（化学工艺专业论文）复配优势菌处理生活污水及污泥减量研究.pdf

摘要 摘要 目前，城市污水处理厂大多采用活性污泥法进行污水处理。其中，部分污水处 理厂处理后的中水虽然可以再利用，但一般只能用于对水质要求不高的冷却水，利 用范围较窄。同时在该方法的工艺过程中，由于微生物增殖而排出大量剩余污泥， 污泥中的有毒有害物质不仅影响人体健康和安全，还会造成二次污染，而且处理费 用高昂。因此，有必要根据污水处理厂实际情况，研究提高出水水质，减少剩余污 泥量的方法。 从特定活性污泥中筛选优势菌与e m ( 有效微生物菌群) 组成复配优势菌，再 投加到该污水处理系统中进行污水处理。通过正交试验，确定复配优势菌的最佳投 加量、最佳工艺条件；再进行氧化沟动态模型模拟试验，对试验结果进一步检验和 修正，结果表明： 在基本不改变污水处理厂工艺条件的前提下，不引入新的化学物质，通过投加 复配优势菌，使剩余污泥量减少了1 1 9 ，降低了污泥处理费用，减小了污泥二次 污染；试验确定的最佳工艺条件：污水p h = 8 、复配优势菌接种量为5 ：6 ：4 ：5 1 0 0 0 ( “一- 服t ) 、出水时间为曝气3 h 静置5 h 再曝气3 h 静置5 h 。 复配优势菌加入前，出水c o d ( 化学需氧量) 达到了城镇污水处理厂污染物 排放标准( g b l 8 9 1 9 - - 2 0 0 2 ) 二级出水水质标准：投加复配优势菌后，显著提高 了出水指标。出水c o d 、n h 3 - n ( 氨氮) 和t p ( 总磷) 值能够达到一级排放标准。 同时能促进微生物对污泥的减量作用。 经研究，在原有的污水生物处理系统中，根据污水特点添加适量的复配优势 菌，不仅有效的减少了剩余污泥的产量，而且提高了出水指标。同时进一步说明， 复配优势菌用于污水处理的技术，应用于某一污水处理厂时，能够有效提高该污水 处理厂出水指标，使剩余污泥量减少，扩大中水利用范围；在理论和实际上也具有 一定的指导意义，对指导工程设计具有一定的参考价值。 图2 2 表2 l 参6 7 关键词：复配优势菌；生活污水；活性污泥；污泥减量；模型 分类号：t q 9 4 9 河北理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a tp r e s e n tm u n i c i p a ls e w a g et r e a t m e n tp l a n t su s i n ga c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s sm o s t l y b u ti nc o m m o na c t i v a t e ds l u d g em e t h o d , t h es t a n d a r dt h a tc a n ts t i l la t t a i ut om a k eu s eo f t w ot i m e s a tt h es a m et i m e , m u c he x c e s ss l u d g ei sp r o d u c e di nt h ep r o c e s sb e c a u s eo f m i c r o b eb r e a d i n g t h i sk i n do fs l u d g ew i l ld oh a r mt oh e a l t ha n ds a f e t y c a np o l l u t et h e e n v i r o n m e n to n c em o r e ，a n di ti se x p e n s i v et ot r e a t s oi ti sn e c e s s a r yt os t u d yan e w p r o c e s so f r a i s ew a t e ro u tq u a n t i t ya n ds l u d g er e d u c t i o na c c o r d i n gt ot h er e a la d d i t i o n t h ea s c e n d a n tm i c r o o r g a n i s mw a sf i l t r a t ef r o mg i v e na c t i v a t e ds l u d g ec o m p o u n d w i t he m ，w h i c ha d o p to r t h o g o n a le x p e r i m e n tt oc o n f i r mt h ea d d i t i v eq u a n t i t ya n dt h eb e s t c r a f tc o n d i t i o n t h er e s u l to ft h ee x p e r i m e n tw i l lb ee x a m i n e da n dc o r r e c t e df u r t h e rm o r e t h r o u g ht h ed y n a m i co x i d a t i o nd i t c hm o d e li m i t a t et oe x p e r i m e n t t h er e s u l t ss h o wt h a t ： i no r i g i n a ic r a f tc o n d i t i o no fs e w a g ep r o c e s s i n g , t h es u r p l u ss l u d g er e d u c e d11 9 w h e nt h ea s c e n d a n tm i c r o o r g a n i s mw a su s e di nd i s p o s i n gs e w a g e t h e r ew e r en o c h e m i s t r ym e d i c i n e i tc o s tl o w e ri ns u r p l u ss l u d g ed i s p o s a l a n dc a n tp o l l u t et h e e n v i r o n m e n to n c em o r e i nt h i se x p e r i m e n t t h eo p t i m i z e dc o n d i t i o n sa r ed o s a g eo ft h e a s c e n d a n tm i c r o o r g a n i s mw h i c hi s5 ：6 ：4 ：5 1 0 0 0 ( v m 嘲瑚f g 柚- s m p 0 豳e w 4 蛔r ) ，p h = 8a n d3 hf o r g a sp u m p i n g5 hf o rh o l d i n g3 hf o rg a sp u m p i n g5 hf o rh o l d i n g b e f o r ea d d i n gt h ea s c e n d a n tm i c r o o r g a n i s m , t h ec o da t t a i n2 删t h ec o d t h e d e n s i t yo ft pa n dn h 3 - nr e a c h e dl 叫s t a n d a r du n d e ra d d i n gt h ea s c e n d a n tm i c r o o r g a n i s m a tt h es a m et i m e ，t h es l u d g ew a sr e d u e t e x t i ts h o w e dt h a tt h ea d d i t i v ee f f e c t i v ec o m p o s i t em i c r o o r g a n i s mw h i c ha c c o r d i n gt ot h e t h a i a c t o ro f w a s t e w a t e rn o to n l yr e d u c el h ep r o d u c t i o no f s u r p l u ss l u d g eb u ta l s oi m p r o v e t h ei n d e x e so ft h ee f f l u e n t 。i no r i g i n a ts e w a g ep r o c e s s i n g a tt h es a m et i m ef u r t h e r m o r e c l e a rt h a ti nc e r t a i ns e w a g et r e a t m e n tp l a n tt h et e c h n i q u eo ft h ee f f e c t i v ec o m p o s i t e m i c r o o r g a n i s md i s p o s ew a s t e w a t e rc o u l di m p r o v et h ew a t e ri n d e xs i g n , r e d u c es u r p l u s s l u d g e 。e n l a r g et h es c o p eo fw a t e rr e t u r n t ou s e t h e r e i ss i g n i f i c a n c et o s t u d yn e w t e c h n o l o g yo fe f f e c t i v ec o m p o s i t em i c r o o r g a n i s mt or e d u c es l u d g ei nt h e o r ya n dp r a c t i c e i tc a ns u p p l yr e f e r e n c ea n dg u i d ef o re n g i n e e r i n gd e s i g n f i g u r e2 2 ，t a b l e2 1 ，r e f e r e n c e6 7 k e yw o r d s ：e f f e c t i v ec o m p o s i t eb a c t e r i a , w a s t e w a t e r ，a c t i v a t e ds l u d g e ，s l u d g er e d u c t i o n , d y n a m i cm o d e l c h i n e s el i b r a r yc a t a l o g ：t q 9 4 9 1 1 独创性说明 本人郑重声明：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的研究成果，也不包含为获得 河北理工大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表 示了谢意。 签名；牡日期：衅上月! z 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河北理工大学有关保留、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循此规定) 签名：舡 导师签名：旧立逝日期；甜兰月2 日 引言 引言 水是生命之源，是人类所需不可替代的宝贵自然资源，是社会持续发展的重要 支柱之一。全球可利用的淡水总量不足世界总储水量的l ，而这部分淡水也并非取 之不尽用之不竭。同时，人类自身生存和发展不仅要消耗巨量水资源。而且人类活 动造成了大量水资源污染。随着全球人口的不断增加和工农业的持续发展，水资源 紧张问题日益加剧，排放的污水已构成了对水环境生态系统的严重污染因此，污 水资源化处理这一即能弥补现有水资源不足，又能抑制水环境污染的有效途径，越 来越受到世界各国的关注。 我国属于缺水大国，水资源总量为2 8 x1 0 h m 3 ，居世界第六位，被联合国农业 组织列为世界1 3 个缺水国家之一。随着城镇化速度的加快，城市生活污水的比例已 高达7 0 以上，而生活污水处理率却不到2 0 。近年来，我们国家和地方政府非 常重视污水处理事业，正以前所未有的速度推进城市污水处理工程建设，预计到 2 0 1 0 年，我国要新建城市污水处理厂1 0 0 0 余座，污水厂投资将达1 8 1 0 1 3 元，在 这一进程中，城市污水处理工艺的选择，将成为首要问题i “。 目前，我国城市污水处理技术和处理工艺的研究方向，重点在于降低能耗、改 善出水水质、减少污泥量、减少占地、降低基建与运行费用、改善管理条件等。同 时污水再生利用也提上日程，污水处理不仅要达到国家要求的出水指标，而且还要 考虑出水的二次利用。在众多城市污水处理方法中，生物法是污水处理中最经济， 最简便易行，二次污染比较小、效果较好的方法 生物法中的活性污泥法是当前大多数污水处理厂普遍采用的方法，该方法具有 诸多优点，但由于其工艺过程中因微生物增殖会排出大量剩余污泥，这种污泥浓缩 性差，而且污泥的处理费用高昂，约占污水厂运行费用的2 5 6 5 1 2 ，同时剩余 污泥处理还会对环境造成严重的二次污染，其中的有毒有害物质直接影响人体健康 和安全。我国目前污泥处理以填埋为主，新技术发展缓慢，污泥处理已成为环境领 域一大难题，这也一直制约着污水处理厂的建设与运行，因此污泥减量化技术尤为 重要，寻找一种经济、实用，实现污泥减量化、资源化、无害化的处理技术势在必 行，使得人们对能减少污泥产量的生物工艺更加关注。 本课题采用生物处理技术，利用污泥中筛选的优势菌与有效生物菌群组成复配 优势菌处理生活污水，提高了出水指标，同时减少了剩余污泥的排放量。 河北理工大学硕士学位论文 1 文献综述 1 9 世纪以来，经济发达的国家相继出现了环境污染问题，许多国家的河湖水域 溶解氧降低，水生物减少，甚至绝迹。由于水环境污染，人们的发病率增加，有关 当局开始认识到加强污水处理的必要性，并投以大量资金兴建污水处理工程。经过 3 0 多年的大力整治，才基本控制了形势，使水生物恢复生长，水环境得到改善。这 种污水处理事业与经济发展不相适应的状况所造成的损失是极大的。为此，各国政 府对于污水处理工作极为重视，从法律和建设资金上给予保证，并不断开拓新技 术，使城市污水处理事业得以迅速发展。 污水处理是一门综合性技术，与其他学科的发展息息相关。目前，先进的自动 控制、测量技术和高效能的设备及构筑物为人们给需要的菌群提供适宜的条件打下 了坚实的基础。随着近代生物学的发展以及人们对生物技术的掌握，不同菌群的生 物学特性日益为人们所熟悉。污水处理技术由以单纯工艺改革向着以生物学特性研 究，促进工艺改革的方向发展，以达到高效低耗网。 1 1 国外污水处理历史及现状 经济发达国家水污染防治从2 0 世纪6 0 年代的末端治理到2 0 世纪7 0 年代的防 治结合，2 0 世纪8 0 年代的集中治理到2 0 世纪9 0 年代的清洁生产，不断更新处理 工艺技术、设施及设备，相应的污水处理标准也在逐步提高。自最早的废水生物反 应器m o r ! i s 池闯世以来，污水处理已有百年历史。1 9 0 0 年英国实验成功第一个 生物膜法处理设施，2 0 世纪5 0 年代，水环境污染日益严重，迫使人们进一步开 发、研制出更有效的污水处理技术【1 1 从世界范围来看，城市污水处理大多采用生物处理工艺。因此，先进的污水生 物处理技术对水污染控制十分重要。目前发达国家已普及了二级生物处理，但二级 生物处理耗能多，运行费用高，基建投资也不低，因此，世界各国纷纷寻求适用于 本国国情的经济高效技术，同时大力研究新技术或改革传统的流程。到7 0 年代末， 美国已投资了数万亿美元，建设了1 8 0 0 0 座城市污水处理厂，英国、法国、德国也 各兴建了7 0 0 0 8 0 0 0 座城市污水处理厂。美国是目前世界上污水处理厂最多的国 家，平均5 0 0 0 人就有1 座，其中7 8 为二级生物处理厂；英国共有处理厂约8 0 0 0 座，平均7 0 0 0 人1 座，几乎全部是二级生物处理厂；日本城市废水处理厂约6 3 0 座，平均2 0 万人1 座，但其中二级处理厂及高级处理厂占9 8 6 ；瑞典是目前污水 2 1 文献综述 处理设施最普及的国家，下水道普及率9 9 以上，平均5 0 0 0 人l 座污水处理厂，其 中9 1 为二级生物处理厂这些国家的经验表明，大力兴建二级处理厂对改善水体 卫生情况起了很大的作用【4 j 。 8 0 年代后，这些国家的污水处理水平进一步提高，兴建了一批具有脱氮除磷的 污水处理设施，这些处理设施在改善水环境质量方面起到了重要的作用。目前，国 外许多现有的污水厂都纷纷改造、扩建，以达到脱氮除磷的目的例如德国的污水 处理目标是控制水体的富营养化，许多原来以去除b o d 5 ( 五天生化需氧量) 为主 的污水厂纷纷改造，采用生物脱氮，化学除磷的工艺。荷兰d e l i t 大学的对以亚硝化 厌氧氨氧化组合工艺作为生物脱氮新技术的研究，为缺碳源的含氨氮废水的处理开 辟了道路p l 。 1 2 国内污水处理研究现状 我国城市污水处理事业开始于1 9 2 1 年。上海首先建立了北区污水处理厂，1 9 2 6 年又建了西区和东区污水处理厂，总处理能力为4 1 0 4 t d 。二十世纪七十年代，全 国日处理城市污水约为1 7 3 x 1 0 6 m 3 ，其中生活污水量占一半。八十年代全国各地建 设了几十座不同规模的污水处理厂，$ 0 1 9 9 5 年我国已建成污水处理厂1 6 9 座，其中二 级处理厂1 1 6 座。1 9 9 8 年国务院关于环境保护若干问题的决定发布以后，城市污 水处理率以平均每年5 个百分点的速率增长。到2 0 0 0 年底全国已建成污水处理厂4 2 7 座，其中二级处理厂2 8 2 座，二级处理率为1 5 。2 0 0 0 年以后，城市生活污水摊放量 日益上升，不少流域和地方的生活污染负荷已经占到了总污染负荷的5 0 或更多， 而城市生活污水的治理工作却相对滞后，其处理率不到2 0 1 6 , 7 1 “ 近几年来随着经济的发展，水污染控制所面临的问题也愈加严重，目前不仅 大、中，小城市建设污水厂，还有些郊区县也建设污水厂，如上海市嘉定县的污水 厂已投入运行十几年了，上海市青浦徐泾镇、重庆市渝北区、河南省汝州市、浙江 省多个县郊等几十个污水处理厂工程正在兴建中。就我国目前的状况来看，城市污 水处理技术整体上已有了很大的进步，但还落后于我国城市发展的水平。比如，湖 南省的污水处理率仅为2 7 3 ，年处理量为4 5 1 0 8 t ，每年有超过1 2 x1 0 9 t 的污水 直接排入江河。其中生活污水集中处理率只有1 2 ，低于国家“九五”标准4 0 的要 求：浙江省2 0 0 1 年城市污水处理率为3 7 2 ：广西桂林城市污水排放量为3 2 2 4 x t 0 4 “d ，实际处理量只有8 1 3x1 0 4 t d 。2 0 0 1 年全国总用水量5 6 1 0 m 3 ，人均综 合用水量4 3 6 m 3 ，万元国内生产总值用水量5 8 0 m 3 ，远远高于西方发达国家，万元 3 河北理工人学硕士学位论文 工业增加值用水量2 6 8 m 3 ，是1 7 本的1 8 倍，美国的2 2 倍，工业用水重复率约5 0 ，远低于发达国家工业用水重复利用率7 5 ，仅相当于美国2 0 世纪6 0 年代和日 本2 0 世纪7 0 年代的水平。在造成我国目前城市污水处理问题的重多原因中，生产 技术和生产工艺是一个关键性的问题。近二十年来，国内也研究、开发了一些设备 和工艺，并且随着改革开放，不断引进国外新的工艺技术，使我国在城市污水处理 技术方面与国际上的差距实际上已经缩小【川。 1 3 污水生物处理技术及其发展 1 3 1 污水生物处理技术 污水处理的目的，就是利用各种方法将废水中所含的污染物质分离出来，或将 其转化为无害的物质，从而使污水得到净化。 污水处理方法主要有：物理法、化学法和生物法。目前，生物法己成为世界各 国处理污水的主要方法，在污水处理领域占有重要地位。污水生物处理过程是指利 用微生物的新陈代谢把污水中存在的各种溶解态或胶体状态的有机污染物转化为稳 定的无害化物质，并采取一定的人工措施，创造有利于微生物生长、繁殖的环境， 使微生物大量增殖，以提高其氧化分解有机物效率的一种废水处理方法。 污水生物处理的方法主要有：活性污泥法，生物膜法，厌氧生物处理法和自然 生物处理法l l ”。 1 活性污泥法 活性污泥法是由a r d 吼和b c k e t t 在1 9 1 4 年开创喊是目前应用最广泛、最有效、 最成熟的一种污水生物处理技术，主要是利用污泥中的微生物菌群分解污水中基 质，达到污水净化目的1 1 2 】。大量研究结果显示，活性污泥技术可使生活污水中的 b o d 5 和s s 的浓度减少到国家污水综合排放标准中的一级标准，去污效果十分显 著。活性污泥法处理技术发展很快，现已成为世界各国广泛采用的污水处理方法， 各种活性污泥处理技术在我国基本上都有工程实例1 】。活性污泥法的处理工艺主要 有：普通活性污泥法、阶段曝气法、渐减曝气法、吸附再生活性污泥法、完全混合 活性污泥法、序批式活性污泥法、生物吸附氧化法、延时曝气法、氧化沟法等。其 中氧化沟法在城市污水处理中应用最为普遍。 1 )氧化沟技术的应用 ( 1 ) 氧化沟技术在国外的应用 正一 1 文献综述 2 0 世纪6 0 年代以来，氧化沟技术在欧洲、北美、南非、大洋洲等地得到了迅速 的推广和应用。据不完全统计，到目前为止，北美有9 0 0 0 多座氧化沟污水处理厂， 亚洲有近1 0 0 0 座氧化沟污水处理厂。氧化沟污水处理技术的发展不仅体现在数量 上，也体现在处理厂规模的扩大和处理对象的不断增加。氧化沟的处理能力达到了 处理1 0 0 0 万人口当量污水，既能用于生活污水的处理，也能用于工业废水和城市污 水的处理。 ( 2 ) 氧化沟技术在国内的应用 我国从2 0 世纪8 0 年代以来也开展了较多的关予氧化沟工艺的研究，并设计建造 了一批氧化沟污水处理厂如珠海香洲水质净化厂采用的是p a s v e e r 氧化沟工艺；昆 明第一污水厂采用的是c a r r o u s e l 氧化沟工艺；北京大兴污水处理厂采用的是o r b a l 氧 化沟工艺；四川新都和山东高密污水处理厂采用的是侧沟式一体化氧化沟工艺。总 的来说，氧化沟工艺在我国也得到了相当多的应用。 2 )氧化沟技术的展望 对于氧化沟技术而言，只要保持沟渠首尾相接，水流循环流动，选用特定设计 参数、沟型和运行方式，就会给运行者和设计者带来极大方便，其灵活性和适应性 也非常强。因此，氧化沟技术因其简便的污水处理方式而得到不断的研究、发展和 应用删 2 生物膜法 生物膜法工艺在2 0 世纪5 0 6 0 年代开始出现，对它的研究一直受到西方各国研 究者的重视，目前已成为较为活跃的研究课题之一- q = 物膜法中的微生物是附着在 其它载体表面呈膜状的，通过废水与生物膜的相对运动，使废水与生物膜接触，进 行固液两相的物质交换，并在膜内进行有机物生物氧化，使废水得到净化。主要包 括生物滤池、塔式生物滤池、曝气生物滤池、生物转盘、生物接触氧化法及生物流 化床等工艺1 1 4 1 。 3 厌氧生物处理法 厌氧生物处理是利用兼性厌氧菌和专性厌氧菌在无氧条件下降解有机污染物的 处理技术，它的主要工艺是化粪池、消化池等。厌氧生物处理技术迄今为止已有一 百多年的历史，但由于其处理效率低、速度慢、且甲烷菌对环境要求严格不易控制 等缺点，长期以来一直停滞不前。2 0 世纪8 0 年代以来，由于能源危机及环境污染加 重，厌氧生物处理以其产物具有能源物质的优势而重新得到重视，人们相继研究开 发出一系列新的厌氧生物处理技术：如厌氧生物滤池、厌氧转盘、厌氧膨胀床、厌 5 河北理工人学硕士学位论文 氧接触氧化、厌氧档板反应器、厌氧流化床法等”l ，这些技术主要是通过厌氧微生 物附着在载体表面来提高厌氧微生物的浓度，从而减少了厌氧处理高浓度污水的停 留时间。 4 自然生物处理法 利用在自然条件下生长、繁殖的微生物( 土壤中、植物根系或水塘中) 处理污 水的技术称为自然生物处理法。其主要优点是工艺简单、建设与运行费用都较低、 运行可靠、节省能源和实现污水资源化，可以单独使用，也可相互组成联合处理系 统。缺点是净化功能受自然条件的制约，占地面积大。主要技术有：稳定塘、水生 植物塘和人工湿地等【嘲。 1 3 2 污水生物处理新技术 目前，随着科学研究的逐步深入，科研手段的不断更新以及科研队伍的壮大， 人们从处理效率高、节约能耗出发，又研究出一些污水处理的新技术、新工艺， 如：膜生物反应器、光催化技术、组合微生物菌剂等。 1 膜生物反应器 2 0 世纪末期，人们将膜组件与传统的活性污泥法相结合，形成了一种新兴的水 处理技术膜生物反应器( m b r ) ，又称淹没式膜生物反应( s m b r ) 。m b r 的 问世是“污水处理技术的一场划时代的革命”。s m b r 是将膜组件置于生物反应器 中形成一体化，通过负压抽吸作用，得到膜过滤出水，膜生物反应器中一般使用微 滤膜( m f ) 和超滤膜( u f ) 来阻留生物反应器中的生物体( 污泥) 取代二沉泡， 实现固液分离m 由于膜基本上可以将全部生物及固形物质截留在反应器中，因而 获得了较长的泥龄和高浓度的悬浮污泥，有利于固氮菌和硝化菌的生长，强化了活 性污泥的硝化能力。该法剩余污泥产率小，通过曝气使池内旋转流动，增加了膜表 面的紊流，缓解了膜污染。 膜生物反应器具污泥浓度高、处理效果好、占地小、操作方便、无污染等优 点；但是其脱氮除磷效果不理想，同时存在着膜老化、污染的问题，以及膜成本和 运行中的能耗高等问题。国外，膜生物反应器已在水处理中投入使用，日本将m b r 用于生活污水的处理中，法国已将其用于给水脱氮处理中【埘。近年来，国内也进行 了有关膜生物反应器的研究，1 9 9 6 年清华大学邢传宏等人进行了平板超滤膜、管状 膜与活性污泥配伍的膜生物反应器处理生活污水的模拟性能研究u 9 1 。 2 光催化技术 6 1 文献综述 光催化技术是利用光能催化氧化水中的有机物，达到降解的目的。光催化法的 核心是光催化剂，光催化剂有金属氧化物和硫化物，其中又以二氧化钛( t i 0 2 ) 使 用最多此项技术反应机理是：光波辐射到半导体上时，使导带激发产生激发态电 子和带正电荷的空穴，电子与氧发生还原反应并迸一步反应生成过氧化氢、空穴与 水，氢氧根离子发生氧化反应生成高活性的氢氧自由基，过氧化氢和氢氧自由基将 有机污染物降解为二氧化碳和水等，把无机污染物氧化或还原为无害物质1 2 0 l 。 光催化技术的主要优点是：水中所含多种有机污染物可被完全降解为二氧化碳 和水等，无机污染物被氧化或还原为无害物，光催化帮廉价、无毒、稳定并可重复 使用，可利用太阳能作为光源激活光催化剂。缺点是光催化剂的效果受其晶型、污 水p h 值变化及反应物浓度的影响较大。同济大学采用固定膜光催化氧化反应器， 对城市自来水进行了光催化氧化深度净化研究，经l h 的处理，自来水中有机物的种 类减少了6 0 ，有机物总量总峰面积去除了7 0 2 1 1 。总之，光催化剂有着广阔的应 用i i i f 景，深入研究将给水处理及环保领域带来巨大革命。 3 组合微生物菌剂 e m 是有效微生物群( e f f e c t i v em i c r o o r g a n i s m s ) 的英文缩写，是由日本琉球大 学比嘉照夫教授等人研究成功的一种新型复合微生物活菌制剂，主要是由光合细 菌、乳酸菌、放线菌，发酵型丝状菌、酵母菌等1 0 属8 0 余种微生物组成，是一种 厌氧性与亲氧性兼而有之的特殊菌群l 碉。 1 )光合细菌群：光合细菌属于独立营养微生物，它以光和热为能源，以乳酸 为基质，在光合作用中，能大量分解吸收氨、氮和硫化氢等有害物质，变有害物质 为无害物质，抑制好氧病菌的繁殖，并分泌大量的糖类、氨基酸类、维生素类：生 物活性物质( 激素) 等，对污水有很强的净化能力。它和固氮菌、放线菌、乳酸菌等 有益微生物之间有协同作用。 2 )乳酸菌群：乳酸菌能使未腐蚀的有机物发酵。转化为有效养分，并以光合 细菌、酵母菌的生产物糖类为基质，产生乳酸。乳酸具有很强的杀菌能力，特别是 能抑制有害微生物的繁殖，以及有机物的急剧腐败分解。乳酸菌能使木质素、纤维 素等难分解的有机物容易分解，并消除未分解有机物产生的种种弊端，在有机物发 酵分解上发挥着重要作用。 3 )革兰氏阳性的放线菌群：放线菌为好氧菌，是细菌和霉菌的中间形态，大 多数放线菌的最适生长温度是2 3 3 7 。放线菌可摄取光合细菌产生的氨基酸， 河北理工人学硕士学位论文 产生抗生物质。这种抗生素能有效地抑制病原菌，争夺有害霉菌及细菌增殖时所需 的物质，从而抑制其增殖，创造有益于其它微生物生存的环境。 4 )发酵系的丝状菌群：在e m 中的丝状菌主要是以发酵酒精时使用的曲霉 菌属为主体，该菌群可以和其它微生物共存，具有很强的氧化分解有机物能力。 5 )酵母菌群：酵母菌为异养型、好氧、兼性厌氧菌，可产生促进细菌分裂 的生物活性物质。还对促进其它有效微生物增殖的基质的生产起着重要作用。它适 于偏酸性环境中生活1 2 ”。 针对废水中微生物活性低，种群复杂，针对性不强，对有机物浓度变化不够敏 感等缺点，该技术对不同的污水可采用不同的微生物菌群组合来进行处理。组合微 生物菌剂的优点是：针对性强、处理效果好、无二次污染，控制一定条件可使处理 水达到污水综合排放一级标准，处理后的出水可回用于工业冷却水、城市清洁 用水和农田灌溉水，不产生或少产生污泥，具有较强的除臭能力。缺点是目前对于 优势菌种的理论研究与去除机理了解不够，对于菌种的提取与保存还存在困难，对 污水的处理还只限于实验室小试阶段，在环保领域的大规模应用还有待进一步开发 研究。 香港连宝实业有限公司和美国富美生物工程有限公司研制的“w r 微生物菌种 鲫，浓缩度高( 每克固体微生物菌剂可含l o 亿6 0 亿个微生物) ，繁殖速度快， 具有高效快速的生物降解性能，该菌种在水中很容易激活，并迅速繁殖，将水中的 污染物分解为二氧化碳、水及微小无毒的细胞壁，无二次污染。黄钧等人利用厌氧- 好氧工艺，结合微生物菌剂对酿酒废水进行了处理研究，采用微生物菌剂接种，启 动厌氧反应器，c o d 去除率稳定在9 1 9 5 ，b o o s 去除率9 0 9 4 网。 1 4 污泥减量技术及其发展 随着各种污水生物处理的新技术新工艺不断应用到生产实践中，水污染的问题 基本得到解决。但是，这些生物处理过程的必然产物污泥，却成为我国乃至全 世界环境界更为关注的另一重要课题。当前，随着污水处理量不断增大，污泥排放 量也相应增加，而较常用的剩余污泥后处理包括土地利用、卫生填埋和焚烧等技 术，不仅耗资巨大，还会因污泥中含有的难降解有机物、重金属和盐类，以及少量 病原微生物和寄生虫卵等的存在对环境造成严重二次污染2 7 l 。因此，在污水处理 过程中，污泥减量问题已成为环保领域面临的又一大挑战。 8 1 文献综述 1 4 1 国内外污泥生物减量工艺及其应用 表i 活性污泥生物减量各工艺列表 t a b l e lt h et e c h n o l 0 9 3 o f m i c r o b es l u d g er e d u c t i o n 注：各工艺的减量效果是与传统活性污泥产量o 2 8 9 9 o 4 7 鲋昏c o d 相比而得出p 9 l 1 4 2 剩余污泥减量化技术 污泥减量化是2 0 世纪9 0 年代提出的对剩余污泥处置的新概念，是在剩余污泥资 源化基础上进一步提出的对剩余污泥处置的要求。污泥的减量化与以前的减容化有 着本质的区别，减容化目的是将污泥的体积减少，主要是通过降低污泥含水率来实 现的，所以减容化减掉的仅仅是污泥中的水分，而污泥中生物固体量几乎得不到减 少：减量化则是通过物理、化学、生物等手段使整个污水处理系统向外排放的生物 固体量达到最小化，主要依靠降低活性微生物产率以及利用活性微生物自身内源呼 吸进行氧化分解等。所以减量化是从根本上，实质上减少剩余污泥的量i 加j 。 一9 河北理工大学硕士学位论文 物理的、化学的方法一般是通过机械的或者添加化学药剂的方法来浓缩污泥或 者降低污泥产量，存在着二次污染，而且这些方法都是在剩余污泥产生后进行处 理，需要特殊处理装置，不同程度地增加了运行费用和操作难度，大部分还处于研 究阶段。因此，依靠降低微生物产率和增强微生物自身内源呼吸，促进微生物自身 的分解，最终达到污泥自身产量减少的生物处理方法受到广泛关注。目前，主要的 生物处理技术有：对细菌的捕食、微生物强化、代谢终止和投加酶等技术。 i 对细菌的捕食 污水为多种多样的微生物提供了理想的生存和增殖介质，在其中有多条较长的 食物链如细菌一原生动物一后生动物这条食物链中，原生动物中的纤毛虫 ( c i l i a t e ) ，后生动物中的轮虫( r o f i f e r s ) 、寡毛类、环节动物( o l i g o c h a e t e ) 及 线虫( n e m a t o d e ) 在食物链的最高端，起捕食者的作用，它们捕食细菌，将污泥转 化为能量、水和二氧化碳，从而使污泥量减少。1 9 9 6 年在瑞典由l e e 和w e l a n d e r 等 人，进行了二段式系统处理人工合成废水的研究，该系统的污泥产量是常规工艺污 泥量的3 0 5 0 | 4 “。哈尔滨建筑大学王宝贞等开发的淹没式生物膜污水处理新技 术，小试研究确定其剩余污泥产量仅为常规活性污泥法的1 1 0 1 5 4 2 1 。 2 微生物强化 微生物强化是基于天然系统的微生物并非全都是最有效的微生物，可以通过选 择性投加外部细菌进入系统，来提高污水处理厂的处理效率。如将特别选择的微生 物菌株，或者用基因改进的菌株投放到污水中，增加系统中优势菌的浓度和代谢活 性，从而优化和控制微生物种群的平衡，达到污水处理和污泥减量目的这就要求 投加的菌种不仅能提供现有的菌群，促进其生长，而且能抑制少量不利细菌的生 长，从而增加单元处理效率。一家瑞士基础环境微生物公司利用外投微生物处理不 同类型的污水，其污水处理厂能减少1 6 的增生污泥量 4 3 1 。 3 代谢终止 活性污泥处理污水过程中，细菌对有机物进行代谢降解，这一复杂的代谢途径 包括分解代谢( 分解生物) 和合成代谢( 释放能量供给新细胞生长) 。即在形成二 氧化碳和水的同时，也完成了细胞自身的生长和复制。代谢终止是在分解代谢完成 后，合成代谢开始前终止这一过程，从而阻断新细胞的形成，减少剩余污泥量。据 报道有许多细菌能终止分解代谢和合成代谢，如抗生素所含有的细菌( 专性环丝氨 酸) 能阻止细胞壁的合成作用1 4 4 j 。这种解链的优点是无须对现有设备进行大的改 型，缺点是会将一些污染物质释放到环境中去。 1 0 1 文献综述 4 投加酶 酶的作用是促进污水中的大分子化合物分解变成小分子化合物，释放出结合 氧，这些简单的化合物容易被多种微生物利用，有利于提高细菌的活性和繁殖能 力，而且有利于形成大量的高等生物，促进高等光合作用生物体的大量增殖，由此 又为污水提供了大量的溶解氧。在美国已有许多生物处理系统应用了投加酶的方 法，据一家美国公司b i o c o p e 报道，利用他们开发的酶溶液，可以将常规处理的 溶解氧降为o 8m g l 1 2 m g l ，减少污泥产量5 0 ，取消了污泥消化设备1 4 5 l 。 由于污泥减量化概念才提出不久，以污泥减量为目的，对整个污水处理系统的 研究国内外也较少。尤其是国内，极少量的报道也是基于小试阶段。因此，根据各 地不同情况，研究开发适于本地污水处理厂污泥减量的工艺技术非常必要。 1 5 研究意义和内容 1 5 1 研究意义 在生物处理废水的过程中，无论工程设计如何复杂多样，确定效率的主要因素 是微生物本身。微生物强化是基于天然系统的微生物并非全都是最有效的微生物、 并非都以需要的浓度存在，因此，将特别选择的微生物菌株，或者用基因改进的菌 株投放到污水处理厂中，来改变现有菌群的浓度，促进其生长，同时抑制少量不利 微生物的生长，达到保持并强化天然存在微生物菌株活性、控制微生物种群平衡的 目的，从而确定了优势菌用于污水处理和污泥减量的试验研究 北方某污水处理厂出水指标虽然达到了国家污水处理标准，但距离处理后的污 水全面二次利用还有一定的差距，同时存在剩余污泥处理费用高昂的问题。本试验 是在基本不改变污水处理厂城市生活污水处理生产工艺的基础上，通过添加复配优 势菌，提高出水指标c o d 、b o d 5 以及氮磷的去除率，使处理后的污水达到工业循 环冷却用水指标。特别是添加复配优势菌的污水处理方法，使活性污泥量明显减 少，从而减少了活性污泥的二次污染，降低了污水处理费用。 1 5 2 研究内容 1 优势菌群的培养、繁殖、驯化及复配 取某污水处理厂好氧反应段活性污泥，将污泥中的菌种进行分离，把分离获得 的菌种进行复筛和传代培养，确定性能相对稳定的几种菌种，再从中验证选出对污 河北理工大学硕士学位论文 水及污泥处理效果明显的优势菌，把优势菌与e m 菌按一定的比例投加到污水中进 行污水处理和污泥减量的试验。 2 单因素试验和正交试验 在实验室完成污水处理小试。通过进行单因素试验和正交试验，从菌种投加 量、曝气时间和污水p h 值三方面，考察投加优势菌种和不加优势菌对污水中各出 水指标c o d 、t p 和n h 3 - n 的去除率以及活性污泥的减少量，从而确定e m 菌与所 筛选的优势微生物菌的最佳配比，即得到复配优势菌，进而确定复配优势菌的最佳 添加量和最佳工艺处理条件。 3 现场模型模拟试验 在某污水处理厂，根据该厂实际氧化沟尺寸和运行参数，制作三槽式氧化沟模 型。并按照污水处理厂实际生产操作，在氧化沟模型中进行模拟试验，同时按污水 处理厂测试出水指标的标准，对模型出水和实际氧化沟出水同时测定各指标。主要 测定c o d 、m l s s ( 混合液悬浮固体浓度) 、n h 3 - n 和t p ，并根据测得各项指标的 结果，对实验室得出的试验结果进行调整与验证试验。 4 污水处理机理分析及剩余污泥减量机理探讨。 分析微生物对污水c o d 、n h 3 - n 、t p 的去除以及对污泥减量的理论依据，同时 探讨复配优势菌对污泥减量的机理。 1 2 2 复配优势菌的提取、培养、驯化及繁殖 2 复配优势菌的提取、培养、驯化及繁殖 2 1 优势菌的提取 优势菌是在同一污水厂的污水处理过程中，提取菌比活性污泥中的其它菌种在 污水净化和污泥减量方面有明显的处理效果。优势菌取自北方某污水处理厂的氧化 沟活性污泥中，经过反复筛选，选出的几种同时对污水净化和污泥减量都有效的微 生物菌群。 2 1 1 实验材料 1 菌种取自北方某污水处理厂好氧反应段活性污泥中。 2 筛菌药品如表2 、表3 所示： 表2 通用发酵培养基i t a b l e 2f e r m e n td e v e l o pt h ef o u n d a t i o nl 用量 2 00 2 0 5 251 0 1 0 5 1 2 1 2 实验方法 1 实验工艺流程：如图l 所示。 圉1 工艺流程 f i g if l o wc h a r t 1 3 河北理工大学硕士学位论文 2 筛选方法：采用稀释倾注法和平板划线法进行菌种分离1 4 6 1 ，将菌种稀释接 种于固体琼脂平板，挑取单菌种接种于相应的平板，待充分生长后，接种于发酵培 养液中进行浅层发酵试验，控制条件为：水浴温度3 0 ( 3 ，摇床转速为1 4 0 r m i n ，p h 值7 0 左右，发酵时间7 2 h ，通过絮凝性试验1 4 7 , 4 8 1 ，测定发酵液的絮凝活性，将具有 良好的絮凝活性的菌株作为复筛菌种，进一步进行絮凝性试验获得高效菌种。 3 絮凝活性的测定 1 0 0 m l 量筒中加a 9 6 m l 高岭土悬浊液( 4 9 l ，6 0 目) ，2 m l 絮凝剂样品，并加2 m l 浓度为1 的c a c l 2 溶液作助凝剂，快速搅拌l m i n 后，视其絮凝矾花出现的快慢和 沉降程度，进行絮凝剂产生菌的初筛。初筛获得的菌株按上述方法步骤稀释、倒平 板、划线分离，纯化数次，将纯化后的各菌株发酵培养，用离心后的上清液对高岭 土悬浊液进行絮凝实验。加药搅拌，静置1 0 r a i n 后，与不加菌液的尚岭土悬浊液对 比，用7 2 1 分光光度计在5 5 0 n m 处测定高岭土上清液的吸光度值，通过絮凝率来定量 确定絮凝活性，絮凝率= ( a b ) a 4 9 ，式中a 为原水样的吸光度值，b 为处理后上清 液的吸光度值，以此来进行微生物絮凝剂产生菌的复筛。 2 1 3 实验结果和分析 按照上述方法，从活性污泥中初筛获得二十种菌株，经过多次富集和划线分 离，从这二十种菌种中又筛选出七株优势菌，再经过复筛和传代培养，发现其中有 三株性能稳定，对高岭土悬液的絮凝率达到9 2 以上，分别为5 ”、6 。、8 。菌株。三 株菌株在圃体培养基上形成的菌落为浅黄色，外观呈圆点状、光滑、质软、凸起 但是，因为提取出的是一个菌群，所以很难确切鉴别出是哪一种菌，只能通过显微 镜大概划分一下其所属菌类。如图2 、图3 和图4 所示： 图2 细菌 f i g 2g e r m s 图3 细菌 f i g 3g e r m s 1 4 图4 真菌 f i g 4f u n g i 2 复配优势菌的提取、培养、驯化及繁殖