（环境工程专业论文）弧形导流板厌氧限氧循环污泥减量反应器试验研究.pdf

中文摘要 摘要 活性污泥法是目前世界上应用最为广泛的污水生物处理技术，其存在一个较 大的弊端，就是会产生大量的剩余污泥，因此，进行污水处理工艺剩余污泥减排 具有降低二次污染、减轻污泥后续处理处置压力等重要意义。论文在对国、内外 研发的各种剩余污泥减量技术客观评述的基础上，主要针对o s a 污泥减量技术中 水力停留时间较长、回流污泥活性相对较低等问题，研发了弧形导流板厌氧限氧 循环污泥减量反应器( 以下简称污泥减量反应器，s l u d g er e d u c t i o nr e a c t o r ，s r r ) 。 论文主要从污水处理系统总体处理效果、污泥减量效能，污泥减量反应器运行参 数优化及系统活性污泥微生物特性等几个方面进行了试验研究。 进行了好氧厌氧交替环境运行和好氧曝气量影响的间歇试验，考察了好氧 厌氧环境交替循环速度、溶解氧浓度对剩余污泥减量机制与效果的影响，认为试 验条件下，好氧厌氧交替环境的污泥减量效果优于单纯好氧或单纯的厌氧环境， 好氧厌氧交替环境中污泥减量途径主要包括污泥自身衰减溶胞和能量解偶联。 进行了传统活性污泥系统( c a s ) 、和c a s s r r 系统接种污泥好氧6 小时 后，厌氧条件下的污泥减量特性间歇试验。试验结果表明，从c a s s r r 系统中接 种污泥在厌氧过程中，存在更为显著的溶胞和解偶联污泥减量机制，且c a s s r r 系统接种污泥的维持能高于c a s 系统污泥的维持能。 研发了弧形导流板厌氧限氧循环污泥减量反应器，并进行了污泥减量反应 器运行参数优化的正交试验，表明好氧厌氧环境的交替速度、好氧区d o 、h r t 都是影响污泥减量效果的显著因素，对污泥减量效果的影响从大到小依次为：交 替循环速度 h r t 好氧区d o 浓度，且在一定范围内均呈正影响关系；试验确 定污泥减量反应器的最佳运行参数为：循环速度0 2 m s ，限氧区d o 为1 m l ，污 泥减量反应器h r t 为8 h 。 进行了a o 系统、a 2 o 系统与a o s r r 系统、a 2 o s r r 系统的污染物 去除效果及污泥产量、特性的对比试验。s r r 嵌入a o 脱氮系统污泥回流旁路后， c o d 、t n 的平均去除率较a o 对照组相差不大，但t p 平均去除率较对照组由 4 8 4 5 下降到了3 4 6 8 。a o s r r 系统的污泥减量率为3 4 o ，曝气区微生物脱 氢酶活性( d e h y d r o g e n a s ea c t i v i t y ，d h a ) 较a o 对照组上升了5 6 7 。a 2 o s r r 系 统能维持与a 2 o 系统相当的污染物处理效果，由于a 2 o s r r 系统中污泥含磷率 的增加，较a 2 o 系统对照组除磷率仅下降约5 左右。较a 2 o 对照系统，a 2 o s r r 系统中，污泥沉降指数s v i 下降了1 3 6 5 ，可进一步改善出水水质。a 2 o s r r 系统中污泥减量率为4 0 5 ，其微生物相和微生物活性都优于a 2 o 系统， 重庆人学硕十学位论文 a 2 o s r r 系统好氧区微生物的d h a 是a 2 o 系统的1 1 5 倍。 试验结果表明，该污泥减量反应器的主要减量机制为能量解偶联，其次为 微生物的溶胞。系统运行过程中，污泥中的无机砂能够有效地沉积于弧形导流板 厌氧限氧循环污泥减量反应器底部，可以通过定期排放无机砂来降低系统中惰性 无机物的含量，以确保污水处理系统长期稳定运行。 研究表明，从反应器技术的角度，研发剩余污泥减量反应器具有较强的创新 性，试验研究结果可为该技术的深入理论研究和实际应用提供良好的技术支撑。 关键词：污泥减量，新型反应器，活性，生物相，污泥特性 i i 英文摘要 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，a c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s si sw i d e l yu s e di nb i o l o g i c a lw a s t e w a t e r t r e a t m e n ti nt h ew h o l ew o r l d ，b u tt h e r ei sas e r i o u sp r o b l e mt oh a n d l e t h i st e c h n o l o g y w i l lp r o d u c ep l e n t yo fe x c e s ss l u d g e s oi ti sv e r ys i g n i f i c a n tt h a tr e d u c i n gt h ea m o u n t o ft h ee x c e s ss l u d g ei nt h ep r o c e s so fw a s t ew a t e rt r e a t m e n tw i l lr e d u c et h es e c o n d a r y p o l l u t i o na n dl i g h t e nt h eb u r d e no ft h es e q u e n t i a lt r e a t m e n ta n dd i s p o s a l b a s e do n d i f f e r e n ts l u d g er e d u c t i o nt e c h n o l o g yr e s e a c h i n gi nb o t hd o m e s t i ca n do v e r s e a s ， a c c o r d i n gt os o m ep r o b l e m si nt h eo s as l u d g er e d u c t i o nt e c h n o l o g y , s u c ha sh r t w a s t o ol o n ga n dr e c y c l e ds l u d g eh a sl o wa c t i v i t y , c r e a t i n gab r a n dn e wc i r c u l a t o r ys l u d g e r e d u c t i o nr e a c t o ro fa n a e r o b i c o x y g e nl i m i t i n gw i t ha r c - g u i d e p l a t e i nt h i sp a p e r , d i f f e r e n ta s p e c t s i n c l u d i n gt o t a lt r e a t m e n te f f e c t si nw a s t e w a t e rt r e a t e m e n ts y s t e m ， e f f i c i e n c yo fs l u d g er e d u c t i o n ，o p e r a t i o np a r a m e n t so p t i m i z a t i o no fs l u d g e r e d u c t i o n r e a c t o r ，a c t i v i t yo fm i c r o o r g a n i s mo fs l u d g ea n ds oo n a r es t u d i e d 1 b a t c ht e s t s o p e r a t i n ga l t e r n a t i v e l y i na e r o b i c a n a e r o b i ce n v i r o n m e n ta n d a f f e c t i n ga e r a t i o n a m o u n ti na e r o b i ca r e aw e r ec a r r i e do u t s t u d y i n ga l t e r n a t i v e c i r c u l a t o r yv e l o c i t yi na e r o b i i c a n a e r o b i ce n v i r o n m e n t ，d i s s o l v e do x e g e nc o n c e n t r a t i o n i n f l u e n c et h em e c h a n i s ma n de f f e c ta b o u tr e c y c l es l u d g er e d u c t i o ni na e r o b i ca r e a t h e r e s u l t sw e r et h a tt h ee f f e c to fs l u d g er e d u c t i o ni na e r o b i c a n a e r o b i ce n v i r o n m e n tw a g b e t t e rt h a ni na n a e r o b i ce n v i r o n m e n t ，s l u d g el y s i sd e c a y i n gi t s e l fa n de n e r g yu n c o u p l i n g w e r et h et w om a i nw a y st or e d u c es l u d g e 2 b a t c ht e s t s s t u d y i n go nc h a r a c t e r i s t i c s o fs l u d g er e d u c t i o ni nt r a d i t i o n a l a c t i v a t e ds y s t e ma n dc a s s r ri n o c u l a t i n gs l u d g es y s t e mu n d e rt h e a n a e r o b i c c o n d i c t i o nw e r ec a r r i e do u t ，c o n s i d e r i n gt h a ti n o c u l a t i n gs l u d g ew a sr e d u c e dw i t h a n a e r o b i ct r e a t m e n ti nc a s - s r rs y s t e m ，e x i s t i n gt w os l u d g er e d u c t i o nm e c h a n i s m ， l y s i sa n du n c o u p l i n g a n dm a i n t e n a n c ee n e r g yo fc a s - s r rs y s t e mw a sh i g h e rt h a n c a s s 3 a no r t h o g o n a lt e s to fo p e r a t i n gp a r a m e n t so p t i m i z a t i o no fs l u d g er e d u c t i o n r e a c t o rw a sc a r r i e do u t t h er e s u l ts h o w e dt h a ta l t e r n a t i v ev e l o c i t y , d i s s o l v e d o x y g e n ( d o ) i no x y g e n l i m i t i n ga r e aa n dh r tw e r ea f f e c t e ds i g n i f i c a n t l y s l u d g e r e d u c t i o ni na e r o b i c a n a e r o b i ce n v i r o n m e n t ，a n dt h ei m p o r t a n td e g r e eo ft h e s ef a c t o r s w a sa l t e r n a t i v ev e l o c i t y h r t d i s s o l v e do x y g e ni no x y g e n - l i m i t i n ga r e a ，w h i c hh a d p o s i t i v er e l a t i v i t yi ns o m ee x e t e n t t h eb e s to p e r a t i n gp a r a m e n t so fc i r c u l a t o r ys l u d g e i i i 重庆火学硕十学位论文 r e d u c t i o nr e a c t o ro fa n a e r o b i c o x y g e nl i m i t i n gw i t ha r c - - g u i d e - - p l a t ew e r ed e t e r m i n e di n t h i se x p e r i m e n t ，a n da l t e r n a t i v ec i r c u l a t o r yv e l o c i t yw a s0 2m s ，d oi no x y g e nl i m i t i n g a r e aw a slm g l ，h r tw a s8 h 4 c o n t r a s to fp o l l u t a n tr e m o v a l e f f i c i e n c ya m o ga os y s t e m ，a 2 os y s t e m ， a o s r rs y s t e ma n da 2 o s r rs y s t e m ，a n dc o n t r a s to fo u t p u ta n dc h a r a c t e r i s t i c so f s l u d g ew e r ec a r r i e do u tt o o i n t r o d u c i n gs r ri n t oa os y s t e m ，t h ea v e r a g er e m o v a lr a t e o fc o da n dt nh a dl i t t l ec h a n g ec o m p a r i n gt oa os y s t e m ，b u tt h ea v e r a g er e m o v a l r a t eo ft pd e c r e a s e df r o m4 8 4 5 t o3 4 6 8 t h es l u d g er e d u c t i o nr a t eo fa o s r r s y s t e mw a s3 4 0 ，m i c r o o r g a n i s md e h y d r o g e n a s ea c t i v i t y ( d h a ) i n c r e a s e db y5 6 7 t h e r ew a sl i t t l ed i s t i n c t i o na b o u tp o l l u t a n tr e m o v a le f f i c i e n c yb e t w e e na 2 o s r ra n d a 2 o b e c a u s eo ft h ei n c r e a s eo fp h o s p h o r u sc o n t e n ti ns l u d g eo fa 2 o - s r rs y s t e m ， c o n t r a s to fa 2 os y s t e m ，t h ep h o s p h o r u sr e m o v a lr a t e o n l yd e c r e a s e sa b o u t5 c o m p a r i n gw i t ha 2 os y s t e m ，t h es l u d g ev o l u m ei n d e xo fa 2 o s r rs y s t e md e c r e a s e d 13 6 5 a n dt h es e t t l i n gp r o p e r t yi m p r o v e d t h es l u d g er e d u c t i o nr a t eo fa 2 o s r r s y s t e mw a s4 0 5 ，a n di t sb i o f a c i e sa n dm i c r o o r g a n i s mw e r eb e t t e rt h a na 2 os y s t e m m i c r o o r g a n i s md e h y d r o g e n a s ea c t i v i t y ( d h a ) i na e r o b i ca r e ao fa 2 o s r rs y s t e mw a s 1 1 5t i m e sa sm u c ha s a 2 os y s t e m s 5 t h ee x p e r i m e n td e m o n s t r a t e dt h a tt h em a i nr e d u c t i o nm e c h a n i s m so fs l u d g e r e d u c t i o nr e a c t o rw e r el y s i so fm i c r o o r g a n i s ma n de n e r g yu n c o u p l i n g d u r i n gt h e s y s t e mo p e r a t i o n ，t h ei n o r g a n i cs a n d s t o n e sw e r ee f f e c t i v e l yd e p o s i t e du n d e rt h eb o t t o m o f c i r c u l a t o r ys l u d g e r e d u c t i o nr e a c t o ro f a n a e r o b i c o x y g e nl i m i t i n g w i t h a r c g u i d e - p l a t e ，d i s c h a r g i n gi n o r g a n i cs a n d s t o n e sr e g u l a r l yt ol o w e rt h ec o n c e n t r a t i o n o fi n o r g a n i s mi n t h i ss y s t e ma n dm a k es u r et h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n ts y s t e mc o u l d o p e r a t es t e a d i l y t h er e s e a r c hs h o w e dt h a ti n v e n t i n ge x c e s ss l u d g er e d u c t i o nr e a c t o rh a ds t r o n g c r e a t i v i t ya n dt h er e s u l t so f f e r e de x c e l l e n tt e c h n i c a ls u p p o r tt of u r t h e rt h o e r ys t u d ya n d p r a c t i c a la p p l i c a t i o n k e yw o r d ：s l u d g er e d u c t i o n ，n e wr e a c t o r , a c t i v i t y , b i o f a c i e s ，s l u d g ec h a r a c t e r i s t i c s i v 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的左l士学位论文 啦晕氧纽醒岛甜诤缅整益翻醒窿麓蚴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 文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：谗焉 导师签名：许啦 签字日期：励7 矽知 签字日期：枷7 d 歹口 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程( 噬， 下简称“章程) ，愿意将本人的墓曼士学位论文l 砸墨亟避錾k j ! 盎弛鲆盘趟磷霹”i 杉 交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c n ) 在中国博士学位论文全文数据 库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文数 据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文 全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n k i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联 网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益和承担相应义务。本人授权重庆大学 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开论文的全部或部分内容。 作者签名： 煎墨导师签名：杆峨 由o c 年f ，月乃日 备注：审核通过的涉密论文不得签署“授权书”，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至 年一月一日。 说明：本声明及授权书兰隧装订在提交的学位论文最后一页。 l 概述 1 概述 1 1 城市污水厂剩余污泥处理处置 1 1 1 剩余污泥的危害 活性污泥法是目前城市污水处理厂应用最广泛的污水生物处理工艺【坨】，它具 有基建投资省、处理效果好的优点，但其存在一个较大的弊端，即是在运行过程 中会产生大量的剩余污泥。一座同处理l o 万吨污水的城市污水处理厂，正常运行 情况下，每天将产生干污泥1 0 2 0 口屯【。污水厂剩余污泥处理的基建费用占污水处 理厂总基建投资的3 0 6 0 左右【3 】，有的甚至高达6 0 7 0 t 4 1 。大量剩余污泥的产 生、排放与后续处置，已经成为我国尤其是中西部经济欠发达地区的重要环境问 题和污染物减排的重要内容。 剩余污泥的含水率一般在9 5 以上，有机物在污泥干重中的含量为6 0 7 0 ， 会发生厌氧降解，极易腐败并产生恶臭；污泥中含有大量的病原菌、寄生虫卵以 及病毒，容易造成传染病大面积传播；同时污泥中还含有多种重金属离子和有毒 有害的有机物，这些物质可能从污泥中渗滤或挥发出来，污染水体和空气，容易 造成二次污染【5 1 。因此，剩余污泥不能随意排放，而必须对其进行妥善的处理和处 置【6 1 。 1 1 2 国外剩余污泥处理处置现状 表1 1 列出了一些国家污泥产生量与处置途径。 表1 1 部分国家污泥产生量与处理途径7 1 t a b l e l 1p r o d u c t i o na n dd i s p o s a la p p r o a c h e so fs l u d g ei ns o m ec o u n t r i e s 重庆人学硕十学位论文 剩余污泥处置方法主要有：填埋、焚烧、土地利用、远洋投放。但这些方法 都无一例外地存在弊病：填埋处置容易对地下水造成污染，同时大量占用土地； 焚烧处置虽可使污泥体积大幅减小，且可灭菌，但焚烧设备的投资和运行费用都 比较大，且容易造成大气污染；由于剩余污泥成分复杂，可能含有大量的病原菌 和寄生虫( 卵) 、有害的有机污染物、重金属等有害成分，使得土地利用难免发生 二次污染；远洋投放虽可在短期内避免海岸线及近海受到污染，但其长期危害可 能非常严重，目前有的国家已明令禁止远洋倾倒。j 下是在这种背景下污泥源头减 量化技术应运而生。 1 1 3 我国剩余污泥处理处置现存问题 根据估算，目前我国城市污水处理厂每年排放的污泥量( 干重) 大约为1 3 0 万 吨，而且年增长率大于1 0 【8 】，特别是在我国城市化水平较高的几个城市与地区， 污泥处理处置问题已经十分突出。仅位于三峡库区的重庆市，至l j 2 0 1 0 年污泥总量 就将达n 3 5 1 4 7 吨同( 含水率以8 0 计) 【5 j 。 表1 2 国内近年污水排放及污泥产量估掣9 】 t a b l e1 2e s t i m a t i o no f w a s t e w a t e rd i s c h a r g ea n ds l u d g ey i e l di nc h i n a 奉以每万吨污水的污泥产量为2 7 吨( 十重) ，6 5 的废水采用生物法处理 在未来几年内，我国污水处理厂的污泥产量还将会有大幅度的上升，主要由 于下几方面的原副1 0 】。 污水量排放量的增加。随着我国人口的逐年增加和城市化进程的加快，污 水排放量也将r 益增加。据( 2 0 0 8 年中国统计年鉴，2 0 0 7 年，我国生活污水排 放量达3 1 0 2 0 0 1 万吨，同处理能力为1 0 3 3 6 5 万吨日。而且，根据预测我国城市 污水量在未来十多年还会有较大增长，2 0 1 0 年污水量将达到3 4 5 x 1 0 8 m 3 d ，2 0 2 0 2 概述 年将达到4 0 2 x 1 0 8 m 3 d e ，污水排放量的增加必然导致污泥产量成倍的增长。 污水处理率的提高。据统计，全国地市污水处理率已经从2 0 0 0 年的3 31 5 提高到2 0 0 6 年底的4 38 ，随着国家对环境保护越来越重祝，我国城市污水处理 牢还要进一步提高。中国“十一五”规划确定，到2 0 1 0 年底全国设市城市平均污水 处理率达到7 0 ，省会城市平均达到8 0 以上，要达到这一目标需要建设一大批 城市污水处理j 。污泥量通常占污水量03 5 ( 体积) 或者污水处理量的 1 ( 质量) ，如果进行深度处理，污泥量还会增加05 l 倍因此污水处理率 的提高必然导致污泥数量的增加。 处理标准的严格。随着我国排放标准r 趋严格，污泥产量也将随之增加。 尤其是现在日益引起重视的无机营养物质n 、p 的去除。根据德国脱氦除磷污水处 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。 我国的污泥处置，即昂终出路存在严重问题，目前全国己经建成的污水处理 厂中，有污泥处理工艺的只占3 0 ，有污泥稳定处理设施的约为2 5 ，建有污水 处理厂的大中城市中，9 0 以上的污泥处理设施不配套，一些中小城市基本没有污 泥处理设旆【i q 。图11 为我国主要的几种污泥处理处置方法所占的比例i 】”。 图11 目前我国几种主耍的污泥处置方式 f i g l1 t h e m a i n d i s p o s a l i n t n s o fs i n a g e i nc h i n a 由图可知，我国的污泥农用约占“8 、陆地填埋约占3 1 、其它处置约占 1 05 、而没有处置的部分的占到了1 37 污泥农用能将污泥作为植物肥料，但 污泥中的重金属和有害的有机污染物易在作物内富集，形成潜在的威胁；_ ：地填 埋也是剩余污泥处理的主要方法之一其对设备要求相对简单，但是需要占用大 重庆人学硕十学位论文 量的土地作为填埋场地，且要花费很多的污泥运输费用，而且容易产生地下水污 染和臭气散逸等二次污染问题。 随着我国污泥排放量的逐年增加，可用土地的减少和人们环保意识的加强， 剩余污泥的处理处置问题显得更加严峻。 1 2 污水处理同步剩余污泥减量 1 2 1 污泥减量化的概念 污泥减量化是在二十世纪九十年代提出的对剩余污泥处理的新的概念【l4 1 ，是 在剩余污泥资源化基础上进一步提出的对剩余污泥处置的要求。污泥的减量化与 剩余污泥减容化有着本质的区别，减容化是通过降低污泥的含水率来缩小污泥的 体积，而污泥中的生物固体( b i o m a s s ) 量几乎得不到减少。污泥过程减量化是指 在确保污水处理工艺运行效果的基础上，利用物理、化学或生物等机制和措施， 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，降低系统 中剩余生物固体产生量，使污水处理设施向外排放的生物固体量达到最小的一种 源头减量方法。所以减量化是从污水处理过程中减少剩余污泥的产生量，是一种 污水污泥同步处理过程。 污水处理从某种角度来说可以被看做是一种生产，这种生产的“原料”就是 污水，污水处理过程把污染物从液相转到了固相( 或半固相) 是一种“加工过程”， 而“产品”是达标合格的出水，而在生产过程中产生的“废物 ( 污染物) 就是剩 余污泥，而无剩余污泥产生的污水处理过程就能被看做“清洁生产”，因此，清洁 生产中一个很重要的思想源头治理，在生产过程中尽可能少地产生污染物质， 在污水处理过程中加以诠释，也是另一种意义的剩余污泥减量化概念。 1 2 2 同步剩余污泥减量的意义 随着世界各国污水量的增加和处理率的提高，污泥的产量越来越高，而受到 经济技术、环境保护等因素的限制，污泥问题为污水处理事业中的重大难题。从 消除污染物的角度看，污水处理只能看作是把污染从液相转到了固相( 或半固相) ， 因此，污泥含有大量的水分( 7 5 - - 9 9 ) ，成分复杂，且有大量的病原菌和寄生虫 ( 卵) 、有害的有机污染物、重金属等有害成分，伴有恶臭，易腐烂。如不及时处 置，极易造成二次污染f l 副。 德国在1 9 9 6 年明确提出了废物减量化、资源化和无害化处置的优先顺序。污 泥处理处置的最终目的是为了实现污泥的减量化、稳定化、无害化，而最终目的 并不是资源化，资源化是在污泥量无法最终消除的基础上尽量的利用污泥所能产 生的能量和物质，以实现经济效益和节约能源的效果，它是在目前无法彻底消除 剩余污泥产生的情况下的一种出路【l 引。而污泥减量化的最终目标是消除剩余污泥 4 1 概述 的产生，但是目前在活性污泥法仍然作为世界上应用最广泛的污水处理方法的前 提下，基本不可能没有剩余污泥的产生，污泥量只可能尽量地减少，以降低后续 处理处置的压力。 剩余污泥产量的急剧增加不仅给污水处理厂带来沉重的负担，而且也成为各 国政府和民众密切关注的问题。因此，解决剩余污泥问题己迫在眉睫。这个问题 的解决有两条途径：一是为污泥提供更多的出路，但这只是治标，并且随着污泥 产生量的迅速增加，污泥的产出与处置问的矛盾己日益尖锐，所以并非长远之策； 另一途径则是从源头治理的思路出发，采用污泥源头减量化技术，即在污水处理 的过程中最大程度减少剩余污泥的产生量，该途径符合清洁生产的理念，才是治 本之策。因此，开发低污泥产率的污水处理技术、减少污水处理过程中的剩余污 泥产生量，实现污泥源头减量有着重大的意义【l4 1 。 1 3 课题的提出与主要研究内容 1 3 1 课题的提出 目前，国内外专家研究表明，好氧厌氧交替运行有助于污水处理过程中的剩 余污泥减量。o s a 技术通过在剩余污泥回流旁路耦合一厌氧区，通过能量解偶联 过程降低污泥产率【1 7 】。卫藤俊司【1 8 1 提出了一种操作简便的好氧厌氧耦合全分解剩 余污泥污水处理方法，该方法是在一种推流式固定床反应器中使用多孔微生物载 体和间隔曝气装置，这样就可以在反应器中增加微生物的停留时间，同时在污水 流向上形成好氧厌氧反复耦合的过程，其结果使废水中的有机物和悬浮固体有机 物( 包括剩余污泥) 被分解，最终被转化成无害气体和水，这种方法不需要污泥 回流，操作简单。林山杉、管运澍1 9 】对污泥在好氧厌氧循环环境中的污泥减量效 能做了研究，得出了污泥在好氧厌氧循环环境中能取得很好的污泥减量效果的结 论。于安掣2 0 】等设计并研究了好氧厌氧反复耦合反应器的运行特性，得出了好氧 厌氧反复耦合能大大提高细菌溶菌作用、增强污泥减量效果的结论。上述污水处 理过程中降低污泥产量的研究各有优势，也存在停留时间较长、回流污泥活性较 低、污水处理效果或污泥减量效能欠稳定等不足。本论文基于剩余污泥减量理论 基础，从反应器技术的角度，研发了弧形导流板厌氧限氧循环污泥减量反应器， 并设置该反应器于剩余污泥回流旁路，考察系统污水处理过程污染物的总体去除 与污泥减量总体效果。该污泥减量反应器己申请国家实用新型专利( 专利申请号： 2 0 0 9 2 0 1 2 7 9 5 9 6 ) 。 本课题受科技部国际合作项目( 2 0 0 7 a d f 9 0 6 6 0 ) 资助。 1 3 2 主要研究内容 本研究基于污水处理过程同步污泥减量基础理论，以及对现阶段污水处理剩 重庆人学硕士学位论文 余污泥减量的技术评述，针对在o s a 解偶联等污泥减量技术系统的不足，进行了 弧形导流板厌氧限氧交替循环污泥减量反应器的研发，并嵌入污水处理剩余污泥 回流系统，探究厌氧好氧循环污泥减量反应器工况运行条件和参数，主要进行了 污水处理污泥减量系统的优化，在确保污水处理系统污染物有效去除的前提下， 实现系统剩余污泥的有效减排。 本论文主要研究内容如下： 剩余污泥减量效能与机理的间歇试验研究 污泥减量反应器参数优化试验研究 h o 脱氮系统剩余污泥回流旁路嵌入污泥减量反应器的试验研究 a 2 o 系统剩余污泥回流旁路嵌入污泥减量反应器的试验研究 6 2 剩余污泥减量原理与技术述评 2 剩余污泥减量原理与技术述评 2 1 剩余污泥减量的理论原理与技术 目前，污水处理同步污泥减量的技术途径，一般基于降低污泥产率，提高生 化反应池内混合液污泥浓度，提高污泥自身氧化率，溶解微生物细胞，利用微型 动物延长反应器中食物链长度等方面。 2 1 1 基于解偶联过程降低污泥产率 解偶联过程降低污泥产率基于p m i t c h e l l 于1 9 6 1 年提出的“化学渗透学”的观 点【2 1 1 。从本质上说，活性污泥法即微生物以废水中的污染物质( 基质) 作为生长 的碳源和能源，将污染物从废水中去除，并将其转化为新细胞物质和c 0 2 或者其他 形式。在一般情况下，生长与合成代谢是平衡的，即微生物生长与基质利用是相 关的，每去除1 个单位基质就会同时产生y 单位微生物量。如果以化学计量方程的 形式表示如下1 2 2 1 ： 碳源+ 能源+ 电子受体+ 底物叫新细胞量+ c o ，+ 还原后受体+ 最终产物 从上述计量方程可看出，生物合成反应包含了物质反应，和能够与之相耦合 的能量用于新细胞的形成，而这种能量主要由三磷酸腺苷( a t p ) 提供： 基质+ a t p 叫细胞物质+ a d p + p o + 废弃产物 而a t p 贝, i j 主要是微生物分解代谢过程中通过a d p 的氧化和磷酸化生成： 基质一产物+ 废弃产物+ 能量 a d p + p o + 能量a t p 正常情况下，微生物的分解代谢和合成代谢是紧密耦合的，如图2 1 。 上 底物 c 0 2 + h 2 0 l 茬嚣建御a t 州p 合成 代谢 图2 1 分解代谢和合成代谢的关系 f i 2 2 1r e l a t i o n s h i l ab e t w e e nc a t a b o l i s ma n da n a b o l i s m t 生物体 底物 t 分解代谢通过氧化磷酸化过程将分解底物获得的能量储存于a t p 中，而合成代 谢通过a t p 脱去一个磷酸获得的能量来合成细胞物质。因此，细胞合成产率的大小 7 重庆人学硕+ 学位论文 与a t p 的量密切相关。 代谢解偶联技术就是控制能量的流向以对微生物的合成进行控制，通过添加 解偶联剂或改变微生物的生存环境使微生物氧化底物所获得的能量不用于合成微 生物的细胞，底物被氧化时不出现大量的a t p 被合成，或者即使被合成也以其它的 方式被迅速释放而不用于微生物细胞的合成，从而使微生物在保持正常分解底物 的同时表观产率系数降低污泥产量减少达到污泥减量化的目的【2 3 】。 s o u t h a m e r 认为发生解偶联的情况有【2 4 】： ( 1 ) 存在影响a t p 合成的物质( 解偶联剂) ； ( 2 ) 存在剩余能量( 高s o x o 条件) ； ( 3 ) 温度不合适； ( 4 ) 细胞所处环境改变； ( 5 ) 存在抑制性化合物。 目前，国内外主要通过以下三种解偶联方式来实现污泥的减量： 投加解偶联剂 解偶联剂( u n c o u p l i n ga g e n t s ) 分为人工合成解偶联剂和天然解偶联剂两种。 人工合成解偶联剂通常为脂溶性小分子物质，如2 ，4 二硝基苯酚( d n p ) ，其作 用机理是该物质通过与h + 的结合，降低细胞膜对h + 的阻力，携带h + 跨过细胞膜， 使膜两侧的质子梯度降低。降低后的质子梯度不足以驱动a t p 合酶合成a t p ，从 而减少了氧化磷酸化作用所合成的a t p 量，氧化过程中所产生的能量最终以热的 形式被释放掉2 5 1 。天然解偶联剂主要是棕色脂肪和其他组织中的解偶联蛋白，存 在于高等动物线粒体中。 解偶联剂的最大优势是不需要对现有污水处理工艺作大的改进，只需增设投 药装置即可，但在实际应用中存在以下问题：1 ) 投加的解偶联剂长时问与微生物接 触后，微生物由于被驯化而容易对解偶联剂产生分解，使解偶联剂失去作用。2 ) 在工程实际污水处理中，解偶联剂的投加量通常为4 - - 一8 0 m g l ，用量非常大，需 要从经济方面加以考虑。3 ) 当加入解偶联剂后，虽然污泥的产量降低了，但从物质 守恒角度看，需要更多的氧去氧化未能转化成污泥的有机物，从而使得供氧量增 加。4 ) 解偶联剂在实际应用中的最大弱点还是环境安全性的问题，解偶联剂通常是 较难生物降解或对生物有较大毒性的化合物，如果生物对解偶联剂的降解不完全， 将会给水处理带来二次污染【2 6 1 。 关于解偶联剂对微生物减量的研究，目前主要还是限于机理方面，但不同解 偶联剂对微生物的减量效果不同，根据文献的报道，2 ，4 ，5 三氯苯酚( t c p ) 的减 量效果最为明显【27 1 。 高s o x o 条件下的解偶联 2 剩余污泥减量原理与技术述评 在高s o r a o ( 底物浓度污泥浓度) 条件下，发生解偶联的解释有两种，一种认 为：在高s o x o 条件下，微生物的代谢途径产生了变化，绕过了能量储存的糖酵解 途径，引起代谢解偶联【2 即；l i u y u 提出另外种解释：在底物不充分的情况下，微 生物增长的合成代谢和产生能量的分解代谢是相匹配的( c o u p l e d ) ，即不发生“能 量溢出( e n e r g ys p i l l i n g ) 现象，而在底物充分的情况下，分解代谢产生的能量 没有完全用于生物质的合成上，发生了“能量溢出，此时，产生单位生物质消 耗的底物较能量匹配的代谢过程为爹2 9 1 ，微生物在分解代谢中产生a t p 的速率要 大于在合成代谢中消耗的速率，从而降低微生物产率系数。 对在高s o x o 条件下微生物生长动力学模型已有较深入的研究报道。l i uy u 等 人研究了在基质充裕条件下能量消散的动力学模型，证明在s o x o 增加时，微生物 解偶联生长部分增多。2 0 0 2 年、2 0 0 4 年谢敏丽等人通过改变运行参数s o x o ( 曝 气池内混合液中底物浓度的初始值s o ( m g l ) 曝气池内混合液中污泥浓度的初始值 x o ( m g l ) ) ，研究s d x o 对间歇式活性污泥法的剩余污泥产率的影响，得出结论： 表观污泥产率系数y d 缸随着s o x o 值的增大而变小，且在其值约大于6 时，污泥产 率趋于一个定值【3 0 , 3 1 。 高s o x 0 条件下的解偶联不需要外加能量和其他物质，但高s o x o 条件下解偶 联还不能用于实际的污水处理【2 8 】，这是由于要求相对高的s o 风值( 8 1 0 ) 远远大 于实际活性污泥法处理污水时的情况( f m = o 0 5 0 1 ) 。而且，在高s o x 0 条件下， 微生物产生的不完全代谢的产物还可能对整个处理过程产生影响。 o s a ( o x i c s e t t l i n g - a n a e r o b i c ) 工艺 1 ) 流程与原理 o s a 工艺流程图如图2 2 所示。 i i i i l 旦塑堡 图2 2 0 s a 工艺流程图 f i g 2 2p r o c e s sd i a g r a mo fo s a o s a 污泥减量理论目前主要存在2 种解释：一种理论认为，通过在常规活性污 9 重庆人学硕十学何论文 泥工艺中的污泥回流中形成一特定的厌氧段，从而给微生物提供了一个交替好氧 和厌氧的环境，使细菌在好氧阶段所获a t p 不能立即用于合成新的细胞，而是在厌 氧段作为维持细胞生命活动的能量被消耗，当微生物回到食物充足的好氧反应器 时，重新进行能量储备，以备用于维持厌氧段细胞的基本代谢。这种交替好氧厌 氧循环，刺激微生物分解代谢和合成代谢相对分离，而不像通常条件下紧密偶联， 从而达到污泥减量的效果。另