（土木工程专业论文）折流式反应器污泥开发碳源与促进脱氮除磷试验研究.pdf

y ：、j ： 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：丝业日期：! 竺鱼翌 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：弛导师签名：堑日期： 7 o 0 、支弓刁 摘耍 摘要 碳源受限型废水本身不能满足同步脱氮除磷要求，通过对污泥水解酸化处理 可获得生物处理工艺所需的碳源并实现污泥资源化与稳定化。折流式反应器兼具 上流式活性污泥床与推流式反应器优点，同等底物转化率下所需容积较c s t r 反 应器小且无需搅拌。本课题采用折流式初沉污泥水解酸化工艺获取碳源并结合 a 2 o 多氧化还原环境生物脱氮除磷工艺，研究利用初沉污泥酸化液促进脱氮除 磷的可行性。 在温度为3 0 ，水力停留时间为2 4 h ，固体停留时间为3 d 时，经过3 0 天的 试验运行，污泥产酸工艺的产酸效果稳定，成功实现有机物的溶出与v f a s 的积 累。污泥酸化液的s c o d 和v f a s 极值分别达到1 1 8 2m l 和6 0 2 8m l ，v f a s 产率最大值达到0 0 6 m g v f a s m g v s s ，水解效率最大值达到3 6 ，基于折流式反 应器的初沉污泥水解产酸工艺获取碳源是行之有效的。试验过程中，初沉污泥酸 化产酸工艺污泥氮磷释放率分别为3 2 4 m gn h 3 n g - x v s s 、0 2 8m gp g - i v s s 。 污泥酸化产物中s c o d 和v f a s 的比值随着体系的逐渐成熟呈下降趋势，并 最终稳定。试验过程中，系统酸化液碱度随运行历时逐渐增加，随着体系达到酸 碱平衡而趋于稳定，污泥水解产酸体系达到稳定时，碱度达到8 5 0 m g l 。碱度的 增加有利于体系保持酸碱平衡，对p h 值变化具有缓冲作用，整个试验阶段p h 值变化较小。经水解酸化后初沉污泥的沉降性能有所改善，污泥的固液分离能力 增强。 试验表明停留时间对初沉污泥水解产酸工艺有重要影响，同等条件下增大 h r t 可增加碳源的积累；而h r t 大于3 2 h 后，碳源数量增速减缓。s r t 在5 天时 效果最佳，s c o d 、v f a 值分别可达1 4 9 8 m g l 和8 9 5 3 m g l ；s r t 增大到7 d 时， 产酸效果下降。当水解酸化体系破坏后，采用投加三氯甲烷的办法可抑制系统中 产甲烷菌的活性，使水解酸化效应得以快速恢复。 研究利用a s m 2 d 模型程序对投加酸化液前后a 2 o 脱氮除磷工艺进行数学 模拟，预测污泥酸化液的投加量，并根据模拟结果对投加酸化液前后a 2 o 脱氮 除磷工艺进行试验研究，结果表明工艺可较好地实现氮磷营养物的去除，投加酸 化液后，出水t n 平均值达到1 7 r a g l ，t p 平均值达到0 5 m g l ，c o d 平均值为 3 0 m g l ，氨氮为1 6 r a g l ，出水水质标准达到国家城镇污水处理厂污染物排放 标准( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 中规定的一级标准。本课题采用的模型参数能准确模拟 试验反应过程，快速准确确定碳源的投加量，是一种快捷直观的工艺优化方法， 为酸化液强化a 2 o 工艺的同步脱氮除磷目标的实现提供捷径。 关键词：初沉污泥；碳源；折流式反应器；脱氮除磷；a s m 2 d 数学模型 北京丁业大学t 学硕卜学位论文 i 一； ；i 曼量曼量曼曼曼曼曼曼曼量 a b s t r a c t n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a lh a sb e c o m eo n eo ft h em a i nt a s k so fu r b a n s e w a g et r e a t m e n tp l a n tt om e e tt h es t r i c k e rn e ws t a n d a r do fs e w a g ed i s c h a r g e d e n i t r i f i c a t i o na n dp h o s p h o r u sb a c t e r i aa r eh e t e r o t r o p h i cb a c t e r i a s ；l o wc f nr a t i o w a s t e w a t e ri t s e l fc a nn o tm e e tt h en i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a lr e q u i r e m e n t s c u r r e n t l y , t h ep r o b l e mo fc a r b o nr e s o u r c es h o r t a g ec a nb es o l v e db ya d d i n ge x t e r n a l c a r b o nr e s o u r c e ，o rd e v e l o p i n gn e wb i o l o g i c a ln u t r i e n tr e m o v a l ( b n r ) p r o c e s s ，b u t t h ec o s tc a nb em u c hh i g h e r p r i m a r ys l u d g et r e a t m e n tb yh y d r o l y s i sa n da c i d i f i c a l i o n c o m b i n e dw i t hi m p r o v e db i o l o g i c a lt r e a t m e n tp r o c e s s e sc a ns o l v et h ep r o b l e m i nt h ec o n d i t i o no ft e m p e r a t u r ew a s3 0 ，h i 汀w a s2 4 h t h ea v e r a g er e s i d e n c e t i m eo f b i o s o l i d sw a s3 d ，a f t e r3 0d a y so f t d a lo p e r a t i o n ，t h es y s t e mh a sas t a b l ee f f e c t o fa c i dp r o d u c t i o n 。s c o da n dv f a sa c i ds o l u t i o nr e a c hap e a kv a l u ea t1 18 2m g l a n d6 0 2 8 m g lr e s p e c t i v e l y , m a x i m u mv f a s 厂v s sw a s0 0 6 m g v f a s m g v s s ， m a x i m u me f j f i e i e n c yo fh y d r o l y s i sw a s3 6 t h es t u d ys h o w e dt h a tt h ea b rp r i m a r ys l u d g ea c i d i f i c a t i o ns y s t e mc a n s u c c e s s f u l l yr e a c ht h ea i mo fv f a sa c c u m u l a t i o n r a t i oo fs c o da n dv f a so ft h e s y s t e mt o o kad o w n w a r dt r e n d e v e n t u a l l ys t a b i l i z e d d u r i n gt h et r i a lo p e r a t i o no ft h e s y s t e m ，a l kh a sas i m i l a rt r e n do fv f a s s c o d t h ea l k a l i n i t ys t a b l ea t8 5 0 m g l a l k a l i i l i t vo ft h ea c c u m u l a t i o nc a nb u f f e rc h a n g e so fp hv a l u e ，m a k i n gl i t t l ec h a n g e o f p hi nt h ew h o l eo p e r a t i o np r o c e s s r e s i d e n c et i m eh a sam a i o ri m p a c to nc a r b o na c c u m u l a t i o no ft h es y s t e m t e s t s h o w e dt h a th r tc a ni n c r e a s et h ea c c u m u l a t i o no fc a r b o nu n d e rt h es a m ec o n d i t i o n s b u tw h e nh r tw a sg r e a t e rt h a n3 2 h t h ec a r b o ns o u r c eg r o w t hs l o w l y 姗l e ns r t w a s5d a y s ，t h es c o d ，v f a sv a l u ew e r eu pt o1 4 9 8 m g la n d8 9 5 3 m g l ，w h e n s r ti n c r e a s e dt o7 d t h ea c i dp r o d u c t i o ne f f e c td e c r e a s e d n i t r o g e na n dp h o s p h o r u s r e l e a s er a t e so fs l u d g ew e r e3 2 4 m gn h 3 - n g - 1 v s sa n d0 2 8m gs p g - 1 v s s t h e s e t t l e m e n tp e r f o r m a n c eo ft h ea c i d i 6 c a t i o np r i m a r ys l u d g ew a si n c r e a s e d t h e s o l i d 1 i q u i ds e p a r a t i o nc a p a c i t ye n h a n c e d t h em e t h a n o g e n i cb a c t e r i aw e r e s i g n i f i c a n t l yi n h i b i t e db ya d d i n gc h l o r o f o r m w h i c hc a ni n h i b i tt h ea c t i v i t yo f m e t h a n o g e n i cb a c t e r i aa n dt h ea c i d i f i c a t i o ne f f e c t sc a nb er a p i dr e c o v e r y 砀ee f f e c to nb i o l o g i c a ln u t r i e n tr e m o v a lb ya d d i n ga c i d i f i c a t i o np r o d u c th a sb e e n s t u d i e d a n di tc a nb es i m u l a t eb ya s m 2 dm a t h e m a t i c a lm o d e l s op r o c e s s t h e e n h a n c e dn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a ls y s t e mb ya d d i n ga c i ds o l u t i o nc a l l a c h i e v eb e t t e rr e m o v a lo fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sn u t r i e n t s t h ee f f i u e n tt nm e a n v a l u ew a sl7 m g l , t pw a s0 5 m g l ，c o da v e r a g ev a l u ew a s3 0 m g l 。a m m o n i u m w a s1 6 m g l t h eq u a l i t yo fe f f i u e n tc a nm e e tt h en a t i o n a l s t a n d a r d ”m u n i c i p a l w a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n te m i s s i o ns t a n d a r d s ( g b18 918 - 2 0 0 2 ) ”t h i st o p i cc a n a c c u r a t e l ys i m u l a t i o nu s i n gm o d e lp r o c e s s ，i tp r o v i d ear a p i da n da c c u r a t ew a yt o d e t e r m i n et h ed o s a g eo fc a r b o ns o u r c ea n dc a l lb e c o m eaf a s ta n di n t u i t i v ep r o c e s s o p t i m i z a t i o nm e t h o df o ra c i d 、i q u i ds t r e n g t h e nk | op r o c e s s k e yw o r d s ：p r i m a r ys l u d g e ；c a r b o nr e s o u r c e ；h y d r o l y s i sa n da c i d i f i c a t i o n ；n i t r o g e n a n dp h o s p h o r u sr e m o v a l ；a s m 2 d 目勇乏 目录 摘要i a b s t r a c t l l 第1 章绪论1 1 1 课题来源与研究背景1 1 1 1 氮磷污染及生物脱氮除磷对碳源的需求1 1 1 2 碳源受限型废水氮磷去除技术现状。2 1 2 污泥水解酸化技术4 1 2 1 污泥水解酸化原理4 1 2 2 污泥产酸的影响因素5 1 2 2 污泥产酸工艺研究现状与进展6 1 3 折流式厌氧反应器7 1 4 活性污泥数学模拟仿真7 1 4 1 活性污泥法数学模型。8 1 5 课题研究意义与技术路线8 1 5 1 可行性分析9 1 5 2 本课题的特色及创新之处1 0 1 5 3 研究方案及技术路线1 0 1 6 本章小结1 0 第2 章研究内容与方法1 1 2 1 研究内容1 1 2 2 试验装置。1 1 2 3 污泥的接种1 2 2 4 检测与分析方法1 3 2 5 本章小结。1 3 第3 章折流式污泥水解酸化工艺试验研究1 4 3 1 折流式污泥水解酸化工艺可行性研究1 4 3 1 1 有机物的溶出和v f a s 的积累1 4 3 1 2 酸化液s c o d 与v f a s 比值分析1 5 3 1 - 3 出水v f a 产率和水解效率分析1 6 3 1 4 酸化污泥的沉降性能1 7 3 1 5 碱度和p h 值的变化1 7 3 2 停留时间对系统的影响1 9 3 2 1 不同h r t 条件下碳源的积累1 9 3 2 2 生物固体平均停留时间对系统的影响2 0 3 2 3 小结2 1 3 3 酸化效应受抑制后快速恢复试验2 1 3 4 氮磷的释放2 2 3 5 本章小结2 4 第4 章酸化液强化生物脱氮除磷及数学模拟2 5 4 1a s m 2 d 数学模型及模拟仿真程序的编制2 5 4 1 1 模型的组分2 5 4 1 2 生物过程2 7 4 1 3 化学计量数及动力学参数2 8 北京t 业人学t 学硕士学位论文 4 1 4 基质表观转化速率3 0 4 1 5 连续性方程3 0 4 1 6 物料平衡方程3 0 4 1 7 基于m a t l a b 的仿真程序3 1 4 1 8 敏感性分析及动力学参数校正3 4 4 1 9 模型的限制3 6 4 2 投加酸化液强化脱氮除磷工艺数学模拟3 6 4 2 1a 2 o 脱氮除磷工艺参数3 6 4 2 2 投加酸化液前后a 2 o 工艺数学模拟3 7 4 3 酸化液强化a 2 o 工艺生物脱氮除磷试验4 2 4 3 1a 2 o 脱氮除磷工艺试验研究4 2 4 3 2 投加酸化液强化脱氮除磷工艺试验研究4 3 4 4 本章小结4 5 结论与建议。4 6 参考文献4 7 攻读学位期间发表的学术论文5 1 致j 射5 3 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题来源与研究背景 本研究课题来源于国家自然科学基金“基于流离和多氧化还原环境作用的剩 余污泥减量反应器技术与机理研究( 5 0 6 7 8 0 0 8 ) ”及北京市自然基金“多氧化还原 环境城市污水脱氮除磷工艺及模拟技术研究( 8 0 9 2 0 0 7 ) 9 9 0 本课题拟利用城市污 水处理厂产生的初沉污泥为研究对象，采用折流板反应器水解酸化初沉污泥开发 碳源并结合改良型多氧化还原环境曝气非曝气生物处理工艺，旨在解决碳源受限 型废水强化生物脱氮除磷的难题。 1 1 1 氮磷污染及生物脱氮除磷对碳源的需求 当前，我国的水环境污染主要是氮磷污染导致的水体富营养化及高锰酸盐指 数超标。太湖、巢湖、滇池三大严重污染湖泊水质总体为劣五类，主要污染物为 化学需氧量以及氮和磷n 1 。 1 1 1 1 氮污染与脱氮技术 氮主要以有机氮、氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮等形式存在。城市污水中的 氮主要包含氨氮和蛋白质、氨基酸的形式存在的有机氮。在通过氨化作用转化为 氨氮。氮污染源主要来自生活污水、工业污水以及地表径流、固体垃圾渗滤液等。 总氮去除途径主要是生物脱氮。污水生物脱氮包括氨氮的硝化和亚硝酸盐氮 与硝酸盐氮的反硝化两个阶段。硝化菌在好氧条件下将氨氮氧化为亚硝酸盐氮和 硝酸盐氮，反硝化菌在缺氧条件下将亚硝酸盐和硝酸盐还原为氮气。亚硝酸菌和 硝酸菌参均属化能自养菌，硝化反应过程需以c 0 2 、c 0 3 2 - 矛- t l h c 0 3 2 - 作为碳源，氧 作为电子受体，通过氧化n h 4 + 获得能量。反硝化菌属化能异养兼性缺氧型微生 物，在缺氧条件下以有机物作电子供体，硝酸盐作电子受体，将亚硝酸盐和硝酸 盐还原为氮气。 1 1 1 2 磷污染与除磷技术 磷污染的主要来源为人畜代谢和工业废水。生物除磷工艺原理是微生物在厌 氧状态和好氧状态下交替运行，厌氧环境使聚磷菌得到选择性的增殖优势，在厌 氧环境下聚磷菌通过水解以及细胞内糖的酵解释放体内贮存的聚磷酸盐产生 a t p 获取能量，并利用a t p 吸收兼性厌氧细菌通过发酵产生的挥发性脂肪酸，合 北京t 业人学丁学硕十学位论文 成聚b 羟基烷( p h a s ) 及糖原等有机颗粒的形式贮存于细胞内，将分解聚磷酸 盐产生的磷酸排出体外。p h a s 是聚磷菌一种基本的成分，主要由聚羟基- b 一丁酸 盐( p h b ) 和聚b 羟基戊酸( p h v ) 组成，在生物除磷系统中起重要作用。p h a s 用于微生物生长、吸收和贮存磷酸盐、合成糖原以及维持生命。p h a s 转化为生 物和糖原的过程中，产生的n a d h 2 过剩，n a d h 2 在氧化磷酸化中被氧化产生 a t p 。在好氧环境下，聚磷菌通过分解p h b 获取能量，从污水中过量摄磷，以多 聚磷酸盐的形式存贮，聚磷菌在好氧环境下所摄取的磷比在厌氧环境下所释放的 磷多，通过排泥可达到除磷目的。 1 1 2 碳源受限型废水氮磷去除技术现状 常规生物处理完全反硝化需要的c n 值至少为4 ，因此有机底物的含量对反 硝化效率有很大的影响位1 。对碳源受限型废水同步脱氮除磷的研究已经成为热 点。 1 1 2 1 多级a o 分段进水工艺 多级a o 分段进水生物脱氮工艺是结合a o 工艺理论、非稳态理论发展而 成的新型污水处理技术。污水沿池分段进入缺氧池，为反硝化补充炭源的同时使 反应器内污泥浓度自然形成浓度梯度，在保证终沉池水力负荷和固体负荷不增加 的情况下，系统内的平均m l s s 浓度较高，s r t 比相同容积的推流系统长，处 理能力增大。硝化液从各段的好氧区直接流入缺氧区，省去硝化液回流，从而简 化了工艺流程。我国从上世纪9 0 年代末开始关注分段进水多级a o 新工艺的开 发应用。吴淑云等瞄1 考察了不同c n 比下等比例进水和非等比例进水时的脱氮 率，试验表明在进水流量分配系数九分别为5 、3 和4 的情况下，总氮去除率分别 为9 2 4 、9 3 8 和9 6 4 ，好氧区硝化液直接进入反硝化区进行反硝化，无需硝化 液回流，反硝化区可利用废水中的有机物作为碳源，使低c n 废水达到较高的反硝 化效率。 1 1 2 2 同步硝化反硝化工艺 微生物学家在纯种培养的研究中发现，硝化细菌和反硝化细菌有非常复杂的 生理多样性，许多反硝化细菌在好氧条件下能进行反硝化，而许多异养菌能进行 硝化。q u e n e n 等h 1 证明许多反硝化细菌在好氧条件下能进行反硝化；c a s t i n g n e t t i 肺1 证明许多异养菌能进行硝化。活性污泥絮体s n d 形成机理，可以从微环境理论和 好氧反硝化菌两方面加以解释。缺氧微环境理论认为具有一定大小尺寸的颗粒污 2 第1 荦绪论 泥，由于氧扩散梯度的存在，其内部形成了缺氧或厌氧区域。颗粒污泥的外表面，溶 解氧浓度较高，微生物就会以异养好氧菌、硝化菌及氨化菌为主，使n n 首先被 氧化为n 0 3 - - n 或n 0 2 - n ，而其内部以反硝化菌为主，就可以将n 0 3 - - n 或n 0 2 - n 还原为氮气。从而实现了s n d 。另一方面，微生物学家已报道发现了好氧反硝化 菌和异养硝化菌，甚至在完全厌氧条件下也会发生硝化作用。目前，国外对活性污 泥法的s n d 研究已达到实际应用水平，国内则刚刚起步，大多处在小试研究阶段。 1 1 2 3 短程硝化反硝化工艺 1 9 7 5 年，v e o c t s 等嘲发现了硝化过程中n 0 2 积累的现象，并首次提出了短 程硝化反硝化生物脱氮的概念。短程硝化反硝化工艺是将硝化过程控制在亚硝化 阶段然后进行反硝化。这样可以节省2 5 的需氧量和4 0 的电子供体，同时亚 硝态氮进行反硝化的速率是硝态氮的1 5 2 倍。是利用较高温度下( 3 5 左右) 硝化菌的增长速率明显小于亚硝化菌的增长速率来保持足够的亚硝化菌的浓度。 1 9 8 6 年s u t h e r s o n 等。证实了其可行性也进行了经n 0 2 途径生物脱氮的研究；徐冬 梅哺1 研究了煤气废水的短程硝化反硝化，并获得了较高的氮去除率；李军等阳1 人利 用短程硝化反硝化工艺处理低c n 垃圾渗滤液，实现了稳定的亚硝氮积累和较 高的氨氮去除率，亚硝化率和氨氮去除率分别维持在8 3 和8 5 左右。试验结果 表明，该工艺与传统生物脱氮工艺相比，污泥负荷明显增加，耗氧量和反硝化所需 碳源减少，反硝化效率和速率明显提高，从而总氮去除率也显著提高。国内外研究 表明u 0 。1 3 1 ，与传统的硝化反硝化相比，短程硝化反硝化具有可减少2 5 左右的需 氧量，降低能耗；节省反硝化阶段所需要的有机碳源，降低了运行费用：缩短h r t ， 减少反应器体积和占地面积；降低了污泥产量；硝化产生的酸度可部分地由反硝化 产生的碱度中和。对低c n 废水，比较有代表性的工艺有亚硝酸菌与固定化微 生物单级生物脱氮工艺，单一反应器通过亚硝酸盐去除氨氮( s h a r o n ) t 艺等。 1 1 2 4 厌氧氨氧化工艺 厌氧氨氧化工艺是在厌氧条件下，微生物直接以n h 3 作为电子供体，以n 0 3 。 或n 0 2 。为电子受体，转化为n 2 的微生物反应过程。某些细菌在硝化反硝化反应 中能利用n 0 3 或n 0 2 。作电子受体将n h 3 氧化成n 2 和气态氮化物，这明显缩短了 传统的氮循环过程。 最初，厌氧氨氧化现象是荷兰科学家m u l d e r n 钔在用于反硝化的流化床中发现 的，随后许多研究者采用这种反应器进行启动厌氧氨氧化的研究。固定生物反应 器流化床生物持留量大、传质条件好、负荷高，但是颗粒污泥不稳定，容易随流体 流出反应器，导致微生物流失，而足够的生物持留量是实现厌氧氨氧化的必要条件， 3 北京丁业人学t 学硕十学位论文 因此一些研究者采用了固定床生物反应器。s t r o u s 等n 铂采用具有较大表面积和较 好沉降性能的熔结玻璃( 粒径3 5 m m ) 为载体，构建了容积的2l 固定床反应器，成功 富集了厌氧氨氧化菌。固定床存在的主要问题是容易发生堵塞。在s t r o u s 的实验 中，出现了载体堵塞和气体滞留在反应器中，导致反应器底部n 0 2 。- n 积累，生物活 性降低。 1 1 2 5 反硝化除磷及厌氧除磷工艺 研究发现兼性厌氧反硝化除磷细菌( d p b ) ，可以在缺氧条件下，利用硝酸盐 作为电子受体氧化胞内贮存的p h b ，使吸磷和反硝化这两个不同的生物过程， 能够借助同一种细菌在同一环境中一并完成，实现同时反硝化和过度摄磷，称为 反硝化除磷。w a n n e r n 目在1 9 9 2 年率先开发出一个以厌氧污泥中p h b 为反硝化碳 源的的工艺，取得了良好的氮磷去除效果。该工艺与传统生物除磷工艺相比较， 具有减少能耗、节约碳源和污泥产量低的特点，解决了碳源受限废水除氮磷碳源 竞争问题。反硝化除磷面临的最大难题是氮磷比例普遍难以满足缺氧摄磷要求， 还需进一步研究。 传统除磷工艺如化学除磷和强化生物除磷都是通过排放富磷污泥实现除磷 的，因此面临着处置大量剩余污泥的问题，在厌氧生物除磷中，微生物可将磷酸 盐还原为磷化氢，正如硝酸盐生物还原反应可应用于生物脱氮，磷酸盐生物还原 反应也可应用于生物除磷。研究发现一些混合培养的厌氧微生物和纯种微生物均 能在厌氧培养条件下产生磷化氢n 钉。在厌氧条件下通过微生物作用将固相和水相 中的有机磷和某些无机磷转化为气态磷化氢并释放，从而达到除磷目的。现有的 关于废水除磷机理的研究主要涉及到好氧条件下除磷，却极少考虑到磷化氢的存 在及其在厌氧除磷中所起的作用，厌氧过程中磷去除的工艺控制条件还有待得到 进一步研究。 1 2 污泥水解酸化技术 1 2 1 污泥水解酸化原理 厌氧发酵是微生物降解有机物的过程，厌氧发酵可分为不产甲烷和产甲烷两 阶段n 引。产氢产酸阶段，发酵产酸细菌通过水解作用将难降解长链有机物成小分 子的可溶性的短链易生物降解有机物，产氢产酸菌将短链易生化有机物转化成挥 发脂肪酸及氢气，并通过同化作用合成自身的新细胞。在产甲烷阶段，乙酸、氢 气、碳酸、甲酸和甲醇等被转化为甲烷、二氧化碳和新的细胞物质。 4 第1 苹绪论 水解过程是依靠细菌细胞的表面水解酶的催化作用，水解细菌分泌的胞外酶 将难溶性复杂聚合物被转化溶解性单体的反应。水解过程中，高分子有机物因相 对分子质量巨大，不能透过细胞膜，细菌胞外酶水解为小分子才能为微生物直接 利用。而短链水解产物能够溶解于水并透过细胞膜为细菌所利用。 酸化是产酸菌通过氧化还原反应将有机物转化为有机酸的过程。水解阶段产 生的短链易生化可溶性有机物在酸化菌的细胞内转化为已有机酸分泌到胞外。酸 化阶段的主要产物有挥发性脂肪酸、醇类、乳酸、二氧化碳、氢气、氨、硫化氢 等。同时，酸化菌也利用部分物质合成新的细胞物质产乙酸阶段：在此阶段，上 一阶段的产物被进一步转化为乙酸、氢气、碳酸以及新的细胞物质。溶解性有机 物被产酸菌转化为乙酸、丙酸等挥发性脂肪酸。 厌氧过程中还包含以下反应：水解阶段里有蛋白质水解、碳水化合物的水解 和脂类水解；发酵酸化阶段包含氨基酸和糖类的厌氧氧化与较高级的脂肪酸与醇 类的厌氧氧化；产乙酸阶段里有从中间产物中形成乙酸和氢气和由氢气和二氧化 碳形成乙酸；甲烷化阶段包括由乙酸形成甲烷和从氢气和二氧化碳形成甲烷。除 以上这些过程之外，当废水含有硫酸盐时还会有硫酸盐还原过程。 1 2 2 污泥产酸的影响因素 1 2 2 1 温度 温度对初沉污泥水解酸化工艺的具有重要影响。温度对水解酸化菌胞内酶的 活性有很大的影响，而胞内酶对细胞的生长速率以及水解酸化菌对有机基质的降 解速率影响很大，如果水解酸化工艺温度控制不当，将会造成水解酸化系统中微 生物产酸效率低下等后果。最适温度下，污泥水解酸化菌的有机物转化速率达到 极值，此时细菌活性最强。相对于产甲烷菌水解酸化菌拥有更强的温度适应性， 在l o 5 0 环境中均可获得良好效果，因此可以通过控制适当温度的办法实现 产酸菌富集，抑制产甲烷菌。 1 2 2 2 碱度与p h 值 p h 值对初沉污泥水解酸化系统而言是重要工艺参数，系统的酸碱平衡决定 水解酸化体系的p h 值，反过来通过p h 值的变化可预测酸碱平衡，从而及时调 整运行参数。脂肪酸、氨氮和硫酸盐等物质对水解酸化体系酸碱平衡有重要影响。 厌氧发酵反应中的水解酸化细菌与产甲烷菌所适应的p h 值范围不尽相同。水解 酸化菌最适宜的p h 值为6 5 7 5 ，而产甲烷菌适宜的p h 值范围为6 8 7 2 。 s ，一 北京丁业大学t 学硕： ：学位论文 1 2 2 3 氧化还原电位 氧化还原电位是衡量体系中氧化还原性强弱的重要指标。厌氧微生物要求环 境中具有的较低的氧化还原电位。研究表明n 引，适宜水解酸化细菌生长的氧化还 原电位范围在1 0 0 m v 3 0 0 m v 之间，非曝气系统中可以自然形成，而以产甲烷 为目的厌氧系统须在密闭环境中氧化还原电位严格控制在3 0 0 m v 以下以满足甲 烷菌的要求，微量氧的存在可以有效抑制产甲烷菌的生长，体系依然可形成适宜 的氧化还原环，对产酸菌的影响有限。 1 2 2 4 水力停留时间 水力停留时间是水解酸化系统的重要影响参数。水力停留时间是被处理对象 在体系中能够停留的时间长度。水力停留时间影响厌氧发酵环境及微生物菌落的 活性。在厌氧发酵微生物可承受范围内，水力停留时间越大水解酸化系统中酸化 菌与污泥的反应时间越长，这时污泥流速及污泥量减小，使得体系的容积负荷及 有机负荷减小，水解酸化效率越高呦1 。 1 2 2 5 污泥停留时间 污泥停留时间即生物固体平均停留时间又被称作污泥龄。适宜的s r t 对水 解酸化系统至关重要。在合适的s r t 条件下，水解酸化菌与产甲烷菌量达到平 衡，并可实现水解酸化菌占优。随着s r t 的增大，水解酸化菌的衰减速率趋向 大于增殖速率细胞逐渐趋于衰亡，而产甲烷菌逐渐占优，甲烷产量增加，系统的 酸化效率将受到严重影响。而若s r t 小于厌氧微生物最小固体停留时间会造成 微生物流失，无法实现微生物的富集。 1 2 2 污泥产酸工艺研究现状与进展 目前，利用初沉污泥水解酸化开发生物脱氮除磷系统可用碳源的研究已成为 国外研究热点，并应用于城市污水处理厂改造中心卜2 朝。s uj i a n g 等瞳4 1 认为：在污泥 水解酸化过程中，短链脂肪酸( s c f a s ) 显著增加的原因归咎于污泥中颗粒有机碳 溶解性的增加、溶解性底物的水解、水解产物的酸化以及产甲烷菌活性的减弱。 y i n g u a n gc h e n 心5 1 等认为污泥水解的速度随p h 值的增加而增加。v f a s 的组成为 乙酸、丙酸、异丁酸、正丁酸、异戊酸和j 下戊酸，其中乙酸、丙酸和异戊酸是三 个主要成份。s k a l s k y 等心剐将污泥发酵产生的v f a s 用于强化生物除磷工艺 ( e b p r ) ，除磷效率可以达到9 7 左右。c o m e a uy 1 的研究结果认为：去除 l m gp 需要8 m g 乙酸或者7 5 m g r b c o d 。污泥水解酸化产生的挥发性脂肪酸 6 第1 章绪论 ( v f a s ) 是反硝化脱氮的优秀碳源，反硝化菌的优先利用顺序是：乙酸、丁酸、 丙酸、戊酸。 国内多数是针对难降解有机物水解酸化以提高可生化性的研究，而单独利用 城市污水厂污泥进行水解酸化产酸的研究较少。国外的工艺试验研究和工程应用 结果表明嘲3 ，厌氧水解酸化过程中，水解阶段是整个过程的限速步骤，生物水 解初沉污泥可以产生脱氮所需的易生物降解有机碳源，利用初沉污泥开发碳源在 实际脱氮除磷生产应用中是可行的，且初沉污泥水解产物作碳源比外碳源效果 好。可见污泥水解酸化在理论和技术都是可行的。而于城市污水初沉污泥的组成 和性质差异较大，国外研究成果未必适于我国。目前我国对该项技术的研究处于 初步阶段，因此有必要对我国城市污水初沉污泥生物水解转化情况进行探讨。 1 3 折流式厌氧反应器 厌氧折流板反应器( a n a e r o b i c b a f l f e d r e a c t o r ) 是美国m c c a r t y 和b a c h m a n n 等 人于1 9 8 2 年，在总结了各种第二代厌氧反应器处理工艺性能的基础上，开发和 研制的一种新型高效厌氧污水生物处理技术。 折流板反应器是一种由多格室组成的连续结构，每格分导流室和上流室，折 流板成4 5 度，隔板依次降低5 m m ，物料进入反应器后沿导流板上下折流前进， 依次通过每个反应室的污泥床，近似多u a s b 串联而成的推流式反应器，兼具 上流式活性污泥床与推流式反应器优点有机基质通过与微生物充分的接触，传质 效率高，同等底物转化率下所需容积较c s t r 反应器小，因而a b r 反应器的容 积利用率要高于其它型式的反应器，h r t 小，且无需搅拌。由于折流板的阻挡 作用，阻止了各隔室间的返混，因而就整个反应器而言，则具有水平推流( p f ) 的 流态，且分隔数越多越明显。因此，可把运行中的a b r 反应器看作一个由一系 列混合良好的c s t r 的串联。这种整体为p f 、个体为c s t r 的复合流态工艺的 反应速率、处理稳定性及容积利用率均要优于单个c s t r 或p f 反应器。反应器 有一定的固液分离能力，生物膜强化区设置弹性滤料，以拦截生物固体，实现固 液分离并解决污泥流失问题。 1 4 活性污泥数学模拟仿真 活性污泥数学模型对于污水生物处理系统的设计和运行管理有着重要意义。 数学模型不但有助于新建系统的设计和优化运行管理，同时对于现有生物处理系 统的处理能力或功能扩增也很重要。 7 北京t 业大学t 学硕j ：学位论文 1 4 1 活性污泥法数学模型 微生物模型描述的是微生物生长和限制生长的基质浓度之间的关系，是活性 污泥法数学模型的理论基础。微生物模型的不断发展推动了活性污泥数学模型研 究的日趋深入。 1 9 4 2 年，m o n o d 发现均衡生长的细菌的生长曲线与活性酶催化的生化反应曲 线类似，1 9 4 9 年发表了在静态反应器中经过系统研究得出的m o n o d 模型。m o n o d 模型实质上是一个经验式，是在单一微生物对单一基质、微生物处于平衡生长状 态且无毒性存在的条件下得出的结论。 国际水污染控制协会于1 9 8 7 年推出活性污泥a s m l 号模型，用于污水生物 处理的设计和运行模拟，着重于生物处理的基本过程、原理及其动态模拟，包括 了碳源氧化、硝化和反硝化作用等反应过程，包含了异氧型和自氧型微生物、多 种基质组分、硝态氮和氨氮等1 2 种物质的平衡。 随后国际水协相继于1 9 9 5 年推出了活性污泥a s m 2 号模型。a s m 2 是a s m l 的扩展，包含碳有机物氧化、脱氮和生物除磷处理过程，共有1 9 种组分、2 2 个 化学计量系数及4 2 个动力学参数、涉及了1 9 种反应过程。从a s m l 到a s m 2 的最主要变化是生物体具有细胞内部结构，其浓度不能简单地用分布参数。由于 a s m 2 不能完全准确地反映活性污泥系统中的生物除磷过程，国际水协数学模型 课题组对a s m 2 进行了补充成为a s m 2 d ，它增加了两个过程来说明聚磷菌( p a o 】 可利用胞内有机贮存产物进行反硝化。与a s m 2 假定p a o s 仅在好氧条件下生长 不同, a s m 2 d 包括了反硝化的p a o s 。 国际水协1 9 9 8 年推出了活性污泥3 号模型，a s m 3 描述的内源呼吸更接近 于观察到的现象，相关速率常数可直接获得而与化学计量学参数无关。a s m 3 包 括了活性污泥处理系统中的氧消耗、污泥产量、硝化和反硝化作用，而没有包括 生物除磷，侧重点也由水解转为有机物的贮藏。a s m 3 与a s m 2 的相似之处在于 包括细胞内部的贮藏化合物，需要模拟生物体的细胞内部结构。 活性污泥数学模型( a s m l ，a s m 2 ，a s m 2 d ，a s m 3 ) 是国际水协多年来研究 成果的最新总结，在世界上具有广泛的影响力。i a w q 的活性污泥模型对水质组 分及生物化学反应过程进行了详细划分，从而引出众多的组分浓度、化学计量学 以及动力学参数值需要确定的问题。目前，i a w q 的专家们正致力于测定方法的 简单化、规范化工作。 1 5 课题研究意义与技术路线 污水处理厂的主要处理对象包括有机物、悬浮固体和氮、磷营养物质。对于 我国目前现状来看，城市污水处理厂承担着污水治理与水环境恢复的重任。我国 8 第1 章绪论 城镇污水处理厂污染物排放标准( g b l8 9 18 2 0 0 2 ) 的颁布实行对城镇污水 处理厂的氮磷排放提出了更高的要求，脱氮除磷成为城市污水处理的重要任务。 常规生物脱氮除磷工艺的中反硝化菌和聚磷菌均为碳源异养菌，在缺氧反硝化过 程中反硝化菌碳源作为电子供体；生物除磷过程中，聚磷菌利用挥发性脂肪酸 v f a s 合成聚b 羟基丁酸。传统生物脱氮除磷理论，存在硝化菌与聚磷菌之间世 代差异、碳源的竞争及厌氧区回流硝酸盐影响释磷等问题。有机底物的含量对氮 磷去除有很大的影响，低碳氮比废水本身所能提供的碳源不能满足同步高效脱氮 除磷的要求