（环境工程专业论文）初沉污泥水解产酸及其利用研究.pdf

西安建筑科技大学硕士学位论文 专业：环境工程 硕士生：吴一平 导师：彭党聪教授 摘要 采用完全混合式反应器，进行了城市污水处理厂初沉污泥转化为生物脱氮除磷系统可快 速利用碳源的试验研究。具体分析了初沉污泥水解转化的影响因素，并以初沉污泥水解产物 作为反硝化的碳源，进行了脱氮效果的试验研究。试验结果表明： 初沉污泥水解转化的最佳条件为：初沉污泥含固率2 1 3 左右，温度3 3 。c ，水力停留 时间3 d ，p h 值5 5 6 5 ，此时，初沉污泥水解效率为1 3 6 ，v f a 产率为0 。1 0 2 m gv f a ( c o d ) m g 污泥c o d ( 0 1 9 8 m g v f a ( c o d ) n a g 污泥v s s ) ； 污泥粒径是影响水解效率和速率的重要因素之一。初沉污泥经粉碎预处理后，控制含固 率2 2 0 左右，温度3 3 ，h r t 为2 d ，水解效率可达2 0 5 9 ，v f a 产率为0 1 5 2 m gv f a ( c o d ) m g 污泥c o d ( 0 2 5 9 m g v f a ( c o d ) m g 污泥v s s ) ； 初沉污泥水解产物的脱氮速率分别为城市污水、初沉污泥脱氮速率的3 倍和1 2 倍，为 常规使用的外加碳源( 甲醇) 脱氮速率的1 3 3 倍。初沉污泥水解产物是生物脱氮除磷系统 经济有效的可替代快速有机碳源。 关键词：初沉污泥；水解；有机碳源；脱氮除磷 西安建筑科技大学硕士学位论文 t h e s t u a y o f h y d r o l y s i s o f p r i m a r ys l u d g e f o r b i o l 删n u t r i e n t r e m o v a l s p e c i a l t y ： e n v i r o n m e n t a l e n g i n e e r i n g g r a d u a t e s t u d e n t ：w u y i - p i n g i n s t r u c t o r p e n gd a n g - - c o n g p r o f a l m m e t p r i m a r ys l u d g eh y d r o l y s i sc a np r o v i d et h es o l u b l eo r g a n i c sw h i c hc a nb eav a l u a b l ec a r b o n s o u r c et o s u b s e q u e n tn u t r i e n tr e m o v a l b yc h a n g i n gs o l i d sc o n c e n t r a t i o no fp r i m a r ys l u d g e ， t e m p e r a t u r ea n dh y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m et od e t e r m i n et h eo p t i m i s t i cc o n d i t i o n ，u n d e rw h i c ht h e h i g h e s tn e tv f a y i e l d c a nb ea c h i e v e d a tt h es a m e t i m e ，b i o l o g i c a lh y d m l y s a t eo f p r i m a r ys l u d g e w a su s e da st h ec a r b o ns o u r c ei nn i t r o g e n - r e m o v a lp r o e e s st oe x a m i n e t h ee f f e c to fd e n i t r i f i c a t i o n a n dc o m p a r ei tw i t ht h ee f f e c t so fd e n i l r i f i c a t i o nw i t ho t h e rk i n d so fc a r b o n s o u r c e s t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e d t h a t ： 1 3 6 o fn e ts c o dp r o d u c t i o ni nt e r m so fi n i t i a l s l u d g et c o dc a l l b eo b t a i n e di na s e m i 。c o n t i n u o u sc o m p l e t e l ym i x e df e r m e n t o r o p e r a t i n g a t2 1 3 o f s c 、3 d o f h r t , 5 5 6 5o f p h a n d3 3 。co f t e m p e r a t u r e u n d e rt h i sc o n d i t i o n , n e tv f a y i e l di so 1 0 2 m gv f a a sc o d n a gi n i t i a l s l u d g e t c o d o r o 1 9 8 m g v f a a s c o d m g i n i t i a ls l u d g e v s s ； a f t e rt h ep r e - t r e a t m e n t - - d i s i n t e g r a t i o no f p r i m a r ys l u d g e ，2 0 5 9 o fn e ts c o dp r o d u c l i o ni n t e r m so f i n i t i a ls l u d g et c o dc a nb eg a m e di nt h es a m ef e r m e n t o r o p e r a t i n g a t2 1 3 o f s c ，3 do f h r t , 5 5 6 5o f p h a n d3 36 co f t e m p e r a t u r e m e a n w h i l e , n e tv f a y i e l d c a nr e a c h h i g h a sm u c h a so 1 5 2 m gv f aa sc o d m gi n i t i a ls l u d g et c o d o r0 2 5 9 i n gv f aa sc o d r a gi n i t i a ls l u d g e v s s ； t h ed e n i l f i f i c a f i o nr a t ew i mh y d r o l y s a t ew a st h r e et i m e sa n dt w e l v et i m e s a sm u c ha s d e n i t r i f l e a f i o nr a t e sw i t hw a s t e w a t e ra n dr a w s l u d g er e s p e c t i v e l y m o r e o v e r , t h ed e n i l r i f i c a t i o nr a t e w i t hh y d r o l y s a t ei n c r e a s e db y1 3 ，c o m p a r e dw i t ht h ec o r r e s p o n d i n gv a l u ew i t he x t e r n a lc a r b o n s o u r c e p r o d u c t sf r o m p r i m a r ys l u d g ef e r m e n t a t i o n a r et h e r e a d i l ya l t e m a t i v ec a r b o ns o u r c ef o rb o t h d e n i l l i f i c a t i o na n d b i o l o g i c a lp h o s p h o r u sr e m o v a l k e y w o r d s ：p r i m a r ys l u d g e ；h y d r o l y s i s ；o r g a n i cc a r b o n ；n i t r o g e na n d p h o s p h o r u s r e m o v a l 声明 y6 1 6 6 伯 本人郑重声明我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，也不包含本人或其他 人在其它单位已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同 志对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 欠形 i 关于论文使用授权的说明 日期：2 口雅歹2 2 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、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、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文储答名：关，牙副隧名 i 注：请将此页附在论文首页。 ：咖舛r z z 西安建筑科技大学硕士学位论文 引言 1 概述 近2 0 年来，污水除磷脱氮处理技术的研究、开发和工程应用一直是国内外水处理届关注 的热点和难点。随着工业化和城市化程度的不断提高，合成洗涤剂、化肥和农药的广泛使用， 世界各国的污水总量不断增加，大量的有机物和氮、磷营养物质进入水体环境，使水体污染以 及由此引发的水质富营养化日益严重，迫使越来越多的国家和地区制定严格的有机物和氮、磷 排放标准。 在我国，水体富营养化已经发展到了较为严重的地步，许多湖泊水体已不能发挥其正常功 能而严重影响了工农业和渔业生产。自8 0 年代以来，脱氮除磷技术得到了较陕的发展并日臻成 熟。 1 1 氦磷污染与水质富营养化 1 1 1 水质富营养化现象及主要成因 “富营养化”是湖泊分类与演化方面的概念“1 。湖沼学家认为天然富营养化是水体衰老的 种表现。过量的植物性营养元素氮、磷排入水体会加速水体的富营养化过程。在光照和其他 环境条件适宜的情况下，水中所含的这些营养物质足以使水体中的藻类过量生长，在随后的藻 类死亡和随之而来的异养微生物代谢活动中，水体中的溶解氧很可能被耗尽，造成水体质量恶 化和水生态环境结构破坏，这就是所谓的水体富营养化现象。 藻类生长的限制因素是氮和磷。所以，水体中氮、磷营养物的增加，也就成为藻类过度生 长的主要原因。人们还发现藻类的过度繁殖程度与磷酸盐含量之间存在着某些平行关系，出现 过度繁殖的那些藻类往往能积累大量磷酸盐。藻类对有机氮的摄取比无机氮缓慢，但有机物可 以作为维生素的来源促进藻类的生长；有机氮也可以通过促进细菌的生长，增加水体中的溶解 性o 晚量，为藻类光合作用提供充足的碳源。 总的来讲，富营养化是水体受到磷氮污染，营养物哟拄入水体并造成藻类和其他微生物异 常增殖的结果。 1 1 2 水体中氨磷的来源 进入水体的氮磷营养来源是多方面的，其中人类活动造成的氮磷来源主要有以下几个方面： ( 1 ) 工业和生活污水未经处理直接进入河道或水体：这类污水的氮、磷含量高，如进入江、 西安建筑科技火学硕士学位论文 湖和海洋，造成藻类过度生长的危害最大。 ( 2 ) 污水处理厂出水：采用常规处理工艺的城市污水处理厂，其排放水都含有相当数量的 氮、磷和硫。这是因为污水中的有机氮被微生物氧化分解产生的氨氮，除构成微生物细胞的组 分外，剩余部分都随出水排入河道，成为藻类合适的营养料。这是城市污水经过常规二级处理 但受纳水体依然出现水质富营养化和黑臭的重要原因之一。 ( 3 ) 面源性的农业污染物( 包括肥料、农药和动物粪便等) ：我国太湖水质富营养化的重 要成因就是面源性的农业污染。肥料和农药从农田中流失，包括通过雨水冲淋、农业排水和地 表径流带入水体，成为直接的营养源。人工合成的化学肥料和农药是水体中氮磷营养元素的主 要来源。施入农田的氮肥只有一部分被农作物吸收，未被农作物吸收的氮肥超过5 0 ，有的甚 至超过8 0 。为了取得高额农作物产量，农田用肥量越来越高，加上科学施肥及推广问题尚未 得到有效解决，进入水体的流失肥料数量越来越大。有机肥料也可能经微生物分解，成为可溶 性无机盐，然后进入地下水或江河湖泊。此外，蓄禽养殖业废料和水中野生动物排泄物，氮磷 含量相当高，也会大量进入水体。 1 1 3 富营养化对水体功能和水质的影响和危害 富营养化不仅使水体的使用功能部分或完全丧失，危及水生生态，而且危害人类健康。下 面分别从几个方面来简述富营养状态对水体功能和水质的影响。 ( i ) 产生异昧 处于富营养化状态的水体由于藻类的过度繁殖而产生霉味和臭味。这些腥臭向四周的空气 扩散，直接影响、烦扰人们的正常生活，给人以不舒适感觉，同时，这种腥臭味也使水昧难闻， 大大刚氐了水的质量。 ( 2 ) 降低水体的透明度 在营养水体中，生长着以蓝藻、绿藻为优势种类的大量水藻。这些水藻浮在湖水表面，形 成一层“绿色浮渣”，使水质变得浑浊，透明度明显降低，富营养严重的水体透明度仅有0 2 m ， 湖水感官性状大大下降。 ( 3 )消耗水体的溶解氧 富营养湖泊的表层，藻类可以获得充足的阳光，并从空气中获得足够的二氧化碳进行光合 作用而放出氧气，因此表层水体有充足的溶解氧。但在富营养湖泊的深层，情况就不同了。首 先，由于表层有密集的藻类，使得阳光难以透射进入湖泊深层，而且阳光在穿射水层的过程中， 被藻类吸收而衰减，所以深层水体的光合作用明显地受到限制而减弱，因而溶解氧的来源也就 随之减少。其次，湖泊藻类死亡后不断地向湖底沉积，不断地腐烂分解，也会消耗深层水体大 量的溶解氧，严重时可能使深层水体的溶解氧消耗殆尽而呈厌氧状态，使得需氧生物难以生存。 西安建筑科技大学硕士学位论文 这种厌氧状态可以触发或者加速底泥积累的营养物质的释放，造成水体营养物质的高负荷，形 成富营养化的恶性循环。 ( 4 )向水体释放有毒物质 富营养化对水质的另一个影响是使许多藻类能够分泌、释放有毒有害物质，不仅危害其它 水生生物，而目对 类健康产生重要影响。 1 2 生物脱氮除磷的原理 1 21 生物脱氯原理 城市污水中的氮主要以氨氮和有机氮形式存在，一般情况下硝态氮仅1 5 m g l 。3 。在未经 处理的污水中，有机氮主要以蛋白质和氨基酸的形式存在。而蛋白质和氨基酸在生物稳定化处 理过程中通过氨化作用转化为氨氮。 污水生物脱氮的基本原理是在好氧( a e r o b i c 或o x i c ) 条件下田 ，硝化菌将污水中的氨氮 氧化为亚硝酸盐氮( n o z - - n ) 或硝酸盐氮( n o # - n ) ，然后在缺氧( a n o x i c ) g d c t ，反硝化菌利用 有机物将亚硝酸盐和硝酸盐还原为氮气( n 。) 。因此，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。 参与硝化过程的微生物是硝化菌，它是一类化能自养菌，包括亚硝酸菌( n i t m s o m o n a s ) 和硝 酸菌( n i t r o b a c t e r ) 。它们利用c 如、c o 一和h c o f 等作为碳源，通过与n 心、n 旷和的氧化还原 反应获得能量。硝化反应过程需在好氧( a e r o b i c 或0 x i c ) 条件下进行，并以氧作为电子受体。 反应过程可用下式表示： 亚硝酸菌 2 n t f , + 3 q 2 n 听+ 2 h 2 0 + 4 t f 2 n o r + q型塑堕，2 n 瓯 ( 1 1 ) ( 1 2 ) 参与反硝化过程的微生物是反硝化菌，它是类化能异养兼性缺氧型微生物，它利用各种 有机物作电子供体，硝酸盐作电子受体，在缺氧# d c t ，将n o f - n 和n o - n 还原成气态氮( n 。) 。 1 2 2 生物除磷原理 城市污水中的含磷物质可分为有机磷和无机磷。根据物理特性( o 4 5 m 微孔滤膜过滤) 可将污水中的含磷物质分成溶解性和颗粒性两类“1 。按化学特性( 酸性水解和消化) 则可分成 正磷酸盐、聚合磷酸盐和有机磷“1 。城市污水中所含的磷主要来源于人类活动的排泄物及废弃 物、工商企业、合成洗涤剂和家用洗涤剂。由于受众多因素的影响，城市污水含磷量变化幅度 两安建筑科技大学硕士学位论文 较大，一般在3 1 0 i r l g 几范围内。 污水生物除磷技术的发展起源于生物超量吸磷现象的发现。污水生物除磷就是利用活性污 泥的超量磷吸收现象，即微生物吸收的磷量超过微生物正常生长所需要的磷量，通过污水生物 处理系统的设计改进或运行方式的改变，使细胞含磷量高的细菌群体在处理系统的基质竞争中 取得优势。在所有污水生物除磷工艺流程中都包含厌氧操作和好氧操作，剩余污泥的含磷量可 达3 7 。由于进入剩余污泥的总磷量增大，处理系统出水的磷浓度明显降低。 在污水生物除磷过程中，活胜污泥在厌氧、好氧交替条件下由聚磷微生物( 聚磷菌) 完成 除磷。其基本原理是圆： ( 1 ) 在厌氧环境下，聚磷菌( p a o s ) 的生长受到抑制，因而其将体内贮存的聚磷分解( 以 溶解态磷酸盐形式释放到溶液中) ，所释放的一部分能量可供好氧的除磷细菌在厌氧环境下维持 生存，另一部分能量还可供除磷细菌主动吸收污水中的v f a 类低分子有机物，合成聚羟基一1 3 一丁酸盐( p m ) ，并贮存于菌体内。 ( 2 ) 在好氧环境下，聚磷菌的活力又得到恢复，通过p h b 的氧化代谢产生能量，可超过其 生理需要而从污水中过量得摄取磷，以多聚磷酸盐的形式存贮，从而将磷从液相除去，产生的富 磷污泥，通过剩余污泥系统排出( 图1 1 阎) 。 从能量的观点来看，聚磷菌在厌氧条件下，释放获碍的能量，用于吸收污水中溶解性有机 物，合成p h b ；在好氧条件下，贝啦睁p h b 降解以提供其从污水中摄取磷所需的能量，从而完成 聚磷，整个过程表现为p h b 的合成与分解。 厌氧池好氧池 豢低分子溶解性可生物降解有机物 秒贮存在细胞内的有机颗粒 细胞内聚磷酸盐颗粒 图1 1 生物除磷基本原理 4 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 3 污水生物脱氮除磷的常用工艺 根据生物脱氮除磷的原理，通过微生物在厌氧、缺氧、好氧的协同作用将污水中的氮磷去 除是所有生物脱氮除磷工艺的基本组成部分。常见的有缺氧一好氧( a o ) 生物脱氮工艺( 图 1 2 ) 、厌氧一好氧( a 。o ) 生物除磷工艺( 图1 3 ) 、厌氧一缺氧一好氧( a a o ) 生物 脱氮除磷工艺( 图1 4 ) 以及在此基础上改进的双沟式氧化沟工艺和s b r 工艺等。 进水 进水缺氧池 好氧池二沉池出水 图1 2a o 生物脱氮工艺 进水厌氧池 好氧池二沉池出水 。7 鬯泥笋丫三 污泥回流上 刊 图1 3a n o 生物除磷工艺 厌氧池缺氧池好氧池 二沉池出水 图1 4 a a o 生物脱氮除磷工艺 其中a a o ( a n a e r o b i c a n o x i c o x i c ) 工艺同时具有生物脱氮和除磷功能。该工艺总氮去 除率达7 0 以上，磷的去除率达9 0 左右。a a o 同时脱氮除磷系统内物质变化如图1 5 所示幽。 ( i ) 厌氧段( s p e c t o r 在其专利申请中将“厌氧”定义为污水处理区内基本上没有硝态氮 ( 小于0 3 m g n l ) ，溶解氧( d o ) 浓度低于o 7f 【i g 几；“缺氧7 则定义为污水处理内b o o 的代谢 由硝态氮维持，其初始浓度不低于0 4m g l ，溶解氧浓度低于0 7m g l 1 1 ) 主要进行磷的释放， 西安建筑科技大学硕士学位论文 使污水中磷的浓度升高，溶解性有机物被细胞吸收而使污水中b o d 浓度下降；另外m ，- ni 司细 胞的合成而被去除一部分。 ( 2 ) 缺氧段，反硝化菌利用污水中的有机物作碳源，将回流混合液中带入的大量n o ；- n 和 n 0 2 一- n 还原为n ：而释放至空气，因此p o d s 浓度继续下降，n 哼一n 浓度大幅良下降，而磷的变化 很小。 ( 3 ) 好氧段，有机物被微生物生化降解而继续下降；有机氮被氨化继而被硝化，使n 卜n 浓度显著下降，但随着硝化的进行n o 。- n 的浓度增加，而磷随着聚磷菌的过量摄取，也以较快 的速度下降。 所以，a a o 工艺可以同时完成有机物的去除、脱氮和除磷等多种功能，脱氮的前提是n 一n 应完全硝化，好氧池能完成这一功能。缺氧池则完成脱氮功能。厌氧池和好氧池联合完成除磷 功能。 事实上，对于生物脱氮而言，当污水中的b o d 浓度较高( 即污水中的c n 值较高日寸) ，又有充 分的快速可生物降解有机物时，n 呜一- n 反硝化速率最大，缺氧段的水利停留时间( h r t ) 为0 5 1 o h 即可；如果c n 值很低，则缺氧段h r t 为2 3 h 。由此可见，污水中的c n 值对脱氮效果 影响很大。而对于生物除磷来讲，聚磷菌在厌氧条件下只能利用低分子有机物( v f a ) 进行释磷， 并合成p h b ，如果污水中该类物质的含量较少，聚磷菌则无法正常进行磷的释放，也就不能在好 氧段更多得吸收磷。可见污水中快速可生物降解的溶解性有机物的量对除磷影响很大。 b 。d r o d l 、_ n h 4 - 南 n h 4 n 、b o o 一 夕 乏 n h 4 n 、 、l n o 一3 - n 一 誉! 卜n + 一一一0 一 图1 5a a o 工艺特性曲线 1 4 污水生物脱氮除磷中碳源需求与供应 1 4 1 生物脱氮除磷系统中所需碳源的特性 根据生物脱氮除磷的原理，生物脱氮除磷系统依靠厌氧、缺氧、好氧段的协同作用，最 终将水中的氮磷去除。在脱氮除磷过程中，有机物的含量和性质起着关键陛的作用：( 1 ) 在厌 6 西安建筑科技大学硕士学位论文 氧段，作为好氧菌的聚磷菌，增殖缓慢，竞争能力弱，只能利用贮存的聚磷的水解提供的能量 吸收低分子有机物合成p t t b ，而不能利用和分解大分子有机基质；( 2 ) 在好氧段，聚磷菌降解 贮存的p t t b 以提供其从污水中摄取磷所需的能量，完成聚磷的过程，由此可见，p h b 的合成与 降解，作为种能量的贮存与释放过程，在聚磷菌的摄磷和释磷过程中起着十分重要的作用； ( 3 ) 在缺氧段，异养型兼性反硝化菌利用污水中可降解的有机物作为电子供体，以硝酸盐作为 电子受体，将回流混合液中的硝态氮还原为n 。而释放，从而达到脱氮之目的。 反硝化是由异养型微生物完成的生化反应，它们在溶解氧浓度极低的条件下，以硝酸盐作 电子受体，有机物作电子供体。lg n 0 2 1 l 还原为n 2 时，需要有机物( 以b o d 表示) l 7 1 9 ，1 g n o ，- n 还原为n ：时，需要有胡物( 以b o d 表示) 2 8 6g 。当污水的b o d j t k n 值大于4 6 时， 可以认为碳源充足。而当废水中碳源不足时m ，反硝化i 立程所生成的n ：量将减少，并大量生成 n 2 0 。当有机碳源消耗完后，反硝化菌通过消耗自身的原生质进行内源反硝化： c c h , n o ，+ n o ；_ + 5 c q + n e + n 2 十4 0 k( 1 3 ) 内源反硝化的结果是细胞物质减少，从而反硝化菌数量减少，同时将导致m 的生成。 不同碳源，反硝化速率差别较大。b a r n a r d 研究表明“1 ：利用厌氧发酵产物( b p 撼惠可生物 降解有机物，也称第一类基质) 作反硝化碳源，反硝化速率为5 0 m g l h ；利用不溶或复杂的可 溶陛有机物( 即慢速可生物降解有机物，也称第二类基质) 作碳源，反硝化速率为1 6 m g l h ； 利用微生物的内源代谢产物( 称第三类基质) 作碳源，反硝化速率仅为5 4m g l h 。 生物除磷中聚磷菌的释磷、聚磷也同样受厌氧段中有机基质的含量、种类等的影响。在厌 氧段，聚磷菌只能吸收1 氐分子脂肪酸类物质( 易生物降解有机物) 。 由此可见，水中有机物的含量及性质对生物脱氮除磷影响很大。 1 4 2 生物脱氮除磷系统中的碳源的来源及分析 从污水生物处理的脱氮除磷工艺来看，有机物的来源主要分为如下两大类“： ( 1 ) 内碳源 内碳源是指污水处理系统本身的碳源。它包括三类：第一类是污水中的有机碳( 以b o d 5 计) ， 它是比较理想也是最为经济的碳源，一般认为，当污水中所含的碳( b o d d 、氮比值( 或b o d j t n ( 总氮) ) 3 5 时，即可满足污水生物脱氮除磷的要求，无需外加碳源；第二类是己从原污水 中分离出来的颗粒态慢速降解有机物( 初沉污泥) ，它可被转化为易生物降解有机碳；第三类是 指潘陛污泥微生物死亡或破裂，自溶后释放出来的那部分可以利用的基质。如何充分利用内碳 原是解决生物碳源需求的重要途径。 ( 2 ) 外加碳源 当污水中b o d 以n 值 3 5 时，需要获得最大反硝化速率，则必须另外投加有机碳，外加碳 7 西安建筑科技大学硕士学位论文 源多采用甲醇( c ) 、乙醇等。 1 5 污水生物脱氮除磷系统快速可利用碳源的研究动态 虽然利用污水中的固有碳源进行脱氮除磷是比较理想和经济的方法，然而，通常原污水中 可利用的易生物降解有机碳源远远不足。表1 1 为典型城市污水中有机物的构成情况团。 表1 1典型城市污水有机物的构成 总c 呱 快速可生物降解c o d 。， 1 0 1 5 慢速可生物嘞￥c o b , 4 0 5 0 惰性可溶性c 0 瑰，2 0 3 5 由表可见，城市污水中可利用的易生物降解有机物仅占1 0 1 5 ，而慢速可生物降解有机 物高达4 0 5 0 9 6 。由于反硝化菌利尉幔速可生物降解有机物的速率较小，故要获得较高的脱氮 效率，势必延长水力停留时间，从而造成反应池容积的增加，建设投资较高。由此可见，开发 廉价高效的生物脱氮碳源具有十分重要的意义。 1 5 1 生物碳源 生物碳源是指活性污泥微生物死亡、溶解后释放出来的那部分有机碳【2 j 。细胞的内溶物是 类可被微生物利用的基质，活性污泥中的4 0 5 0 总干物质是以液体高分子存在于细胞中， 由于细菌细胞壁难以破坏，使活性污泥中的这类碳源无法得以利用。因此，如何将这些有机物 释放出来，成为研究的主要课题。目前，主要采用水解、超声波等方法来破坏坚固的细胞壁， 使细胞内溶物得以流出而作为碳源被利用。 利用超声波破坏细胞壁获得碳源的原理是，超声波能产生高频率和高振幅的振荡波，这些 振荡波将自身巨大的能量传入活性污泥中产生空穴作用，把坚固的细胞壁撕裂、击碎，使细胞 内的原生质流出而被利用。这种方法不但能提高脱氮除磷的效率，而且又可以减少剩余污泥量。 1 5 2 初沉污泥碳源 表1 2 为城市污水处理厂初沉污泥中有机物的组成情况h 捌。由表可以看出，初沉污泥中 含有的碳水化合物( 5 0 2 ) 、蛋白质( 2 6 7 ) 、脂肪( 2 0 潞) 均属于慢速可生物降解碳源。如 果将其转化为可利用的易生物降解碳，用于脱氮除磷系统，则可大大加快污水的生物脱氮除磷 效率，同时避免了外加碳源，节约运行费用。 西安建筑科技大学硕士学位论文 表1 2初沉污泥的有机组成( 单位：) 挥发性脂肪酸 1 o 蛋白质 2 67 初沉污泥 脂肪 2 0 o 碳水化合物5 2 3 将初沉污泥中的慢速可生物降解有机物转化为快速可生物降解有机物的途径主要有三种 热解、化学水解、生物水解。 热解是在温度1 5 0 2 0 0 。c ，压力6 2 5 b a r 时，初沉污泥中的有机固体物质的结构被破坏， 从而产生脱氮除磷易于利用的碳源, c 2 1 。热解效率受温度、污泥的类型、水力停留时间、污泥干 固体等因素的影响，通常在热解过程中污泥的量会减少2 0 。 j o h n b a r l i n d i n g 和h a l l v a r d 由d e g a r r d 研究表明 9 t ，温度为1 8 0 ，h r t 为3 0 m i n 时，污 泥转化效率2 8 ；温度为1 6 0 c ，h r t 为3 0 r a i n 时，转化效率为2 6 。热解污泥不仅是转化可利用 有机碳源的一种方法，同时可以获得较好的污泥脱水率。而目对污泥进行高温消毒，剩余的污 泥是不需再经处理的稳定污泥。然而，热水解污泥中v f a 含量较低，而且有部分由非蛋白物 质转化而来( 生物水解污泥v f a 含量较高，v f a 可以直接进入生物膜内供生物使用) 。而蛋白质 和碳水化合物进入生物膜前要进行酶的水解，所以热水解污泥产物 以乎不如生物水解产物。 1 5 22 化学水解 化学水解即对污泥进行湿式氧化 2 1 。k a r l s s o n 报道【1 0 l ，化学水解可以从污泥中产生脱氮所 需的有机物，产物的主要成分是易生物降解有机物。化学水解一般分为两种：一种是下l | 缶界水 氧化( s u b c w o ) ，另一种是超l 临界水氧化( s c w o ) 。下临界水解氧化是在温度低于3 7 4 。c ，2 2 i m p a 条件下，用空气中的旺作为氧化剂，不完全氧化污泥中的有机物( 约8 0 8 5 ) ；超i f 缶界水解 氧化发生在温度高于3 7 4 。c ，直接完全氧化而破坏污泥的有机组成。用s u b c w o 和s c w o 方法处 理初沉污泥，将破坏污泥的有机成分，产生快速可生物降解有机物( 如v f a ) 。这个过程需要将 污泥酸化到p h 为l ，加热到1 5 0 。c 。将液体和固体分离后，再用石灰中和，即可用作脱氮碳源。 化学水解过程中，通过热解和氧化实现分解固体有机物，其处删l 口序是：先热解后氧化。 可以通过改变条件，最大程度得破坏有机物，尽可能得提高产物中v f a 含量，这是化学水解的 优点a 但是化学水解污泥的产物中含有较高的氨，使进水中的氨氮浓度增加2 0 ，据报道只有 将温度升高到超过5 0 0 。c 以后，氨才被氧化。 9 西安建筑科技大学硕士学位论文 f r i e d m a n l ”1 的研究表明在温度为2 3 0 的条件下湿式氧化法将产生易生物降解有机物，但 在温度为2 7 0 的条件下，将产生较多难生物降解有机物。另外，化学水解污泥投资大，运行 费用高。 1 5 2 ，3 生物水解 生物水解实际上为混合菌群的厌氧消化过程的部分，厌氧消化具体过程可表示如下 有机物垄鲤盥有机酸、醇兰鱼兰三! 鳖鸳乙酸兰里! 塑沼气 控制适当的条件，使初沉污泥水解反应最终产物主要为各种有机酸，而这些有机酸洽巧为 快速有机碳潦”。m o s e r 和w il d 等对生物水解初沉污泥进行研究1 6 】，在p h 为6 4 ，职t 为5 d ，温 度为2 0 。c 的操作条件下，水解效率可达1 7 ( 以c o 瞻计) ，水解产物中8 4 是易生物降解的短链 脂肪酸，其中乙酸占3 3 、丙酸占2 8 、丁酸占1 4 、甲基丁酸和戊酸占2 4 。m o s e r 等发现， 温度是水解过程的重要影响因素，2 0 0 时产酸常数要比i o * c 高出3 倍。以溶解性发酵产物为基 质，反硝化速率为r ，为6 o g n o , - - n k g c o d h ，而乙酸和丙酸单独作基质时的反硝化速率分别 为3 8 9 n q 。n k g c o o = h 和l _ 7 9 n o , n k g c o d o ，h 。 k a r l s s o n 等发现i lo j ，在p h 为7 0 ， 阱为l d ，温度为3 w c 的操作条件下，水解效率为2 0 9 6 ( 以 c o d , ，计) ，反硝化速率为7 9 m g n g v s s h 。b r i n c h 等研究得出，在p h 为6 5 ，h r t 为2 3 d ，温 度为2 5 。c 的操作条件下，可获得1 0 1 5 的水解效率，反硝化速率为2 6 m g n g v s s h 。 i t r i s t e n s e n 等报道【7 i ，在p h 为6 8 ，h r t 为1 d ，温度为1 5 的操作条件下，水解效率仅为3 ； 在p h 为6 5 ，h r t 为l d ，温度为3 0 。c 的操作条件下，水解效率为9 9 6 ；在h r t 为2 d ，温度为1 5 的操作条件下，水解效率为8 9 6 ；h r t 为2 d ，温度为3 0 。c 的操作条件下，水解效率为1 3 。以 上水解条件下获得的水解产物的反硝化速率为7 g m g n g v s s h 。比用乙酸作碳源时高出l o 2 0 。h a t z i c o n s t a n t i n o u 掣”，在p h 为6 0 ，f l r t 为2 d ，温度为2 0 的操作条件下，发现水解 效率仅为5 6 ，反硝化速率为9 m g n g v s s h ，比原污水脱氮率高出3 0 9 6 。 从以上研究可以得出：( 1 ) 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， 水解效率般为1 0 1 5 ，水解产物主要是短链脂肪酸，可以作为除磷和脱氮的较好替代碳源； ( 2 ) p h 、温度、h r t 是影响初沉污泥水解的重要因素：( 3 ) 初沉污泥水解产物作碳源比乙酸、 甲醇等单独使用效果好。 综上所述，为了保证较好的脱氮除磷效果，减少投加或不加碳源，初沉污泥经生物水解转 化为快速可生物降解碳源，是产生碳源的一种廉价有效的途径。然而，t 述研究皆由国外所做， 其成果未必适于我国国情。事实上，由于城市污水初沉污泥的组成和性质与城市污水有关，而 1 0 。堡墼型型塞型兰丝銎一 城市污水的组成和性质又受地理环境、城市生活水平、城市工业种类和发展状况等i 因素影响， 因此，有必要对我国城市污水初沉污泥生物水解转倔隋况进行探讨。鉴于此，本论文就西安地 区城市污水初沉污泥的生物水解转化作了一定的研究。 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 1 研究的目的 2 1 1 问题的提出 2 研究的目的、内容和基本思路 城市污水脱氮除磷目前广泛采用生物法。主要的工艺有交替式双沟式氧化沟，t u c ，m l e ， b a r d e n p h o 和s b r 等。尽管这些技术已经比较成熟，然而，其主要由国外开发，在我国的推广 使用中发现了不少问题。其中主要是规划的污水c a q 值较高，而我国城市生活水平较低，实际 污水的c n 值低，有机碳源严重不足。如西安市北石桥污水处理厂设计进水b o d 浓度为 1 8 0 m g l ，实际进水一般为1 0 0 1 2 0m g l 。因此，尽管出水中n h 3 _ _ n 含量很低( 小于5 m g l l ) ， 但氨氮及总磷的去除率仅3 0 4 0 。可见，碳源问题的解决与否关系着脱氮除磷的效率能否 提高。 而从现有的生物脱氮除磷工艺来看，有初沉池的系统( 图2 1 ) ，废水中颗粒态有机物首先 在沉淀池中被除去，完全来用于生物脱氮除磷中，因此，脱氮除磷的效率较低。而国内引进的 生物脱氮除磷工艺，普遍取消了初沉池( 图2 2 ) ，期望利用颗粒态可生物降解物质作为有机碳 源来达到提高污水中有机碳源浓度和c n 值。但大量研究表明，反硝化脱氮菌对颗粒态有机物 ( 即慢速有机碳源) 利用率很低，仅为溶解态和胶态有机物( 快速可利用碳源) 的1 1 0 ( 通常 生物脱氮过程中反硝化菌利用快速有机碳源的速率为2 0 3 0 m gn 0 ，- n g v s s h ，而利用慢速有 机碳源的速率仅为2 3 m g n 鸥一n g v s s h ) ：而聚磷菌只能利用低碳脂肪酸( 即快速有机碳源) ， 根本不能利用颗粒态有机物，因此取消初沉池对生物除磷的作用更小。所以，大部分慢速有机 碳源并非用于脱氮除磷，而是在好氧段被氧化降解，这样，不仅脱氮效率提高有限，而且造成 空气用量增加，运行费用提高。 为此，国外自八十年代以来进行了大量的研究，提出了向污水中投加甲醇( 称为外加碳源) ， 并在工程实践中得到了应用。外加有机碳源反硝化速率快，脱氮效率高，但运营成本也相应地 大幅度提高。进入九十年代后，寻找可替代廉价快速有机碳源，成为污水生物脱氮除磷研究的 热点之一。欧共体己将其列入高科技发展的“尤里卡( e u r e k a ) ”计划，并取得了初步成果，如 采用廉价的水解淀粉作为有机碳源，而我国在此领域的研究目前尚属空白。 2 西安建筑科技大学硕士学位论文 混合液回流 图2 1有初沉池的脱氮除磷工艺流程 混合液回流 图2 2无初沉池的脱氮除磷工艺流程 2 1 2 课题来源 本课题是陕西省教委专项科研计划项目污水生物处理可替代快速有机碳源开发研究。 2 1 3 课题研究的目的及意义 本研究就是对城市污水处理厂初沉污泥这种潜在的碳源进行研究，通过水解酸化将其转化 为快速有机碳源，作为甲醇等外加碳源的替代品来增强生物脱氮除磷过程，从而达到提高污水 脱氮除磷效果和废物利用的双重目的。 2 2 研究的主要内容 本研究主要是探讨城市污水初沉污泥生物水解转化的条件、效率及转化产物的反硝化速率， 具体内容如下： 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 城市污水初沉污泥的组成及特性研究( 成分、粒径和反硝化速率) 2 城市污水初沉污泥的转化条件及效率研究 3 转化产物的组成测定 4 转化产物的利用方式及效率 5 初沉污泥水解前后沉降洼自簖口过滤性能的变化 2 3 本研究的基本思路 通常初沉污泥的处理采用厌氧消化的方法。厌氧消化法是将污泥、高浓度有机废水或废物 投入密闭的消化池，在无氧的条件下将有机物稳定并分解为气体的一种处理方法。 首先是水解发酵阶段：高分子有机物先在细菌胞外酶的作用下水解生成小分子( 简单的) 有机物，以有利于其透过细胞膜。然后小分子有机物在产酸菌的细胞内转化为更简单的化合物。 此阶段的主要产物有挥炭| 蝴旨肪酸( 挥发性腊肪酸包括甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、和己 酸等，其中丙酸、丁酸、戊酸、和己酸是产氢产乙酸菌的基质；而甲酸和乙酸既是发酵细菌和 产氢产乙酸菌的代谢产物，又是产甲烷细菌的基质) 、醇类、乳酸、二氧科：碳、氢气、氨和硫化 氢等。 其次是产氢产乙酸阶段：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。还包括同型产乙酸细菌将产甲烷细菌的一组基质( c 0 2 、n ) 横向转化为乙酸。 复杂有机物 a 产氢产乙酸作用 己酸氢 i 同型产乙酸作用i 产甲烷作用 甲基合成 氢还原 水解发酵细菌 产氢产乙酸细菌 横向转化 同型产乙酸细菌 产甲烷细菌 c q 叱n i t , ，i t ：s a 主要为乙酸，其次甲酸、甲醇、甲胺 b a 以外的其它简单有机物( 主要为丙酸、 设) 图2 3 有机物厌氧消化三阶段图式 1 4 厂 ；一斟 三釜! b 2 4 水解酸化 2 4 1 水解酸化的概念 在污水生物处理中，水解指的是高分子有机物通过水解菌胞外酶的作用而发生液化，其代谢 产物主要是单糖( 碳水化合物的水解产物) 、肽和氨基酸( 蛋白质的水解产物) 以及丙三酸和脂肪 酸( 脂肪的水解产物) 等。酸化则是指水解产物短链脂肪酸的有机化合物渗入微生物( 产酸菌) 的细胞，在内酶的作用下转化为乙酸、丙酸、丁酸、戊酸和己酸等挥发性脂肪酸( v o l a t i l e f a t t y a c i d ，1 a ) 以及地、c 晚和硫化物等。以下是此过程中的一些生化反应： 乙醇的生成：g h n 2 c 2 h 。o h 十2 c 嘎 乳酸的生成：c 6 。舡+2 c h 3 c h o h c o o h c 6 h 。0 6 。c h ，c h o h c o o h 十+ ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 一! 堑鳘墼丝璧墼些兰丝圣一 叫2 0 6 - 2c h h o h c o o h + 3 c h 3 c o o h( 2 ，4 ) 丁酸的生成：c 日 。舡+ c 儿( c h 2 ) 2 c o o h + 2 c 0 z + 2 h z 乙酸的生成：弛+ 2 c 0 。c e c o o h + 2 1 如 丙酸的生成：3 g h 2 0 6 + 4 c 唧0 0 h + c 啊( ) o h + 2 c 0 t 十2 h 2 0 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 3 c 叱c h o h c o o h 一 2 c 黜o o h + c h o o h + c n 十( 2 8 ) 氨基酸分解：3 c e c h 咖 2 ) c o o h 2c h 。c h 2 c o o h + c h 3 c o o h + n 时c o , ( 2 9 ) 4 c h ：( n h ：) c 0 0 i + 2 h 如+c h 3 c o o h + 4 n l 一2 c 晚( 2 i o ) 厌氧处理