（环境工程专业论文）基于sbr的好氧沉淀厌氧osa工艺污泥减量化性能与机理研究.pdf

摘要 摘要 城市污水处理厂在运用活性污泥法的同时会产生大量剩余污泥，处理处置这 些剩余污泥花费高昂，而且在处理处置过程中会造成相当程度的二次污染。目前 的污泥的处置技术都无法达到经济性、实用性和环境安全性的和谐统一，而且随 着中国法律法规对污泥处置的安全性要求越来越严格，实现污泥源头减量化从而 减少后续处置和环境的压力已经成为我国环境工程研究的新课题。 好氧沉淀一缺氧工艺( o s a ) 有很好的活性污泥源减量化效果。此课题在考 察以前和现有的污泥减量化技术工艺研究的成果上，提出了基于s b r 系统的 o s a 工艺( s b r o s a ) ，并在实验研究中，建立了两套对照s b r 模型实验系统， 一套插入厌氧反应器改造为s b r - o s a 污泥减量化工艺，一套为普通s b ri 艺 作为实验对照组。通过纵向和横向对比考察两工艺系统出水水质和各工艺单元污 泥性质，探讨分析了s b r - o s a 工艺的污泥减量化效果，以及污染物去除机制和 污泥减量化机理。 研究发现，s b r o s a 较之普通s b r 工艺可实现3 9 8 的污泥减量率；但若 考虑其较高的固体累积损耗，只能实现1 2 2 的污泥减量化效果。s b r o s a 工 艺系统中好氧反应器由于生物量偏少，导致出水s s 恶化程度较高，进一步使其 出水水质各污染指标偏高，对污染物实际去除效率造成一定影响。 较之普通s b r ，s b r - o s a 好氧反应器对p 、k 、n a 、m g 、f e 、a 1 有较高的 沉积物累积效应。而对c a 的沉积物累积和对p 的出水累积效应o s a 则弱于普 通s b r 。 厌氧环境中可溶性a l 和f e 含量的增加来自于胞外有机物的离解释放，该机 制对s b r - o s a 工艺厌氧反应器中的污泥削减有一定贡献。 s b r - o s a 工艺的污泥减量化作用大部分通过厌氧消化与隐性增长机理的共 同作用得以实现：污泥中好氧微生物在厌氧反应器厌氧环境中死亡溶胞，通过厌 氧发酵将一部分溶胞物质和可溶性胞外聚合物转化为c 0 2 ，污泥量得以削减，实 现4 6 的浓度削减率与4 4 9 的污泥t c o d 削减率。剩下的有机会回到好氧环境， 中山人学硕上论文 其他微生物利用这些有机物隐性增殖，在表观上降低了污泥产率，从而实现污泥 减量化的效果。 此课题还通过探索性试验研究，找到了一套适合于本系列研究的、简便高效 的，提取污泥中微生物群落d n a 、并对此做p c r 扩增的操作方法，以及相应的 应用条件。 关键词：污泥减量化好氧沉淀厌氧( o s a ) 污水处理 s b r i l a b s t r a c t a b s t r a c t a g 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 dw h i l ea c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s si s u s e di nm u n i c i p a ls e w a g et r e a t m e n tp l a n t s i ti sf a i r l ye x p e n s i v ef o r t h et r e a t m e n ta n d d i s p o s a lo fe x c e s s i v es l u d g ew h i c hw i l ll a r g e l yc a u s es e c o n d a r yp o l l u t i o n s n o w a d a y s f o rt e c h n o l o g yo fs l u d g et r e a t m e n ta n dd i s p o s a l ，a na g r e e m e n tb e t w e e ne c o n o m i c s ， p r a c t i c a b i l i t ya n de n v i r o n m e n t a ls a f e t yh a sn o tb e e ns e t t l e dd o w ny e t f u r t h e r m o r e ，a s t h el a w sa n dr e g u l a t i o n sa l ei n c r e a s i n g l ys t r i c tt ot h es a f e t yo ft h es l u d g ed i s p o s a l ， r e d u c t i o no fa c t i v a t e ds l u d g er e p r o d u c t i o ni s b e c o m i n gan e wt o p i co fc h i n a s e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n gr e s e a r c h ，w h i c hw i l lh o p e f u l l yh e l pt or e d u c es u b s e q u e n t d i s p o s a lp r o c e d u r e sa n dr e l i e v ee n v i r o n m e n t a lp r e s s u r e a g e n e r a lg o o dp e r f o r m a n c eo fs l u d g er e d u c t i o nh a sb e e no b s e r v e di no 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 s t h i sp a p e rr e v i e w st h ep a s t a n dp r e s e n t t e c h n i q u e so fs l u d g er e d u c t i o n ，a n da d v a n c e san e ws t y l eo s ap r o c e s sb a s e do nt h e s b rs y s t e m ( s b r o s a ) i nt h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c h , t w os e t so fs b rm o d e l s y s t e mw e r ee s t a b l i s h e d ，o n er e f o r m i n ga ns b r - o s aw i t ha na n a e r o b i ct a n ki n s e r t e d ， a n dt h eo t h e rs t a y i n ga no r d i n a r ys b ra sac o n t r o ls e t b yc o m p r i s i n gt h ee f f l u e n t q u a l i t ya n ds l u d g ep r o p e r t i e si nb e t w e e ni nb o t hv e r t i c a la n dh o r i z o n t a lw a y s ，t h e p e r f o r m a n c eo fs l u d g er e d u c t i o nb ys b r - o s aw a sc o n c e r n e d ，a n dt h em e c h a n i s m s b e h i n dp o l l u t a n tr e m o v a la n ds l u d g er e d u c t i o nw e r ei n v e s t i g a t e d a sr e v e a l e di n t h i sr e s e a r c h ，c o m p a r e dt oo r d i n a r ys b rs y s t e m ，ar e d u c t i o no f 3 9 8 w a so b s e r v e di ns b r - o s as y s t e m h o w e v e r , i fp u t t i n gs o l i da c c u m u l a t i o n l o s si n t oc o n s i d e r a t i o n ，o n l y12 2 o fa c t u a lr e d u c t i o nw a sa c h i e v e db ys b r - o s a s y s t e m r e l a t i v e l yl e s sb i o m a s si so b s e r v e di ns b r o s ap r o c e s s ，l e a d i n gt h en e w s y s t e mh a dab a de f f l u e n tq u a l i t yo ns s ，w h i c hi sb e l i e v e dt ow o r s e nm a n ym a j o r e f f l u e n tq u a l i t yi t e m s ，a n dd e c r e a s et h ea c t u a lr e m o v a le f f i c i e n c yt os o m ee x t e n t c o m p a r e dt oo r d i n a r ys b rp r o c e s s ，l e s sd i s t i n c t i v ee f f l u e n ta c c u m u l a t i o ne f f e c t f o rp h o s p h o ri sd e t e r m i n e dw i t h i nt h ea e r o b i cr e a c t o ro fs b r o o s as y s t e m ，w h i l e m o r ed i s t i n c t i v es e d i m e n ta c c u m u l a t i o ni so b s e r v e d m o r e o v e r , h i g h e ra c c u m u l a t i o n s i i i 中山大学硕士论文 o fk ，n a , m g ，f e ，a ii na e r o b i ct a n ks e d i m e n t so fs b r - o s aa r ea l s oo b s e r v e d ，w h i l e t h ec as e d i m e n tc u m u l a t i o ni sw e a k e rt h a no n eo f o r d i n a r ys b rs y s t e m i na n a e r o b i ce n v i r o n m e n t ，s o l u b l ec o n t e n ti n c r e a s e si na 1a n df ed u et ot h e m e c h a n i s mo fs t r u c t u r a lr e l e a s ef r o me 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 ) ，w h i c h c o n t r i b u t e st ot h es l u d g em a s sc u t t i n gi na n a e r o b i ct a n ko fs b r o s ap r o c e s st oa c e r t a i ne x t e n t m e c h a n i c so fa n a e r o b i cd i g e s t i o na n dc r y p t i c g r o w t hp l a yap r i m a r yr o l ei n s l u d g er e d u c t i o no fs b r - o s ap r o c e s s w h e na e r o b i cm i c r o o r g a n i s m sd i ei n a n a e r o b i ce n v i r o n m e n t ，t h ec e l l sd e c o m p o s ea n dr e s o l v ei n t ow a t e rs h a p i n gl y s a t e s t h e n ，ap a r to fl y s a t e sa n ds o l u b l ee p si s d e g r a d e di n t oc 0 2b ya n a e r o b i c f e r m e n t a t i o n ，d u r i n gw h i c ht h es l u d g ev o l u m ei sr e d u c e dw i t ham a s sc u t t i n gr a t eo f 4 6 a n dat c o d c u t t i n gr a t eo f4 4 9 w h e no r g a n i cr e m a i n sa r er e c y c l e dt oa e r o b i c e n v i r o n m e n t ，o t h e rm i c r o o r g a n i s m su s et h o s el y s a t e st og r o wc r y p t i c a l l y , a n di n o b s e r v a t i o n ，t h es l u d g e r e p r o d u c t i o nr a t ed e c r e a s e sa n dt h er e d u c t i o no fs l u d g ei s a c h i e v e d i na d d i t i o n ，t h i sp a p e rc o n d u c t e da ne x p l o r a t o r ys t u d yt os e e ka m e t h o d o l o g yt o e x t r a c tm i c r o o r g a n i s m sd n aa n dr u np c r t e s t ，a n dr e l a t i v ec o n d i t i o n ss u i t a b l et ot h i s s e r i e so ft h es t u d y k e yw o r d s ：s l u d g er e d u c t i o n ，o x i c - s e t t l i n g a n a e r o b i c p r o c e s s ，w a s t e w a t e r t r e a t m e n t ，s b rp r o c e s s i v 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：雠 日期：7 年 环境下，研究厌氧段工 作性能。研究发现厌氧段o r p 低于+ 1 0 0m v 最有利于剩余污泥的减量；o r p 低 于1 0 0m v 时，污泥衰退加速。s a b y 等人进一步研究指出，当o r p 从+ 1 0 0m v 降至2 5 0m v 时，减量率从2 3 升至5 8 。他们还发现，o s a 工艺除了可以达 到剩余污泥减量的效果，而且可以促进c o d 的去除，并提高污泥的沉降性能。 第一章研究概述 1 2 3 3 胞外聚合物离解 绒粒是活性污泥颗粒的核心结构，而绒粒的主要成分是微生物胞外聚合物质 ( e p s ) ，其大部分是蛋白质，还有一定量多糖物质及少量腐植酸和核酸等，主 要来源于细胞溶解和污水进水。e p s 胶粒多带负电，与金属离子聚集脱稳，并凝 结在一起。这种络合物不易为微生物所利用降解，而是包裹在微生物细胞周围形 成绒粒。同时，金属离子还可以通过架桥作用结合多个绒粒，使之聚集成团，形 成活性污泥颗粒的主要结构。通常情况下，金属离子价态越高，络合的数目越多， 络合越稳定。在污泥颗粒中，微生物的体积只占了很小的比例，大部分是上述稳 定络合的胞外聚合物质。所以，为了达到污泥减量的目的，可以通过降解e p s 来实现【4 3 。5 0 1 。 n o v a k 等人f 3 3 1 以s b r - o s a 为实验基础。他们通过平行实验研究发现( 1 ) 进水铁与铝浓度越高，出水s s 越低；( 2 ) 污泥减量率达到了6 0 左右；( 3 ) o s a 工艺的。较之传统工艺要小很多；( 4 ) 厌氧反应器出水蛋白质浓度大幅提高。 解释是，在厌氧环境下，三价铁离子还原为二价铁离子，络合强度大幅减弱，与 之络合的蛋白质得以离解，形成可生化性很强的溶解性的蛋白质，进入水体中。 当污泥重新回到好氧环境，这些溶解性蛋白质在被铁重新络合沉淀前，迅速被氧 化分解。经过厌氧离解好氧分解的循环，污泥绒粒结构遭到破坏，从而达到了 污泥减量的效果。 研究另外发现，在好氧环境下，与镁和钙络合的多糖也会离解，但其离解速 率不及铁与蛋白质离解的速率，所以厌氧反应器中铁与蛋白质的离解是o s a 污 泥减量的主要贡献。虽然溶解性的蛋白质和多糖被氧化分解，但绒粒的暂时分解 并不会影响污泥的沉降性能，因为金属离子会和进水补充的此类物质重新结合， 生成结构紧密稳定的绒粒。 进一步研究指出，s b r o s a 的低剩余污泥产率造成了很高的s r t ，而不是 由于很高的s r t ，污泥减退衰退造成的污泥减量。他们观测到，用作平行实验的 传统s b r 在高s r t 下运行长时间后，出水s s 会升高，水质恶化；而s b r o s a 的s r t 是传统s b r 的两倍，长期运行，出水水质仍保持稳定。所以他们认为， s r t 不能作为o s a 工艺的设计参数和操作参数。 中山大学硕士论文 1 2 4 机理多样性的复杂本质 上述三种主要理论的出发点各不相同。能量解偶联与能量溅溢理论是从微生 物的新陈代谢角度出发，以微生物能量代谢链中的生产与利用的不对等解释了污 泥的减量效果。污泥衰退理论则是以微生物的生命周期为出发点，生存环境的变 动造成了好氧微生物的死亡，细胞溶解，细胞溶解物厌氧消化，好氧环境中的隐 性生长都造成了污泥的总体衰退，从而造成了污泥的减量。而胞外聚合物离解离 解理论是以活性污泥结构为出发点，通过破坏绒粒主要结构金属离子络合的 胞外聚合物来实现污泥减量的效果。 同一类工艺的多种不同解释反应了其真实机理的复杂性，剩余污泥减量效果 很有可能是多种机理共同作用的结果，用单一的理论来解释是不准确的。 三种理论的实验基础并不一样，能量解偶联理论是基于c a s o s a 的实验结 论，污泥衰退是基于m b r - o s a 的实验结论，而胞外聚合物离解理论是基于 s b r o s a 的实验结论；实验结构的不同也可能导致了机理解释的多样性。 另外，运行参数的不同也可能导致不同的运行机理。厌氧反应器中污泥停留 时间s r t 、污泥交换律、污泥回流率，以及污泥中各组分含量，都可能使工艺中 的污泥减量化效果具有不同的机理。 1 3 课题综述 1 3 1 课题的研究意义 s b r 工艺发展成熟，应用广泛，已经证明本身就有较低的剩余污泥产率， 如果与o s a 工艺结合，估计有更好的污泥源减量化效果，若投入生产应用会产 生更好的环境效应和经济效应。但由1 2 4 小节可得知，o s a 工艺机理复杂多样， 可以随应用运行形式、运行参数和污泥本身性质而改变。所以o s a 工艺机理的 研究十分重要，一个清晰明了的运行机理可以更好的掌控和发挥其污泥减量化的 潜能，这对于工艺运行和操作稳定性，乃至远期的实践应用至关重要。 本课题以对o s a 工艺的研究为基础，为重点研究o s a 工艺的无机物累积效 应、微生物隐性增长机理与胞外聚合物金属释放机理，选用s b r o s a 作为实验 第一章研究概述 研究的基础。在国外已有的s b r - o s a 实验研究基础上，选定一套既有的运行方 式，研究其运行效果、去污机制和减量化机理1 3 3 】。 1 3 2 课题的研究内容 主要研究内容如下： ( 1 ) 通过对进出水泥中c o d 、氨氮、n 0 3 、t n 、t p 、s s 、m l s s 、m l v s s 等指标的浓度变化，研究s b r o o s a 工艺的污染物去除效果； ( 2 ) 通过对比研究s b r - o s a 与对照s b r 的运行效果，研究从普通s b r 工 艺改造成s b r - o s a 的过程中可能对污染物去除性能造成的不利影响； ( 3 ) 通过对比研究两系统中无活性沉积物的物化性质，以及系统内污泥中 无机盐的组分含量，考察s b r - o s a 对六种常见金属和磷素的累积效应； ( 4 ) 通过考察氮素和磷素在系统各结构单元污泥中的含量变化，研究其转 化途径，初步描绘氮磷在s b r - o s a 系统中的去除机制； ( 5 ) 通过考察有机物与金属在各结构单元污泥中的含量变化，研究其转化 机制，研究各单元对有机物降解和污泥减量化的贡献，并重点研究胞外聚合物金 属释放理论和污泥隐性增长机理； ( 6 ) 进行一系列分子生物学初步探索实验，试图找到一套适合于本研究中 微生物群落d n a 提取与p c r 扩增的实验操作方法，为日后进一步深入研究 s b r - o s a 微生物特性打下基础，为从分子生物学角度研究s b r - o s a 污泥减量 化机理奠定实验条件。 1 3 3 课题的创新点 ( 1 ) 对一种高效低耗城市污水生物处理过程污泥减量新o s a 工艺： s b r o s a ，进行较为深入的研究。s b r 工艺本身就具有剩余污泥产量小的优点， 再与o s a 工艺结合，预计会有更好的活性污泥源减量化效果。国外对s b r o s a 有少数研究，但并未具体分析其污染物去除性能；而s b r - o s a 这在国内还未见 相关技术的报道。 中山大学硕士论文 ( 2 ) 在污泥细胞溶解隐性增长、循环降解和金属释放机理特征的基础上进 一步完善o s a 污泥减量机理，国内研究均以微生物能量解偶联为研究出发点， 鲜有上述两种机理的相关研究报道。 ( 3 ) 本研究将微生物群落差异的d n a 物种鉴定引入对o s a 工艺生物机理 的研究，为s b r o s a 系列工艺的机理研究提供了新思路。 1 4 本章小结 活性污泥法是应用最广泛的生物水处理技术，其发展历史悠久，改良工艺繁 多，能很好适应各种水质条件，技术相当成熟，为污水处理作出了极大的贡献。 但是活性污泥法会产生大量的剩余污泥，其处理和处置耗资耗能，而且会造成较 为严重的二次环境污染和资源浪费。同时，随着城市污水产量的激增，以及环保 法律法规的严格，剩余污泥的减量化问题日趋受到关注。 与其重点研究剩余污泥的末端处理处置，不如下功夫从源头上减少剩余污泥 的产率。在生产应用中，只有通过在强化活性污泥对污染物的氧化效率的同时， 抑制本身生物量增长，才能达到这一目的。目前有很多种活性污泥源减量化物理 化学技术，但都有恶化本身处理效果、增加运行成本的缺点。 本课题由此引入好氧沉淀厌氧工艺( o s a ) ，它在具有较高污泥减量化效 果的同时，摒除了上述物化技术的缺点。但是o s a 本身也有很多种应用形式， 加上多种运行方式造成了学界对其减量化机理的多样化解释。 清楚认识并把握运行机理，对此工艺在实际应用中充分发挥环境效益有莫大 帮助。本研究以s b r o s a 为实验基础，重点研究其运行性能、去污机制与污泥 减量化机理，并为本课题中微生物特性的分子生物学研究打下基础。 第二章实验系统 2 、实验系统 2 1 模型系统 2 1 1 实验装置 本实验建立了两套普通s b r 工艺系统。 其中一套s b r 系统插入厌氧反应器，并设置时间自动控制设备使其形成 s b r o s a 污泥减量工艺。另外一套s b r 系统作为对照实验组，考察减量工艺的 减量效果及污水处理效果。为叙述方便，规定污泥减量化工艺的好氧反应器单元 代号为“o s a 、污泥减量化工艺的厌氧反应器单元代号为“a n a 、作为对照 组的传统s b r 系统代号为“c t r 。 本实验同时运行两套实验装置示意如图2 1 ：各反应器均用有机玻璃与其他 透明材质制成，以便于观察污泥絮体情况： 图2 1 实验装置与流程示意图 f i g 2 - 1s c h e m a t i cv i e wo fe x p e r i m e n t a ld e v i c e sa n dp r o c e s s e s 中m 人学碘论空 实验装置实物如图2 - 2 h2 - 2 实验姨置n n 拌实物酬 f i g2 - p h o t o o f e x p e r i m e n t a ld e v i c e sa n dp r o c e s s e s 女r 氧反盹器o s a 与c t r 形式和大小相同，均采用有效容积为5l 的塑料量 杯，高口直径底直径= 5 4 0 r a m 3 5 0 m m 2 5 0 m m ，有效水深4 5 0 1 1 3 1 1 t l 。曙气池 内装入曝。、头，调节曝气最使池内7 濉在曝气阶段处于充分混合状态。 厌氧反应器a n a 为嘲枉体有机破璃罐，高卣径= 4 0 0 m n l x l 4 0h i m ，有效 水洙3 0 0i n m - f f 教体积2l 。罐体f 多处盯孔，可设置进m 胶管。设置磁力搅 拌器，渊节转速使a n a 内污泥处丁_ 完全濉状态。 人j 一污水由1 0l 塑料桶乘装，世置磁力搅拌器，凋节转速使原水r 1s s 无法 沉降。 曝气头为养商用曝气砂头，曝气机功牢】5w 。绎过运行调试，污泥浓度达 到4 0 0 0 m g l 时，曝气池小的溶解氧浓度呵达到6 m g l 。 装置备革元叫物料流动通过蠕动泵输送完成，悯廿转速设置所需流最。置入 时间控制开关实现s b r 系统的时序殴置。 第二章实验系统 2 1 2 运行方式 本课题实验装置系统采用2 4h 7d 连续动态运行方式。d l - - d 1 4 0 为实验前 期，a n a 暂不接入s b r o s a 工艺系统，实验实际上仅运行两套一模一样的普 通s b r 系统，目的是驯化污泥，并使两对照组之间尽量具有相同的运行状态。 d 1 4 0 ，a n a 与o s a 连接，s b r - o s a 工艺系统正式运行；d 1 4 0 - d 2 8 1 为实验后 期，共运行1 4 1d 。 两套工艺系统的s b r 好氧反应器单元每日进水、曝气与出水循环4 个周期， 每周期6 h ，采用相同的时序设定。以h 0 ：0 0 其实周期为例，如下表所示： 表2 1s b r 时序周期设定示意 t a b 2 - 1s c h e m a t i cv i e wo f t i m es e q u e n c es e t t i n go fs b rs y s t e m s 4 i t ：n h 茸蛾溜 走工j 曝l 月于秽l 出水进泥出泥 h 0 ：0 0 - 1 ：0 0 h 0 ：3 m o ：3 0 进水与曝气阶段重叠3 0m i n h 3 ：3 0 - 5 ：5 0h 5 ：5 0 5 ：5 6h 5 ：5 6 5 ：5 8h 5 ：5 8 - - 6 ：o o a n a o s ao s a a n a 如表2 1 ，每周期进水阶段时间为1 h ，与后一周期的曝气阶段重叠3 0m i n 。 每周期进水量5 0 0m l ，流量8 3 3m l m i n 。两工艺系统每日迸水总量为4l ，设 计原水桶可储存最多2d 的水量，以保证人工污水在进入实验装置前不会有太高 的自然降解率。 每周期出水量5 0 0 m l ，出水时间6 m i n ，流量 8 4 m l m i n 。 好氧反应器单元有效容积4l ，水力停留时间( h r t ) 为2d 。 对于s b r o s a 系统，静沉术期( h 5 ：2 6 ) 与a n a 进行污泥循环，交换时间 合计为4m i r a 进泥与出泥分开进行，各2m i n 。每日污泥交换量为静沉污泥体 积的1 0 ，每周期交换量为静沉污泥体积的2 5 。在实验初始阶段，预测静沉 末期污泥体积为15 0 0m l ，故每周期交换量为3 7 5m l ，流量l8 8m l m i n 。a n a 有效容积1 5 0 0m l ，设计固体停留时间( s r t ) 1 0d 。随着实验的进行，静沉污 泥体积可能会变，届时可根据实际情况微调交换流量，以保证每日污泥交换量与 a n a 中污泥停留时间不会有太大波动。 中山大学硕士论文 由于本课题采取了s b r 工艺为基础的实验装置，所以其泥龄相对较长。实 验监测混合液污泥浓度( m l s s ) ，当m l s s 5 0 0 0m g l 、污泥膨胀或其他必要 时期对实验装置进行排泥，并记录排泥体积，计算排泥量。 2 1 3 习惯用语 为记录与叙述的方便准确，并防止使用混淆，此处特别规范说明本研究中出 现的常用习惯术语： “s b r - o s a 系统”指本课题主要研究对象由一个s b r 好氧反应器和一个厌 氧反应器组成，为污泥减量化工艺； “c t r 系统 代指本课题中的对照实验组，为普通s b r 工艺系统； “o s a 、“c t r ”均代指各自系统的s b r 好氧反应器单元； “a n a 指s b r - o s a 系统中插入的厌氧反应器单元； “结构单元 指系统模型中的各个反应器工艺单元，即前述的o s a 、c t r 与a n a ； “h 3 ：0 0 指系统s b r 时序每周期开始后的3 小时； “d 1 4 0 指实验第1 4 0 日； “实验前期”指d l d 1 4 0 ，其间a n a 未与o s a 相连接，s b r - o s a 系统未 启动； “实验后期”指d 1 4 0 d 2 8 1 ，其问a n a 与o s a 相连接，s b r o s a 系统正 式运行； “静沉污泥”、“沉降污泥 指好氧反应器o s a 与c t r 时序周期中静沉末期 与进水前期( h 5 ：2 6 ) 的沉降污泥； “a n a 进泥”代指d 5 ：2 6 d 5 ：2 8 期间从o s a 进入a n a 的污泥，其性质与 静沉污泥等同； “a n a 出泥”代指d 5 ：2 8 d 5 ：3 0 期间从a n a 回到o s a 的污泥，其性质与 a n a 中污泥混合液等同。 2 2 实验方法 第二章实验系统 2 2 1 实验水质 本实验采用的人工配置的污水，成分有：蛋白胨、葡萄糖、c h 3 c o o n a 、 n h 4 c i 、k h 2 p 0 4 、k h s 0 4 、n a h c 0 3 、以及其他微量元素。因为本课题将重点考 察金属在实验系统中的存在性质，故人工污水适度加入了c a c l 2 、m g s 0 4 、f e c l 3 、 a 1 2 ( s 0 4 ) 3 ，以增加实验研究的可辨性。 实验原水为人工配制的模拟污水。进水管以及原水储罐会生长一些微生物， 导致进水c o d 存在一定波动。为消除上述影响，对进水管路定期清洗并消毒， 遏制微生物滋长；原水桶加盖密封，抑制自然富氧；设置搅拌器，保证进水均匀。 每隔两日更换原水，可认为在此短时间内原水无厌氧反应。由此本课题实验人工 污水进水c o d 可保持在4 5 0m g l 左右，无较大波动。因原水中的f e 、舢阳离 子成分具有絮凝性质，能与有机物生成絮凝状沉淀，使原水稍有浊度感，经测定 原水s s 平均为2 9m g l 。其水质指标如下： 表2 - 2 实验人工污水水质 t a b 2 - 2c o n t e n to fa r t i f i c i a ls e w a g ef o re x p e r i m e n t a lr e s e a r c h 2 2 2 测定方法 实验过程中进出水主要监测指标的测定方法见表2 3 ： 表2 - 3 监测指标与测定方法 t a b 2 - 3m o n i t o r i n gi t e m sa n dd e t e r m i n a t i o nm e t h o d s 中山人学硕一i ：论文 2 4 第四章s b r - o s ai 艺与普通s b r 工艺运行比较 3 、s b r o s a 工艺与普通s b r 工艺运行比较 3 1 前言 好氧沉淀厌氧( o s a ) 工艺的污泥减量化在国内已经研究报告，但多数研 究是基于传统活性污泥法( c a s ) 的模型实验；而本课题采用基于s b r 的o s a 工艺，关于这种运行方式的优劣鲜有报道。所以本课题将首先重点研究s b r - o s a 的污泥减量化性能。 于普通s b r 工艺装置中插入厌氧反应器单元，使其改造为s b r - o s a 工艺， 此举是否会对原有的s b r 系统造成冲击? 系统原本具有的水污染去除性能是否 会受影响? 随着s r t 的增长，s b r - o s a 是否会有更高的无机物累积效应? 本课 题将在研究污泥减量化性能的同时通过对比实验考察这些问题。 3 2 研究方法 建立两套基于s b r 工艺的实验模型系统，其中一套插入厌氧反应器( a n a ) 改造为污泥减量化工艺系统( s b r o s a ) ；另一套保持传统s b r 运行方式，作 为对照实验组( c t r ) 。 为考察s b r o s a 工艺系统的污泥减量化性能，本实验将监测o s a 与c t r 的m l s s 、固体损耗量、排泥量，以此计算污泥自然增长率和污泥产率。每周测 定一次污泥m l s s ；每日记录因出水s s 排放与指标测定取样消耗引起的固体损 耗，并计算固体累积损耗；根据m l s s 的变化情况决定系统是否排泥，记录排 泥体积，同样计入固体累积损耗；通过考察m l s s 增长情况、c o d 去除情况与 固体累积损耗情况之间的关系确定污泥的产率。 为考察插入a n a 对普通s b r 的去污性能的影响，本实验将长期监测两套实 验系统出水的各种污染指标，通过对比各种常规污染物的去除效率，以此分析 s b r - o s a 与普通s b r 的性能差异。 长期无排泥与较长的s r t 可能会造成s b r 系统内产生无机物累积效应，本 研究将考察系统内沉积物的物化性质，以研究无机物累积效应，及其可能对运行 带来的不利影响。 中山大学硕士论文 3 3 实验结果与讨论 3 3 1 出水水质对比 3 3 1 1 悬浮固体 系统出水悬浮固体( s u s p e n d e ds o l i d ) 对比情况如图3 1 ( a ) 、( b ) 所示。 s b r o s a 工艺系统与作为对照组的c t r 系统采用同一迸水。进水由人工配置， 因原水中的f e 、a l 阳离子成分具有絮凝性质，能与有机物生成絮凝状沉淀，使 原水稍有浊度感，经测定原水s s 平均为2 9m g l 。 0 6 08 01 0 0 时间( i ) ( a ) 酏 珀 柏 ：弓： 加 m o 互谤_u)啦沈 第四章s b r - o s a 工艺与普通s b r 工艺运行比较 1 5 01 7 01 9 02 1 02 3 02 5 02 7 0 时间( d ) ( b ) 图3 一l 系统出水悬浮固体物质浓度情况对比( a ) 实验前期；( b ) 实验后期 f i g 3 - lc o m p a r i s o no f e f f l u e n ts so fo s aa n dc t r s y s t e m s ( a ) p r i o rp h a s e ；( b ) l a t e rp h a s e 实验前期，d l d 3 0 ，系统出水s s 趋于平稳。因o s a 未接入a n a ，其出水 s s 与c t r 出水s s 相差无几，虽有波动，也只是在小范围内来回震荡。出水视 觉感官清澈透亮，几乎没有浊度。实验前期d 3 0 d 13 9 ，o s a 出水s s 平均值为 3 0 0m g l ，c t r 出水s s 平均值为2 9 9m g l 。o s a 出水s s 波动稍大于c t r 。 实验后期，d 1 4 0 起，a n a 与o s a 链接，污泥减量化工艺正式运行。o s a 出水最开始s s 迅速恶化，甚至达到实验刚启动时的水平。d l s 0 后，o s a 出水 趋于稳定。但d 1 8 0 后，o s a 与c t r 出水s s 波动越来越大；其中o s a 出水s s 有更严重恶化趋势，出水视觉感官浑浊，浊度较大。d 1 8 0 - d 2 8 1 ，o s a 出水s s 平均值为3 8 0m g l ，c t r 出水s s 平均值为2 8 4m g l 。 系统出水s s 的恶化可能是因为：1 ) 本实验研究的曝气强度恰好使污泥完 全混合，经测定溶解氧竟高达8 n 9m g l ，几近空气饱和值，过大的曝气强度带 来过高的污泥剪切效应，导致污泥絮体过于破碎；实验中曾尝试采用多种曝气头， 但均不能兼顾适合的溶解氧与足够的混合态，以后的研究中应进一步设法解决这 一问题；2 ) s b r 工艺在时间意义上是一种推流式曝气工艺，有机物降解很快完 成，反应器内的有机负荷、微生物增殖速率与好氧速率都是随时间而逐渐降低的， 因此适合一种渐减式的曝气方式；而由于实验设备本身的局限性无法做到曝气量 的渐减效果，所以曝气后期的高曝气量可能会是进入增殖稳定期的微生物强行分 加 如 如 m o a 硫_ n ) 中山大学硕士论文 离，导致游离微生物的增多，从而引起s s 升高；3 ) 两实验系统均以s b r 工艺 为基础，自d 1 4 0 至实验终期从未排泥，泥龄较长，随着实验时间的推移，系统 内微生物种群面临老化衰退的问题，导致自身的絮凝条件总体恶化【5 1 5 3 1 。 对于s b r o s a 出水s s 程度高于普通s b r 的原因，有以下几点：1 ) s b r - o s a 具有一个强化的厌氧反应器，污泥绒粒结构在此中因厌氧消化作用受到破坏，较 大的固体物质离解为较小颗粒，原本吸附成团的微生物也会离散开来，回流至好 氧反应器中，导致其出水s s 偏高1 5 4 1 。2 ) 活性污泥微生物种群中保持适量的丝 状菌可以使污泥在表观上具有较好的网捕性能，使出水s s 浓度能保持较低水平。 而s b r o s a 工艺拥有强化的厌氧好氧交替环境，这对丝状菌的生存有不利影 响，导致o s a 中活性污泥中丝状菌较少，污泥沉降时网捕作用较弱，使得其絮 凝性能较差，导致出水s s 恶化程度更高。以下各章节将进一步讨论s b r o s a 工艺出水s s 恶化程度更高的其他原因。 s s 物质虽已成为惰性物质，但仍然还有一些有机物与氮磷。这样一来，系 统出水s s 的恶化，必然会导致出水其他总体指标的恶化，比如t c o d 、t n 、t p 等。各自情况将在下面几个小节中讨论。 3 312 有机物 s b r o s a 系统以及对照组c t r 系统对于c o d 的去除性能如图3 2 。两系 统采用同一迸水装置迸水，进水水质相同。进水管以及人工废水储罐中还是会有 一些微生物生长，导致进水c o d 存在一定波动。为消除上述影响，对进水管路 定期清洗并消毒，遏制微生物滋长；原水桶加盖密封，抑制自然富氧；设置搅拌 器，保证进水均匀。由此本课题实验人工污水进水c o d 可保持在4 5 0m g l 左右， 无较大波动。 实验监测出水t c o d ( 包括s s 贡献) ，变化情况如下图3 2 ： 第四章s b r - o s a 工艺与普通s b r 工艺运行比较 1 6 0 1 4 0 1 2 0 意1 0 0 量8 0 自 86 0 4 0 2 0 0 o5 01 0 01 5 02 0 0 时间d ) 图3 - 2 系统出水c o d c r 情况对比 f i g 3 - 2c o m p a r i s o no fe f f l u e n tc o d c ro fo s aa n dc t rs y s t e m s d l d 14 0 为实验前期，s b r - o s a 系统没有厌氧反应器单元a n a 接入，仅作 为普通s b r 工艺运行，目的是驯化污泥，使系统运行稳定，并尽量使对照实验 组能有接近的运行效果。d 1 2 后，可认为系统出水c o d 已基本稳定。实验前期 o s a 出水c o d 平均为2 9 6m g l ，c t r 出水c o d 平均为2 9 8m