（环境工程专业论文）除磷脱氮sbr臭氧污泥减量工艺研究.pdf

study on sbr to removal nitrogen and phosphorus added ozonation sludge reduction a thesis submitted to chongqing university in partial fulfillment of the requirement for the degree of master of engineering by yu xiao-hua supervisor: prof. ji fang-ying major: environment engineering college of urban construction and environmental engineering of chongqing university april 2008 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 i 摘 要 剩余污泥产量大、处理费用高、易产生二次污染，它的处理与处置已成为污 水处理厂一个令人头疼的问题。由此诞生的污泥减量化技术成为水环境保护的重 要研究方向。而随着水体富营养化趋势的加剧，氮、磷等植物营养素的去除也已 成为城市污水厂的重要任务。但在实际运行中发现，除磷脱氮效果会因污泥产率 降低和进水有机物浓度低而难于提高。由此，本文试图利用臭氧破解污泥破解效 率高、能耗低、不易造成二次污染等特点，一方面达到污泥减量目的，另一方面 利用破解污泥转化的有机物补充除磷脱氮所需碳源，提高除磷脱氮效果，实现污 泥减量与除磷脱氮的有效融合和提高。 本文以臭氧破解污泥和除磷脱氮 sbr 相结合的工艺为研究对象，研究臭氧化 作用对污泥减量过程的影响以及对除磷脱氮效果的影响，研究结果表明： 臭氧氧化污泥时，部分用于破解细胞壁，释放出蛋白质，部分用于降解溶 液中已有物质，如蛋白质和氨氮。本论文提出了臭氧表观破解产率，在表观破解 产率相同的情况下，选用较低浓度，并由此得出最佳臭氧投加量为 0.16go3/gss。 污泥经臭氧化后， 污泥溶液中的 do 消耗迅速， 即使投加量高达 0.2go3/gss 时污泥 do 下降到 0.3mg/l 以下所需时间也不超过 30min， 但溶液的氧化性却要维 持 2h 左右。结合后续 sbr 除磷脱氮工艺（1.5h 厌+3.5h 好+1.5h 缺+0.5h 后好+1h 换水） ，提出了臭氧化污泥静置 2h 后缓慢回流至系统的初期厌氧段。 以除磷脱氮 sbr 为污水处理工艺， 分别结合 0.1 l/ld， 0.2 l/ld， 0.3 l/ld 和0.4 l/ld四个不同臭氧化污泥回流比进行试验， 相对较低臭氧化污泥回流比 （0.1 l/ld，0.2 l/ld）时，对系统出水影响不明显，相对较高臭氧化污泥回流比（0.3 l/ld，0.4 l/ld）时，系统出水受到显著影响。 长期运行过程中，osbr-0.1 和 osbr-0.2 系统中污泥活性基本接近 sbr 系统，并有效抑制了 sbr 的污泥膨胀。osbr-0.3 和 osbr-0.4 系统污泥活性在运 行初期会大幅下降， 后期基本维持在稳定水平， 分别为 sbr 的 70 和 60左右， 所有臭氧化系统均没有出现无机物累积现象。 sbr、osbr-0.1、osbr-0.2 、osbr-0.3 和 osbr-0.4 五个系统依次对应 的表观污泥产率为 0.366gmlss/gcod，0.231gmlss/gcod，0.146gmlss/gcod， 0.081gmlss/gcod 和 0.037gmlss/gcod， osbr 系统分别减量 37， 60， 78 和 90。综合运行期间系统出水水质与污泥活性，0.2 l/ld 臭氧化污泥回流比是 一个较佳的选择，出水水质良好，60的污泥减量效果，且污泥活性保持良好， 进一步保证了系统的长期出水水质。 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 ii 综上所述，本论文研究的除磷脱氮 sbr臭氧污泥减量在控制一定的污泥回 流比的情况下，不影响出水水质，同时可取得良好的污泥减量效果。研究成果具 有较强的实用价值。 关键词：污泥减量，除磷脱氮，臭氧，臭氧sbr 工艺，臭氧污泥回流比 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 iii abstract the treatment and disposal of excess sludge has become a serious issue of wastewater treatment plant because of the large amount of excess sludge, high treatment cost and secondary pollution. therefore, the technique of sludge reduction attracts more attention in the field of environment protection. moreover, as entrophication becomes serious year by year, the removal of nutriment, such as nitrogen and phosphorous, has become a most important mission for municipal sewage treatment plant. in practical operation, it was found that the nitrogen and phosphorous removal efficiency was hard to be improved because of the low cod concentration of wastewater. by making use of ozonation, as a low energy cost treatment with high efficiency and few secondary pollution, this study tried to achieve two objectives: the fist was to realize sludge reduction, and the second was to improve the nitrogen and phosphorous removal efficiency, using the organic obtained from cell breaking as a carbon source for nitrogen and phosphorous removal. in another word, this study aims at the harmony of sludge reduction and the nitrogen and phosphorous removal. using a ozonation-sbr process, this thesis studied the effects of ozonation on sludge reduction process and on nitrogen and phosphorous removal efficiency. results were described as follows: as for sludge oxidization, a portion of ozone was used to break cells with protein release, a portion of ozone was used to degrade compounds such as protein and ammonium. a parameter of the observed broken-rate was proposed. the lowest concentration was selected in different conditions with same observed broken-rate, and the optimal ozone supply was found to be 0.16go3/gss。 after ozonation, do concentration of the liquor declined fast. and it took less than 30min to fall to 0.3mg/l even when the ozone supply was as high as 0.2go3/gss. however, the oxidizing capability could maintain for 2h in this condition. combining the nitrogen and phosphorous removal process of sbr, which was controlled at 1.5h, 3.5h, 1.5h, 0.5h and 1h for anaerobic stage, aerobic stage, anoxic stage, latter aerobic stage and water exchange stage respectively, the author proposed that the sludge should be slowly recirculated to initial anaerobic stage when it settled down after ozonation. four recirculation rates of ozonation sludge were chosen for the nitrogen and phosphorous removal process of sbr. it was showed that a comparatively lower 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 iv recirculation rate of ozonation sludge had few effect on effluent quality and a comparatively higher recirculation rate of ozonation sludge had a great effect on effluent quality. during a long-term operation, the sludge activity in osbr-0.1 system and osbr-0.2 system were close to the sbr system, which prevented sludge bulking effectively. the sludge activity in osbr-0.3 system and osbr-0.4 dropped a lot in initial stage and after that, maintained stable at about 70 and 60 of the sbr system respectively. the accumulation of the inorganic didnt occur in all ozonation systems. the observed sludge yield were 0.366gmlss/gcod， 0.231 gmlss/gcod， 0.146 gmlss/gcod，0.081 gmlss/gcod and 0.037 gmlss/gcod for sbr, osbr-0.1, osbr-0.2, osbr-0.3 and osbr-0.4 systems respectively. through analyzing the effluent quality and sludge activity, the ozonation sludge recirculation rate of 0.2 l/ld was found to be the optimal. under this condition, a sludge reduction rate of 60 with good effluent quality and sludge activity could be achieved, which also kept the long-term good quality of effluent. in a word, it was showed that the combination of ozonation sludge reduction with the nitrogen and phosphorous removal process of sbr would not affect the quality of effluent and could achieve some sludge reduction efficiency, when the system was controlled at a suitable sludge recirculation rate. the obtained results were practically valuable. keywords: sludge reduction, phosphorous and nitrogen removing, ozone, ozonation-sbr process 重庆大学硕士学位论文 目 录 1 目 录 中文摘要中文摘要 . i 英文摘要英文摘要 . iii 1 前前 言言 . 1 1.1 污泥问题概述污泥问题概述 . 1 1.1.1 污泥性质 . 1 1.1.2 我国污泥产量发展状况 . 2 1.1.3 污泥处理处置现状与存在的问题 . 2 1.1.4 污泥减量的必要性 . 5 1.2 污泥减量方法污泥减量方法 . 5 1.2.1 降低细菌的净合成量 . 6 1.2.2 通过溶胞强化细菌自身氧化速率 . 7 1.2.3 利用微型动物对污泥减量化的研究 . 9 1.3 臭氧氧化污泥减量技术臭氧氧化污泥减量技术 . 10 1.3.1 臭氧性质 . 10 1.3.2 臭氧氧化反应机理 . 13 1.3.3 臭氧氧化污泥减量技术原理及优势 . 14 1.3.4 臭氧氧化污泥减量技术的影响因素 . 16 1.3.5 臭氧氧化污泥减量技术的研究现状 . 18 1.4 课题研究意义及研究内容课题研究意义及研究内容 . 19 1.4.1 课题来源 . 19 1.4.2 研究目的及意义 . 19 1.4.3 主要研究内容 . 19 2 臭氧化污泥减量除磷脱氮臭氧化污泥减量除磷脱氮 sbr 工艺试验工艺试验 . 20 2.1 试验材料试验材料 . 20 2.1.1 臭氧 . 20 2.1.2 试验污泥 . 20 2.1.3 试验用水 . 20 2.2 测试方法测试方法 . 21 2.2.1 气相臭氧浓度 . 21 2.2.2 蛋白质测定 . 21 重庆大学硕士学位论文 目 录 2 2.2.3 常规指标测定 . 21 2.3 试验装置和工艺流程试验装置和工艺流程 . 22 2.3.1 臭氧静态试验装置 . 22 2.3.2 污泥臭氧化脱氮除磷 sbr 联合的试验装置及工艺流程 . 23 2.4 主要研究内容和试验方法主要研究内容和试验方法 . 26 2.4.1 污泥的培养、驯化 . 26 2.4.2 臭氧氧化污泥的静态试验研究 . 26 2.4.3 臭氧化sbr 工艺运行效能 . 26 3 臭氧化作用过程研究臭氧化作用过程研究 . 28 3.1 臭氧化污泥臭氧化污泥 . 28 3.2 臭氧氧化对污泥性能的影响臭氧氧化对污泥性能的影响 . 28 3.2.1 污泥浓度 . 28 3.2.2 sv30和 svi . 30 3.2.3 cod，蛋白质和多糖 . 30 3.2.4 氮和磷 . 31 3.2.6 ph 值和 vfa . 32 3.3 臭氧间接作用的结果臭氧间接作用的结果 . 33 3.3.1 臭氧化后静置溶液中的 codcr、蛋白质和多糖的变化 . 33 3.3.2 臭氧化后静置污泥中的 nh3-n 和 tn 变化 . 35 3.3.3 臭氧化后静置污泥中的磷酸盐、tp 和 vfa 变化 . 36 3.3.4 do 和 orp . 37 3.3.5 臭氧化污泥的回流 . 38 3.4 本章小结本章小结 . 38 4 sbr臭氧污泥减臭氧污泥减量工艺总体运行效能量工艺总体运行效能 . 40 4.1 污泥驯化及储磷培养污泥驯化及储磷培养 . 40 4.1.1 污泥驯化 . 40 4.1.2 污泥的储磷培养 . 41 4.2 试验结果试验结果 . 42 4.2.1 系统启动 . 42 4.2.2 污染物去除效果 . 42 4.2.3 污泥活性及沉降性能 . 51 4.2.4 污泥产率对比 . 55 重庆大学硕士学位论文 目 录 3 4.3 小结小结 . 56 5 结论与建议结论与建议 . 58 5.1 结论结论 . 58 5.2 建议建议 . 58 致致 谢谢 . 60 参考文献参考文献 . 61 附附 录录 . 64 重庆大学硕士学位论文 1 前 言 1 1 前 言 1.1 污泥问题概述 污水生化处理的本职是以污水中的呈胶体和溶解态的有机物作为微生物的营 养来源，将其转化为二氧化碳、水和生物物质，而过量的生物物质构成了生化处 理产生的剩余污泥。剩余污泥属于固体废弃物，含有大量有毒有害物质及未稳定 化的有机物，如果没有得到适当处置，排放后会对环境造成严重污染1。 1.1.1 污泥性质 污泥的主要成分为悬浮污泥絮体，由分散细菌利用胞外多聚物、阳离子和其 它颗粒的架桥作用而形成。污泥絮体的比重较大，从而能够在二沉池中进行泥水 分离。表 1.1 和 1.2 列出了我国不同类型污泥中的植物养分含量和有机物组成。由 表可以看出，各种不通类型的污泥有机物含量较高，除厌氧消化污泥，其余的一 般都在 60以上，且富含氮、磷、钾等营养元素。 表 1.1 不同类型污水污泥的植物养分含量 table 1.1 the content of plant-nutrient in different kinds of sewage-sludge 污泥类型 总氮（tn） 磷（p2o5） 钾（k） 有机质 灰分 初沉污泥 2.03.4 1.03.0 0.10.3 3060 5075 剩余活性污泥 2.83.1 1.02.0 0.110.8 生物滤池污泥 3.57.2 3.35.0 0.20.4 6070 3040 表 1.2 污泥中的有机物组成 table 1.2 the organic composition of sludge 有机物种类 初次沉淀污泥 二次沉淀污泥 厌氧消化污泥 有机物 6090 6080 3060 纤维素含量（占干重） 815 510 815 半纤维素含量（占干重） 24 木质素含量（占干重） 37 油脂和脂肪含量（占干重） 635 512 520 蛋白质含量（占干重） 2030 3241 1520 碳氮比 （9.410） ：1 （4.65.0） ：1 重庆大学硕士学位论文 1 前 言 2 1.1.2 我国污泥产量发展状况 活性污泥法是城市污水处理厂应用最为广泛的生物处理技术，它具有基建投 资省、处理效果好的优点，但它一直存在一个最大的弊端，那就是在运行过程中 会产生大量的剩余污泥。一座日处理 10 万吨污水的城市污水处理厂，如每日正常 运行，则每日将产生污泥干固体 1020 吨，折合成含水 80污泥，将达到 50 100 吨。在我国，1999 年的污泥产量就达近 1000 万吨（欧洲为 660 万吨） ，而此 时的城市污水处理率达不到 203。以后几年我国污水处理厂的污泥产量有大幅 度的上升，主要有以下几方面的原因。 污水量的增加4 ，7 随着我国城市化进程的加快、人口的急剧增加，污水 排放量日益增加。根据有关预测，我国城市污水量在未来 20 年还会有较大增长， 2010 年污水量将达到 440 108m3/d，2020 年将达到 536 108m3/d。全国目前建成并 运转的污水处理厂 427 余座，年处理污水 113.6 106m3。建设部计划从现在到 2010 年，新建城市污水处理厂 1000 余座，污水处理能力将由目前的 1200 万吨/日增加 到 50006000 万吨/日，因此污泥产量将会成倍地增长。另外，根据国家环保十一 五规划，到 2010 年城市或建制镇生活污水集中处理率要达到 50以上，而重点城 市不低于 70，而这将大大的增加需要处理的污水量。 处理标准提高 随着我国排放标准日趋严格及污水处理功能地拓展，污 泥产量随之增加。尤其是现在日益引起重视的无机营养物质 n、p 的去除，德国脱 氮除磷污水处理厂的运行经验表明，若污泥中磷的含量为 5，污泥量比传统活性 污泥法要增加 13。一般为保证出水磷含量达标，通常辅以化学除磷，这样污泥 量至少增加 30以上。 污泥含有大量的水分（7599） ，成分复杂，且有大量的病原菌和寄生虫 （卵） 、有害的有机污染物、重金属等有害成分，伴有恶臭，易腐烂。如不及时处 置，极易造成二次污染。现在大量未稳定处理的污泥已成为城市污水处理厂的沉 重负担和环境的极大威胁。如何处置这些污泥是一个亟待解决的大问题。 1.1.3 污泥处理处置现状与存在的问题 我国污泥的产生量快速增长，但与此同时，污水处理厂污泥的处理处置且普 遍存在以下问题5 ，6： 对污泥处理不够重视，同时污泥处理难度增加。长期以来，国内外对污水 处理技术给予了更多的关注，处理工艺日益成熟。处理标准随着国家对环境问题 的重视逐渐提高。但是由于经济、设计、管理等诸多方面的原因忽视了污泥处理 的重要性。同时，由于大量工业废水超标排放使得污泥成分更加复杂，污泥存在 大量人工合成难生物降解的有机物、重金属等，使污泥处理难度增加。这些污泥 如不妥善处理，势必会对环境造成二次污染，形成新的公害，使城市污水处理事 重庆大学硕士学位论文 1 前 言 3 倍功半。 随污水处理排放标准的提高，污泥处理产生新的问题。为防止水体富营养 化的发生，污水处理不仅需要进行有机物的去除，而且要进行 n、p 等无机营养物 的去除。同时由于水资源的日益紧张，各国城市尤其使缺水地区都在寻求新的水 源，污水资源化是其中的主要途径，而满足污水回用需进一步去除污水中的污染 物质，随着这种处理功能的拓展，污泥量随之增加，而且生物除磷脱氮工艺要考 虑污泥处理处置中 n、p 的返回负荷，如德国脱氮除磷工艺运行情况表明，污泥处 理返回的氮量可达进水含氮量的 20，返回的磷量可达进水含磷量的 60，具体 返回负荷大小与污泥处理工艺有关，这对污泥处理提出了新的要求。 污泥处理处置基建投资大、 运行费用高。 虽然污泥量约为污水量的 12， 但污泥处理设施投资在整个污水处理厂总投资中占约 3040。我国的污泥处理 技术严重滞后，现有的污水处理设施中，污泥处理工艺和配套设施极不完善，有 污泥稳定处理设施的还不到 25，处理工艺和配套设备完善的不到 10。目前我 国污泥的处理大多采用厌氧消化，其前期一次性投资大，而且还有工艺负荷低、 安全性要求高、运行管理难度大、运行经验缺乏等问题。使得部分运行管理水平 较低的污水处理厂索性将消化池闲置，造成很大浪费。有些污水处理厂被逐渐发 展的居民区包围，隔离距离达不到消防部门要求，造成消化池无法正常运行。因 此在实践中要求规模较小的污水处理站应用厌氧消化工艺处理污泥是不可能的。 小型废水处理设施，通常不考虑或弱条件考虑污泥的处置问题。绝大多数污泥经 过重力浓缩、消化、机械脱水这一套简单的工艺处理后，就送往垃圾填埋或直接 暴露在旷野中，造成严重的二次污染。尽管国家花费了大量人力、物力、财力治 理了污水，但污水处理的伴生产品污泥却得不到充分有效的控制，大大抵消了污 水处理的环境保护意义。 现有各种污泥处置方法存在不足。目前大多数国家采用填埋、焚烧、投海、 土地利用等实用性方法。表 1.3 列出了一些国家污泥产出情况与处置途径。 污泥的处理与处置费用一般要占总运行费用的 30（填埋）60（焚烧） 。 在我国城市污水处理厂中传统的污泥处理工艺处理费用昂贵，约占污水处理厂总 运行费用的 2050，投资占污水处理厂总投资的 3040。在许多国家（欧美、 中国等） ，常用的污泥处理处置技术中，投海已明令禁止。填埋所需成本最低，但 是它要占用大量的土地资源，而且填埋场周围的环境也会恶化，遭受渗滤水、臭 气的困扰，在许多国家和地区，新建填埋场遭到人们坚决反对，如德国从 2000 年 起， 要求填埋污泥的有机物含量小于 5， 美国环保局估计今后 20 年内， 美国 6500 个填埋场将有 5000 个被关闭。焚烧处理虽然减量程度高，但投资运行费用很高， 难以处理量大面广的城市污水处理厂的污泥，而且存在烟气污染的问题，我国少 重庆大学硕士学位论文 1 前 言 4 数应用焚烧装置并试运行的城市，发现二噁英排放超标而不得不停止运行5。土地 利用可以将污泥变废为宝，但是污泥中含有重金属离子、呋喃等有害物质，尤其 我国，由于排水沟道建设的不完备，绝大多数城市生活与工业废水混合进入污水 处理厂集中处理，造成剩余污泥中重金属和持久性有机污染物（pops）普遍超标， 难以达到土地利用标准。 表 1.3 部分国家污泥产生量与处理途径 table 1.3 production and disposal approaches of sludge in some countries 国家 污泥产生量 （干重，千吨/日） 填埋 焚烧 土地利用 其它 美国 6800 3750 670 2330 350 德国 2750 1787 275 688 / 日本 1365 403 896 148 18 英国 1075 172 54 548 301 法国 900 477 180 243 / 瑞典 180 72 / 63 45 瑞士 170 / 50 120 / 丹麦 130 43 36 48 3 大量小型污水处理厂的污泥问题有待解决。随城市化建设步伐的加快，大 量新建住宅小区、经济技术开发区远离市区，污水近期难以排入市政管道集中处 理，因此不得不分散、就近建大量小型污水处理站，其污泥绝大部分未能妥善处 置，势必对当地环境造成影响。这些小型污水处理站污泥问题亟待解决。 污泥的最终处置越来越困难，污泥处置已成为污水处理厂设计、运行中必须 优先考虑的主要环节。1996 年国际水质协会（iawq）对全世界 24 个国家进行污 泥处理处置调查表明，污泥问