（环境工程专业论文）sbrosa及预曝气改良型sbroosa工艺运行性能与污泥减量化机理研究.pdf

s b r o s a 及预曝气改良型s b r - o o s a 工艺 运行性能与污泥减量化机理研究 专业：环境工程 硕士生：杨颖 指导教师：孙连鹏副教授 摘要 当前我国城镇污泥处理形势十分严峻，城镇污水处理过程中的“重水轻泥” 现象亟待改变。要从根本上解决剩余污泥的问题，必须从源头出发，在污水处理 过程中尽量减少剩余污泥产生。好氧沉淀厌氧( o s a ) 工艺已被证实在不影响出 水水质的前提下，具有良好的污泥减量化效果，同时改善了污泥沉降性能，被认 为是一种很有前景的从源头上实现污泥减量化的方法。 然而目前o s a 工艺本身上仍存在一定的缺陷，其污泥减量化机理也不明确， 因此本研究中以s b r o s a 工艺为基础，对传统的o s aq - 艺进行优化改良，在 厌氧污泥回流段加插短时预曝气反应器，形成新型的s b r - o o s a 工艺，并在实 验室构建了s b r _ o s a 和s b r - o o s a 两套工艺模型系统，综合考虑前人的研究 成果及本人前期的实验探索结果，选用较为合理的一套运行方式，研究比较两套 o s a 工艺的污水处理性能及污泥减量化效果；同时以污泥絮体胞外聚合物金属 络合物理论为基础，在优化了各种具金属离子针对性的e p s 提取方法的前提下 提出并验证了一种能实现全面大量提取污泥e p s 的顺序提取法，最后采用顺序 提取法对工艺各部分的污泥胞外聚合物进行提取和分析，并结合系统运行过程中 e p s 和金属离子的释放情况，尝试从e p s 与金属离子的角度分析探讨o s a 工艺 的污泥减量化机理。 运行性能方面，研究表明，与对照的本底s b r 工艺相比，两套o s a 系统均 发挥了明显的减量化效能：o s a 系统污泥产率为0 0 4i n g m l s s m g c o d ，达到 7 2 的污泥减量化效果；o o s a 系统污泥产率为0 0 31m g m l s s m g c o d ，达到 i 5 5 7 的污泥减量化效果。污水处理性能方面，两系统对污水中s s 、n 、c o d 具 有良好的去除效果，虽然都具有除磷率低的问题，但可以通过化学除磷这一辅助 方式得以解决。 机理研究方面，通过对e p s 提取方法的优化，选用最优条件把各种方法顺 序组合起来，形成c e r2 h 硫化钠+ n a o h ( c s c f e 3 ，p h = 10 5 ) - s t p p10 0 m m 顺序提取法，研究表明这是一种全新的能够大量全面提取污泥中e p s 的方法。 通过对e p s 和金属离子时放量的长期监测以及污泥e p s 的提取分析，我们认为 絮体微生物对胞外聚合物的分解利用以及好氧环境中微生物进行e p s 的重新聚 合引起的能量损耗都是构成o s a 工艺污泥减量效应的重要原因。 关键词：污泥减量化s b r - o s as b r - o o s a 预曝气胞外聚合物e p s r e s e a r c ho nt h ep e r f o r m a n c ea n dm e c h a n i c so f s l u d g er e d u c t i o n i n s b r o s aa n ds b r 0 0 s ap r o c e s s m a j o r ：e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g d e g r e ec a n d i d a t e ：y a n gy i n g a d v i s o r ：s u nl i a n p e n g ，a s s p r o f a b s t r a c t a tp r e s e n t ，ag r e a ta m o u n to fe x c e s s i v es l u d g ei sp r o d u c e da n di th a sc r e a t e da t o u g ht e r r i b l es i t u a t i o nf o rt h ee n v i r o n m e n t ，w h i l em o s tp e o p l es t i l ls e e mt on e g l e c t t h ei m p o r t a n t a n c eo ft h es l u d g ep r o b l e m f o rab e t t e re n v i r o n m e n t ，w em u s tp a ym o r e a t t e n t i o nt ot h et r e a m r n e n to fs l u d g ei nt h ef u t u r e t or e d u c et h es l u d g ef r o mt h ep l a c e w h e r ei ti sg e n e r a t e di st h o u g h tt ob eaf u n d e r m e n t a ls t r a t e g yf o rs l u d g er e d u c t i o n s o f a r , o x i c - s e t t l i n g a n a e r o b i c ( o s a ) p r o c e s sh a sb e e np r o v e dt ob eap r o m i s i n gw a y t or e d u c et h ey i e l do fs l u d g ed u r i n gt h ew a t e rt r e a t m e n tp r o c e s sw i t h o u tc a u s i n gt h e d e t e r i o r a t i o ni nt h ee f f l u e n tq u a l i t y b u tr i g h tn o w , t h e r ea r es t i l ls o m ei m p e r f e c t i o n sf o rt h eo s ap r o c e s sa n di t s m e c h a n i s mo f s l u d g er e d u c t i o ni ss t i l ln o ts oc l e a r s ow ea d v a n c e dan e w l yi m p r o v e d o s a p r o c e s sn a m e do o s a , w h i c hh a sa a d d i t i o n a lp r e - a r e a t i o nt a n kc u ti n t ot h e c i r c u m f l u e n c eo ft h es l u d g ef r o mt h ea n a e r o b i ct a n kb a c kt ot h ea r e r o b i ct a n k i nt h e e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h , t w o s e t so fo s am o d e ls y s t e m sb a s e do ns b rw e r e e s t a b l i s h e df o rt h ei n v e s t i g a t i o no ft h ew a t e rt r e a t m e n tp e r f o r m a n c ea n ds l u d g e r e d u c t i o nf u n c t i o no ft h ep r o c e s s e s ：o n ew a ss b r o s a , t h et r a d i o n t i o n a lo s a p r o c e s s ；t h eo t h e rw a ss b r o o s a , t h ei m p r o v e do s ap r o c e s s ；b o t ho ft h e mw e r e r u nu n d e rt h es a m er e a s o n a b l eo p e r a t i o nm o d e b a s e do nt h ee p sm e t a lf l o cm o d e l ， w em o n i t o r e dt h ee p sa n dm e t a lr e l e a s e di ne v e r yu n i to ft h es y s t e m sd u r i n gt h e i w h o l ee x p e r i m e n t ；w ea l s om o d i f i e dd i f f e r e n te p se x t r a c t i o nm e t h o d sa s s o c i a t e dw i t h s p e c i f i cm e t a lc a t i o n sa n dp r o p o s e daf i n a le p ss e q u e n c i a le x t r a c t i o nm e t h o d ，w h i c h w a sp r o v e dt ob ea b l et oe x t r a c tal a r g ea m o u n to fe p sc o m p o s e do fv a r i o u s i n g r e d i e n t sa n dw a su s e df o rt h ee p se x t r a c t i o no ft h es l u d g ef r o md i f f e r e n tp a r t so f o s aa n do o s ap r o c e s s b yc o m b i n gt h er e s u l t so ft h e s et w op a r t s , w et r i e dt o a n a l y s i st h em e c h a n i s mo fs l u d g er e d u c t i o nf r o mt h ep o i n to fe p s a sf o r t h ep e r f o r m a n c e s ，r e s u l t ss h o w e dt h a t ，c o m p a r e dw i t ht h eb a s i cs b r p r o c e s s ， b o t ho s a p r o c e s s e sd i dw e l li nt h es l u d g er e d u c t i o n ：t h et r a d i o n t i o n a lo s ah a da s l u d g ey i e l do f0 0 4m g - m l s s m g - c o d ，r e f e r r i n gt oar e d u c t i o no f7 2 ；o o s ah a d as l u d g ey i e l do f0 0 31m g - m l s s m g - c o d r e f e r r i n gt oar e d u c t i o no f5 5 7 a tt h e s a m et i m e ，b o t ho ft h eo s a p r o c e s s e sp e r f o r m e dw e l li nr e m o v i n gt h es s ，na n d c o di nt h ew a s t ew a t e r t h o u g ht h er e m o v a lo fpw a ss t i l lab i gp r o b l e mf o ro s a , r e s u l t ss h o w e dt h a tw ec o u l dr e s o l v ei tb ya d d i n gc h e m i c a lm e d i c a m e n t s a sf o rt h et h em e c h a n i s mo fs l u d g er e d u c t i o n , w ea d v a n c e dae p ss e q u e n c i a l e x t r a c t i o nm e t h o d ：c e r2 h - n a 2 s + n a o h ( c s c f 。= 3 ，p h = 10 5 ) 】一s t p p10 0 m m b y m o n i t o r i n gt h ee p sa n dm e t a lr e l e a s e di ne v e r yu n i to f t h es y s t e m sd u r i n gt h ew h o l e e x p e r i m e n ta n de x t r a c t i n ge p so fs l u d g ei nd i f f e r e n tu n i t s ，w ec o n s i d e r e dt h a t m i c r o b e si nt h ef l o e sm a yd e g r a d ea n du s et h ee p so ft h es l u d g e ，w h i c hc a nh e l p r e d u c et h es o l i dc o n t e n to ft h es l u d g e ；a n di nt h ea e r o b i cs i t u a t i o n , m i c r o b e sm a yu s e s o m eo ft h ee n e r g yt ot ob u i l de p sa r o u n dt h e mw h i c h m e a n st h e r ew o u l db el e s s e n e r g yf o rt h e i rr e p r o d u c t i o n b o t ho ft h ea b o v em a yh e l pc r e a tt h es l u d g er e d u c t i o n e f f e c ti nt h eo s a k e yw o r d s ： s l u d g e r e d u c t i o n ，s b r - o s a ，s b r - 0 0 s a ，p r e a e r a t i o n , e x t r a c e l l u l a rp o l y m e r i cs u b s t a n c e s ( e p s ) 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个入和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：檄 日期：殳d 加年多月，日 使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其 他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：黼 日期：擀6 月户日 导师签名： 日期：刀驴年乡月，日 1 1 前言 第一章绪论 近年来，城市化进程加快，环境加速恶化，为控制水污染和实现水资源化， 我国对城市污水处理率提出了明确要求。活性污泥法作为目前世界上应用最广泛 的一种污水生物处理技术，尽管其具有技术成熟、工艺种类多、污水处理效果良 好等特点，但却会产生大量的剩余污泥，这也是生物污水处理法普遍存在的问题。 随着污水处理设施的普及、处理率的提高和处理程度的深化，城镇污水处理产生 的污泥大幅度增加。据“十一五计划”预计，2 0 1 0 年我国全年剩余污泥产量最 高将达5 7 0 万吨( 干重) 。这些污泥中除含有大量的有机物，丰富的氮、磷等 营养物质外，还存在重金属、致病菌和寄生虫等有害成分，一旦处置不当很可能 引发环境的二次污染，在一定程度上抵消污染减排成果。 污水处理和污泥处理是解决城市水污染问题同等重要而又紧密关联的两个 系统，解决不好污泥的问题就不可能从根本上实现水环境的改善。当前我国城镇 污泥处理形势十分严峻，城镇污水处理过程中的“重水轻泥”现象亟待改变。 1 2 污泥减量化的提出及研究现状 目前污泥处理处置技术虽然能在一定程度上减轻城市剩余污泥的负担，但大 都存在各种各样的问题1 2 1 ，如污泥稳定化技术，主要有厌氧好氧消化、堆肥化、 石灰稳定技术、湿式氧化、热处理等，能耗高、运行费用高、管理操作困难；污 泥脱水主要采用机械脱水，处理率不高，国内污水处理厂通常只能将含水率降低 到8 0 左右，高含量的水给后续的处理处置带来很多问题；土地利用、填埋、焚 烧、制作化工建材原料、投海等污泥处置技术，污泥中有毒有害物质容易泄漏出 来或形成新的污染物，对环境造成二次污染，危害人们的健康。 我国现有污泥处理处置技术处理率低下，工艺不完善，技术设备落后，是一 个高能耗、高投入的过程1 3 1 。根据统计，污泥处理费用约占污水处理厂总投资的 3 0 5 0 ，运行费用占总运行费用的2 0 5 0 1 4 1 ，这也是长期以来我国的城市污 泥得不到有效的处理的一个重要原因。正是在这样的大背景下，人们开始重视污 泥减量化技术，而污泥减量化同时也是实现污泥无害化、资源化的必要途径。 污泥减量是2 0 世纪9 0 年代提出的对剩余污泥处置的新概念，是指采用各种 手段，使得整个污水处理系统向外排放的生物固体量达到最少【5 】。现有的污泥减 量化技术主要可分为物理、化学以及生物三种。 物理工艺主要包括热处理、热碱联合处理、加压以及超声波破碎等物理溶胞 技术，这些物理处理手段能够破碎微生物细胞壁，导致污泥解体并释放胞内物质 和成分，从而减少污泥固体物质的量。研究表明【6 7 】，热处理和热碱联合处理是 效果较好的一种物理技术，它能实现5 0 6 0 的污泥减量化效果。早期，物理 工艺多用于污泥后续处理中，但现在许多学者把这些物理工艺单元结合到污水处 理工艺中，常置于剩余污泥回流段，获得了很好的减量化效果【8 】。物理法费用较 高，与污水处理工艺联用时的运行参数以及减量化机理等仍需进行深入研究。 化学工艺主要有氧化法、解偶联技术以及高溶解氧法三种。氧化法主要是把 各种氧化技术如臭氧、氯气、超临界水( s c w ) 及湿式氧化等与活性污泥工艺 联合起来，通过利用各种物质的氧化性对微生物细胞进行氧化，促进细胞溶解， 有研究表明臭氧氧化能达到将近1 0 0 的污泥减量化效果【9 】，但同时氧化法有可 能会产生一些有毒副产物，会对出水水质造成一定的影响【1 0 】。解偶联技术主要 是通过投加解偶联剂，使得微生物的同化作用和异化作用相分离，氧化分解有机 物获得的能量以热能的形式散发而不用于合成，从而实现污泥减量化，但解偶联 剂会带来环境安全性的问题，影响出水水质【l1 1 。高溶解氧法则是通过提高曝气量， 增强微生物自身氧化能力，但能耗较高【5 】。 生物工艺主要是通过改变微生物生存环境及其本身的作用实现污泥减化，主 要有生物膜法、生物强化法、泥龄控制法、生物捕食法以及最近新兴的好氧沉 淀静沉( o s a ) 工艺法等。生物膜法【1 2 1 采用的固定式的载体填料，能延长微生 物的停留时间，形成好氧厌氧反复耦合的过程，从而实现污泥减量，但该法对 n p 的去除效果不明显。生物强化法【1 3 】贝q 是投加具特定功能的微生物到活性污泥 系统中，优化自然活性污泥生物相中的种群关系，提高微生物系统的代谢活性和 处理能力，减少剩余污泥的产生，但其机理仍不明了，微生物菌株的筛选也存在 一定的困难。泥龄控制法主要是通过提高污泥的停留时间和内源呼吸率来降低污 2 泥的表观产量。生物捕食法【1 4 】主要是利用原生动物和后生动物等微型动物对细 菌的捕食作用实现污泥减量化。o s a 法则是通过好氧厌氧的交替改变微生物所 处的环境，影响其生长，从而减小污泥产量，我们将在下一小节对o s a 工艺进 行详细阐述。 综上所述，污泥减量化的发展方向主要有两个：一是在污泥产生的过程中实 现污泥减量化，即从源头上减少污泥的产生量，这主要通过各种生物手段来实现； 二是在污泥产生后对污泥进行处理，减少污泥的外排量，如各种物理化学处理方 式。随着人们认识的不断提高，许多学者逐渐意识到只有从源头上控制减少污泥 的产生，才是解决剩余污泥的根本手段。，但生物法的减量化机理较为复杂，仍 需要进行深入的研究，才能更好地掌控工艺，优化其运行效能，充分发挥污泥减 量的作用。 生物污泥减量技术中，好氧沉淀一厌氧( o s a ) i 艺是在污水处理过程中同时 实现污泥减量化的一种新工艺，它是在传统活性污泥工艺的污泥回流过程中增加 一个厌氧反应器，不需要通过物理或化学手段进行预处理，也不需要添加任何化 学药剂，已被证实能在不影响出水水质的前提下，实现4 0 - - 一8 0 的污泥减量效 果【1 5 - ”】，同时改善了污泥沉降性能。o s a 工艺被认为是污泥减量化很有前景的 方法。 1 3o s a 工艺概述 1 3 1o s a 工艺简介 o s a 是一种传统活性污泥法改良工艺。该工艺通过在污泥回流段中插入一 个厌氧或缺氧环境的污泥反应容器( 称为厌氧反应器) ，使得污泥在好氧厌氧环 境中交替循环，在不影响出水水质的情况下达到污泥减量化的效果【1 8 】。工艺流 程见图1 1 。w e s t g a r t h 等人首次报道了在高效活性污泥工艺中插入厌氧消化段可 减少一半的剩余污泥产量。以后基于好氧一厌氧循环、交替的底物缺乏底物过 量方法被用于活性污泥工艺中剩余污泥的减量化研究。c h u d o b a 等人【l9 】比较了 o s a 工艺和传统活性污泥工艺的污泥产量，发现o s a 工艺的污泥产率比污泥产 率降低了2 0 6 5 ，s v i 值也比传统活性污泥工艺低，即o s a 工艺还可改善污 3 泥的沉降性能。s a b y 等人【2 0 】研究发现o s a 较传统的活性污泥法具有更高的c o d 去除率，污泥沉降性能也得到了改善。我国的朱振超等人【2 l 】采用好氧沉淀兼氧 活性污泥工艺，使上海锦纶厂废水处理站的剩余污泥几乎达到零排放。张全等人 f 2 2 】采用好氧沉淀微氧活性污泥工艺，污泥量由8 0 减少为1 5 2 0 。 厌氧反应器是o s a 的核心，而o s a 工艺厌氧反应器不同于活性污泥法中的 厌氧缺氧段：a o 和a a o 工艺中的厌氧或缺氧段接污水进水，有机底物充足， 这些底物被微生物利用，为厌氧放磷和反硝化作用提供能量；然而在o s a 工艺 中污泥回流前的沉淀阶段，有机底物已消耗殆尽，污泥进入厌氧反应器后处于完 全饥饿状态。o s a 工艺从上世纪9 0 年代开始规模运用于传统活性污泥法污水处 理厂的改造，多项实践结果显示其剩余污泥减量率可达到4 0 8 0 t 1 5 j7 1 。 图1 1o s a 工艺流程 f i g 1 - 1f l o wc h a r to f o s a 在污泥回流段中插入厌氧反应器即可将活性污泥法改造为o s a 工艺，施工 可行性高，改造投资低，建成后运行管理方便，这使得现有多种水处理工艺都可 以改造为o s a 工艺。最常用的改造形式是在完全混合曝气二次沉淀、a o 和 a 2 o 工艺的污泥回流段中插入厌氧反应器。在s b r 工艺的静沉待机阶段也可以 接入厌氧反应器，也可以使之成为o s a 工艺。据国外实际应用报道，o s a 工艺 还可以应用于m b r 工艺，在其中设置一条曝气池混合液外置处理流程，在其中 插入厌氧反应器，也可以形成o s a 的工艺条件【2 3 】。 u sf i l t e r 与西门子公司基于o s a 工艺联合开发了c a n n i b a l 。p r o c e s s 工艺， 这是典型的o s a 工艺，生物固体分解通过在活性污泥与c a n n i b a l 侧向反应器之 4 间的交换完成。这种交换在需氧处理装置和厌氧生物反应器之间进行。系统不断 选择低繁殖细菌来分解生物固体，直到固体被完全分解。若将c a n n i b a l 技术用于 现有设施改造，则可以大幅度降低污泥稠化、脱水、储存、运输和处理的费用。 该技术已成功地在美国2 0 座城市和工业污水处理设施上得到应用【2 4 1 。 图1 2 c a n n i b a l * p r o c e s s 工艺流程图 f i g 1 2f l o wc h a r to f c a n n i b a l 。p r o c e s s 1 3 2o s a 工艺运行性能研究现状 由于o s a 工艺对传统活性污泥法进行了一定的改造，将厌氧反应器嵌入其 中，从沉淀池排出的污泥经过厌氧罐处理后再回流到曝气池中，这就在一定程度 上改变了原好氧活性污泥中的微生物种群结构以及污泥性质，有可能会给污水处 理带来不利的结果：污泥产率的降低致使减少部分的污泥中的氮素进入到水相中， 从而使水相总氮增加，钟贤波等人【2 5 】研究了污泥在缺氧池中不同的停留时间 ( 5 5 、7 6 、1 1 5 h ) 下的3 种o s a 工艺，和对照的传统活性污泥工艺相比，3 种 o s a 工艺的出水氨氮浓度和c o d c ，去除能力并未受很大影响，而总氮去除率则 有一定程度的下降；c h u d o b a 等研究发现o s a 工艺的污泥中磷含量增大，出 水t p 可能会受影响。而目前关于o s a 工艺中氮磷的研究还很少，有关o s a 工 艺对出水氮、磷的影响还有待进一步研究。 厌氧反应器是o s a 工艺污泥减量化的核心部分，因此，探索o s a 工艺的最 佳运行条件，尤其是厌氧罐的最佳操作参数，对o s a 工艺的推广应用有着重大 的意义。o s a 厌氧反应器的污泥减量化作用是与其中的氧化还原电位，水力停 5 留时间密切相关的【2 7 1 。目前，国内外学者研究较多的o s a 主要运行操作参数包 括：( 1 ) 厌氧反应器中的氧化还原电位o r p ；( 2 ) 厌氧反应器污水力停留时间 h r t ( s i h ) 及好氧水力停留时间h r t ：( 3 ) 污泥交换率i r 。 o r p 是一个关于厌氧反应器中污泥停留时间，污泥浓度和其中氧化物质浓 度的函数，因此o r p 可以作为控制厌氧处理程度的一个综合运行操作参数。为 了能使0 s a 工艺达到最大的污泥减量化效果，我们必须确定一个适宜的o r p 值。 c h e n 等人【2 7 】在+ 1 0 0 m v 2 5 0 m v 范围的o r p 环境下，研究厌氧段工作- 蚪1 1 - 厶匕l i e , ，研 究发现厌氧段o r p 低于1 0 0 m v 最有利于剩余污泥的减量；o r p 低于1 0 0 m v 时， 污泥衰退加速。s a b y 2 0 1 等人比较研究了厌氧反应器o r p 从+ 1 0 0 m v 到2 5 0 m v 变 化时o s a 系统污泥减量化效果，研究结果发现，厌氧反应器中的o r p 对o s a 的污泥减量化有着至关重要的作用，o r p 为一2 5 0 m v 时的污泥产率i z l + 1 0 0 m v 时 要低3 6 ，同时2 5 0 m vo r p 条件下污泥产率比传统活性污泥法低5 8 ，由此得 出污泥产量较低的o r p 值更利于系统的污泥减量化。在长达9 个月的运行中， 活细菌和总细菌数量都没有受影响，认为污泥减量化的机理可能是污泥的衰减导 致污泥的分解和溶解加快。 厌氧反应器中污泥停留时间s r t 会影响厌氧过程中的污泥水解、酸化和产 气，必须维持在一个最小值之上，在o s a 系统的厌氧反应器中，处理的是污泥， 所以s r t 和h r t 的意义是一样的；而好氧系统中，h r t 也必须维持在一个适宜 的范围内才能保证微生物的增殖、处理效率。因此好氧与厌氧环境下的h r t 的 控制对污泥减量化的影响非常重要。s a t h y a 等【2 0 1 比较研究了厌氧罐h r t 分别为 5 d ，7 d ，1 0 d 的情况下的三种o s a 工艺污泥减量化效果，结果表明，与传统活性 污泥法相比，h r t 为1 0 d 的污泥减量化效果最为明显，达到4 0 ，h r t 分别为 5 d 和7 d 时，污泥减量为2 5 和3 5 。在国内，钟贤波等【2 5 】比较研究了污泥在缺 氧池中不同的停留时问( 5 5 、7 6 、1 1 5h ) 的3 种o s a 工艺对剩余污泥的减量化 效果，结果表明，3 种工艺的剩余污泥量分别比传统活性污泥工艺降低2 2 9 9 、 3 3 2 4 和1 3 8 0 ，污泥在缺氧池中的停留时间越长，缺氧池体积会越大，综合考 虑污泥减量化效果和装置的运行效能，认为o s a 工艺中污泥在缺氧池中停留6 7 h 较为理想。 污泥交换率i r 表示每天从好氧池排入厌氧反应器中的污泥量占总泥量百分 6 数( 以质量百分数表示) 。i r 与o s a 的污泥减量化效果息息相关，且不同的回 流量导致厌氧反应器的体积不同，体积越小建设成本越低，因此i r 也是一个很 重要的参数。污泥在排入厌氧反应器前必须经过一段时间的沉淀，否则将导致厌 氧罐体积过大。s a t h y a 等【2 0 】比较研究了4 ，5 ，7 ，1 0 和1 5 的i r 情况下 o s a 系统的污泥减量化效果，结果表明，i r 为1 0 时系统达到最大的污泥减量 化效果，其次为i r = 7 时，效果仅比i r - - - 1 0 时低1 3 ；而i r 为4 和5 时的 减量化效果比i i p l 0 时降低3 5 ；i r = 1 5 时，污泥产量没有减少而是增加了； 综合考虑，认为7 为最佳i r 值。从s a t h y a 的研究进一步表明，控制o s a 系统 的i r 是很有意义的。 以上讨论中，我们发现目前对o s a 工艺运行性能的优化主要集中对工艺本 身的运行条件的优化，而不是针对工艺结构进行的。o s a 工艺改变了传统活性 污泥法的结构，因此也改变了微生物正常的生存环境条件，这是其具有污泥减量 化效果的其中一个原因，但也可能是造成其工艺缺陷的原因，因此除了对o s a 工艺运行条件进行优化外，我们还应该关注o s a 工艺结构的优化，多方面全方 位改善其运行性能，提高其处理效果。 1 3 3o s a 工艺的机理研究进展 目前，o s a 工艺在国内的实际应用并不多，对o s aq - 艺的污泥减量机理的 研究很少。国外对其机理已有较为系统的研究，但是存在很多不同的观点。其中 最具代表性的有能量解偶联代谢与能量溅溢理论，污泥自身衰退论等；也少数学 者提出慢速生长优势菌种理论，可溶生物产物毒性理论等；近年来，美国学者 n o v a k 等人则提出了胞外聚合物金属络合物离解理论。下面对几种典型的o s a 污泥减量化机理做简单介绍。 能量解偶联代谢理论 2 s - 3 0 】。s o u t h a m e r 【3 1 1 认为发生解偶联的情况有：( 1 ) 存在 影响a t p 合成的物质( 解偶联剂) ；( 2 ) 存在剩余能量( 高s o x o 条件即高 c o d m l v s s ) ；( 3 ) 温a 度不合适；( 4 ) 细胞所处环境改变( o s a 工艺) ；( 5 ) 存在抑制 性化合物。o s a 工艺中，首先污泥中的好氧微生物在曝气池中通过氧化磷酸化 作用分解有机底物产生能量储存于a t p 分子中，建立胞内a t p 能量储备；然后 7 再水解a t p 重新释放能量，这部分能量主要是供给微生物合成代谢以及维持自 身基本生命活动所用的。当污泥进入厌氧环境时，有机底物已消耗殆尽因此微生 物分解代谢停顿，为维持生存的需要，微生物水解胞内a t p 储备释放能量。在 饥饿条件下，a t p 水解产生的能量优先用于维持生命各项基本功能，几乎没有多 余能量用于繁殖增长，可以认为污泥在厌氧反应器停留期间，胞内a t p 能量储 备为维持微生物在恶劣条件下的存活，基本消耗殆尽。当污泥重新回到底物充足 高s o x o 的有氧环境中时，微生物重新开始分解代谢活动，过度分解氧化有机底 物，并优先重建胞内a t p 能量储备，而不是立即进行细胞增殖。因此能量解耦 联代谢理论认为，o s a 工艺污泥的减量化是由于微生物在好氧厌氧交替环境和 好氧高s o x o 条件下发生了能量解偶联代谢，即合成代谢和分解代谢不对等甚至 中断，期间多余的能连通过消耗膜电势、驱动无效能量循环和散热消耗掉，由此 控制污泥的增长繁殖，实现污泥减量化。 污泥衰退理论认为 3 2 - 3 4 o s a 工艺的污泥减量化是由于污泥中微生物的自身 消亡溶解、厌氧消化和好氧消化。在o s a 工艺中，曝气池污泥进入厌氧环境， 有机物极其匮乏，厌氧和兼氧微生物处于饥饿状态，好氧微生物则因为缺氧而死 亡，微生物细胞溶解，所产生的有机物恰能被在存活下来的厌氧和兼性细菌所利 用，它们对有机物进行初步的水解发酵，把大分子蛋白质、d n a 、脂肪类有机 物水解并转化为有机酸、醇类、醛类等小分子有机物。同时在极其饥饿的环境下， 厌氧和兼氧微生物还会进行内源呼吸代谢，将自身一部分细胞物质氧化分解用以 维持其生存，长期的内源呼吸会导致细胞破坏严重甚至死亡；而厌氧和兼氧微生 物之间也必然存在激烈的营养竞争，弱势菌种无法适应恶劣的环境就会死亡。因 此在o s a 工艺的厌氧反应器中，由于微生物自身消亡溶解和厌氧消化作用，微 生物生长率降低，固体量减少。而厌氧反应器中的污泥回流入好氧环境中时，其 携带的大量水解有机物被彻底的氧化分解为二氧化碳和水，而部分厌氧微生物也 将由于不适应新的好氧环境而死亡。因此o s a 工艺的好氧段由于好氧消化作用 对整体污泥减量化效果具有一定的贡献。 美国学者n o v a k 等人提出的胞外聚合物金属络合物离解理论【3 5 】，为o s a 机 理的研究开辟了新的研究方向。该机理是以他们所提出的一种新的絮体模型为基 础的，他们认为活性污泥絮体中，胞外聚合物是由结合了不同的金属离子的各种 8 e p s 组成。作者认为絮体中几种重要的e p s 部分如下：( 1 ) 以c a 2 + ，m 9 2 + 离子 为架桥，与多糖相连接的凝集素样蛋白质；( 2 ) 与f e 相结合的生物聚合物；( 3 ) 与a 1 相凝结的有机物。由于e p s 占据污泥絮体有机物的大部分，因此可以通过 减少胞外聚合物的方式实现污泥减量化。他们的研究中发现，厌氧环境下，三价 铁离子还原为二价铁离子，减弱了铁与胞外聚合物之间的连接作用，部分胞外聚 合物成为溶解态物质释放到溶液中，当污泥回到好氧环境中时，这部分溶解态有 机物被氧化分解，形成污泥减量效果；而好氧环境中，钙镁结合态的胞外聚合物 容易被释放出来，从而被微生物分解利用，也形成了一部分污泥减量。 由上述讨论可知，对o s a 工艺机理的解释存在几种不同的观点，这反应了 其真实机理的复杂性，而o s a 工艺形式多变，如有c a s ( c o n v e n t i o n a la c t i v a t e d s l u d g e ) 型，s b r 型，m b r 型等，每一种形式随运行条件不同，其机理也可能 不同，因此单纯用以上的某一种机理去解释o s a 工艺的污泥减量化是不合理的 也是不准确的，不同情况下，o s a 污泥减量化的产生可能是多种机理共同作用 的结果，也可能还存在我们没有发现的一些污泥减量化的原因，因此目前国内外 关于o s a 污泥减量化机理的研究仍有很大的空间。 n o v a k 等人提出的胞外聚合物金属络合物离解理论，为o s a 机理的研究开 辟了新的研究方向，使得我们可以从另外一个全新的角度去认识o s a 工艺，多 方面的研究探索对揭示o s a 真实的机理是具有非常重要的意义和影响的。因此 下面将对污泥胞外聚合物做详细阐述，以期能更深层地去认识胞外聚合物与污泥 减量化之间的关系，为将来的研究打下牢固的理论基础。 1 4 污泥胞外聚合物( e p s ) 综述 近几十年来，随着生物技术的飞速发展，胞外聚合物( e x t r a c e l l u l a rp o l y m e r i c s u b s t a n c e s - - - e p s ) j 壅渐受到人们的重视，有关e p s 组成、特性以及其对污泥吸附、 絮凝、沉淀等影响的研究越来越多，近来，e p s 对污泥处理的影响，如污泥脱水， 污泥消化、污泥减量化等，也引起了人们的关注。 9 1 4 1e p s 的含义和结构 胞外聚合物( e x t r a c e l l u l a rp o l y m e r i cs u b s t a n c e s - - e p s ) 是细菌或其它微生物都 会产生的一种复杂有机高分子聚合物的混合物，它存在于细胞表面或外部。对环 境微生物而言，污泥颗粒单个细胞中，在细胞表面4 0 hm 内约有5 0 的e p s ， 但在菌胶团中，e p s 主要集中在菌胶团中问，即为细胞的相互连接【3 引。有人认为， 胞外聚合物按照其结构可分为紧密粘附的胞外聚合物( t i g h t l yb o u n d e p s ，t b ) 和 松散附着的胞外聚合物( l o o s e l yb o u n de p s ，t b ) 两部分【3 7 1 ，结构如图1 3 所示。 图1 - 3 胞外聚合物结构 f i g 1 - 3t h ec o n s t i t u t i o no f e p s e p s 的来源可能有两种：污泥代谢环境基质，环境中所含物质种类对e p s 产生的数量和组成有一定影响；细胞本身的新陈代谢和自溶1 3 8 1 。但这两种来源 的成分在污泥絮体中的分布情况以及它们各自对絮体性质的影响，至今尚未定 论。近来有人做了这方面的研究，发现不同来源的e p s 有着独特的截然不同的 特性。n i e l s e n ，k e i d i n g 3 9 1 在研究中提出了一种絮体胞外聚合物的模型：由代谢 环境基质( 如废水等) 形成的e p s 通常位于絮体的外部，它们与絮体基体间结 合力较弱，对絮体稳定性的变化较为敏感，容易从絮体中脱落。而n o v a k 3 5 】等在 研究中发现e p s 由两种分别与不同金属离子相结合的生物聚合物组成，分别是 由微生物新陈代谢产生的以c a 2 + ，m 9 2 + 等二价金离子为架桥的凝胶类多聚物和 】0 由废水等环境基质和细胞自溶产生的与铁铝等金属离子相结合生物多聚物。 越来越多的研究结果表明，胞外聚合物( e p s ) 是生物絮体的重要组成部分， 占活性污泥中总有机物的大部分( 5 0 9 0 ) 【4 0 】，占活性污泥总质量的8 0 左 右【4 。j o h n 4 2 1 对三个不同的重力下水管道生物膜的生物量组成进行的研究表明， 细胞生物量仅仅是生物膜中有机物质的微小部分，而7 0 - 9 0 的总有机碳存在 于细胞外。e p s 对活性污泥絮体的形成及其各种各样的特性有着至关重要的影响 【4 3 】： e p s 能把微生物菌群、细胞以及其它的一些物质凝聚起来，对活性污泥絮 体的形成及维持絮体结构的稳定有着重要的作用；e p s 中含有胞外酶，可以把复 杂的有机营养物质水解成小分子的，易于生物降解的物质供细胞吸收利用；活性 污泥絮体中的e p s 还能在细胞之间构成一种架桥作用，细胞通过这些胞外物质 进行物质和能量的传递；e p s 还能给微生物细胞形成保护层抵御杀菌剂和有毒物 质的危害，也可以作为饥饿期碳和能量的来源。 1 4 2e p s 的成分 各种研究结果表明，e p s 的成分是非常复杂多样的，但大家一致认为活性污 泥e p s 由蛋白质、多糖、腐殖酸、糖醛酸、脂类和核酸等组成 4 4 , 4 6 , 4 8 1 。其中蛋白 质和多糖的t o c 占整个e c p 的7 0 8 0 ，e c p 中剩余的2 0 3 0 的t o c 来自于 腐殖成分，糖醛酸，核酸和脂类等 4 5 1 。早期针对纯培养的污泥研究中多认为多 糖是e p s 的主要成分【4 6 4 7 1 ，但后来更多的文献报道，混合培养基和活性污泥中 e p s 中蛋白质的含量更高，约为多糖的2 3 倍【4 8 5 2 1 。一般，e p s 中蛋白质和多糖 的含量比( 以重量计蛋白质多糖) 约在o 2 5 4 引。h o n gl i u 等 4 6 1 研究中发现， 腐殖质也是胞外聚合物的重要成分，占好氧污泥e p s 的3 0 6 。同时，相关研究 表明e p s 中，糖醛酸、脂类和d n a 的含量是比较低的 4 6 , 4 8 , 5 3 - 5 4 】。 此外，e p s 的组成受外界许多因素的影响，如从外界环境中吸附的物质、解 氧( d o ) 、p h 、污泥停留时间( s r t ) 和污泥负荷( n s ) 等。d t s p o n z a s s l 在他的研究 中发现，进水基质种类对活性污泥e p s 产量有很大的影响，酿酒、城市污泥e p s 中蛋白质是主要的成分，含量为7 0 7 1