（环境工程专业论文）加碱超声污泥减量化中试研究.pdf

中文摘要 剩余污泥的处理是污水生物处理过程中的重要环节，由于末端处理成本高， 源头减量就显得非常重要。本课题组发现在污泥溶胞中，低声能密度的超声波 对碱向污泥的渗透具有很好的促进作用，可实现低成本溶胞，为污泥的源头减 量提供了一条有效的途径。本实验在前期实验室研究的基础上，建立了处理污 水量为4 0 0m 3 d 的c a s 系统的污泥加碱超声波减量化中试工艺。系统每天处 理浓缩污泥2m 3 ，碱的投加量为1 9 7g n a o i - i l 污泥，投加后污泥p h 为11 9 左右。再经过三段串联的2 0k h z ，4 0 0w 的超声处理后，加碱超声处理后污泥 的s c o d 溶出值由2 7 0m g l 增加到2 6 0 0m g l 。加碱超声系统污泥的溶胞率在 l5 左右。液相t n ，氨氮，t p 都有较大幅度的升高。 在水解酸化刚开始的8h 里，污泥的p h 急剧下降，随后下降幅度变小，到 4 0h 以后趋于平缓，水解酸化处于稳定阶段。污泥的b o d c o d 值由水解酸化 前的0 1 7 左右变为水解酸化后的o 2 1 左右，表明水解酸化提高了污泥的可生化 性。同时，水解酸化过程中，氨化反应效果良好。 剩余污泥酸化后重新回流入曝气池进行隐性生长，可以实现污泥的减量。 c a s 体系处理污水4 0 0m 3 d ，排出剩余污泥1 0 6 8m 3 d ( 浓度8 0 9 l ) ，每天 排放污泥8 6 4 0k g s s d 。扣除纪庄子污水厂加泥影响后，实际污泥减量效果为 6 0 2 。 中试实验结果也显示，加碱超声系统释放了很多t n ，t p ，c o d 等物质， 加重了活性污泥处理系统的负担，再加上斜管沉淀池在运行一段时间后处理效 果有所降低，使出水水质有所恶化，但总体而言，系统出水水质基本正常，出 水中的s s ，t n ，t p ，氨氮，c o d ，p h 等各项指标良好，基本能达到国家污水 排放的一级标准。 哭糊：碱超声波剩余污泥 厌氧水解酸化污泥减量 a b s t r a c t t h et r e a t m e n to fs e w a g e s l u d g e i sa ni m p o r t a n tp a r to fb i o l o g i c a lt r e a t m e n t p r o c e s s d u et ot h eh i g hc o s to ft e r m i n a lt r e a t m e n t ，s o u r c er e d u c t i o ni sv e r y i m p o r t a n t o u rr e s e a r c hg r o u pf o u n dt h a ti nt h es l u d g el y s i sp r o c e s s ，l o we n e r g y d e n s i t yo fu l t r a s o u n do nt h ep e n e t r a t i o no fa l k a l it ot h es l u d g eh a sav e r yg o o dr o l e i np r o m o t i n g ，m a i n t a i n i n ga c o s t - l y s i s i tp r o v i d e sa ne f f e c t i v ew a y f o rt h es o u r c eo f t h es l u d g er e d u c t i o n b a s e do np r e v i o u sl a b o r a t o r ys t u d i e s ，w ee s t a b l i s h e das e w a g e t r e a t m e n tc a p a c i t yo f4 0 0m 5 do fc a s s y s t e mw i t ht h ea l k a l iu l t r a s o n i ct e c h n o l o g y t h es y s t e m st r e a t m e n tc a p a c i t yo fc o n c e n t r a t e ds l u d g ei s2m 3 da n da l k a l id o s a g e i s1 9 7gn a o h ls l u d g e t h ep ho fs l u d g ea f t e rt h ea l k a l id o s i n gi sa b o u t11 9 a f t e rt h r e es e c t i o no f2 0h z ，4 0 0wo fu l t r a s o n i ct r e a t m e n t ，t h es l u d g e 。ss c o d d i s s o l u t i o nv a l u ei sr a n g e sf r o m2 7 0m e r l et o2 6 0 0m g la n dt h ei n c r e a s e ss c o di s a b o u t2 3 0 0m g l t h el y s i so fa l k a l i n eu l t r a s o u n ds y s t e mi si nt h er a t eo f15 l i q u i dt n ，a m m o n i an i t r o g e n ，t ph a sag r e a t e rr e l e a s e i nt h ef i r s t8h o u r so fa c i d i f i c a t i o n ，t h ep ho ft h es l u d g ew a sd e c l i n e ds h a r p l ya n d a f t e r4 0h o u r st h i st r e n dl e v e l e do f fi nas t a b l ep h a s eo fa c i d i f i c a t i o n t h es l u d g e s b o d c o dv a l u ec h a n g e df r o m0 17t o0 21a f t e ra c i d i f i c a t i o n i ti n d i c a t e dt h a t a c i d i f i c a t i o ni n c r e a s e dt h eb i o d e g r a d a b i l i t yo fs l u d g e m e a n w h i l e ，t h ea m i n a t i o n r e a c t i o nc o u l dg e ta g o o dr e s u l ti nt h ep r o c e s so fh y d r o l y s i sa n da c i d i f i c a t i o n ， e x c e s ss l u d g er e d u c t i o np r o c e s sb a s e do nt h el y s i sg r o w t hc o u l db er e a l i z e db y r e c y c l i n gt h ea c i d i f i e ds l u d g eb a c kt ot h ea e r a t i o nt a n k t h ec a st r e a t e ds e w a g e 4 0 0m d ，t h ea m o u n to ft h ew h o l es y s t e m ss l u d g ee m i s s i o nw a s10 6 8m 3 d ( t h e c o n c e n t r a t i o ni s8 0 9g l ) d i s c h a r g e ds l u d g e8 6 4 0k g s sad a y n e tp l u ss e w a g e s l u d g eo fj i z h u a n g z i t h ea c t u a le f f e c to fs l u d g er e d u c t i o nw a s6 0 2 t h et e s tr e s u l t sa l s os h o w e dt h a tt h ea l k a l iu l t r a s o u n ds y s t e mr e l e a s e dam o u n t o ft n ，t p , c o da n do t h e rs u b s t a n c e s t h e yi n c r e a s e dt h eb u r d e no na c t i v a t e d s l u d g et r e a t m e n ts y s t e ma n dt o g e t h e rw i t hi n c l i n e dt u b es e d i m e n t a t i o nt a n k si nt h e r u n n i n gf o rs o m et i m ea f t e rt h et r e a t m e n te f f e c td e c r e a s i n g ，t h ee f f l u e n tw a t e r q u a l i t yb e c a m ed e t e r i o r a t e d b u t ，o v e r a l l ，t h ew a t e rq u a l i t yo ft h es y s t e mw a s n o r m a l t h ee f f l u e n tw a t e rq u a l i t yo fa l k a l iu l t r a s o u n ds y s t e m si n c l u d e ss s ，t n ， a m m o n i an i t r o g e n ，p ha n do t h e ri n d i c a t o r sw e r eg o o da n dc o u l dc o m p l yw i t ht h e c l a s sao ft h en a t i o n a ls t a n d a r d sf o re f f l u e n td i s c h a r g el e v e l k e y w o r d s ：a l k a l i ；u l t r a s o n i c ；w a s t e da c t i v a t e ds l u d g e ；a n a e r o b i ch y d r o l y s i s a c i d i f i c a t i o n ；s l u d g er e d u c t i o n 第一章绪论 1 1 污泥特性及处理现状 1 1 1 污泥来源 第一章绪论弟一早殖记 近年来，随着我国经济的快速发展和城市化进程的加快，环境保护工作逐 步深化，城市污水处理厂的数目呈现急剧增加的态势。而污水处理厂多采用生 物处理工艺( 生物膜法和活性污泥法) 【1 。2 1 ，该工艺主要是去除污水中呈胶体和溶 解状态的有机污染物质，有机物从污水中去除的过程实际上是有机底物作为营 养物质被微生物摄取、代谢与利用的过程，该过程的结果是有机物得到去除， 但同时细胞增殖，产生大量的剩余污泥。为了维持系统的稳定运行，要求不断 地补充底物即有机物，同时还需要排除剩余污泥和脱落的生物膜。 在欧美，污泥处理基建费用占污水处理厂总基建费用的比例高达 6 0 7 0 【3 j ，剩余污泥的处理费用占污水厂运行费用的2 5 - 4 0 ，甚至高达 6 0 。在我国污泥处理可占整个污水厂投资及运行费用的2 5 6 5 。污泥处理 己成为城市污水厂所面临的沉重负担。因此，如何合理的解决污泥问题，已是 当前迫切需要解决的环保问题之一。 1 1 2 污泥的定义及组成 污泥是污水处理后的产物，是一种由有机残片细菌菌体、无机颗粒、胶体 等组成的极其复杂的非均质体【4 。污泥的主要特性是含水率高( 可高达9 9 以 上) ，有机物含量高，容易腐化发臭，并且颗粒较细，比重较小，呈胶状液态。 它是介于液体和固体之间的浓稠物，可以用泵运输，但是它很难通过沉降进行 固液分离。 污泥中包括混入生活污水中或工业废水中的泥砂、纤维、动植物残体等固 体颗粒以及其中凝结的絮状物，简单地说，污泥就是污水中的固体部分。污泥 中含有植物生长所需的氮、磷、钾等营养物质以及维持植物正常生长发育的多 种微量元素和能够改良土壤结构的有机物和腐殖质；它所含的有机物和腐殖质 也是一种有价值的有机肥料【5 j ，同时也含有多种病原菌寄生虫卵、重金属及某 些难以降解的有机物。由于污水来源、污水处理工艺及季节的不同，污泥的组 成存在较大的差异。 第一章绪论 1 1 3 污泥的分类 根据污泥从污水中分离的过程，可将其分为如下三判6 j ： ( 1 ) 生污泥，指从沉淀池( 初沉池和二沉池) 分离出来的沉淀物或悬浮物。 ( 2 ) 消化污泥，为生污泥经厌氧消化后得到的污泥。 ( 3 ) 化学污泥，采用化学沉淀法处理污水后产生的沉淀物。 1 1 4 污泥处置的现状和问题 随着我国经济的不断发展，城市污水厂的处理规模、处理程度都在不断扩 大提高，污泥的产生量将会出现急剧快速增长的趋势。表l 一1 是一些发达国家 的污泥处置情况。发达国家资金雄厚、技术条件先进，污泥的处理程度较高。 西欧以填埋为主，而美国、英国则以农用为主，日本以焚烧为主。 表1 1 部分发达国家污泥处置p ，8 1 目前，我国污泥处理处置情况大致为：污泥农用约占4 4 8 、陆地填埋约 占3 1 、其他处置约1 0 5 、尚未处置约1 3 7 【9 】。 1 1 4 1 土地利用 土地利用是目前发达国家处置剩余污泥采用的最广泛的方式之一。由于剩 余污泥中含有大量的有机物和氮、磷、钾等营养物质及植物所必须的各种微量 元素，所以将剩余污泥回用于土地作为植物的肥料，可以实现对剩余污泥进行 充分的资源化利用。污泥土地利用所面临的问题主要有：造成施用了地环境卫 生状况恶化：未经稳定毒害的物质通过食物链转移从而威胁人类的身体健康 【10 l 。因此，欧美国家都对剩余污泥回用土地作出了严格的规定。此外，目前国 内常用的浓缩污泥直接土地利用由于其含水率太高，造成运输量大且管理困难， 给具体操作带来较大的麻烦。尽管如此，污泥农用因为符合自然生态规律仍具 有相当广阔的应用前景。 1 1 4 2 填埋 2 第一章绪论 污泥的填埋一直是剩余污泥处置方法中最经济的一种，它具有投资少、容 量大、见效快的特点。而且对于不能资源化利用的废物，也是目前惟一的最终 处置途径。但是卫生填埋需要占用大量的土地和花费高昂的运输费用，而且填 埋场周围的环境也会恶化。 在许多国家和地区，人们都坚决反对新建填埋场，美国环保局估计今后2 0 年内，将关闭6 5 0 0 个填埋场中5 0 0 0 爪1 1 1 j 。 1 1 4 3 焚烧 焚烧可以使得剩余污泥的体积最小化，是目前污泥处置方法中相对比较安 全的一种，不存在重金属离子的问题。它可以解决其他方法中污泥要占用大量 空间的缺陷，这对于缓解日益紧张的土地资源来说是非常重要的。近年来，由 于采用预干燥工艺和流化床焚烧工艺得到推广，污泥焚烧己基本能够达到热能 自持。采用湿式尾气控制工艺使尾气污染程度明显下降，灰渣可采用卫生填埋 ( 根据浸出物毒性评价) 。但是它所需的费用很高，消耗大，并且存在烟气污染 的问题。 污泥处置存在的问题：( 1 ) 污泥脱水率低，不便运输，且造成干化场占地 面积越来越大。( 2 ) 传统活性污泥处理工艺的结果只有社会效益而没有经济效 益。( 3 ) 堆放在于化场的污泥会产生较大的异味，严重影响城市环境。 1 2 剩余污泥减量化机理 微生物对有机碳的新陈代谢一方面将其转化为c 0 2 ，另一方面将其转化为 生物体【1 2 】。当微生物体中的有机碳也可作为微生物的底物并重复新陈代谢时， 污泥的产量就会减少，因此，微生物基于自身细胞溶解产物的生长方式称为隐 性生长u 3 - 1 5 】。隐性生长包括细胞破解和基质被微生物二次利用两步，其中细胞 的破解为该过程的限速步骤。 从机理上分析，实现表观生长的控制主要通过4 种机理【l6 】：( 1 ) 污泥溶胞 微生物隐性生长，通常采用物理、化学方法或它们相结合的方法使细胞溶解， 然后引起微生物的隐性生长，从而导致污泥产量的减少。( 2 ) 增加污泥的内源 呼吸，延长污泥龄或降低污泥负荷使细菌处在内源呼吸阶段来减少剩余污泥的 产量。( 3 ) 污泥中微生物的代谢解偶联，通过增加分解代谢和合成代谢之间的 能量( a t p ) 差异，使供给微生物合成代谢的能量变得有限，从而减少剩余污 泥的产量。( 4 ) 增强捕食效应，根据生态学原理，食物链越长，能量损失越大， 则产生的生物量也越低。 下面对以上4 种机理深入分析： 第一章绪论 ( 1 ) 污泥溶胞微生物隐性生长 污泥中的微生物溶胞后，细胞内的物质释放到环境中，可以作为异养微生 物的基质，被异养微生物重新利用，而在这一过程中溶胞得到的基质中的一部 分被用来合成新的微生物，而另一部分则被分解代谢利用，变成了能量，最终 以二氧化碳的形式排放，因此通过这一微观过程就可以实现总体上的生物减量。 ( 2 ) 增加污泥的内源呼吸 通过增加污泥停留时间，提高污泥浓度，使相对污泥负荷降低。微生物会 利用一部分能量来维持自身的分解代谢，而用来合成代谢的有机质则减少，这 样也可以有效的实现污泥减量化。 ( 3 ) 污泥中微生物的代谢解偶联 微生物的增殖是由于合成代谢实现的，而合成代谢过程中，除需要基质外， 同时还需要分解代谢过程中产生的a t p 来提供能量。由于某些化学物质可以抑 制a t p 的形成过程，使分解代谢产生的能量大部分转变为热量，从而抑制了合 成代谢，这类化学物质被称为代谢解偶联剂。在活性污泥法处理过程中使用代 谢解偶联剂可以使污泥的合成代谢受到抑制，而其分解代谢的能力基本不受影 响，污水中的有机质被氧化成c 0 2 和水，其中仅有少部分被转化成新细胞。 l o w 17 1 ，c h e n 1 8 1 和s t r a n d 等分别在实验室中研究了1 0 多种代谢解偶联剂的 效果，发现对硝基苯酚( p n p ) ，三氯苯酚( t c p ) 和3 ，3 ，4 ，5 四氯水杨酰苯胺( t c s ) 浓度分别在1 0 0m g l 一，5m g l 1 和0 8m g l 。1 时，污泥产量分别减少了6 2 ， 5 0 和7 8 ，而污水的处理效果仅下降了1 0 1 5 。但是，该方法也存在着一 定的缺陷【2 ，如解偶联剂的加入会使得系统中的微生物结构发生改变，导致污 泥膨胀性能和沉降性能的改变，并且解偶联剂大部分是毒性物质，也需要特别 考虑它们对环境和人体的影响，同时活性污泥中的微生物在长期接触中也可能 会对某一种解偶联剂产生抗性。 ( 4 ) 增强捕食效应 污水为微生物提供了理想的生存和繁殖的环境，在污水中存在由各种微生 物组成的复杂的食物链和生态系统，污水中的溶解性有机污染物为处于不同状 态的细菌类所摄食。比如处于游离状态的细菌被原生动物所捕食；小块絮凝体 上的细菌多被轮虫动物所捕食；而线虫类动物则主要是捕食大块絮凝体上的细 菌。所以，促进捕食细菌的微生物生长，增加活性污泥系统中微生物食物链的 长度，也是减少污泥产量的有效方法【2 1 l 。 r a t s a k 等【2 2 】首先构建两段式生物反应器用来减少剩余污泥的产量，由于在 第二阶段原生和后生动物对细菌具有捕食作用，进入捕食反应器中的碳有 2 2 2 4 经矿化作用后生成c 0 2 ，剩余污泥的产量比单段反应器要少1 2 4 3 ， 第一章绪论 而且原和后生动物生长得越好，剩余污泥的产量就会越少。魏源送等【2 3 利用活 性污泥中可以观察到的最大后生动物寡毛类蠕虫，构建了一种使用于寡毛类蠕 虫生长的独立生物反应器，并用其处理剩余污泥，研究的结果显示蠕虫的生长 有助于污泥减量和改善污泥沉降性能，而且颤蚓的存在和生长可导致更显著的 污泥减量效果，平均污泥减量效果与对照反应器相比提高了5 7 。 1 3 污泥溶胞技术 干燥的剩余污泥中微生物细胞质量分数高达4 0 ，坚固的细胞壁严重影响 污泥的消化速率和效果【2 4 1 。因此，往往需要采用各种技术手段对污泥进行破壁 或溶胞处理。通常的溶胞方法主要包括各种物理、化学、生物溶胞及其相互联 合。 1 3 1 物理溶胞技术 物理溶胞法主要是利用机械剪切力破坏细菌的细胞壁，用以实现污泥细胞 的溶解。包括超声破碎法、热解法、高压喷射法 2 5 - 2 7 等。在此详细介绍一下超 声波破碎法。 1 3 1 1 超声波破碎法 2 0 世纪7 0 年代，国外有学者用超声波来提取细胞壁上的聚合物进而研究 污泥中微生物的表面特性 2 8 】。1 9 9 3 年超声波技术被引入污泥处理研究中【2 9 1 。近 年来，利用超声波技术处理环境中的污染物已经发展成为一个新兴领域，是国 内外专家新近开展的研究课题【3 0 。下面主要阐述超声波在污泥处理方面的研 究。 超声波法是利用超声波产生的超声空化现象，破坏微生物细胞的细胞壁， 使得细胞内的有机质得到释放，从而促进污泥水解以及消化的进行。超声波空 化现象 3 1 - 3 3 】的主要影响有： ( 1 ) 巨大水力剪切力的机械作用【3 4 】： ( 2 ) 挥发性疏水物质的热分解作用； ( 3 ) 自由基反应【3 5 】； ( 4 ) 超声波对细菌产生一种海绵效应【3 6 1 。 以上介绍的是超声波处理污泥原理上的研究。在处理效果的研究方面，国 内外也有诸多报道。德国走在世界各国前面，他们在超声波分解剩余污泥以提 高厌氧消化的能力方面做了大量的研究。 第一章绪论 德国的u w en e i s 3 7 1 实验表明，随着频率增加，细胞降解程度明显下降，最 佳分解时的频率为4 1k h z 。c h i u 等【3 8 】实验结果表明，污泥在2 0k h z ，o 1 2w c m 2 的超声波处理4h 后，基本取代水解过程，从而极大的缩短污泥厌氧发酵时间 并提高了污泥可生化性。也有研究【3 9 1 表明，4 1k h z ，0 1 0w c m 2 的超声波处理 3 0 - 1 2 0m i n ，污泥厌氧发酵时间从2 2 天降到了8 天，比容积消化速率从4 3 7 g v s ( m 3 d ) 上升到了11 6 6g v s ( m 3 d ) ，挥发性有机物的去除率得到提高，沼气 产率也有所上升。这说明，超声波除了改变污泥性质，也能加快微生物生长。 国内的研究相对较晚，曹秀芹等【4 0 】主要研究了超声波处理后剩余污泥性质 的变化，实验发现污泥上清液中的s c o d 、氮、磷等大幅上升，同时胞内释放 的物质具有良好的生化降解性能。薛玉伟等【4 1 】通过实验得出污泥的初始温度、 p h 以及污泥浓度等参数对污泥破解效果起重要作用。曾晓岚等【4 2 】实验结果表 明，适当的低能量超声波辐射可以显著提高污泥的活性。王芬和季民【4 34 4 】研究 发现，在一定声能密度下，s c o d 增加值随时间延长呈现线性增长。但是，在 较高声能密度与较低污泥浓度下，s c o d 增加值随时间延长不再呈线性增长趋 势，增长速度反而减缓。龙腾锐等【4 5 】研究了不同工况下超声波对活性污泥活性 的影响，认为2 8k h z 、2 0w l 、2m i n 的参数组合下超声作用的污泥处理效果 是最理想的。马守贵、许红林等| 4 6 j 对超声波作用促进剩余活性污泥处理进行了 中试研究，研究表明，大功率、长时间的超声波处理有利于促进厌氧消化，达 到污泥减量的目的。 超声波技术具有无污染、能量密度高、分解速度快等特点，与其他方法相 比，具有在短时间内有迅速释放细胞内物质的优势。 1 3 1 2 热解法 热解溶胞方法的机理是随着温度的升高，污泥的水解速率和水解程度都增 大。在高温条件下，微生物机体基本组成物质的蛋白质会变性，细胞质膜的脂 肪受热也会溶解使得膜产生小孔，引起细胞内物质的释放。 1 3 2 化学溶胞技术 化学溶胞是通过化学作用破坏细菌的细胞壁，使污泥细胞溶解，主要可以 分为热处理，酸碱处理和氧化处理法。目前对于热处理的研究中处理的温度范 围为4 0 1 8 0 1 4 7 , 4 8 , 4 9 1 。酸碱处理方法常与热处理方法相结合，通过向污泥中 投加酸碱试剂，加速污泥有机物的水解速率。r o c h e r 5 0 等研究了在化学一热处理 过程中，氢氧化钠最有利于细胞裂解，此外他还发现在p h 为1 0 和温度为6 0 这样较为温和的条件下处理2 0m i n ，污泥会经历瞬时溶解和后续溶解两个阶段， 6 第一章绪论 溶解产物加入到活性污泥中经过4 8h 和3 5 0h 处理后的降解率为7 5 和9 0 ， 污泥产率是常规工艺的3 7 ”1 。但该技术的不足在于需要投加n a o h 和输入能 量以调整系统的p h 值和温度，而复杂的工艺操作和反应设备的腐蚀也是此技 术工业化应用的限制因素。氧化处理则主要是通过向污泥中投加臭氧、氯气等 氧化剂破坏细菌的细胞壁，以实现污泥细胞的溶解，或以空气为氧化剂采用湿 式氧化法，在高温高压的条件下使污泥细胞溶解。臭氧的氧化性极强，其氧化 还原电位仅次于氟，且臭氧分解后的产物是氧气，所以被称为高效的无二次污 染的氧化剂。氯气是一种具有强氧化性的气体，成本比臭氧低，s a b y 5 2 1 等研究 发现，0 0 6 6gc 1 2 ( gm l s s ) 。1 的氯气用量可实现6 5 的污泥减量。但是氯气污 泥溶解产物发生反应会生成有毒的氯化产物如氯代甲烷( t h m s ) ，且处理后的 污泥再返回曝气池后会影响系统对废水中c o d 的去除能力，因此目前该技术 很难实现大规模的应用。 1 3 3 生物溶胞技术 生物溶胞主要是通过培养分泌溶胞酶的微生物，或是投加生化试剂溶解微 生物细胞。其原理主要是通过溶胞酶水解细胞壁，以实现细胞的溶解。其中， 生化试剂则包括溶胞酶等酶制剂以及可以诱导细胞自溶的抗生素。a y o la 5 3 1 向 污泥中添加溶菌酶，结果发现随着溶菌酶量的增加，污泥中蛋白质和多糖浓度 随之降低，表明溶菌酶能有效水解这些高分子物质，提高了污泥的脱水性能和 消化性能。逮矢泰典将自然界普遍存在的粘液细菌接种于浓缩后的剩余污泥 ( 2 0 。0 0 0 3 0 ，0 0 0m g l 一) 中，在2 5 左右好氧培养5 天后，发现接种了粘液 细菌的体系污泥m l v s s 去除率为6 2 ，而空白污泥的m l v s s 去除率仅为 9 8 。但粘液细菌生长缓慢，在连续反应体系中无法长时间保持稳定存在。另 外，在污水处理中投加酶制剂在经济上不太现实【5 4 | 。 1 3 4 组合溶胞技术 1 3 4 1 热碱耦合溶胞技术 高温热处理经常与酸或者碱联合使用，用来对剩余污泥进行减量化的预处 理。强碱对污泥的溶胞效果具有良好的促进作用，然而由于碱的粘性以及溶胞 后物质的传递速度大幅降低，碱只能从污泥表面开始慢慢向污泥细胞内部作用， 从而导致溶胞速率较低。而将热与碱耦合作用使碱与污泥接触后迅速渗入污泥 内部，大大地促进溶胞了速率。张雪英【5 5 】等的研究显示：污泥在p h 值为l o 和 加热温度为6 0 的条件下，处理2 0r a i n 时细胞溶解和生物降解最稳定，污泥 第一章绪论 产率是常规活性污泥法的3 8 4 3 。 1 3 4 2 超声波与碱协同作用 y i n g c h i u 等人【5 6 1 研究了超声波与碱解耦合破解污泥( 来自实验室自行培 养) 效果，并考察了破解后的污泥的产甲烷活性。他们采用两种组合方式处理 污泥。第一种是向污泥中投加1m o l l n a o h 溶液，碱解2 4h 后，再用超声波 处理2 4 0s e c m l ；第二种为用超声波处理投加了lm o l l n a o h 溶液的污泥1 4 4 s e c m l 。结果表明，第一种方式破解后污泥s c o d c o d 为8 9 3 ，第二种方式 破解后s c o d c o d 为7 7 9 。超声与碱耦合作用加强了超声对污泥的破解作用 【5 7 ，5 8 1 1 4 超声波概述 通常把频率为2 0k h z 1 0m h z ，超出人耳听觉上限的声波叫做超声波【5 9 】。 功率超声波一般作为能量输入的一种形式，一般用来清洗、塑料熔接、溶液混 合及强化化学化工过程等；高频和诊断超声波作为一种波动形式，常用于医学 扫描、化学分析以及松弛现象研究。 所谓声化学( s o n o c h e m i s t r y ) 指利用超声波来加速反应或启通新的反应通 道，以提高化学反应产率或获取新的化学反应物1 6 0 , 6 1 。它是声学与化学相互交 叉渗透而形成的一门新兴的边缘学科。 1 4 1 声化学原理 目前对声化学现象的解释主要有两种理论【6 2 】，一是热点理论( h o t s p o t t h e o r y ) ，二是放电理论( e l e c t r i cd i s c h a r g et h e o r y ) 。超声波辐射液体时会产 生超声空化现象，即液体中的微小泡核在超声波作用下被激活，它主要表现为 泡核的振荡、生长、收缩及崩溃等一系列动力学过程。附着在固体杂质、微尘 或容器表面上及细缝中的微气泡或气泡，或因结构不均匀造成液体中抗张强度 减弱的区域中析出的溶解气体等都可以构成这样的微小泡核。热点理论认为超 声空化现象使这些泡核( 即热点) 被绝热压缩而具有高温、高压、寿命短的特 征。这些泡核可被看成具有极端物化环境的微反应器，它们利于反应的进行。 1 4 2 超声空化的原理及其影响因素 当声波在液体中传播时，处于压缩相的液体呈现正压状态，而处于膨胀相 的液体则表现为负压状态。当有足够强度的超声通过液体时，也就是当声波负 第一章绪论 压半周期的声压幅值超过液体内部静压强时，可以使处于膨胀相中液体的分子 间的振动距离大于保持液体作用的临界分子间距，从而把液体撕开，使液体结 构的完整性被破坏，形成很小的气泡或者是微气核( 称为空化核) 。这些空化核 和先前存在于液体中的一些小气泡( 主要是指溶解的气体或者固液边界处存在 的一些大小不一样的小气泡) ，在声波的膨胀相迅速涨大，然后在压缩相又突然 被绝热压缩爆破时，产生局部的高温、高压、冲击波等，释放出大量的能量， 同时，又生成新的微核，这一过程即为超声空化。 主要影响超声空化的因素有超声场( 比如声能密度、频率、声强等) ，液体 介质的性质( 比如蒸汽压、张力、粘度等) ，以及环境因素( 比如压力、温度等) 1 6 3 】 等。空化阈是指在液体中产生空化的最低声强或声压幅值。 1 4 3 声化学反应器类型 1 4 - 3 1 探头式声化学反应器 探头式声化学反应器( 或称为声变幅杆浸入式声化学反应器) 是将发射声 波的探头直接浸入到反应液体中，这种反应器的工作频率通常是在2 0 1 0 0 0k h z 之间。此类反应器可以将超声能量有效地传递到反应的溶液中，因为探头的直 径很小( 一般都是在1 0 3 0m m 左右) ，所以在超声辐射的端面上可以获得较大 的声强( 可以达数百w c m 2 ) ，但是该反应器通常存在着辐射面积太小、探头 很易被腐蚀等缺陷。该反应器也是目前实验室最常用的声化学反应器之一。 1 4 3 2 槽式声化学反应器 槽式声化学反应器主要有超声波清洗槽式和高频槽式声化学反应器两种类 型。超声清洗槽式声化学反应器主要是由一个不锈钢水槽和若干个固定在水槽 底部的超声波换能器所组成，将装有反应液的容器放在清洗槽内接受超声辐射， 该反应器一般所用频率是几十千赫兹，清洗槽内声强很小，一般不会超过5 w c m 2 ，该反应器对有机物的降解效果不好。 1 4 3 3 平行板近场式声处理器( 简称n a p ) 为了提高超声反应器的声强和能量效率，美国l e w i s 公司开发了平行板近 场式声处理器。该系统是由一个矩形的空间所构成，矩形空间的上下为两块平 行的金属板，他门之间相距几厘米，两极板上均镶嵌有磁致伸缩换能器，它们 分别是由两个不同的超声发射源提供能量，产生的两种超声波频率分别为1 6 k h z 和2 0k h z ，处理物从矩形空间的一端进入，另一端流出，当液体流经上下 两块金属板所构成的区域时，就会受到超声波的辐射，矩形空间内的超声声强 9 第一章绪论 则是单一金属板所发射的超声声强的两倍以上。这样，此矩形空间里便构成了 一个超声混响场。这种反应器的特点主要是处理能力大、声强高、声波缩减小 等，可望应用于工业化生产。 1 5 污泥的厌氧水解酸化 1 9 7 9 年，b r y a n t 等人根据微生物生理种群的结构不同，提出了厌氧消化 三阶段理论，它是目前较为公认的理论模型：第一阶段，在水解与发酵细菌的 作用下，使复杂的有机物( 包括碳水化合物、脂肪、蛋白质等) 水解和发酵转化 成为单糖、脂肪酸、氨基酸等：第二阶段，在产氢产乙酸菌的作用下，将第一 阶段的产物转化成二氧化碳、乙酸和氢气；第三阶段，在产甲烷菌的作用下， 将氢气、碳酸、乙酸、甲酸和甲醇等转化为碳酸、甲烷以及新的细胞物质。污 泥的厌氧水解酸化( 包括乙醇、乙酸和大于两个碳原子的脂肪酸) 过程包括三阶 段理论的前两个阶段，而这两个阶段还可以细分为水解阶段和酸化阶段。 1 5 1 污泥水解酸化的机理 1 5 1 1 水解 严格意义上来说水解是指通过加水来分解聚合物为更小的单元的过程，在 本文则是指污泥中的有机大分子基质在胞外被分解为可以被微生物摄取和降解 的小分子物质的过程【6 4 】。经研究，有学者认为可以被区分水解主要有两种类型： 水解由微生物产生的次要有机物质( 微生物正常代谢废物等) ，水解污泥中 己存在的主要有机基质； 6 5 , 6 6 。 1 5 1 2 酸化 通常定义产酸( 发酵) 为一个没有供体和外加电子受体的厌氧产酸的微生物 过程，其中氨基酸和可溶性糖降解成很多较为简单的产物是两个主要过程，但 是长链脂肪酸( l c f a ) 的降解则是一个有外部电子受体的氧化反应。溶解性有机 物被微生物代谢转化为以挥发性脂肪酸( v f a s ) 为主的各种有机酸是这一阶段 的基本特征。v f a s 主要包括了乙酸、丙酸、丁酸和戊酸等短链挥发性脂肪酸， 其中一般乙酸占5 0 、戊酸占8 、丙酸占3 3 、丁酸占9 ，v f a s 是生物除 磷过程中非常有利的基质，对于微生物的高效除磷则是十分必要的1 6 川。 1 5 2 水解酸化细菌及其生化过程 参与水解和酸化阶段的微生物主要包括原生动物、细菌和真菌。原生动物 第一章绪论 主要有纤毛虫、鞭毛虫和变形虫。真菌主要有根霉、毛霉、共头酶、曲霉等。 细菌是完成水解酸化作用的主要微生物，可以称为水解与发酵细菌【1 2 j ；还有一 些专门分解或者合成乙酸的细菌，这里我们可以把它们一起统称为发酵产酸细 菌。这些细菌很多为专性厌氧菌，也有较多的兼性厌氧菌，根据生理代谢功能 的不同大致可以分为以下五类：碳水化合物分解菌；纤维素分解菌；蛋 白质分解菌；产氢气产乙酸菌和同型乙酸菌；脂肪分解菌。 有发酵产酸细菌参与下的污泥水解酸化的生化过程主要有两个方面： ( 1 ) 将大分子的复杂不溶性有机物水解成为小分子的水溶性有机物。水解 作用则是在胞外水解酶的催化作用下完成的，发酵产酸细菌群中只有一部分细 菌种属能够分泌水解酶，而其它的发酵产酸细菌群所吸收利用水解的产物。 ( 2 ) 水解产物被发酵产酸细菌摄入到细胞内，经细胞内的复杂的酶系统的 催化转化，将一部分供能量使用的有机物转化为代谢产物，排进细胞外的水溶 液里，主要产物是乙酸在内的短链脂肪酸。 1 6 本研究的主要目标及内容 在污泥破解回流中为了保证曝气池中生物对二次基质的利用，需要增加曝 气量。在利用生物内源呼吸的污泥减量化工艺中，由于需将生物质最终矿化， 必须提供额外的氧气以氧化生物体。所有这些技术都是促进有机碳的进一步代 谢，使其转化为呼吸产物而不是同化为污泥。在好氧污水处理中通过增加有机 污染物氧化为呼吸产物而使污泥产量下降，将导致总需氧量增加，从而曝气的 动力费用升高。 不论采用何种污泥减量方法，都会对微生物群落造成一定的冲击，从而影 响到污泥的沉降性和脱水性以及出水的水质。另外，由于污泥排放数量的减少 将导致重金属和难降解有机物在污泥中的逐渐积累，从而使得最终所得的污泥 毒性增强且难以处理。这些物质滞留在反应器内，可能会使得生物体中毒而导 致反应器运行失败，废水得不到有效处理。因此在选择污泥源头减量技术时必 须对其效益与费用及可能存在的问题进行全面考虑，不能只是片面强调污泥产 量的下降，甚至以牺牲污水处理为代价实现污泥减量化【6 8 , 6 9 。针对这些问题， 近年来国内外发展了利用污泥溶胞这一方式来对污泥进行减量处理。 目前已有的对于污泥溶胞的研究主要集中在初沉池污泥，本研究则利用加 碱超声技术对剩余污泥进行溶胞，在课题组前期实验室研究的基础上建立了 4 0 0m 3 d 的c a s 系统的污泥加碱超声波减量化中试工艺，探索了剩余污泥减量 化技术与相应的设备设计，为实际应用打下了良好的基础。 第一章绪论 本论文主要研究了以下内容： ( 1 ) 通过测定加碱超声前后污泥的s s 、p h 、t n 、t p 、s b o d 、溶解性化 学需氧量( s c o d ) 等指标的变化来研究加碱超声对污泥溶胞的影响； ( 2 ) 通过测定水解酸化过程中上述各种指标以及挥发性脂肪酸( v f a s ) 的变 化，研究碱与超声波耦合作用对污泥水解酸化的影响； ( 3 ) 将经水解酸化的污泥回流至活性污泥曝气池，使其中的微生物利用酸 化后的污泥作为底物进行隐性生长以实现污泥的减量，研究工艺运行的主要参 数、运行效果以及污泥性状的变化情况； ( 4 ) 系统污泥减量化的效果； ( 5 ) 系统的经济技术成本核算。 第二章实验场地、方法与总体设计 2 1 实验场地 第二章实验场地、方法与总体设计 本实验是在天津市纪庄子污水处理厂研发基地建立的中试装置。在原有s b r 池的基础上改造成传统活性污泥法( c a s ) 系统。 2 2 实验流程及主要设备 2 2 1 实验流程图 图2 1 实验流程图 c a s 产生的大部分剩余污泥经浓缩、加碱超声、后置反应、水解酸化处理 后送回c a s 曝气区，利用曝气区活性污泥将其大部分降解为c 0 2 和水，实现污 泥减量目的。 2 2 2 主要设备 2 2 2 1 好氧池 好氧池采用三廊道系统，长8 1 5m ，宽5m ，有效水深3 6m 。有效体积1 4 6 7 3 m 。 2 2 2 2 二沉池 采用斜管沉淀池，长3m ，宽3 6m ，有效水深3 6m 。 2 2 2 3 浓缩罐 本实验共采用一个浓缩罐，有效容积为3 8 5m 3 ，长和宽分别为1 5 0m ，高 2 5 0m ，超高0 2 0m ，罐底为锥角为6 0 。的锥形。锥底设d n 5 0 放空管和放空阀、 d n 2 0 排泥管及排泥阀。侧壁距罐顶0 2 0m 设d n 5 0 溢流口1 个，侧壁距罐顶 第二章实验场地、方法与总体设计 1 0 3m 、1 2 6m 、1 4 0m 、1 5 0m 处分别设d n 5 0 放水管和放水阀各1 个。 2 2 2 4 污泥储罐 实验中污泥储罐有效容积为2 5m 3 。长、宽、高均为1 5 0m ，超高o 3 0m 。 靠底部侧面设d n 2 0 放空管和放空阀、d n 2 0 排泥管和排泥阀各1 个。罐中安装 搅拌器l 台。 2 2 2 5 加碱混合槽 混合槽中混合液的停留时间设为2m i n ，有效容积为7 0 11 5l ，长宽高规格 为0 1 5m o 1 5m 0 6 2m ，超高0 1 1m 。在底部侧面设d n 2 0 进泥管1 根，其 它侧分别距底部0 3 0 5m 、0 3 5 5r n 、0 5 1 2m 设( p3 0 污泥溢流管及阀门各1 个， 污泥溢流排往后续超声反应槽。距反应器顶部5c m 设q5 碱液入口管、p5 表面 活性剂入口管各1 个。混合槽设置搅拌器1 台。 2 2 2 6 超声反应器 超声波反应器分为三段串联，每段规格为0 6 0m x o 1 4m x 0 1 2 5m 。超声时 间为3 0s 。反应器及超声设施由北京天正通表面工程技术有限公司供货。 2 2 2 7 后置反应器 后置反应器水力停留时间为1 0h ，有效容积为1 5 7m 3 。直径( p1 0m ，高2 0 m ，超高0 2m 。槽内设搅拌器和污泥输送泵各l 台，泵流量为8 5 5 1 0 2 5l h ， 2 4h 连续运行把后置反应器污泥送入后续水解酸化槽。 2 2 2 8 水解酸化槽 酸化槽停留时间为2d ，有效容积4m 3 ，规格为1 4m 1 4m x 2 0m 。共分 为6 个小格，每个小格规格为0 6m 0 6m x 2 0m ，有效深度1 8 5m ，超高0 1 5 m 。反应器设活动盖板，每个小格设置搅拌器l 台。 第1 格上部距池顶0 1 0m 处设p2 0 进泥管1 个，第6 小格上部距池顶0 15m 处设( p2 0 出泥管1 个，污泥以泵送往后续厌氧好氧