厌氧消化污泥沼气中硅氧烷生成机理和迁移转化研究

As one of the most difficult contaminants to control in biogas, siloxane has increasingly attracted engineers and scientists working in fields of biogas clarification recently. This project attends to build up an anaerobic lab-scale sludge digestion and siloxane analysis system to simulate the generation of siloxane and transmission between water, sludge, and biogas. Based on the system, the effect of digestion perimeters on siloxane concentrations and compositions was investigated, including digestion time, temperature, carbon and nitrogen ration, misture, etc, and gas chromatography–mass spectrometry would be used as quantity and quality instrument analysis method. Via statistics software, mathematical models between the perimeters and siloxane would be build up in oder to deduce the formation mechanism and transmission characterisation. The roles that physical, chemical, or biological reaction played would be determined during the generation and transmission processes. Based on the lab-scale test results, the biogas from sludge digestion in municipal wastewater treatment plants would also be sampled and analysed, so that the siloxanes pollution information could be gathered and lab-scale modes could be tested. Then, some source control method of siloxane would be advised with the information. Additionally, the effect on siloxane of some traditional biogas desulfurization devices would be examined and studied to determinate the possibility to improve the device for siloxane removal.

硅氧烷作为沼气中的有害微量杂质近年来颇受关注，但其生成机理和迁移转化规律尚缺乏深入研究。本项目通过搭建实验室规模污泥厌氧消化反应器和硅氧烷采集分析系统，模拟硅氧烷在污泥厌氧消化沼气中的生成以及在水、污泥、沼气中的迁移转化。通过控制时间、温度、碳氮比以及搅拌等工艺参数，配合气相色谱质谱联用技术定性定量分析硅氧烷组分，并利用统计软件分析这些因素对硅氧烷生成和迁移的影响，进而推断物理、化学和生物过程在其形成和迁移转化中的作用，并建立简单数学模型。在实验室模拟实验的基础上，从污水处理厂污泥消化车间采集沼气样品，调查硅氧烷污染现状，并验证实验室所得的理论结果；在硅氧烷生成机理的理论支撑下，分析硅氧烷源头控制的可能性。结合实验室和现场实验采集并分析现有沼气脱硫净化处理装置等对硅氧烷浓度的影响，提出硅氧烷末端处理控制意见。

挥发性硅氧烷作为一类受到较少关注的VOCs或semi-VOCs，其来源、分配和迁移规律的研究并不充分。目前，硅氧烷的危害主要体现在对于沼气发电机组的影响，但已有个别硅氧烷对生物体产生毒性的研究和报道，因此需要了解城市生活环境中硅氧烷的污染情况和变化，特别是硅氧烷的主要来源--厌氧发酵沼气中的硅氧烷。本研究针对生活污泥和生活垃圾厌氧消化过程产生的8种挥发性硅氧烷进行分析，进行了较为系统的研究并取得一些成果。建立了一种新的沼气中硅氧烷采集和分析方法——甲醇吸收配合吹扫-捕集气质联用分析方法，改善了检出限并大幅度降低了采集时间和经济成本，并首次发现采集管路和吹扫瓶隔垫对分析结果的影响。因没有找到足够的降解证据，研究认为污泥中硅氧烷的迁出主要是以挥发形式存在，并总结了硅氧烷在不同浓度污泥中的挥发规律以及在泥相和水相中的分配规律，发现泥相到水相的传质过程是其挥发的限制步骤，且其在污泥中的吸附更为倾向于符合弗罗因德利希吸附等温线。在国内第一次系统的分析了生活垃圾填埋场消化沼气中的硅氧烷分布规律，在验证D4和D5两种硅氧烷的绝对优势外，发现其他硅氧烷的浓度与吉布斯自由能有一定关系。提出L3和D4两种硅氧烷的浓度比可以作为硅氧烷所处介质存在时间长短的粗略判断标准。同时发现生活垃圾填埋场附近其他介质如空气、土壤和渗出液中的硅氧烷含量远远超过城市平均水平，证实了其作为潜在城市硅氧烷污染的一个重要来源。另外，研究表明现有的沼气处理设施对于硅氧烷的浓度有一定的降低效果。虽然没有降低到沼气发电机要求的浓度，但如果进一步提高脱硫剂的物理性质或者改变处理流程，极有可能在不增加硅氧烷处理单元的情况下，消除硅氧烷对发电机的负面影响并节省成本。