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城市污水厂污泥生物厌氧减量化技术实验研究 摘要 随着我国经济的飞速发展，人们越来越重视污水的处理。但是城市污水处 理设施的建设和投产使用，必然会产生大量含水率很高的污泥。这些污泥若不 能妥善处置，将会给生态环境带来极大的安全隐患，致使污水处理厂的功能不 能完全发挥。而对这些污泥的处理处置费用通常与污水处理费用相当甚至更高。 本文针对典型城市污水厂剩余污泥特性，在对各种厌氧反应器研究的基础 上，借鉴了国内外的研究结果和研究思路，通过预处理加强污泥的破解和利用 高效厌氧反应器处理污泥，研究探索新型的污泥减量化技术。 实验结果表明：在碱法、酸法和微波预处理三种方法中，酸法预处理效果 很差，无法满足要求，碱法和微波预处理方法能取得较好的处理效果。碱法预 处理时碱度越大，效果越好；微波预处理时，处理时间越长，效果越好，但时 间超过9 0 s 后在不同功率下处理效果差别不大，且随着时间的增加污泥的破解 程度趋缓。利用改进的连续式厌氧消化反应器结合预处理技术处理城市污水厂 剩余污泥，可使每个反应隔室中培养出与该隔室中的环境条件相适应的微生物 群落，加速污泥的消化，并能克服传统厌氧消化池停留时间长、处理效率低的 缺点。在反应器稳定运行阶段，调整h r t 对出水s c o d 的影响不大，在短期波 动后都能达到较为稳定的去除效果，出水s c o d 一般不超过3 0 0 r a g l ；但h r t 的变化对外排 i s 的影响很大，在h r t 为3 0 天时，t s 的去除率能够稳定在6 5 以上； 盯为2 0 天时，经过一段时间的适应后，去除效率稳定在6 0 左右；m 玎 缩短为1 0 天时，则只能维持在不到3 5 。污泥预处理后能够较大幅度提高厌氧 消化的产气量。内循环量对处理效果也有一定的影响，反应器稳定运行时的最 佳内循环流量为3 8 m l m i n 。 在实验研究结果基础上，推导出了微波预处理破解污泥和连续式厌氧消化 反应器污泥消化的动力学模型，并确定了相关的动力学参数。实验数据证明： 微波破解污泥的反应符合零级反应动力学规律，在4 0 0 w 下微波破解污泥的反应 方程为：9 s c o d = o 2 0 4 t - - 4 9 4 2 ：连续式厌氧消化反应器中污泥的降解符合 一级反应动力学规律，反应器中污泥消化的动力学方程为： z ：0 3 0 6 ( s o - $ 1 ) 1 i + 0 2 8 7 0 ( g l ) 实验为高效连续式厌氧消化反应器处理污泥的应用提供了理论和参数依 据，对污泥厌氧消化技术的迸一步研究和工程实践具有较大的实际意义。 关键词；剩余污泥，预处理，污泥厌氧消化反应器，动力学 e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nb i o l o g i c a la n a e r o b i c d e c r e m e n tt e c h n o l o g yo fm u n i c i p a ls e w a g es l u d g e a b s t r a c t w i t ht h ee c o n o m i c a ld e v e l o p m e n t , m o r ea n dm o l ea t t e n t i o ni sp a y i n go nt h et h e s e w a g ed i s p o s a l h o w e v e r , t h el a r g en u m b e ro fm u n i c i p a ld r a i n a g ep l a n t sw o u l d p r o d u c eag r e a td e a lo fs l u d g ew i t hh i g hw a t e rc o n t a i n i n gm t e c a s u a l l yd i s p o s i n g t h e s eu n t r e a t e ds l u d g ew i l lc a u s en e wp o l l u t i o na n dm a k es e w a g et r e a t m e n tf a c t o r y w o r k su n c o m p l c t e a l s o ，t h ec h a r g eo ft h es l u d g ed i s p o s a li st h es a m eo re v e nm o r e t h a nt h a to f s e w a g ed i s p o s a l a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es l u d g eo ft y p i c a lc i t yw a s t e w a t e r t r e a t m e n tp l a n t sa n da l lk i n d so fa n a e r o b i cr e a c t o r , i ts t r e n g t h e nt h es l u d g e d i s i n t e g r a t i o nt h r o u g hp r e t r e a t m e n te x p e r i m e n t s , a n da d o p t e dh i g he f f e c ta n a e r o b i c d i g e s t i o nr e a c t o rt ot r e a ts l u d g ea n dm a k er e s e a r c ho nt h et e c h n o l o g yo fs l u d g e d e c r e m e n t i th a sb e e nf o u n dt h a ta st r e a t m e n tm e t h o d st od i s i n t e g r a t es l u d g e ，t h ee f f e c to f a c i d p r e t r e a t m e n t i s c o m p a r a t i v e l yb a d , t h o u g ht h e a l k a l i n e a n dm i c r o m a v e p r e t r e a t m e n tp e r f o r m sw e l l a ta l k a l i n ep r e t r e a m e n t , t h ee f f e c tw o u l db eb e t t e rw i t h h i g h e ra l k a l i n i t ya n dl o n g e rt i m e a n da tm i c r o w a v ep r e t r e a m e n t , t h ee f f e c tw o u l db e b e t t e r 、耐t i ll o n g e rt i m e h o w e v e r , t h ed i s i n t e g r a t i o no fs l u d g ew o u l dt u r ns l o ww i t h t i m e i tc a ra c c e l e r a t es l u d g ed i g e s t i o nw i t ht h ea d v a n c e dh i g he f f e c ta n a e r o b i c d i g e s t i o nr e a c t o rb yc u l t i v a t em i c r o b i a lc o m m u n i t ya d a p t i v et ot h ec o m p a r l m e n t s e n v i r o m e n t a lc o n d i t i o n i na d d i t i o n , i tc a nc o n q u e rt h ed r a w b a c k so ft r a d i t i o n a n a e r o b i cd i g e s t e rs u c ha st h el o n g 瑚玎a n dl o wt r e a t m e n te f f i c i e n c y a tt h es t a g eo fr e a c t o rs t a b l eo p e r a t i o n , t h ea d j u s t i o no fh r th a sl i t t l ei n f l u e n c e t oe f f l u e n c es c o da n di tc a nr e a c hs a t i s f i e dt r e a t m e n te f f e c tw i t hn om o r et h a n 3 0 0 m g ls c o d n e v e r t h e l e s s t h ea d j u s t i o no fh r th a sg r e a ti n f l u e n c et ot h es l u d g e t s w h e nt h eh r ti s3 0 d n 峙t sr e m o v a lr a t ec a nr e a c ha n ds t a b i l i z ea tm o r et h a n 6 5 i ta l s oc a ns t a b i l i z ea ta b o u t6 0 a f t e rap e r i o do fa d a p t a t i o na t2 0 d sh r t w h i l et h ee f f e c tc a no n l ym a i n t a i na ln 0m o r et h a n3 5 a t1 0 d sh r t a f t e r p r e t r e a m e n t , t h ea i rp r o d u c t i o no fs l u d g ea n a e r o b i cp r o d u c t i o ni sh i g h l yi m p r o v e d t h ei n s i d ec y c u l a t i o nv e l o c i t ya l s oh a sc e r t a i ni n f l u e n c et ot h et r e a t m e n te f f e c ta n d t h eb e s ti n s i d ec y c u l a t i o nv e l o c i t yi s3 8 m l m m f o l l o w i n gt h ea n a l y s e so ft h ee x p e r i m e n tr e s u l t , k i l 埘om o d e l sa n dp a r a m e t e r s o f m i c r o w a v e p r e t r e a m e n to f t h ew a s t ea e t i v e ds l u d g ea n di t sd i g e s ti nt h er e a c t o ra r e l a i do u t t h ee x p e r i m e n td a t as h o w st h a tt h ek i n e t i co fm i c r o w a v ep r e t r e a m e n to f s l u d g ei st p s c o d = o 2 0 4 f 一4 9 4 2 ；a n dt h ek i n e t i ce q u a t i o no fs l u d g ed i g e s t a c c o r d i n gt of i r s t - o r d c rr e a c t i o nk i n e t i c t h er e a c t o rk i n e t i ce q u a t i o ni s ： 配：0 3 0 6 ( s 0 - s t ) 1 1 + 0 2 8 7 0 ( g l ) t h i se x p e r i m e n tp r o v i d e se f f e c t u a lt h e o r e t i ca n dr e f e r e n c ed a t ao ft h i sr e a c t o r s p r a c t i c a lo p e r a t i o n i ta l s oh a sam u c hm o r ep r a c t i c a li m p o r t a n c et ot h ep r o j e c t p r a c t i c ea n dt h ef u r t h e rr e s e a r c ho nt h i sa s p e c t k e yw o r d s ：w a s t ea c t i v e ds l u d g e , p r e t r e a m e n t , s l u d g ea n a e r o b i cd i g e s tr e a c t o r , k i n e t i c 插图目录 图1 1 肽聚糖结构6 图1 2 微生物细胞膜结构6 图2 1 污泥消化反应器结构及流程示意图1 9 图3 1 单因素影响变化曲线2 2 图3 2 单因素影响变化趋势2 4 图3 3 单因素影响变化趋势2 5 图3 - 4 单因素影响变化趋势2 7 图3 58 0 0 w 下微波处理后s c o d 的变化”2 7 图3 - 64 0 0 w 下微波处理后s c o d 的变化“2 8 图3 78 0 0 w 下微波处理后n h 3 - n 的变化”2 8 图3 - 84 0 0 w 下微波处理后n h 3 - n 的变化”2 9 图3 - 98 0 0 w 下9 s c o d 随作用时间的变化3 0 图3 1 04 0 0 w 下q ，s c o d 随作用时间的变化3 0 图4 2 反应器启动初期p h 随时间变化曲线“3 5 图4 - 3 进泥初期上清液s c o d 随时间变化曲线3 5 图4 4h r t = 3 0 天污泥t s 的变化曲线3 5 图4 5h r t = 3 0 天污泥s c o d 的变化曲线一3 6 图4 6h r t 宅0 天污泥t s 的变化曲线3 6 图4 7h r t - - 2 0 天污泥s c o d 的变化曲线”3 7 图4 8h r t = 1 0 天污泥t s 的变化曲线3 7 图4 9h r t = 1 0 天污泥s c o d 的变化曲线“3 7 图4 1 2 各隔室污泥层高度随时间变化趋势3 9 图4 1 4 各隔室颗粒污泥形态4 l 图4 1 5 微生物图片4 2 图5 - 2 反应器厌氧消化模型图4 6 图5 - 2 图解法求动力学参数4 7 表格目录 表2 1 王小郢污水厂污泥基本特性1 5 表2 - 2 实验仪器2 0 表3 1 脱水污泥碱预处理数据2 l 表3 2 脱水污泥碱预处理数据正交分析2 2 表3 3 湿污泥碱预处理数据2 3 表3 - 4 湿污泥碱预处理数据正交分析2 3 表3 5 脱水污泥酸预处理数据2 4 表3 6 脱水污泥酸预处理数据正交分析2 5 表3 7 湿污泥酸预处理数据2 6 表3 8 湿污泥酸预处理数据正交分析2 6 表3 - 94 0 0 w 微波预处理实验数据2 7 表3 1 08 0 0 w 微波预处理实验数据2 8 表3 1 l 不同功率下污泥微波破解反应常数3 2 表4 - l 脱水污泥厌氧消化实验数据3 2 表4 2 湿污泥厌氧消化实验数据3 3 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文 中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金胆王 些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签字；施晶馒签字日期：口7 年，月l 垆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些太堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅或借阅。本人授权金魍王些盔堂可以将学位论文的全部 或部分论文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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：才扬俊 导师签名； 签字日期：加彳年5 月，尹日 签字日期： 学位论文作者毕业后去向：固宝南钞私局 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 吲拍 月卜 致谢 时光茬蒋，转眼到了毕业分别的季节，在此硕士论文完成之际，我要特别 感谢我的导师周元祥老师。周老师对本课题的选择、构思、实验方案的确定、 实验的完成、论文修改及成穗都倾注了大量的心血和汗水。两年多的硕士学习 转瞬即逝，周老师对我在生活、学习上给予了无私的关心和帮助。周老师严谨 的治学态度、博大的胸襟、深厚的专业知识、对科研问题敏锐的洞察能力、对 学生的真诚礼待使我终身受益，是我人生路上学习的榜样。周老师严以律己、 宽以待人的崇高品质，无私忘我的工作态度，踏实的工作作风，诲人不倦的师 表风范让我懂得更多对待生活的态度及做人的道理，更为我树立了前进的方向， 我也为自己没能做的更好而愧然。同时，还要感谢一直帮助和指点我的崔康平 副教授，崔老师渊博的知识、勤恳认真的学术态度使我终身难忘。 感谢在实验室并肩奋斗的程凯、刘俊、童晓庆给我的关心和帮助：感谢师 弟陈康、黄少武、高玉玮、王赞在实验中给予的帮助；感谢李云霞老师对我实 验的支持。 感谢我的父母，他们对我无稻的支持和宽容，对我的殷切期盼是激励我不 断奋进的人生动力。 最后感谢合肥工业大学资环学院对我多年来的培养，感谢所有帮助过我的 老师、同学，朋友们。 施晶俊 2 0 0 7 4 第一章绪论 城市生活污水处理多采用活性污泥法进行。活性污泥法i l l 主要是通过微生物 的生长代谢氧化和降解水中有机污染物，将其转化为c 0 2 、水、无机盐等，并合 成新生细胞( 1 l p 新生活性污泥) ，同时产生维持自身生存和增长所需的能量。污水 经活性污泥法处理后，约产生占其体积的o 5 1 o 的剩余活性污泥 2 1 。这些 污泥含水量高、有机质含量高、容易腐败，会发出强烈的臭味，并且一般都含 有大量的寄生虫卵、病原微生物及重金属、难降解有机物等多种污染物质。将 没有经过无害化处理的污泥任意堆放和投弃，或者作为肥料用于土地，均可能 造成二次污染。 在污水生物处理过程中产生的大量生物污泥，其处理费用约占污水厂运行 费用的4 0 6 5 t 3 1 。上世纪8 0 年代以来，随着全球城市化进程的加快，城市生 活污水处理行业发展越来越快，各国城市生活污水处理产生的污泥量也越来越 多( 4 1 ：欧盟1 2 国年产污泥( 干重) 6 5 0 万t ，美国为1 0 0 0 万t ，日本为2 4 0 万t 。而根据 中国国家环保总局提供的数字，目前中国每年大约排放污水4 0 1 亿n ，已建成运 转的城市污水处理厂有4 0 0 余座，日处理能力2 5 3 4 万一【5 】。按污泥产量占处理水 量的0 5 ( 以含水率9 7 ) 计算，中国城市污水厂含水率9 7 的污泥产量在1 2 6 7 万 m 3 ，d 左右。巨大的污泥量将会对环境造成不可忽视的影响，如何妥善处理处置这 些污泥己成为全球共同关注的问题。 1 1 国内外城市污水厂污泥处理处置概况 目前国际上对城市污水厂污泥的主要控制手段为进行减量化、无害化处理 以及资源化再利用，处理处置方式主要包括以下几方面 6 1 ：农用、填埋、焚烧、 水体消纳等。城市污水厂污泥成分及来源相当复杂，且不可避免含有一些有害 成分，因此在进行农业利用前必须先经过无害化处理；填埋虽然操作相对简单， 处理成本低，但是需要占用大量土地，运输费用较高，填坑中含有各种有毒有 害物质有可能会通过雨水的侵蚀和渗漏作用污染地下水环境；污泥焚烧可使有 机物全部炭化，实现最大限度减量的目的，但处理成本昂贵，管理复杂，焚烧 前必须脱水，焚烧时会产生二氧化硫、二嚼英等有害气体和烟尘，从而污染空 气，造成污染的二次转移；排海则易造成海洋污染，对海洋生态系统和人类食 物链构成威胁，甚至引发全球环境问题，因此受到越来越多的反对，很多国家 已禁止向海洋倾倒污泥，我国政府也已于1 9 9 4 年初接受了三项国际协议，承诺 于1 9 9 4 年2 月2 0 日起不再在海上处理工业废物和城市污水厂污泥【7 j 。 在我国污泥现行的处理处置的方法中【引，7 0 以上是脱水后直接弃置，2 0 是进入垃圾填埋场填埋，只有不到1 0 的是通过堆肥等技术处理后回用于土地。 大部分污水处理厂只追求污水的处理率，忽略了对污泥的处理处置。对于我国 而言，污泥焚烧存在一次性投资高、处理成本大等问题。此外，我国城市污水 厂的污泥有机物含量大约为5 0 6 5 ，热值为2 4 0 0 到3 6 0 0 k c a l k g ，采用焚烧技 术不可避免需要补充辅助燃料，进一步增加了运行成本；另一方面，我国是个 农业大国，土地资源严重不足，而污泥填埋需要占用大量土地，且渗滤液的浸 出可能会污染地下水，影响人们的身体健康。 国外的城市污水处理厂对污泥的处理一般都首选污泥的厌氧消化唧，该法既 可以杀灭剩余污泥中的病原菌，实现污泥的减量化、稳定化和无害化，同时产 生的沼气可以作为燃料，解决现在日益严峻的能源短缺问题，因此在许多国家 都得到广泛应用，该法也适合于我国国情。但是我国城市污水处理厂污泥处理 技术及设备研究开发起步较晚，尚无成熟的污泥处理技术和完善的处理设备， 因此急需进行此方面的研究。 1 2 城市污水厂剩余污泥生物处理技术研究 近年来，城市污水厂剩余污泥的生物处理技术受到越来越多的重视。生物 处理技术包括污泥的厌氧消化、微氧消化、好氧消化等。污泥的厌氧消化是在 厌氧条件下对污泥进行减量化和稳定化的过程，是当前污泥处理中最常用的一 种方法；污泥的好氧消化是指在好氧条件下稳定化处理污泥的过程；而污泥的 微氧消化主要是将反应器内的含氧量控制在0 1 1 5 m g l 的范围内进行，由于控 制相对较困难，该方面的研究还较少。 胡颖华，高廷耀等f l o j 对污水厂剩余污泥的厌氧、微氧与好氧消化方式进行 了对比，发现随消化时间的增加，三种消化方式对挥发性总固体( t v s ) 的去除率 均逐步增大，但在消化温度为2 0 和3 0 时，对t v s 去除率的高低次序为好氧 消化 微氧消化 厌氧消化；当消化温度升高到4 0 时，好氧消化对1 - v s 的去除 率最高，其次是厌氧消化。g r e g o rd z u p a n c i c 等 1 l 】研究了污泥好氧消化和两段 式厌氧一好氧消化情况，发现好氧消化时，采用纯氧曝气污泥在2 2 5 0 时得 到降解，而采用空气曝气污泥在3 2 6 5 时得到降解。两段式反应的水力停留 时间为1 5 天( 分别为厌氧段5 天，好氧段1 0 天) 时，v s s 去除率可达5 3 5 ，c o d 去 除率达5 5 4 。在2 5 、纯氧条件下，污泥在两段式反应器内消化时，可以将4 8 的污泥总凯氏氮转化为硝酸盐，如果在厌氧消化前增加纯氧曝气的好氧段将会 加强氨氮的去除，两段式厌氧好氧污泥消化系统在好氧段水力停留时间为8 天 时，对氨氮的去除率可达8 5 以上。s e b a s t i a nb o r o w s k i 等1 ”j 探讨了混合污泥在序 批式和半连续条件下进行双重消化的处理情况。获得的最佳参数是对污泥进行 s r t 为l 天的好氧预处理，然后进行s r t 为2 0 天的厌氧处理，此时v s 的去除率可 达4 4 4 6 ，产气量达4 8 0 d m 3 瓜g v s 在此过程中，上清液中的氮磷含量都大幅 度增加。好氧预处理可以使大肠杆菌的含量降低至监测限以下，但双重消化也 2 会导致污泥的脱水性能显著恶化。此外，人们对污泥的二相消化技术也进行了 一定的研究1 。 从现有的研究成果来看，污泥的好氧消化或厌氧一好氧联合消化的效果要 优于仅采用厌氧消化，但是采用好氧消化技术处理污泥往往需要较大的曝气量， 这将大幅度增加城市污水厂污泥处理的动力消耗和投资运行成本，而采用厌氧 一好氧联合消化技术则会导致污泥脱水性能的恶化，不利于污泥的最终处置， 因此都不适合我国的国情。 与上述方法相比，污泥的厌氧消化技术具有能耗低，处理后污泥稳定性好， 可回收能源等优点，适用于我国污水厂污泥的处理。但是，现有污泥厌氧消化 技术也存在一定的局限性：如污泥停留时间长；设施体积庞大投资较高；反应 速率较慢；操作方式较复杂等。若能采取一定的措施改善或消除这些局限性， 并利用新型反应器进一步提高污泥厌氧消化的反应速率，则在国内的应用将更 为广泛。 1 2 1 城市污水厂剩余污泥厌氧消化技术研究概况 污泥的厌氧消化工艺是从四五十年代开始开发的污泥处理工艺，是在厌氧 条件下，利用兼性菌及专性厌氧菌，使城市污水厂剩余污泥经液化、气化而分 解成相对稳定物质的过程【1 4 1 。欧美多数国家都建有污泥厌氧消化池，其应用十 分广泛。国内外对污泥厌氧消化仍在进行深入的研究。 清华大学王治军，王伟，高殿森等【l5 j 进行了高温、中温厌氧序批式反应器 ( a s b r ) 处理热水解污泥的对比试验，发现a s b r 能有效积累污泥悬浮固体从而保 持较高的固体停留时间( s r t ) ，但高温a s b r 的微生物形态单一、种类少和产甲 烷活性较低，因此处理效率和产气率较中温低。 此外，将污泥与其它有机物混合厌氧消化，根据污泥和其它有机物的特点， 利用各种有机物的互补作用，充分实现废物资源化也是一个较有前途的发展方 向。m u r t o 1 6 1 等进行了食品工业废弃物与污泥和猪粪混合厌氧消化的研究。试验 分为两组，一组是污泥与马铃著加工废弃物混合厌氧消化，运行过程中系统缓 冲能力较低，富含淀粉废弃物增多时，缓冲系统更加敏感，有机物降解率较低： 另一组将猪粪、屠宰场废物、植物废物、各种工业废弃物一起消化，由于猪粪 有助于提高氨的含量，系统缓冲能力、产气量较高，但需注意控制高浓度氨对 生物体的毒性。h w k i m 1 7 1 等在污泥和食品废弃物混合消化的研究中发现，在中 温厌氧序批反应器中，混合物表现出较高的v s 降解率和甲烷产率。有机物降解 率为2 7 9 v s l d 时，v s 降解率、甲烷产率分别达n 6 1 3 、0 2 8l j 7 9 v s 。高温条 件下，菌群水解活性更高，水解速率更快。中高温厌氧序批反应器的高性能归 结于较长的固体停留时间、更快的水解速度、更高的甲烷转化率及混合基质良 好的营养平衡。研究表明，活性最高的循环周期在6 h 1 2 h 之间。h o n g - w e i y e n 、 3 d a v i de b m n e 【1 8 l 将海藻污泥和废纸混合厌氧消化提高海藻污泥的c n 比。在 4 9 v s l - d ，3 5 ，h r t l 0 天的情况下，添加5 0 的废水可以使甲烷产量从 5 7 3 士2 8 m l l d 增加到1 1 7 0 - j ：7 5 m l l d 。当进料负荷为5g v s 几d ，同时添加6 0 ( 以 v s 计) 废纸时，得到最大甲烷产量，为1 6 0 7 ：t ：1 7 m l l d 。实验认为海藻污泥和废 水联合消化的最佳c n 比在2 0 2 5 之间o s m a nn u da g d a g ，d e l i at e r e s a s p o n z a i l 9 】在厌氧仿制垃圾填筑反应器中处理工业污泥和市政污泥的混合物。在 1 5 0 天内同时进行了三个反应器的实验研究，第一个反应器进料为市政污泥：第 二个反应器进料为工业污泥和市政污泥的混合物，混合比例为1 1 ( 以干固体计) ； 第三个反应器中市政污泥与工业污泥的进料比为1 2 ( 以干固体计) 。1 5 0 天后，反 应器2 和反应器3 的沥出液氨氮浓度和b o d s c o d 值均低于反应器l ，但v f a 浓度 大幅度降低，p h 远高于反应器l 内的p h ，累积的甲烷产量和产气中的甲烷含量更 高，而废物量、含碳量和污染物质的沉降性能均较反应器l 为好。此外，反应器 2 和3 中废物的 i n 和t p 去除率也较高。由上可见，将城市污水厂的剩余污泥与其 他废弃物同时处理具有良好的前景。但是。对这种方法的研究仍处于起步阶段， 且主要集中在实验室小试，与实际应用的距离还较长，不适用于现阶段我国城 市污水厂剩余污泥的处理。 当前我们研究开发新的厌氧消化工艺主要是指将传统的污泥厌氧消化工艺 与现有的成熟污水处理工艺进行整合，从而实现污泥减量化、资源化的思路。 如北京的王凯军等进行了多级污泥厌氧消化工艺的开发试验，该工艺分为水解 酸化、固液分离及u a s b 三阶段。水解阶段主要是将固体和液体状态的废弃物进 行液化，强化可生物降解性，使污泥分为固态和液态两部分；固液分离阶段主 要功能是物理分离，将第一阶段产物分开；u a s b 阶段是处理阶段，将第二阶段 分离的液体运用成熟的污水处理工艺进行降解。 总体而言，与污水厌氧处理领域的进展相比，污泥厌氧领域的发展远远地 落后于厌氧工艺本身的发展进程，国内外多数污泥厌氧消化技术的研究及工程 应用中，采用的仍然是传统的消化池。因此，对于城市污水污泥的处理，如何 将厌氧工艺的成果应用到污泥处理领域成为当前的主要课题。事实上，从7 0 年 代后期至今研究者开发的各种新型的厌氧反应器，如a b r 反应器、u a s b 反应器、 厌氧滤池( a i d 、厌氧消化床等均存在着巨大的开发潜力，完全有可能成为处理污 泥的新型反应器或其组成单元之一刚。 本文在对城市污水污泥特性和各种厌氧反应器了解的基础上，借鉴了国内 外的研究结果和研究思路，提出了新的城市污水污泥处理系统的思想，通过对 传统的厌氧反应器的改造，充分利用整合现有成熟工艺的优点，借助预处理实 验加强污泥的破解，并利用改进的连续式厌氧消化反应器提高污泥的消化效果。 1 2 2 污泥厌氧消化的瓶颈 通常来说，有机物厌氧消化的反应过程经历四个阶段【2 i 】，分别是：水解、 4 酸化、乙酸化和甲烷化过程。水解是复杂的非溶解性的固态聚合物被转化为简 单的溶解性单体或二聚体的过程。高分子有机物的相对分子质量巨大，不能透 过细胞膜，因此不可能为微生物直接利用，必须首先在细菌胞外酶的水解作用 下转变为小分子物质。第二阶段为酸化阶段。酸化可以被定义为有机化合物既 作为电子受体也作为电子供体的生物降解过程。在这一过程中，水解阶段产生 的小分子化合物在发酵细菌的细胞内转化成更为简单的以挥发性脂肪酸为主的 末端产物，并被分泌到细胞外。第三阶段为乙酸化阶段。发酵阶段的末端产物( 如 挥发性脂肪酸、醇类，乳酸等) 在乙酸化阶段进一步转化为乙酸、氢气、碳酸以 及新的细胞物质，较高级的脂肪酸遵循氧化机理进行生物降解。在其降解过程 发酵酸化过程的末端产物在产乙酸阶段被产氢产乙酸菌转化为乙酸、氢气和二 氧化碳。最后是产甲烷阶段。在这一阶段，产甲烷细菌将乙酸、氢气、碳酸、 甲酸和甲醇等转化为甲烷、二氧化碳、氢气和新的细胞物质。 一般认为，产甲烷过程是控制废水厌氧处理的主要过程。但是，污泥厌氧 消化的控制步骤却是水解过程。污泥水解速率较低的原因在于大多数有机物质 存在于微生物细胞内，而细胞壁的水解较为困难，导致污泥厌氧消化过程需要 较长的时间。国内外都已研究表明，水解过程进行缓慢，是污泥厌氧消化过程 中的限速步骤，如何突破这一瓶颈，也成为国内外研究的一个重点 2 2 。j 。 污泥溶解性c o d ( i l p s c o d ) 的大小可以表征污泥厌氧消化的难易程度，它主 要由污水中残留的有机物、生物絮体的胞外聚合物以及细胞裂解后胞内流出的 有机物等组成，一般从几十几百m g 几不等瞄】。在污泥的厌氧消化过程中，s c o d 值的大小往往取决于微生物细胞破解率。 ( 1 ) 污泥性质 污泥本质为含生物介质的流体，由于生物介质单体直径较小、表面荷电， 故一般在水中分散性较强；然而，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 l l g e $ ， e p s 等) 的存在使得生物介质相互粘结并构成稳定的菌胶团网络结构【2 7 l 。胞外聚 合物是紧密附着在污泥细胞表面的不溶于水的有机高分子聚合物，来源于【2 8 】微 生物新陈代谢、细胞自溶，以及菌胶团对污水中有机物质的吸附，其化学组成 十分复杂，主要成分陋】为多糖和蛋白质( 占7 0 8 0 ) 。它对生物絮体的表面电 荷、生物絮凝、沉降和脱水等重要性质都有影响，还能作为菌胶团抵抗外界环 境的保护层和营养吸收层，是微生物饥饿期间重要的碳源和能源储备f 3 邺。 ( 2 ) 微生物细胞壁膜结构 微生物的细胞壁是位于细胞表面，内侧紧贴细胞膜的一层较为坚韧、略具 弹性的结构。占细胞干重的1 0 2 5 。细胞壁具有保护细胞免受机械性或渗透 压的破坏，维持细胞外形的功能。一旦失去细胞壁，所有的细菌都将变成球形。 细胞壁实际上是多孔性的，具有一定坚韧性和弹性。真核生物和原核生物的细 胞壁结构有所不同，原核动物的细胞壁是由糖类和蛋白质构成，真核动物的细 胞壁是由纤维素和果胶构成。除支原体外，几乎所有的细菌都有细胞壁。 肽聚糖( p e p t i d o g l y c a n ) 是原核生物细胞壁中的一种特殊成分，由n - 乙酰葡萄 糖胺( n a c e t y l g l u c o s a m i n e ，n a g ，简写为g ) 、n 乙酰胞壁酸( n a c e t y lm u m m i c a c i d ，n a m ，简写为k d ，以及少数氨基酸短肽链组成的亚单位聚合而成。n - 乙 酰葡萄糖胺和n 乙酰胞壁酸交替重复连接成聚糖骨架；短肽靠肽键连接在聚糖 骨架的n 乙酰胞壁酸分子上；相邻的短肽交叉联结，形成紧密编织、质地坚硬 和机械性强度很大的多层的三度空间网格结构，见图1 1 。 乃勿7。擎p 一 二钐彰 一 图i - 2 微生物细胞膜结构 f i g 1 - 2c e l l u l a r m e m b r a n ed n ：c i 鹏o f m i c r o o r g a n i s m 6 由于细胞壁( 膜) 属于生物难降解惰性物质，且结构相当稳定，可以在厌氧环 境下长时间保持完整不破解，而厌氧微生物所需要的基质大部分包裹于剩余污 泥絮体及微生物的细胞壁( 膜) 结构中，这使得水解过程中厌氧微生物的胞外酶无 法与基质进行充分有效地接触，因此对城市污水厂剩余污泥的水解速度具有遏 制作用，从而成为时间上的控制因素。 1 3 污泥厌氧消化的强化处理技术研究进展 污泥水解速率低，其厌氧消化需要的水力停留时间( h r t ) 长( 2 5 - 3 0 d ) 、处理 效率低( 挥发性固体v s 的去除率为3 0 e 0 - , 4 0 ) 3 2 1 。因此，为了缩短污泥的厌氧 消化时间，减少污泥量和消化池的体积，必须加速污泥的水解过程。园此，有 必要采用外力对污泥进行预处理，以破坏污泥絮体及絮体中微生物的细胞壁( 膜1 结构，释放污泥中的溶解性有机组分，使污泥中颗粒态c o d 转变为溶解态的 c o d ，从而达到快速水解，提高厌氧消化效率的目的。另一方面，虽然预处理 的目的是对污泥细胞进行破碎，但并不需要将其中的微生物细胞全部击破，因 为被击破的微生物细胞释放出的酶等物质可以使整个水解过程加速【3 3 】。， 近年来，国内外对污泥的预处理技术进行了一些探索研究，取得了一定的 成果。目前，常采用各种物理、化学、生物溶胞技术作为加速污泥厌氧消化的 预处理方法，其中包括机械破碎、热解，碱解、超声波、臭氧氧化等【2 抽，3 4 - 3 射。 1 3 1 化学溶胞技术 酸碱、热水解、氧化处理都属于化学溶胞技术，酸和碱的作用是在抑制细 胞活性的同时使细胞壁溶解，释放出胞内物质，使其容易被其他活性污泥所利 用p 9 j 。其中，碱处理可在常温下以较低用量达到促进细胞分解的目的。污泥经 碱处理后进行厌氧消化，底物去除速率明显增加。若消化的h r t 较短，则碱处 理有助于提高污泥稳定性。碱处理的污泥迸行厌氧消化产气量增加，甲烷产量 随着n a o h 浓度的提高而增大，原因主要是碱处理后的污泥含有更多的溶解性 有机物，在消化过程中可被厌氧微生物迅速利用。碱处理污泥的小颗粒污泥大 大增多，这些小颗粒污泥在厌氧消化中会优先被去除，污泥总比表面积下降而 增大了脱水率。有研究认为【加】，剩余污泥中的主体细菌是革兰氏阴性菌，其胞 外多聚物、细胞壁及细胞质膜中的脂类可在n a o h 溶液中水解。 v l y s s i d e sa g 等【4 l 】将污泥加热并经碱性水解后厌氧消化，在试验温度9 0 、 p h l l 、v s s 为6 8 2 的条件下，1 0 h 内v s s 降解率可达4 6 ，此时s c o d 为 7 0 m g l ，甲烷产率达到o 2 8 1 k g v s s ；杨虹，王芬等 4 2 1 研究了超声与碱耦合作用 破解剩余污泥的效果，该法可破坏污泥絮体结构，使污泥胞内外物质进入水相， 污泥上清液s c o d 大幅度提高。肖本益，刘俊新【4 3 】发现在p h 值为9 1 l 时， 碱处理能够破坏污泥的絮体结构，而口h 值大于1 1 时碱处理后污泥的絮体和细 7 胞2 种结构都遭到了破坏；且碱处理可以实现在无接种物情况下厌氧发酵产氢， 其最佳起始p h 值为1 1 0 ，其最大氢产率达1 4 4 m l l g ( v s ) | 4 4 1 。e n e y e n s l 4 5 】考查 了多种一价，二价阳离子对污泥脱水性能的影响，认为使用c a ( o n ) 2 在1 0 0 ， p i l l 0 的条件下进行热碱水解可以达到最佳效果。此外，加碱还可以使污泥的p h 处于厌氧消化的最佳控制范围内，有机质尽可能地得以释放，但是这也增加了 盐离子浓度以及后续工艺的处理难度 4 6 1 。热酸同样可以达到溶胞效果m ，当向 污泥中加入硫酸时，可以提高胞外多聚物的降解率以及污泥的脱水性能，预处 理后污泥的溶解性明显增加，有利于后续厌氧反应的进行。j o h nb a r l i d h a u g 等人 嗍利用酸- 加热方法在1 8 0 、p h - - - 2 、压力0 6 m p a 下处理污泥，发现其中的碳 水化合物是最易分解的有机部分，所锝的水解产物可作为反硝化的外加碳源。 王治军，王伟等 9 1 将污泥进行热水解预处理，其后测定生物化学甲烷势( a m p ) 来 研究热水解对污泥厌氧消化性能的影响。结果表明，热水解预处理能加速污泥 中固体有机物的溶解，溶解后的有机物进一步水解生成低分子物质，其中挥发 性有机酸占溶解性c o d ( s c o d ) 的3 0 4 0 ，污泥的厌氧消化性能得到明显改 善；最合适的热水解温度和热水解时间为1 7 0 、3 0 m i n 。 臭氧是一种十分活泼的强氧化剂，也可以用于微生物细胞的破解。臭氧对 污泥减量的促进作用主要基于以下两方面实现 4 9 1 ：一是矿化，部分的污泥在氧 化过程中转变为c 0 2 和水；二是生物降解，污泥在臭氧作用下会分解为易于生 物降解的有机物质。很多研究者对利用臭氧进行污泥减量技术进行了研究。污 泥的溶解和减量的程度取决于臭氧的投加量1 5 0 1 ，投加量越大，溶胞效果越好， 对后续的厌氧消化越有效，但处理费用也相应提高。m w e e m a e s ，h g r o o t a e r d 等人 5