（模式识别与智能系统专业论文）城镇污水处理厂碳源开发与利用试验研究.pdf

摘要 摘要 全国约三分之一的城市污水存在碳源不足的问题，某些污水处理厂采用化学 除磷工艺也难以实现氮磷指标的达标排放。本论文以初沉污泥为底物，采用两级 完全混合水解酸化工艺进行碳源开发。采用恒温水浴控制水解酸化池的温度为 3 5 ，研究了h r t 、s r t 和污泥回流比对初沉污泥水解酸化的影响。研究结果 表明，固定s r t 为3 天，污泥回流比为1 的条件下，h r t 为3 2 3 6 小时，工艺 具有较好的溶解性有机物累积效果，工艺出水的s c o d 稳定在1 0 9 0 1 1 8 0 m g l 范围内；固定h r t 为3 2 小时，污泥回流比为1 的条件下，s r t 为耷刁天时，可 以较好地实现水解酸化菌和产甲烷菌的分离，工艺具有较好的水解酸化效果，出 水s c o d 保持在9 8 0 - 1 1 8 0m g l 范围内；污泥回流比对初沉污泥的水解酸化也有 较重要的影响，控制h r t 为3 2 小时，s r t 为4 天的条件下，污泥回流比为0 7 5 1 的范围时，工艺具有较好的水解酸化效果。 开发碳源的目的是为了提高城市污水生物脱氮除磷工艺的生物脱氮除磷效 率与效果。采用序批式试验的方式研究了投加酸化液( 富含v f a s 的工艺出水) 对 反硝化菌反硝化速率以及聚磷菌厌氧释磷好氧吸磷速率的影响。研究结果表明， 投加酸化液能够显著提高微生物的脱氮除磷效率。测定反硝化速率的序批式试验 中，随着碳源浓度的降低，反硝化茵的反硝化速率不断减小，当酸化液的投加量 为3 0 m g l ( 以t o c 计) 时，反硝化菌在第一阶段的平均反硝化速率为 0 3 6 7 m g n 0 3 - n m g v s s d ，对应的耗碳速率为0 7 1 3 m g t o c m g v s s d ；不同工况 中活性污泥中聚磷菌的释磷潜力相近，污水中的碳源越多越能激发它的释磷潜 能，因此，酸化液的投加量越大，聚磷茵的释磷速率也越快。当酸化液投加量为 3 0 m g l ( 以t o c 计) 时，聚磷菌的平均释磷速率达到0 1 3 7 m g p m g v s s d 。碳源充 足与否，对聚磷菌的平均好氧吸磷速率影响不大，而对聚磷菌吸磷持续的时间有 重要影响。碳源充足的工况聚磷菌吸磷持续的时间长，而碳源不足时聚磷茵吸磷 持续的时间短。采用序批式试验研究的各工况中，聚磷菌的平均吸磷速率在 0 1 2 9 - 4 ) 1 6 0 m g p m g v s s d 范围内，因此，碳源充足时，聚磷菌具有更强的吸磷 能力。反硝化菌和聚磷菌能利用的有机物有一定的差别，以酸化液投加量为 3 0 m g l ( 以t o c 计) 为例，可被反硝化菌利用的有机碳百分含量为7 5 7 ，而可被 聚磷菌利用有机碳的百分含量为5 7 4 。将酸化液投加到连续运行的a a o 工艺 中，投加点位于厌氧段起端，酸化液的投加量为3 6 m g l ( 以t o c 计) ，工艺出水 营养物指标分别为t n = 1 4 1 8m g l 、t p = o 4 m g l ，达到城镇污水处理厂污染物 排放标准( g b l 8 9 1 8 - 2 0 0 2 ) 的一级a 标准。 关键词：初沉污泥；水解酸化；碳源；脱氮除磷 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t a b o u to n et h i r dw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t sh a dt h ec r i s i so fc a r b o ns o u r c e 7 s h o r t a g ei no u rn a t i o n a l t h o u g hc h e m i c a lp h o s p h o r u sr e m o v a lp r o c e s sw a su s e di n s o m e p l a n t s ，n i t r g o na n dp h o s p h o r u sc o u l dn o tm e e tt h ed i s c h a r g e s t a n d a r d s i m u l t a n e o u s l y f o rt h ep r o b l e mo fs h o r t a g eo fc a r b o nr e s o u r c ei nt h es e w a g e ， p r i m a r ys l u d g ew o u l db eu s e da ss u b s t r a t et od e v e l o pc a r b o nr e s o u r c ew i t ht w o - s t a g e c o m p l e t em i x i n gh y d r o l y s i sa n da c i d i f i c a t i o np r o c e s s t h et e m p e r a t u r eo fh y d r o l y s i s a n da c i d i f i c a t i o nr e a c t o rw a s c o n t r o l l e d b yt h e r m o s t a t i c w a t e r b a t ha n dt h e t e m p e r a t u r ew a s3 5 。c e f f e c t so fh r t 、s r ta n ds l u d g er e c y c l er a t i oo nh y d r o l y s i s a n da c i d i f i c a t i o no fp r i m a r ys l u d g ew e r es t u d i e d t h er e s u l t so fr e s e a r c hs h o w e dt h a t w h e nt h eh r ti si nt h es c o p eo f3 2t o3 6h o u r s ，t h ep r o c e s sh a dag o o dv f a s c u m u l a t i v ee 虢c ta n dt h es o l u a b l ec o d ( s c o d ) o fe f f l u e n t si s10 9 0 - - 118 0 m g l ，i n t h ec o d i t i o no fs r tw a s3d a y sa n ds l u d g er e c y c l er a t i ow a s1 ；w h e nt h es r ti s b e t w e e n4t o7 d a y s ，a c i d o g e n i cb a c t e r i aa n dm e t h a n o g e n i cb a c t e r i ac o u l db es e p a r a t e d a n dt h ep r o c e s sh a dag o o dh y d r o l y s i sa n da c i d i f i c a t i o ne 归睹c t t h es c o do ft h e e f f l u e n t sw a si nt h es c o p eo f9 8 0 118 0m e d l w h e nt h ec o d i t i o no fh r ti s3 2h o u r s a n ds l u d g er e c y c l er a t i oi s1 ；r e c y c l er a t i oa l s oh a da ni m p r o t a n te 虢c to nh y d r o l y s i s a n da c i d i f i c a t i o no fp r i m a r ys l u d g e ，w h e nh r ta n ds r tw e r ec o n t r o l l e dt o3 2h o u r s a n d4d a y , t h ep r o c e s sh a dag o o dh y d r o l y s i sa n da c i d i f i c a t i o ne f f e c tw h e ns l u d g e r e c y c l er a t i ow a sb e t w e e no 7 5t o1 t h ea i mo fd e v e l o p i n gc a r b o nr e s o u r c ew a si m p r o v i n gt h e n i t r o g e na n d p h o s p h r o u sr e m o v a le 妇睹c to fb i o l o g i c a ln u t r i e n tr e m o v a l ( b n r ) p r o c e s s e f f e c t so f d o s i n gh y d r o l y s a t e ( p r o c e s s e f f l u e n t si s r i c hi nv f a s ) o nd e n i t r i f i c a t i o nr a t eo f d e n i t r i d i e r sa n dp h o s p h o r u sr e l e a s ea n dp h o s p h o r u su p t a k er a t eo fp a o s ( p h o s p h o r u s a c c u m u l a t i n go r g a n i s m s ) w e r eb es t u d i e db ys e q u e n c i n gb a t hr e a c t o r t h es t u d i e d r e s u l t ss h o w e dt h a td o s i n gh y d r o l y s a t et ot h eb n r p r o c e s sc o u l di m p r o v en i t r o g e n a n dp h o s p h o r u sr e m o v a lr a t er e m a r k a b l e l y , i nt h es e q u e n c i n gb a t hr e a c t o ro f d e n i t r i f i c a t i o n , a st h ec o n c e n t r a t i o no fc a r b o nr e s o u r c er e d u c i n g ，t h ed e n i t r i f i c a t i o n r a t ew a sc h a n g i n gb ys t a g e s w h e nt h eh y d r o l y s e dd o s a g ew a s3 0m g l ( m e a s u r e db y t o c ) ，t h ea v e r a g ed e n t r i f i c a t i o nr a t eo ft h ed e n i t r i f i e ri so 3 6 7 m g n 0 3 - n m g v s s d w h i l ec a r b o nc o n s u m p t i o nr a t ew a so 713 m g t o c m g v s s da tt h ef i r s t s t a g e ； p h o s p h o r u sa c c u m u l a t i n go r g a n i s m sh a v et h es a m ep h o s p h o r u sr e l e a s ep o t e n t i a li n t h ea c t i v es l u d g e ，t h em o r ec a r b o nr e s o u r c ei nt h es e w a g e ，t h es t r o n g e rp h o s p h o r u s r e l e a s ep o t e n t i a lw o u l db es t i m u l a t e d t h em o r eh y d r o l y s a t ea d d i t i o ni nt h es e w a g e ， t h eq u i c k e rp h o s p h o r u sr e l e a s er a t ep a o sh a v e w h e nh y d r o l y s a t e d o s a g ew a s 3 0 m g l ( m e a s u r e db yt o c ) ，t h ea v e r a g ep h o s p h o r u sr e l e a s er a t eo fp a o si s 0 13 7 m g p m g v s s d c a r b o nr e s o u r c er i c hi nt h es e w a g eo rn o th a dal e s si m p a c to n t h ea v e r a g ea e r o b i cp h o s p h o r r i su p t a k er a t e ，b u tas t r o n ge 脏c to nt h es u s t a i n e dt i m e a b s t r a c t o fp h o s p h o r u su p t a k ep r o c e s s w h e nt h es e w a g ew a sr i c hi nc a r b o nr e s o u r c e ， p h o s p h o r u su p t a k ep r o c e s so fp a o ss u s t a i n e dal o n gt i m e ，a n dv i c ev e r s a t h e a v e r a g ep h o s p h o r u su p t a k er a t eo fp a o si sb e t w e e no 1 2 9t oo 16 0 m g p m g v s s di n t h es e q u e c i n gb a t hr e a c t o r , t h e r e f o r ep a o sh a ds t r o n gp h o s p h o r u su p t a k ec a p a c i t y o r g a n i cm a t t e r su p t a k e db yd e n i t r i t i e ra n dp a o sw e r ed i f f e r e n t ，s u c h a s t h e c o n d i t i o n st h a td o s a g eo fh y d r o l y s a t ew a s3 0 m g l ( m e a s u r e db yt o c ) ，t h ep e r c e n t a g e o fo r g a n i cc a r b o nt h a tc o u l db eu s e db yd e n i t r i f i e ri nt h et o cw a s7 5 7 a n d u p t a k e db yp a o sw a s5 7 4 w 1 l e nd o s i n gh y d r o l y s a t et ot h ea n a e r o b i co r i g i no f a a o ( a n a e r o b i c a n o x i c o x i c ) p r o c e s sa n dt h ed o s a g ei s3 6 m g l ( m e a s u r e db yt o c ) ， t h en u t r i e n tp a r a m e t e ro ft h ee f f i u e n t sw e r ea sf o l l o w s t ni s1 4 18m g la n dt pi s 0 4 m e 4 l w h i c hm e e tt h ef i r s tl e v e la c r i t e r i as p e c i f i e di nt h ed i s c h a r g es t a n d a r do f p o l l u t a n t sf o rm u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t ( g b18 918 - 2 0 0 2 ) k e yw o r d s ：p r i m a r ys l u d g e ；c a r b o nr e s o u r c e ；h y d r o l y s i sa n da c i d i f i c a t i o n ；n i t r o g e n a n dp h o s p h o r u sr e m o v a l i i i 独创性声明 本人声明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，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 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了谢意。 签名： 日期：趟：兰 一 ， 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、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、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名：虹日期：学 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 论文研究背景及研究意义 本论文选题来源于国家自然科学基金“基于流离和多氧化还原环境作用 的剩余污泥减量反应器技术( 1 1 0 0 4 0 1 4 2 0 0 7 0 ) 及北京市科委课题“城市 污水处理厂碳源高效开发与利用技术研究”。利用城市污泥开发碳源的方式主要 有：臭氧氧化、超声波处理和厌氧水解酸化等。本试验主要采用水解酸化技术对 初沉污泥进行碳源开发和碳源利用的研究。采用城市污水处理厂自身产生的废物 一初沉污泥进行水解酸化开发碳源具有一系列重要意义。 1 1 1 有效实现城市污泥资源化及减量化 一 近年来，在国家节能减排政策的指导下，我国城市污水处理事业得到了全所 未有的发展，同时2 0 0 8 年年底的4 万亿拉动内需的投资更是将排水行业特别是污 水处理厂的建设推向了巅峰。据估计，至u 2 0 1 0 年我国下至县、镇将有污水处理厂 共4 0 8 9 座。到十一五期末，全国城镇污水处理率将达n 5 0 。在城市污水处理事 业迅速发展的同时，作为污水处理副产品的城市污泥问题也日益凸现。影响污泥 产量的因素有很多，主要因素包括污水、污泥处理技术的应用、居民生活水平的 提高以及人口增加导致污泥质和量同步增加等。根据污水处理量来估计，以活性 污泥法为主的污水处理工艺，其污泥产量是污水处理量的o 3 0 5 0 ( 以含水量 9 7 计) n 二。根据人1 2 1 数量估算污泥产量是国外通行的计算方式，欧盟1 4 国的人 均污泥日产量是5 8 克干物质天( 2 0 0 0 年数据) 。而对于我国来说，由于我国城市生 活小区和市政设施等产生的污水在排入下水道之前都设有化粪池，大约有一半以 上的悬浮物得到去除，建议采用人均日产污泥为2 5 克干物质天计算。3 。以我国城 镇人口5 7 7 亿( 2 0 0 7 年) 口1 估算，每日产生的干污泥量为：1 4 4 万吨。城市污泥 中含有大量的有机物，病原微生物和重金属等。这些污泥若不妥善处理处置，其 中的有机物极易腐败变质并产生恶臭；其中的病原微生物可以引起疾病的传播； 而重金属则可通过食物链在人体内富集，诱发疾病。因此，若污泥得不到妥善处 理处置，污泥中的各种污染物将进行一次污染大转移，再次污染土壤、水源甚至 食物链等。因此，如何实现城市污泥的稳定化、减量化、资源化和无害化是城市 污水处理厂面临的重大难题。在城市污水处理厂内部对污泥进行循环利用，显然 能在一定程度上实现污泥的资源化、稳定化和减量化。 1 1 2 缓解不断恶化的水环境形势 中国乃至世界的水环境形势都不容乐观。就我国来说，自2 0 0 5 年开始推行节 北京工业大学工学硕士学位论文 能减排政策。表1 1 中列举了从2 0 0 4 年2 0 0 7 年节能减排政策实施前后我国七大水 系( 长江、黄河、珠江、松花江、淮河、海河、辽河) 的水环境状况。( 数据分 别来f l2 0 0 4 2 0 0 7 年中国环境状况公报h 6 1 ) 表1 12 0 0 4 2 0 0 7 年我国七大水系总体水质类别比例( ) t a b l e1 - 1g e n e r a lw a t e rq u a l 时p r o p o n i o no fs e v e nf i v e rs y s m mo fc h i n a m2 0 0 4 2 0 0 7 从表中数据可以看出，2 0 0 6 年与2 0 0 5 年、2 0 0 4 年相比，总体水质基本持平； 然而2 0 0 7 年的统计数据表明，我国七大水系的水质提升明显，劣v 类水质开 始向i 类水质转变，后者所占比例提升了将近1 0 个百分点。虽然我国水环境 形势出现了“拐点 ，但是“拐点 毕竟还只是拐点，从公报中，我们仍能 看到许多问题。就我国三湖( 太湖，巢湖，滇池) 来说，2 0 0 7 年中国环境状况公 报盯j 统计数据表明，太湖水质总体为劣v 类。类、v 类和劣v 类水质的点位比 例分别为2 3 8 、1 9 0 和5 7 2 。与上年相比，水质有所好转，劣v 类水质比例 较上年下降2 8 个百分点。湖体处于中度富营养状态。主要污染指标为总氮：滇池 水质总体为劣v 类。草海处于重度富营养状态，外海处于中度富营养状态。主要 污染指标为总氮、总磷和高锰酸盐指数。巢湖水质总体为v 类，与上年相比，水 质无明显变化。西半湖处于中度富营养状态，东半湖处于轻度富营养状态。主要 污染指标为总磷、总氮和五日生化需氧量。我国水环境形势依然严峻，湖区的主 要污染物为总氮和总磷，对于我国目前采用的末端治污方式，城市污水处理厂是 污水处理的最后一关，承担着去除水体营养物的重任，若其出水不能达标排放， 则城市污水处理厂实际又成为了水环境的污染源头。利用城市污泥开发碳源并将 之应用于生物脱氮除磷工艺中，从而可以提高工艺的脱氮除磷效率，有效减少城 市污水处理厂的出水中营养物的含量。 1 1 3 经济有效地解决低碳氮比污水碳源不足的问题 目前，我国运行的污水处理厂中，绝大多数污水处理厂存在碳源不足的问题， 因此，若不能妥善解决碳源不足的问题，城市污水处理厂将会成为二次污染源， 继续污染水环境。目前，解决碳源不足的问题，主要考虑外加碳源( 如甲醇、乙 醇、乙酸和葡萄糖等) ，但是这样会大大增加污水处理厂的处理成本，m a c d o n a l d 调查研究表明：采用甲醇作为碳源的成本相当于水厂运行管理成本的7 0 之多； 或者将富含可生物降解有机物的工业废水投加到城市污水中，然而这样会增加额 外的运输费用。研究表明，利用初沉污泥开发碳源在经济上和技术上是可行的，1 。 2 第1 章绪论 1 1 3 1 城市污水中氮的来源与去除途径 城市污水中氮的主要来源为：生活污水，工业污水，特别是化肥、焦化、洗 毛、制革、印染、食品与肉类加工、石油精炼行业排放的污水；地表径流，氮氧 化合物、固体物、渗滤液等。氮的存在形式包括有机氮、氨氮、亚硝酸盐氮、硝 酸盐氮以及杂环化合物、氰化物等。 在城市污水生物脱氮系统中，颗粒性不可生物降解有机氮通过生物絮凝作用 成为活性污泥组分，通过排除剩余活性污泥从系统中去除；颗粒性可生物降解有 机氮通过水解转化为溶解性可生物降解有机氮。溶解性不可生物降解有机氮，随 处理出水排出，决定出水的有机氮浓度；溶解性可生物降解有机氮通过异养细菌 ( 氨化菌) 的氨化作用转化为氨氮，其中尿素可迅速水解成碳酸铵。好氧条件下 硝化菌将氨氮氧化为硝态氮，缺氧条件下反硝化菌将硝酸盐异化还原成气态氮， 从水中除去。 硝化菌包括亚硝酸菌和硝化杆菌，是专性好氧菌，只有存在溶解氧的好氧条 件下才能增殖，厌氧和缺氧条件下不能增殖，而其衰减死亡过程在厌氧、缺氧、 好氧状态下均会发生。反硝化菌( 兼性厌氧菌) 能够在缺氧和好氧条件下利用快 速生物降解有机物进行增殖；厌氧条件下，可以进行颗粒性有机物的水解和溶解 性有机物的酸化( 发酵) ，但通常不能增殖；部分反硝化菌同时也是聚磷茵，在 缺氧和好氧条件下会出现磷的吸收，厌氧条件下会出现磷的释放。 非反硝化菌( 好氧菌) 能够在好氧条件下利用快速生物降解有机物进行增殖； 厌氧和缺氧条件下，可以进行颗粒性有机物的水解和溶解性有机物的酸化( 发 酵) ，但不能增殖。 1 1 3 2 城市污水中磷的来源与去除途径 城市污水中磷酸盐按物理特性可以划分为溶解磷和颗粒态磷，按化学特性可 以划分为正磷酸盐、聚合磷酸盐和有机磷酸盐。城市污水中磷酸盐的主要来源为 人类活动的排泄物、废弃物和工业污水，特别是含磷洗涤剂的大量使用。城市污 水处理过程中，磷酸盐的主要去除途径为： ( 1 ) 形成无机磷酸盐沉淀物：利用污水中存在的和外部投加的金属盐( 铁 盐、铝盐和石灰) 形成金属磷酸盐沉淀物，反应过程主要受p h 值和金属盐肿 摩尔比的影响； ( 2 ) 结合到生物体及有机物中：通过生物氧化与合成作用，使磷酸盐的存 在方式发生变化； ( 3 ) 转化为聚磷菌的胞内聚合磷酸盐：通过聚磷菌的优势生长，明显提高 活性污泥的含磷量； 北京工业大学工学硕士学位论文 ( 4 ) 其他去除方式：例如，特定条件下丝状菌对磷的吸收和积累，藻类生 长对磷的吸收。 在污水生物除磷工艺中，厌氧状态和好氧状态在时间或空间上的交替运行， 使聚磷茵群体能在快速生物降解基质的竞争中取得优势，通过排除高含磷量的剩 余污泥，获得低含磷量的净化处理出水。 在厌氧反应池中，兼性厌氧细菌通过发酵作用将溶解性有机物转化成挥发性 脂肪酸( v f a s ) ，聚磷菌吸收来自原污水中的或厌氧反应池中产生的v f a s ，同 化成胞内的碳能源存储物( p h b p h v ) ，所需的能量来源于聚磷的水解以及细 胞内糖的酵解。胞内磷酸盐含量升高后，一定会扩散到外部环境，液相中的磷酸 盐浓度相应升高。厌氧段实际上起到聚磷菌“生物选择器”的作用，使聚磷菌群 体在处理系统中得到选择性的优势增殖，同时抑制了丝状菌的增殖，使曝气池混 合液的s v i 值保持在较低水平。 在好氧反应池中，聚磷菌通过p h b p h v 的氧化代谢产生能量，一方面进行 磷的吸收和聚磷的合成，以聚磷的形式在细胞内存储磷酸盐，以聚磷酸高能键的 形式捕积存储能量，将磷酸盐从液相中去除，另一方面合成新的聚磷菌细胞和存 储细胞内糖，产生富磷污泥。 因此，磷酸盐的厌氧释放分为两部分，即有效释放和无效释放。磷酸盐的有 效释放是聚磷菌吸收和储存v f a s 等低分子有机物这一耗能过程的偶联过程。而 无效释放则不伴随低分子有机物的吸收和储存，是内源损耗、p h 变化和毒物作 用等方面因素引起的磷酸盐的释放。在厌氧反应池中，随着可吸收和存储的v f a s 的消耗，有效释放量不断减少，停留时间越长，无效释放比例越高，造成后续好 氧反应池中磷酸盐的吸收能力降低，吸收不完全。因此，厌氧池的水力停留时间 不是越长越好，一般情况下宜控制在1 0 1 5 h 。此外，还要尽量避免低p h 冲击 负荷，以免造成聚磷的酸性水解和生物除磷能力丧失。 在污水生物除磷脱氮系统中，影响处理出水溶解磷浓度的主要因素为进入厌 氧池的进水快速生物降解c o d t p 比值和硝酸盐含量。单位快速生物降解c o d 的生物除磷能力大致为o 1 0m g p m g c o d ，而厌氧池进流中的单位硝酸盐可导致 的快速生物降解c o d 损失量大致为6m g c o d m g n 0 3 - n 。因此，进水水质特性 的全面分析是工艺设计计算的重要环节之一，硝酸盐浓度的控制是工艺设计和运 行管理的关键。 1 2 初沉污泥水解酸化的原理 1 2 1 污泥厌氧消化理论 城市污水处理厂产生的污泥量大且含有大量的有毒有害物质，需要及时处理 和处置，最终达到污泥的减量化、稳定化、无害化和资源化。污泥经过消化处理 4 第1 章绪论 可以实现污泥的稳定化。根据有氧和无氧的条件，消化处理可以分为好氧消化和 厌氧消化。当产生的污泥量不大时可以考虑采用好氧消化，而多数情况下，采用 好氧消化处理是不经济的。相对于好氧消化而言，污泥厌氧消化是最古老和最常 见的污泥生物处理方法之一，其优点为在费用较低、生物质产出率高、致病菌破 坏率高、产生甲烷等条件下使大量的污泥得到稳定化。污泥厌氧消化，即污泥中 的有机物质在无氧的条件下，被厌氧菌群最终分解成甲烷和二氧化碳的过程，它 是目前国际上最为常用的污泥生物处理方法，同时也是大型污水处理厂最为经济 的污泥处理方法。美国6 8 的污水处理厂采用厌氧方法消化污泥，在德国，服务 人口大于3 0 0 0 0 人的污水处理厂大多数采用厌氧消化方法，法国和东欧各国大型 污水处理厂也都较多采用厌氧消化工艺。 五污泥厌氧消化是一个极其复杂的过程，多年来厌氧消化被概括为两个阶段过 程，第一阶段为酸性发酵阶段，有机物在产酸细菌的作用下，分解成脂肪酸及其 他产物，同时合成新细胞；第二阶段为甲烷发酵阶段，脂肪酸在专性厌氧菌 产甲烷菌的作用下转化为c h 4 和c 0 2 。但是，事实上第一阶段的最终产物不仅仅 是酸，发酵产生的气体也并不都是从第二阶段产生的，因此，两阶段过程可归结 为不产甲烷阶段和产甲烷阶段。 厌氧消化是一种普遍存在于自然界的微生物降解有机物代谢过程。凡是有 水和有机物存在的地方，只要供氧条件不好或有机物含量多，都会发生厌氧消化 现象，使有机物经厌氧分解而产生c i - h 、c 0 2 、h 2 s 等气体。但是，厌氧消化是 一个极其复杂的过程，1 9 7 9 年，b r y a n t 等人根据微生物的生理种群的不同，提 出了厌氧消化三阶段理论，这也是当前较为公认的理论模式。 f 产 l 酸j 相 1 【 产f 甲 l 烷1 相 l e 糖类l 蛋白质脂肪( 类脂物) 上上上 单糖氨基酸 l 甘油脂肪酸 j rj rj r 丙酮酸、乙醇、挥发性脂肪酸、h 2 、n h 3 、c 0 2 和h 2 s 土 乙酸、h 2 、n h 3 、c 0 2 和h 2 s 上 c i - h 、h 2 、n h 3 、c 0 2 和h 2 s ) 篓 1 产氢产乙酸 阶段 j 酸化菌 1 i 产甲烷阶段 i 产甲烷菌 j 图1 - 1 三阶段厌氧消化模式 f i g u r e1 - 1t h r e e - s t a g em o d e lo fa n a e r o b i cd i g e s t i o n 第一阶段，有机物在水解与发酵细菌的作用下，使碳水化合物、蛋白质与 5 北京工业大学工学硕士学位论文 脂肪，经过水解与发酵转化为单糖、氨基酸、脂肪酸、甘油及二氧化碳、氢等。 第二阶段，是在产氢、产乙酸菌的作用下，把第一阶段的产物转化成氢、 二氧化碳和乙酸。如戊酸的转化： c h 3 c h 2 c h 2 c h 2 c o o h + 2 h 2 0 一c h 3 c h 2 c o o h + c h 3 c o o h + 2 h 2 丙酸的转化： c h 3 c h 2 c o o h + 2 h 2 0 一c h 3 c o o h + 3 h 2 + c 破 乙醇的转化： c h 3 c h 2 0 h + h 2 0 一c h 3 c o o h + 2 h 2 第三阶段，通过两组生理特性上不同的产甲烷菌的作用，将氢和二氧化碳转 化c h 4 或对乙酸脱羧产生甲烷。产甲烷阶段产生的能量绝大部分都用于维持细 菌存在，只有很少能量用于合成新细菌，故细胞的增殖很少。在厌氧消化的过程 中，由乙酸形成的c h 4 约占总量的2 3 ，由c 0 2 还原形成的c h 4 约占总量的1 3 。 4 h 2 + c 0 2 专c h 4 + 2 皿d 2 c h 3 c o o h 专c h 4 + 2 c 0 2 由上可知，产氢、产乙酸细菌在厌氧消化过程中具有极其重要的作用，它在 水解和发酵细菌及产甲烷细菌之间的共生关系中，起到了联系作用，通过不断的 提供大量的h 2 ，作为产甲烷菌的能源，以及还原c 0 2 生成c h 4 的电子供体。三 阶段厌氧消化的模式( 以糖类、蛋白质和脂肪为例) 如图1 1 所示。 1 2 2 污泥的水解酸化机理 水解酸化是污泥厌氧消化中的一个环节，污泥中的有机物只有经过微生物的 水解酸化作用后方能进入产甲烷阶段。若能将污泥的厌氧消化过程控制在水解酸 化阶段，即可实现酸化产物( 挥发性脂肪酸) 的积累。以开发碳源为目的的污泥 水解酸化机理就是这样提出的。 水解过程在化学意义上指的是化合物与水进行的一类反应的总称。在废水或 污泥生物处理中，水解指的是有机物( 基质) 在进入细胞前，与细胞分泌的胞外酶 在胞外进行的生物化学反应，这一反应可将复杂的非溶解的聚合物被转化为简单 的溶解性单体或二聚体的过程。研究表明，自然界的许多物质( 如蛋白质、糖类、 脂肪等) 能在好氧、缺氧或厌氧条件下进行水解，其中厌氧水解最为常用。影响 水解速度与水解程度的主要因素有温度、p h 值、有机质颗粒的大小、有机质在 反应器内的停留时间和有机物的组成等。采用机械作用( 如高速剪切和超声波 等) 、热水解作用( 如加热污泥到1 5 0 - - 2 0 0 和高压6 0 0 2 5 0 0 k p a ) 、化学和热化 学水解作用( 如热碱处理) 等可以使污泥得到充分裂解，减小污泥粒径，增加胞外 水解酶接触到基质的机会，从而使污泥的水解速率和效率得到提高。而且能够提 高水解物质中溶解性有机物质所占的比例，为污水中营养物质的生物去除提供碳 6 第l 章绪论 源。 一般认为酸化( 发酵) 是有机化合物既作为电子受体也是电子供体的生物 降解过程。在这一阶段溶解性有机物被微生物代谢转化为以挥发性脂肪酸 ( v o l a t i l ef a t t ya c i d s ，v f a s ) 为主的各种有机酸。v f a s 主要包括乙酸、丙酸、丁酸 和戊酸等短链挥发性脂肪酸，是生物脱氮除磷过程中微生物可利用的基质，对于 城市污水生物脱氮除磷是十分必要的。 在发酵产酸细菌参与下的污泥水解酸化的生化过程可以概括为两个方面： ( 1 ) 将大分子不溶性有机物水解成小分子的水溶性的有机物。水解作用是在 水解酶的催化作用下完成的。水解酶是一种胞外酶，因此水解过程是在细菌细胞 的表面或周围介质中完成的。发酵产酸细菌群中仅有一部分细菌种属具有分泌水 解酶的功能，而水解产物却一般可被其它的发酵产酸细菌群所吸收利用。这也许 就是采用一些机械的、热化学等生化手段可以提高水解的效率，但是并没有破坏 随后的酸化或消化功能的原因。 ( 2 ) 发酵产酸细菌将水解产物吸收进细胞内，经细胞内复杂的酶系统的催化 转化，将一部分供能源使用的有机物转化为代谢产物，排入细胞外的水溶液里， 主要产物为包括乙酸在内的短链脂肪酸。 一 水解和酸化阶段在理论上可以区分，但是大量的研究结果表明，除去采用水 解酶工艺外，在实际中的混合微生物系统中，即使严格控制条件，水解和酸化也 是无法截然分开，这主要是因为水解菌是一种具有水解能力的发酵细菌。水解是 耗能过程，发酵细菌消耗能量进行水解的目的，就是为了获取进行发酵的水溶性 基质，并通过胞内的生化反应取得能源，同时排出代谢产物( 厌氧条件下主要为 各种v f a s ) 。而污泥中同时存在不溶性和溶解性有机物，水解和酸化更是不可 分割地同时进行。 表1 - 2 产酸菌和产甲烷菌的特性及生理需求 t a b l e1 - 2t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dp h y s i o l o g i c a lr e q u i r e m e n t so f a c i d o g e n i ca n dm e t h a n o g e n i cb a c t e r i a s 对城市污水厂产生的污泥进行厌氧水解酸化及用于增强生物营养物质( 氮、 磷) 的去除( e n h a n c e dn u t r i e n t sr e m o v a l ，e n r ) 的目的，就是使污泥中大量复杂的有 7 北京工业大学工学硕士学位论文 机物( 包括碳水化合物、蛋白质、脂类) 水解成小分子有机物，最终获取大量的易 生物降解的v f a s ，而此物质是营养物质去除过程中必要的有利基质。同时，还 使污泥得到减量化、稳定化，最终实现了污泥的资源化利用。 如果能够将污泥厌氧消化过程控制在水解酸化阶段，则可以利用水解酸化菌 分解污泥中有机物所产生的大量挥发性有机物。水解酸化开发碳源的机理即在于 此，污泥厌氧消化过程中的水解酸化阶段与产甲烷阶段有两大类微生物来控制， 一是产酸菌，二是产甲烷菌。两种生物具有不同的生理特性，具体差别如表1 - 2 所 示。若能通过控制一定的动力学参数或环境条件，有效抑制厌氧系统中产甲烷茵 的生理活性，而对产酸菌的生长影响不大。即可实现产酸效应的强化，产甲烷效 应的弱化，进而将污泥的厌氧消化过程控制在产酸阶段，实现碳源的开发。 根据表中两类细菌的主要生理特性，通过控制厌氧系统的动力学参数，如污 泥停留时间，水力停留时间，控制环境的温度，p h 值，氧化还原电位以及向系 统投加毒性物质( 能够有效抑制产甲烷生长代谢的物质) 。都可以实现厌氧系统 中产酸菌和产甲烷菌的分离。 1 3 国内外研究现状与动态 对于采用同步生物脱氮除磷工艺的污水处理厂，其进水大多都存在碳源不足 的问题。鉴于外加碳源的高额运行费用，人们开始把注意力转向从污水处理厂内 部开发碳源。2 0 世纪8 0 年代，国外已经开始研究采用初沉污泥开发碳源的试验 研究阳1 ，利用初沉污泥水解酸化产生的v f a s 来用于生物脱氮除磷工艺阻0 1 1 ：，满 足其中脱氮除磷微生物的碳源需求。而国内的研究多集中于较高浓度污水的水解 酸化，注意力主要集中在减少污水处理的的运行成本和提高污水的可生化性方 面，单独采用初沉污泥或剩余污泥进行水解酸化开发碳源并用于生物脱氮除磷的 研究较少n 2 1 6 ：。彭党聪j 刀等采用完全混合式反应器，对初沉污泥转化为生物脱氮 除磷系统可快速利用碳源进行了研究，认为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。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 ，水力停留时间3 d ，p h 值5 5 “5 时，初沉污泥 水解酸化效率为1 3 6 ，v f a 产率为o 1 9 8 m g v f a ( c o d ) m g 污泥v s s , 以初沉 污泥水解酸化产物作为碳源，污水的生物脱氮速率与不投加碳源和投加初沉污泥 的脱氮速率相比，分别提高了2 倍和1 1 倍，同时其脱氮速率也是常规外加碳源( 甲 醇) 脱氮速率的1 3 3 倍。苑宏英j 刖等研究了剩余污泥厌氧发酵的影响因素，认为 机械式搅拌比磁力搅拌和摇床混合更加容易实现颗粒间的充分高效接触；同时发 现搅拌速度太快或太慢都不利于s c o d 和v f a s 的生成，较恰当的机械搅拌速度 为6 0 , - - 8 0 r p m ；剩余污泥在碱性条件下发酵产酸量要大于其在酸性环境下的产酸 量，以p h 值为1 0 是为最优。 污泥水解酸化过程是一个由不同种类微生物完成的生化反应过程，主体微生 8 第1 章绪论 物能否正常生长将决定水解酸化系统能否正常运行。影响水解酸化系统中水解产 酸菌生长的因素包括动力学参数和环境参数“引。其中动力学参数有水力停留时 间、污泥停留时间和搅拌强度等；环境因子有温度、p h 值、o r p ( 氧化还原电位) 等。 1 3 1 污泥水解酸化的影响因素 1 3 1 1 温度 温度是影响厌氧生物处理工艺的重要因素，对于污泥的水解酸化也是如此。 温度对污泥水解酸化的影响主要表现在以下几个方面。( 1 ) 温度影响水解酸化系 统中产酸菌细胞内酶的活性，从而影响其生长速率和其对基质的降解速率，进而 影响水解酸化系统中微生物的数量和产酸效率等。研究表明，在5 3 5 c 的温度 范围内，温度每升高1 0 1 5 c ，厌氧微生物的生化速率加快1 2 倍；( 2 ) 温度影 响水解酸化体系中进行的各种生化反应的反应方向和中间产物的形成及各种物 质在水中的溶解度，从而最终影响产物的成分与性质：( 3 ) 当然，温度还会影响 工程应用时的运行成本。 从生化反应动力学方面看，温度主要会影响其中的两个参数，分别为最大比 基质去除速率k 和半饱和常数k 。半饱和常数k 。的倒数l k , 表示微生物对基质 的亲和力，该值越大说明基质越容易被微生物降解。研究表明，半饱和常数k 。对 温度的变化较为敏感，1 9 6 9 年，l