（环境工程专业论文）嗜热酶溶解法促进剩余污泥减量的行为研究.pdf

s t e 剩余污泥溶解特征研究及其资源化 摘要 随着城市废水处理量的增加，下水道接管率的提高和活性污泥( a s ) 系统的扩建， 产生大量无法避免的污泥，新生剩余污泥的减量化及资源化的研究成为国际新趋势。根 据生物处理工艺中影响剩余污泥产生的可能途径，将污泥减量技术分为降低细菌合成量 的解偶联技术、增强微生物利用二次基质进行隐性生长的各种溶胞技术，介绍了各种技 术的研究现状，并比较了减量效果和优缺点。基于微生物隐性生长的生物嗜热酶溶解 ( s - t e ) 技术，该技术经济高效、安全，而且能耗低、易于运行控制，结合后续工艺不 仅可以实现污泥的“零排放”，还可同时实现废水的高效生物降解或沼气产能的增加，应 用前景良好。 研究了s t e 预处理对剩余污泥溶解和各化学组分变化的影响。在剩余污泥中接种含 混合嗜热菌的驯化种泥，通过实验运行，考察了不同温度下污泥固体有机物的溶解变化 情况。结果表明，接种嗜热菌相对于不接种试验更促进了污泥悬浮固体的溶解。接种最 适宜的温度为6 5 ，该温度下，5 6 h 内t s s 和v s s 溶解率最大可达3 1 9 4 和4 8 0 4 ，而不 接种条件下最大溶解率仅为1 9 6 9 和2 8 8 2 。微曝气条件下接种后的s c o d 得到累积， 6 5 、7 2 h 时出现s c o d 最大值4 6 9 9 m l ，有利于厌氧消化。由于接种混合嗜热菌促进 了蛋白质的溶解，蛋白质和氨氮含量先升后缓慢降低，说明s t e 过程中蛋白质的溶解和 氨氮浓度的变化均为动态平衡的结果。 本论文研究了含混合嗜热菌的不同种泥处理污泥比例下的污泥中固体有机物溶解 效率的变化，同时监测了在此条件下各个反应器中的酶活性的变化曲线，最后，为了更 好的反映在污泥系统中固体有机物受到嗜热菌种泥影响的程度并对污泥固体有机物溶 解的动力学进行了初步的探讨。实验结果表明，不同种泥处理污泥比例下，对污泥中固 体有机物溶解的促进程度有所不同，且污泥溶解速率也有所不同。当种泥处理污泥比例 为3 时，v s s 溶解率达到最大值6 0 5 。此外，不同种泥处理污泥比例条件下v s s 和t s s 溶解过程在初始阶段( t = 1 2 h ) 都符合一级反应动力学模型。 本文对s t e 污泥溶解受到溶解氧因素的影响也进行了探讨，d o = 1 m g l 为实验条件 下最佳溶解氧浓度，而当d o 浓度增大，v s s 去除率反而降低。分析其可能的原因，也许 是因为单纯的加大曝气量，不仅不能使氧转移效率提高，反而会起到散热的作用，使得 系统温度降低，达不到嗜热菌对温度的要求，从而对v s s 的去除不利。 关键词：剩余污泥减量；嗜热酶溶解( s t e ) ；嗜热菌；胞外酶；蛋白酶 n 硕七学位论文 a b s t r a c t w i t hn l ei i l c r e a s eo f 锄o u n to fm u l l i c i p a lw a s t e w a t e r 锄ds e w e r - l a j dr a t e sa 1 1 d e x p a n s i o no fa c t i v es l u d g e ( a s ) s y s t e m ，“b r i n g sa b o u tl a 瑁e 锄。吼to fs l u d g ea n dg e n e r a t e s an e wi m e m a t i o n a lt e n d e n c yo fs l u d g em i i l i m i z a t i o na n dr e s o u r c eu t i l i z a t i o n a c c o r d i n gt 0 p r o d u c t i o np r i n c i p l eo fe x c e s sa c t i v a t e ds l u d g emb i o l o g i c a lt r e a t m e mp r o c e s s ，t h ep o s s i b l e a p p r o a c h e sf o rs l u d g er e d u c t i o nm a yb eb a s e do n 也e r e 邪p e c t s ：吼c o u p l i n gm e t a b o l i s m ， c 巧p t i cg r o w t he n h a n c e dt h r o u g hc e ul y s i s r e l e v 觚tr e s e a r c hw o r k sw e r er e v i e w e d ，a i 】l d c h a r a c t e r i s t i c so fe a c ht e c l l i l o l o g yw e r ec o m p a r e d c o m p a r e d 、析t ho n l e rs l u d g es o l u b i l i 脚i o n t e c h n o l o g ys u c ha so z o n eo x i d a t i o n ，c l l l o r i n eo x i d a t i o n ，t h e r m a lh y d r o l y s i s ，a c i d ，a l k a l i ， m e c h a i l i c a l ，u l t r a s o i l i ca n de m 【) ，l i l a t i cd i r e c t l yp r e 仃e a _ t i l l e n t ，s o l u b i l i z a t i o nb ym e m o p l l i l i c e n z ) ，m e ( s t e ) b a s e do nm i c r o b i a lc r y p t i cg r o w t hi sm o r ec o s t - e 虢c t i v ea i l ds a f e r 嬲、e l la u s l o w e re n e r g yc o s ta n de a s i e ro p e r a t i o n c o m b i n e d 谢t hm ef 0 1 l o 、i n gp r o c e s s ，s - t en o t0 1 1 1 y c a nr e a l i z es l u d g e ”z e r od i s c h a r g e ”，b u ts i n m h a n e o u s l yr e a l i z eh i 曲e 虢c t i v ew l s t e w a t e r b i o d e 铲a d a t i o no re n h 锄c e m e n to fb i o g a sp r o d u c t i o n t h ei i l f l u e n c eo fs - t e ( s o l u b i l i z a t i o nb yt l l e 肌o l i ce n z ) ，1 1 1 e ) p r e t r e a t m e n to n e x c e s ss l u d g ec h 狮c t 嘶s t i c sa n dc h a i l g e so fc h e m i c a lc o m p o n e n t s 啪si n v e s t i g a t e d t h c d o m e s t i c a t e ds e e ds l u d g ec o n t 撕i l i n gm i x e dt h e m o p t l i l i cb a c t e r i l l i nw 嬲i n o c u l a t e di ne x c e s s s l u d g e ，a i l dt h es 0 1 u b i l i z a t i o no fs o l i do 曙a n j cs u b s t a n c eu 1 1 d e rd i 位r e n tt e m p e r a t ：1 1 r ew 嬲 e x 锄i n e db yw a yo fb a t c ho p e r a t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e m o p l l i l i cb a c t e r i 啪p r o m o t e d t h ed i s s 0 1 u t i o no f s l u d g e ， a l l dt h e o p t i m u mt e m p e r a t u r e f o rm e m o p l l i l i c e m ：y t n e s o l u b i l i z a t i o nw 嬲6 5 ，i i lw m c ht h es o l u m l i z a t i o nr a t eo ft o t a ls u s p e n d e ds o l i d ( t s s ) a i l d v o l a t i l es u s p e n d e ds o l i d s s ) r e a c h e d31 9 4 a i l d4 8 0 4 谢t l l i n5 6 h ，w h i c hw e r e i m p r o v e db y7 5 7 a 1 1 d6 8 7 t h a i lt h a tw n h o u ti n o c u l a t i o n t h em a ) 【i m a ls o l u b l ec h e m i c a l o x y g e nd e m a i l d ( s c o d ) c a nb er e a c h e da t4 6 9 9m g l a t6 5 ，7 2 h ，w l l i c hw o u l db e b e n e f l c i a lt ot h e 如n h e ra n a e r o b i cd i g e s t i o np r o c e s s o na c c o u n to ft h ei n o c u l a t i o no f1 1 1 i x e d m e 咖叩h i l i ca c c e l e r a t i n gd i s s o l v eo fp r o t e i i l ，t l l ep r o t e i na i l da i i l i i l o m ac o n c e 蛐r a t i o nr a i s ea l o ta i l dt 1 1 e nf a l ls l o w n e s s ，w i l i c hm a ：k eo u tt h a th o m e o s t a s i so fp r o t e i nd i s s o l v i n ga i l d a m m o i l i ac o l l c e i 灯a t i o n sw a se x i s t si ns - t ep r o c e s s 1 1 1 ei n n u e n c eo fd i 虢r e md s 腰s ( d s ：d i g e s t e ds l u d g e ；f s ：f e e ds l u d g e ) r a t i ow a u sa l s o i n v e s t i g a t e di nt h j ss t l l d y t h ei m p a c to fm er a t i o nw a se v a l u a t e dw 瓶r e s p e c tt oi t sc a p a b i l 蚵 f o rr e m o v a lo ft h et o t a ls u s p e n d e ds o l i d s ( t s s ) a n dv o l a t i l es u s p e n d e ds o l i d s ( v s s ) 7 n l e d s f sr a t i o3r e s u l t si nt h em a x i m u mv s s6 0 5 t h ei n c r e a s eo ft l l ed s f sr a t i o 硒s o c i a t e d 、i t hi r l c r e a s e di i lv s sa n dt s sd e s t r u c t i o n ，r e s p e c t i v e l y t h ep r o t e a s ea c t i v i 够w a sc a c u l a t e d i s t e 剩余污泥溶解特征研究及其资源化 t os u g g e s tt h ea b i l i t yo ft h e m o p h i l i cb a c t e r i a i nt h es l u d g et r e 釉e mt od e 伊a d a t i o no f o 娼a i l i cs o l i d s a s s u m i n gp s e u d o - f i r s t - o r d e rh n e t i c s ，i tw a ss h o w nm a tw l l i l eo 略a m cs o l i d d e s t r u c t i o nr a t ec o n s t a n t s 内a r ei n v e r s e l yr e l a t e dt od s f sr a t i o 1 1 1 ee 髓c to ft h ed i s s o l v eo fd i s s o l v e d0 x y g e n ( d o ) o nt h ee x c e s ss l u d g es o l u b i l i z a t i o n b yt h es - t et e c h n o l o g yi ss t u d i e di nt 1 1 i sp 印e r t h eo p t i m i c a ld oi s 1m g lf o rt h es l u d g e s o l u b i l i z a t i o ni nm ee x p e t i m e n t a n dt h er e m o v a lr a t eo ft h ev s si sd e c r e 嬲ew h e nt l l ed o i n c r e a s e d t h em o s tc a p a b l e 陀a s o nf o r “si s ，t h es i m p l yi n c r e a s eo ft h ea e r a t i o n ，n o to i l l y c a nn o ti m p r o v et h ee x c h a 玛eo ft h ed i s s o l v e do x y g e n ( d o ) ，b u ta j s op u s ht h eh e a ti n t ot h ea i r t l l i sp r o c e s sl e a d st oad e c r e 嬲eo ft h et e m p e r a t u r e t h u s ，t h et e m p e r a t u r ec a i l tm e e tt l l en e e d o ft 1 1 et h e r m o p h i l i cb a c t e r i a 孤da sar e s u l to ft h es o l i d ss o l u t i o nr a t ed e c r e a s e k e yw o r d s ：d e c r e a s eo fe x c e s ss l u d g e ；s o l u b i l i z a t i o nb yt h e r m o p h i u ce n z y m e ( s t e ) ； t h e r m o p h i l i cb a c t e r i a ；e x t r a c e u u l a re n 巧m e ；p r o t e a s e i v 嗜热酶溶解法促进剩余污泥减量的行为研究 插图索引 图1 1 剩余污泥减量化技术分类7 图1 2 分解代谢与合成代谢的关系一9 图1 3 污泥有机质的分解1 6 图1 4s t e 减量系统流程图l8 图2 1s t e 污泥溶解反应器2 2 图2 2 各种温度下v s s 溶解率的变化3 0 图2 3 各种温度下t s s 溶解率的变化3 1 图2 4 各种温度下蛋白质的变化3 2 图2 5 各种温度下氨氮的变化3 2 图2 6 各种温度下s c o d 的变化3 4 图2 7 各种条件下碱度的变化3 5 图2 8 各种条件下p h 的变化3 5 图3 1 不同d s f s 比例下固形有机物溶解率变化4 4 图3 2 不同d s f s 比例下v s s 溶解效率趋势图4 5 图3 3 不同d s f s 比例下t s s 溶解效率趋势图4 5 图3 4 不同d s f s 比例下蛋白酶活性的变化4 6 图3 5l n ( v s s v s s o ) 一t 回归曲线4 8 图3 6l n ( t s s t s s o ) 一t 回归曲线4 9 图4 1 不同d o 值下v s s 浓度随溶解时间的变化5 5 图4 2 不同d o 下v s s 溶解率变化5 5 图4 3 不同曝气条件下的线性拟合曲线5 6 图4 4 不同溶解氧条件下s c o d 变化5 7 图4 5 不同溶解氧条件下t c o d 变化5 8 v i i i 硕一仁学位论文 附表索引 表1 1 细胞在生命循环各阶段对基质的利用情况1 4 表1 2 污泥中有机物质的组成1 5 表2 1 实验仪器2 3 表2 2 实验污泥特性。2 3 表2 3 实验所用培养基种类及配比一2 4 表2 4 实验所用主要药品2 5 表2 6 含混合嗜热菌的驯化种泥特性2 9 表3 1 含混合嗜热菌的驯化种泥特性3 9 表3 2 各反应器d s 佰s 比例4 1 表3 3 污泥溶解中主要固形物质的变化一4 3 表3 4 不同d s f s 比例对溶解速率常数霓的影响一5 0 表4 1 剩余污泥与a t 污泥重要特征参数8 5 3 表4 2 不同溶解氧曝气量的方案设计5 4 表4 3 不同溶解氧下p h 值5 9 l x 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，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后果由本人承担。 作者签名：群鹋吼客年年月；。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密回。 ( 请在以上相应方框内打、”) 作者签名：走甄缸匆日期：7 9 口g 年( 月如日 刷币岛叼醐劫萨秽妒 硕士学位论文 1 1我国污泥概况 第1 章绪论 1 1 1我国污泥产量发展状况 随着我国国民经济的发展和城市的现代化建设、城市环境和生态平衡的要求， 城市污水处理厂的兴建与运行管理已经成为现代化城市建设不可分割的重要部 分。与过去仅仅作为污水处理的一个单元不同，污泥处置现已发展成为在污水处 理厂设计、运行中不得不优先考虑的重要环节。据统计，目前我国污水年排放量 已经达到5 2 5 亿吨，二级处理率达到1 5 ，污泥产生量大约为1 9 0 0 万t a 左右 ( 按含水率9 7 计算) ，如进行深度处理，污泥量还可能会增加o 5 _ 1 0 倍。而 根据我国污水处理的建设规划，到2 0 1 0 年污泥年产量将增加到现在的5 倍【2 1 。今 后几年我国的污水处理厂污泥产量将会有大幅度的上升，主要有以下几方面的原 因： 1 污水量的增加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，相应的污水处理厂亦随之增加。据统计，截至2 0 0 5 年，全国污水处 理厂的数量己由1 9 9 5 年的1 4 1 座增至7 9 2 座。随着污水处理能力的迅速增加，污 泥产量将会成倍地增长。 2 污水处理率提高2 0 0 5 年我国城市污水集中处理率为3 9 3 6 ，根据国家 环境保护十一五规划，到2 0 1 0 年所有城市都要建立污水处理设施，城市污水处理 率不低于7 0 。 3 处理标准提高，处理功能拓展随着我国排放标准日趋严格及污水处理功 能的拓展，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1 3 。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3 0 以上1 3 】。 污水污泥成分复杂，它是由多种微生物形成的菌胶团与其吸附的有机物和无 机物组成的集合体。污泥中除含有大量的水分外，还含有难降解的有机物、重金 属和盐类，以及病原微生物和寄生虫卵等。如处理不当就进入环境，会对周围环 境造成严重的二次污染。因此，如何将产量大、成分复杂的污泥，经过科学处理 后，使其减量化，已成为我国乃至全世界环境界广泛关注的课题之一。 嗜热酶溶解法促进剩余污泥减量的行为研究 1 1 2 我国污泥处理处置的现状与常用方法 1 1 2 1 我国污泥处理处置现状 在我国，污泥处理费用约占污水处理厂总运行费用的2 5 4 0 ，有时甚至高 达6 0 f 4 1 ，投资占污水处理厂总投资的3 0 4 0 。目前我国污泥处理处置技术还 处于起步阶段，成熟技术不多，于是造成了长期以来，我国存在着重废水处理， 轻污泥处理的倾向。在我国已建成的污水处理厂中，9 0 以上没有污泥处理的配 套设施；污水处理厂中污泥未经任何处理直接农用的约占6 0 以上，及时在设有 消化池的污水处理厂，消化后的污泥也只是稍加脱水就直接农用或填埋，并未作 任何无害化处理。许多城市仍采取沟底露天堆放的方法处理污泥，带来严重的环 境污染，使得城市的污水虽然得到了治理，但富集了污染物的污泥却无人治理， 污水处理工作由此变得毫无意义。也有一些地方，由于污泥处理装置投资运行费 用高，污水处理厂在建设中将污泥处理部分放在二期工程实施，但由于资金、人 员及技术等多方面的原因，一期工程完成并运行许多年后，二期工程还得不到落 实。在这些情况下，污泥不得不直接排放，造成了二次污染。尽管国家在投资有 限的情况下花费了大量人力、物力和财力处理了污水，但由于污泥得不到充分有 效的控制，造成了新的环境污染。所以，对污泥的处理工作必须受到充分的重视。 1 1 2 2 污泥处理处置常用方法 目前，我国常用的污泥处理技术包括：浓缩、消化、脱水、前处理、干燥和 焚烧等。 ( 1 ) 污泥浓缩 污泥浓缩主要目的是降低污泥的含水率、污泥的体积，从而降低后续处理设 施的基本费用和运行费用。产于二沉池之后的污泥含水率为9 7 9 9 ，必须经过 浓缩处理，才能减少污泥中的空隙水，达到减容的目的，经过浓缩以后，可使污 泥含水率降低到9 4 9 5 ，污泥的体积可以缩小到原来的l 4 左右，但此时的污 泥仍处于可流动状态。常用浓缩法有重力浓缩、气浮浓缩和离心浓缩。由于我国 经济状态和资金短缺，而且污泥中有机物含量低，所以重力浓缩法被国内广泛采 用。 ( 2 ) 污泥调质 城市污水处理厂污泥中的固体物质主要是亲水性带负电的胶体微粒一一腐殖 质，其颗粒大小不均匀且很细小，结构复杂，比阻值大，脱水性能差。如不经过 化学或物理调质将不利于脱水。常用的调质方法有投加有机或无机化学药剂；淘 洗法；热调质处理、生物絮凝调质等。从近几年国内外发展趋势看，有机调理法 如投加高聚合度的聚丙烯酞胺系列应用较多。 2 硕j 仁学位论文 ( 3 ) 污泥脱水 污泥经过浓缩处理后，其含水率为9 5 左右，仍为易腐败发臭的流动液体， 不利于运输和处理，故需进一步脱水至含水率降至7 0 8 0 左右。污泥脱水后，其 容积大大减少，利于污泥的后续处置和利用。污泥的脱水技术分为自然干燥和机 械脱水。自然干燥是利用蒸发和脱水而使污泥在自然条件下干化，适用于气候干 燥，用地条件好以及环境卫生条件允许的地区。机械脱水一般有转筒离心机、板 框压滤机、带式压滤机和真空过滤机。 ( 4 ) 污泥干化 污泥含水率是决定污泥处置方法的关键因素，降低污泥的含水率是解决污泥 处理的关键问题。而干化即是一种为进一步降低污泥含水率的技术。 国内目前的干化方法大致可以分为使用燃烧烟气直接干化和使用蒸汽或热油 等热媒体间接干化两种。直接干化因温度较高，易造成恶臭。间接干化法加热温 度一般低于1 2 0 ，污泥中的有机物不易分解，能大大改善生产环境。 ( 5 ) 污泥消化 污泥消化包括厌氧消化和好氧消化。厌氧消化是在无游离氧的条件下，利用 兼性及专性厌氧细菌降解有机污染物，分解的主要产物为甲烷、二氧化碳和水， 经消化后，多数可降解的有机物被分解、稳定。好氧消化则是在不投加其他底物 的条件下，对污泥进行较长时间的曝气，使污泥中微生物处于内源呼吸阶段进行 自身氧化，并以此获得能量的污泥处理方法。 一城市污泥处置的途径很多，因国家的情况不同而有很大的差异，根据污泥 的最终去向可分为污泥利用和污泥无害化。在许多情况下两者是联合使用的。污 泥利用包括农用、低温热解制油、作为动物饲料、提取蛋白质、制水泥、制吸附 剂等：污泥无害化处置有焚烧、填埋。目前，世界范围内常用的污泥处置方法是农 用、焚烧、低温热解和填埋。堆肥处理、水体消纳、卫生填埋、焚烧处理和土地 利用是包括我国在内的许多国家常用的方法。 1 1 3我国污泥处理处置存在的问题 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普遍 存在着以下的问题： 1 污泥处理率低，处理技术、设备落后。 我国很多城市未把污泥的处理作为污水厂的必要组成部分，许多污水处理厂 根本没有建污泥处理系统，造成我国城市污水污泥处理率很低。同时，当前我国 有些污水处理厂所采用的污泥处理技术已经是发达国家所摒弃的技术，且有些污 泥处理技术根本不合乎我国的污水污泥特性，对所采用的技术缺乏必要的调查研 嗜热酶溶解法促进剩余污泥减量的行为研究 究；污泥处理设备也比较落后。从发达国家直接进口设备也会相应的提高处理费 用，限制我国污泥处理技术的提高和发展。同时 2 随着国民经济发展，污泥处理难度增加。 由于大量工业废水超标排放、农业排水及雨水径流等面源污染的问题使得污 泥成分日益复杂，污泥存在大量人工合成难生物降解的有机物、重金属、病原微 生物等，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，形成新公害。 3 污泥处理处置基建投资大，运行费用高。 污泥处理费用约占污水处理厂总运行费用的2 5 4 0 ，有时甚至高达6 0 ， 投资占污水处理厂总投资的3 0 4 0 。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。 4 大量小型污水处理厂站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、就近修建大量小型污水 处理厂站，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 污水处理厂站污泥问题亟待解决。 污泥处理处置的各种问题使人们更加关注于能减少污泥产量的生物处理工 艺。因此，污泥减量化的研究受到各国学者的重视，这也符合绿色生产方案中关 于废物处理的原则，即按照减量化、资源化、无害化顺序考虑。污泥减量化研究 成为国内外污泥处理处置方法的新研究方向。 1 2 污泥的性质 污水厂污泥的来源和形成过程十分复杂，不同来源的污泥，其物理、化学和 微生物学特性存在差异。 1 2 1污泥的物理性质 城市污水处理厂污泥主要来自初沉池污泥和剩余活性污泥，其含水率一般都 很大，高达9 5 9 9 ，相对密度接近于1 。初沉池污泥正常情况下为棕褐色，发 生腐败后变为灰黑色，含固率约为2 4 ，固体物质以有机物为主，约占 5 5 7 0 ，容易腐化发臭；剩余活性污泥为絮状黄褐色，含固率约为o 5 0 8 ， 固体物质基本是生物残体。因含多种有机化合物，污泥常散发臭味。液体污泥的 物理性质与水极为相近，通常是牛顿流体，即在层流状态下，压力的减少与速度 和黏度成比例。此外，因污泥中含有有机物质，因此污泥还具有燃料价值。在一 4 硕七学位论文 定含水率下，具有自持燃烧( 不需要添加辅助燃料) 及将干污泥用作能源的可能。 1 2 2 污泥的化学性质 污泥的化学构成可以从以下几个方面分析： 1 ) 污泥中含有n 、k 、p 、s 等植物营养元素以剩余活性污泥为例，t n 含量 可达2 8 3 1 ；p 2 0 5 含量达1 0 2 o ；k 含量为0 1 1 0 8 嘣”。 2 ) 富含有机物质污泥中的有机物质主要包括由长链分子构成的蛋白质、碳 水化合物和脂肪等；此外，污泥中含有可生物利用有机成分包括多糖，如纤维素、 脂肪、树脂、有机氮、硫和磷化合物等。 3 ) 含有微量营养物质污泥中包含微量营养物质如铁、锌、铜、镁、硼、钠、 矾和氯等，可供植物生长少量需要，但过量时会产生毒性作用。 4 ) 含有重金属等污染物质污泥中常含有砷、镉、铬、铜、铅、汞、钼、镍 和锌等重金属。这些物质的过量存在会严重影响动植物的生长及人类健康。 1 2 3污泥的微生物学性质 污泥中包含多种微生物群体，这些微生物群体在污泥的处理和实际利用中起 到双重作用，既有有益的作用，也有有害的作用。通常污泥中的微生物体可分类 为细菌、放线菌、病毒、寄生虫、原生动物、轮虫和真菌。例如，初沉污泥、二 沉污泥和混合污泥中就含有大量的大肠杆菌、粪链球菌、噬菌体、沙门氏菌、青 绿色假单胞菌及肠道病毒1 6 l 。大多数废水处理工艺将污水的致病微生物去除后， 将其转移到污泥中来。 未经处理的污泥排放或直接农用会将微生物和病毒的污染传播给农作物以及 地表和地下水。污水处理厂、污泥处理设施、污泥堆肥、污泥土地填埋和污泥土 地利用等如果操作不当，都极有可能产生大气和工农业产品的致病体污染。污泥 资源利用和处置之前的有效处理对于防止致病体带来的疾病是非常重要和必要 的。 1 3剩余污泥减量化技术现状 1 3 1污泥减量化的研究背景及理论基础 传统的污泥处理是以污水处理系统中排出的污水污泥为对象，采用浓缩、调 质、脱水、干化等处理方法，降低污泥含水量、减小其体积，实现污泥减容化。 处理后的干化污泥一般进行卫生填埋、焚烧等直接处置方法或用做有机肥料、制 作建筑材料和活性炭等，从而实现污泥的资源化利用。但是，现有的污泥处理技 术成本都较高，主要适合大型污水处理厂。随着城市污水处理普及率的提高，中 5 嗜热酶溶解法促进剩余污泥减量的行为研究 小城市处理厂产生的剩余污泥量逐渐增多。污泥处理规模愈小，单位处理量的投 资愈高。因此，从技术和经济两个方面考虑，中小城市污水处理厂污泥的处理将 成为一个新的问题。剩余污泥减量化或无剩余污泥技术正是在这样的背景下研究 开发的。 剩余污泥减量化是2 0 世纪9 0 年代提出的对污泥处理处置的新概念，是在对 剩余污泥资源化基础上进一步提出的要求。污泥的减量化与减容化有本质的区别， 减容化是通过降低污泥的含水率来缩小污泥的体积，而污泥中的生物体量几乎得 不到减少。剩余污泥减量化是通过物理、化学、生物等手段，主要依靠降低微生 物产率以及利用微生物自身内源呼吸进行氧化分解，使污水处理设施向外排放的 生物量达到最小，是从根本上、实质上减少污泥量。 近年来，研究者们在原有技术基础上开发了很多新的剩余污泥减量化技术。 运用这些方法处理污水可以达到减少剩余污泥产量或不产生剩余污泥的目的。目 前已有的技术包括在污水处理系统中添加解偶联剂一直微生物合成的解偶联法、 在污泥回流系统中设置反应器，污泥经处理后回流以提高其可生物降解性的臭氧 氧化法、超声波法及嗜热菌溶解法等。 在活性污泥微生物的代谢作用下，污水中的有机污染物得到讲解、去除，与 此同步产生的则是活性污泥微生物本身的增殖和随之而来的活性污泥的增长。活 性污泥微生物的增殖是微生物合成反应和内源代谢两项生理活动的综合作用的结 果【7 1 。 目前开发的剩余污泥减量化技术大多是以减少污水处理系统内微生物的净增 殖量为核心的，现有技术或研究方向的作用机理大致有以下几种： 一、基于细胞溶解( 或分解) 隐性生长的污泥减量技术 先对剩余污泥进行 机械、化学、热化学、生物氧化，破碎分解污泥絮体，溶解微生物细胞，使剩余 污泥中颗粒态c o d 转变为溶解态c o d ，同时使细胞内的有机质释放出来，提高 剩余污泥的可生物降解性，促进污水处理中细胞的隐性生长，从而减少污泥产率。 而所谓的隐性生长是指当生物细胞溶解时，生物体中的有机碳也作为微生物的生 长底物参与新陈代谢过程，从而使污水处理过程中总的产泥量减少，这种微生物 基于自身细胞溶解产物的生长方式成为隐形生长【s 】( c 拶p t i cg r o 叭h 或 d e a t h r e g e n e r a t i o n ) 。 二、增加系统中细菌捕食者的数量，利用微型动物来模拟自然生态系统中的 食物链原理进行的污泥减量化技术。 三、在b o d 去除率不变的情况下，降低污泥产率，如填加腐殖土或其它填 料的腐殖活性污泥法以及向污水处理系统中添加解偶联剂等。 四、基于其他作用机理的方法如通过提高生化反应池内混合液浓度或增加 活性污泥浓度，减少剩余污泥量。 6 硕士学位论文 图1 1 表示目前剩余污泥减量化技术的分类。 剩余污泥 减量化技术 降低污泥转换率一- 腐殖活性污泥法 l 解偶联法 提高自身氧化率 丁延时曝气活性污泥法 l 氧化沟 一泥：粤胞_ 黛冀法 的隐形生长 l l 酸碱法 l 卜超声波破解法 l 卜热水解法 l l 嗜热菌溶解法 利用原生动物捕 食的活性污泥法 增加活性污泥浓度膜分离活性污泥法 图1 1 剩余污泥减量化技术分类 f i g u r e1 1c l a s s i f i c a t i o no fs l u d g er e d u c t i o nt e c h n o l o g i e s 1 3 2污泥减量化处理技术及应用 1 3 2 1腐殖质活性污泥法 腐殖质活性污泥法是在曝气池或一部分回流污泥中添加腐殖土等填料，污泥 与填料充分接触后回流，以减少剩余污泥产量的污水处理方法。其中对减少剩余 污泥减量起主要作用的是腐殖土反应器以及其中填充的腐殖土填料。 一、工艺流程 腐殖活性污泥法的基本工艺流程为：浓缩池内的污泥一部分直接进入后续的 污泥处理系统；另一部分经腐殖土反应器处理后，进入污泥回流系统，与二沉池 污泥一起流入曝气池。 由于设置腐殖土反应器，活性污泥生物相发生了改变，污泥产率降低，污水 处理系统产生的剩余污泥量减少，而且污泥脱水性能有所提高；同时污水处理效 果也有提高，尤其是n 、p 的去除效果要比一般的污水处理工艺高。此外，该处 理方法的另一个显著的优点是可以降低污水处理构筑物种臭气的产量或不产生臭 气，避免了对大气环境的污染。 二、技术应用 腐殖土活性污泥法在2 0 世纪9 0 年代就已经在日本被应用到污水处理厂中。 7 嗜热酶溶解法促进剩余污泥减量的行为研究 日本松本市岛内住宅小区污水净化站、山之内水质净化中心、鸟栖市饭田地区和 永吉地区农田排水处理站以及长崎市小江原污水处理厂【9 1 l 】等均是其典型的应用 实例。 其中，松本市污水净化站运行采用增设了腐殖土反应器的延时曝气活性污泥 法工艺，该套工艺出水水质好，n 、p 出除率分别达到6 3 、9 3 ；剩余污泥产率 降低，产泥率仅有传统活性污泥法的1 7 ，污泥比阻为传统活性污泥法的1 7 0 ， 污泥脱水性能提高，且无需进行化学调质。山之内水质净化中心采用的是增设了 腐殖土反应器的普通活性污泥法处理工艺。该净化中心污水处理效果优于普通活 性污泥法，氮磷、脱氮率及除磷率都可达7 0 以上。普通活性污泥法污泥滤饼易 产生恶臭，但该净化中心产生的污泥不产生臭气，且污泥中营养物质含量较高， 可用作土壤改良剂。脱水后的滤饼，全部用于农用。其他几座污水处理厂( 净化 站) 的相关运行数据均表明，采用腐殖活性污泥法处理污水，不仅可以提高污水 处理效果，且污泥产率降低；剩余污泥产量明显减少；产生的污泥脱水性较好； 污泥比阻与经过化学调质等处理的污泥比阻基本相同。经干化后的该剩余污泥重 金属等有毒物质含量很少，是优良的土壤改良剂。 但已报道的采用本方法的均是小规模处理厂( 站) ，大规模应用的可行性有待 继续研究探讨。 1 3 2 2 解偶联剩余污泥减量技术 一、解偶联代谢机理 代谢是生物化学转化的总称，分为分解代谢和合成代谢。微生物学家认为，细 胞产量和分解代谢产生的能量直接相关，但在某些条件下，如存在质子载体、重 金属、异常温度和好氧一厌氧交替循环时，呼吸超过了a t p 产量，即分解代谢和 合成代谢解偶联【1 2 。14 1 。被称为“生物体内的流通货币 的a t p 不仅是能量的传递 体，同时也是磷酸基团的载体。因而成为分解代谢和合成代谢之间偶联的关键纽 带。1 9 6 7 年p m i t c h e l l 提出化学渗透偶联说【1 5j ，表明底物作为电子供体，经过一 系列的电子传递过程，造成内膜的细胞质侧和基质侧质子浓度梯度，这种质子浓 度的跨膜梯度积蓄了电子传递过程所释放的能量，成为a d p 和无机磷酸合成a t p 的推动力。实际上，解偶联是从能量上对细菌的合成进行抑制，使细菌氧化底物 所获得的能量不用于合成细胞本身，即a t p 不随底物被氧化的同时大量合成或者 合成以后迅速由其它途径释放而不是用于细胞的合成。正常情况下，生物的分解 代谢和合成代谢是胰苷三磷酸( a t p ) 和胰苷二磷酸( a d p ) 之间的转化联系在 一起的( 见图1 2 ) ，即分解一定的底物，将有一定比例的生物体合成。但在特殊 情况下，底物被氧化的同时a t p 不大量合成或者合成以后迅速由其它途径释放。 总体上使得细菌的分解代谢和合成代谢不再由a t p 的合成与分解反应偶联在一 起，这样细菌在保持正常的分解底物的同时，自身合成速度减慢，表观产率系数 8 硕：e 学位论文 降低【1 6 】，从而达到减少剩余污泥产量的目的，这种现象成为解偶联现象 ( u n c o u p l e dg r o 、 r t h ) 。 r u s s e l 和c o o k 对解偶联的定义是：化学渗透氧化磷酸化作用不能产生以a t p 为形式的最大理论能量，即解偶联的氧化磷酸化作用【1 7 1 。这表明a t p 在分解代谢 中的产生速率大于其在合成代谢中的消耗速率，这样便会减少生物体的产生量。 s t o u t h a m 【1 8 】报道以下几种情况将导致解偶联代谢：( 1 ) 存在抑制性化合物；( 2 ) 存在过量能源；( 3 ) 在不利温度下；( 4 ) 在极限基质中；( 5 ) 在转移阶段，细胞 调整环境变化。 o c 0 2 + h 2 0 少m 、 a d p + p i 能量 图1 2 分解代谢与合成代谢的关系 f i g u r e1 2c o n n e c t i o no f 。c a t a b o l i s ma n da n a b o l i s m 二、投加解偶联剂以进行污泥减量 已知上述氧化磷酸化的化学渗透机制能被有机质子载体有效地解偶联，如2 ，4 二硝基苯酚( d n p ) 、对硝基苯酚( p n p