig.3a和Fig.3b。研究意義是驗證預處理對厭氧發酵的增強作用，顯示超聲與過硫酸鹽組合能顯著提高揮發性脂肪酸和氫氣產量，促進資源回收。

 

3 測量了電子順磁共振光譜以檢測自由基，數據來自Fig.4。研究意義是確認超聲活化過程中羥基自由基和硫酸根自由基的產生，證明高級氧化過程的機制。

 

4 測量了顆粒大小分布和表面電荷，數據來自Fig.5。研究意義是分析污泥解體后顆粒變化，表明預處理能減小顆粒尺寸，提高分散性，有利于發酵。

 

5 測量了污泥基本特性，如pH、揮發性懸浮固體、總懸浮固體等，數據來自Table 1。研究意義是提供污泥初始狀態基準，用于比較預處理效果。

 

結論

1 超聲與過硫酸鹽或硫酸鹽協同預處理對污泥解體有積極協同作用，能有效破壞緊密結合胞外聚合物，促進有機物轉化。

2 自由基在高級氧化過程中起關鍵作用，但高能量輸入會導致過度氧化，消耗小顆粒有機物，影響后續發酵。

3 適當超聲能量輸入能增強厭氧發酵，提高揮發性脂肪酸和氫氣產量，為含硫酸鹽污泥處理提供經濟有效方法。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense氫微傳感器測量溶解氫濃度的研究意義在于精確量化厭氧發酵過程中的氫氣產量，從而評估預處理方法對產氫效率的增強效果。該數據直接關聯到污泥資源化利用的潛力，因為氫氣是一種有價值的清潔能源產物。通過測量氫濃度，研究能夠驗證超聲活化自由基預處理如何促進蛋白質降解和β-氧化路徑，提高產氫量，同時抑制甲烷生成，優化發酵階段。這為實際應用中調控厭氧過程提供了關鍵參數，支持廢物轉化為能源的策略。