（环境工程专业论文）温度阶段厌氧消化系统下剩余污泥产酸性能研究.pdf

硕士论文 温度阶段厌氧消化系统下剩余污泥产酸性能研究 摘要 论文以城市剩余污泥作为发酵底物，考察了p h 、温度、污泥投配比以及水力停留 时间( h 1 玎) 等系统参数对温度阶段厌氧消化系统( t p a d ) 高温段有机质释放和挥发 性脂肪酸( 认s ) 累积的影响，以及对t p a d 中温段( 即主厌氧消化段) v f a s 累积的 影响，构建了以清液系统为主厌氧消化段的新型酸化系统，揭示了系统中v f a s 产生的 主要来源。 t p a d 高温段厌氧消化过程中基质释放规律的研究表明，高温厌氧消化过程中，碱 性条件下有机质的释放优于中性和酸性条件；p h = l l 时有机物含量最高，但是，此时过 强的碱性不利于生物系统的稳定，研究确定最佳p h 为1 0 ；最适温度宜选择6 0 ，温 度过高( 如7 0 ) 或者过低( 5 0 ) 时，基质的释放程度会减小；一定的污泥投配比 范围内，有机质释放程度最大时的含量会随投配比的增加而增加。 t p a d 高温段厌氧消化过程中产酸规律的研究表明，高温厌氧条件下，p h = 9 时酸 化性能最好，优于酸性、中性以及过碱性条件下v f a s 的累积程度；酸化最适温度宜选 择6 0 ，温度过高( 如7 0 ) 或者过低( 5 0 ) 时，酸的积累会受到抑制；任一投配 比下酸累积达到最大程度时所需的时间是不同的，对应的h r t 也不同，投配i ：l = 1 2 5 ， h i 盯= 8 d 时a s 含量达到最大。 t p a d 系统中温段主反应体系下产酸规律的研究表明，中温厌氧消化条件下，p h 为7 和1 l 时酸化性能最佳，而p h = 7 时的有机物去除率要高于p h = l l ，故p h 宜选择 p h = 7 ；投配i ：l = 1 2 5 ，h r t = 4 d 时最利于v f a s 的积累。 构建了以清液系统为主厌氧消化段的新型t p a d 酸化系统：t s s t 和t s s m ，并与 t s m 相比较，揭示了各酸化系统环境下v f a s 产生的主要来源。研究表明，不同t p a d 系统主厌氧消化段反应体系中的s t c s t n b 不同；各类系统的产酸过程都伴随着s t c 、 s t o c 、s t i c 的减少，减少的溶解性基质一部分可直接被产酸菌利用，另一部分首先被 降解为短链可利用碳源，进而被产酸菌利用。 关键词：剩余污泥，v f a s ，t p a d ，酸化系统，产酸菌 硕士论文 a b s t r a c t t h ee f f e c t so fp hv a l u e ，t e m p e r a t u r e ，a d d i n gr a t i oo fw a s t ea c t i v a t e ds l u d g e ( w a s ) a n d h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ( h r t ) o nw a sa c i d i f i c a t i o na n ds o l u b i l i z a t i o ni nt h e r m o p h i l i c a n a e r o b i cd i g e s t i o ns y s t e ma n da c i d i f i c a t i o ni nm e s o p h i l i ca n a e r o b i cd i g e s t i o ns y s t e mw e r e i n v e s t i g a t e di nt h ep a p e r n e wt y p e so fa c i d i f i c a t i o ns y s t e m sw e r ec o n s t r u c t e da n dt h em a i n s o u r c e so f v f a si nt h es y s t e m sw e r ea n a l y s i s e d t h er e l e a s eo fo r g a n i cm a t t e r si na l k a l i n ec o n d i t i o n si ss u p e r i o rt oa c i da n dn e u t r a l c o n d i t i o n s t h eo r g a n i c sc o n t e n ti sa ti t sm a x i m u mw h e np h = 11 ，w h i l ee x c e s s i v ea l k a l i n i t yi s b a df o rt h es t a b i l i t yo fb i o s y s t e m t h er e s e a r c hs h o w e dt h a tt h eo p t i m a lp hv a l u ei sp h = 10 t h eo p t i m u mt e m p e r a t u r ei s6 0 c ，n o t5 0 。co r7 0 c w h e nt h er e l e a s eo fo r g a n i cm a t t e r s r e a c h e st om a x i m u m ，t h eo r g a n i c sc o n t e n ti n c r e a s e s 丽t ht h ea d d i n gr a t i oi nac e r t a i nr a n g e t h ee f f e c t so fo p e r a t i n gp a r a m e t e r so nw a sa c i d i f i c a t i o ni nt h e r m o p h i l i ca n a e r o b i c d i g e s t i o ns y s t e mw e r ei n v e s t i g a t e d ，f i n d i n gt h a tt h ev f a sa c c u m u l a t i o ni ss u p e r i o rt oa c i d ， n e u t r a la n de x c e s s i v ea l k a l i n ec o n d i t i o n sw h e np h = 7 t h eo p t i m u mt e m p e r a t u r ei s6 0 。cf o r a c i d i f i c a t i o n t h ev f a sa c c u m u l a t i o nw o u l db er e s t r a i n e du n d e rl o w e ro rh i g h e rt e m p e r a t u r e t h ee f f e c t so fo p e r a t i n gp a r a m e t e r so nw a sa c i d i f i c a t i o ni nm e s o p h i l i ca n a e r o b i c d i g e s t i o ns y s t e mw e r ea l s oi n v e s t i g a t e d , f i n d i n gt h a tt h ev f a sa c c u m u l a t i o nu n d e rp h = 7i s a sg o o da st h ep h = l l ，w h i l et h er e m o v a lr a t eo fo r g a n i c su n d e rp h = 7i sh i g h e rt h a np h = 1 1 ， s ot h eo p t i m a lp hv a l u ei sp h = 7 t h ev f a sc o n t e n tr e a c h e sam a x i m u mw h e na d d i n gr a t i oi s 1 2 5 a n dh r ti s8 d n e w t y p e so ft p a ds y s t e m sw e r ec o n s t r u c t e d ：w a st h e r m o p h i l i c s u b s e q u e n ts u p e m a t a n t t h e r m o p h i l i c a n a e r o b i c d i g e s t i o ns y s t e m ( t s s t ) a n dw a st h e r m o p h i l i c s u b s e q u e n t s u p e m a t a n tm e s o p h i l i ca n a e r o b i cd i g e s t i o ns y s t e m ( t s s m ) ，a n d t h em a i ns o u r c e so fv f a si n t h es y s t e m sw e r ea n a l y s i s e d , s h o w i n gt h a ts t c s t n bi sd i f f e rf r o me a c ho t h e r i nt h e a c i d i f i c a t i o np r o c e s s e s ，t h ec o n t e n to fs t c ，s t o ca n ds t i ci sd e c r e a s e dd u et os o m e s o l u b l eo r g a n i c sc a nb eu t i l i z e dd i r e c t l ya n ds o m ec a l lb ed e g r a d e dt os o l u b l ec a r b o ns o u r c e s f i r s t l ya n dt h e nb eu t i l i z e db ya c i d f o r m i n gb a c t e r i a k e yw o r d s ：w a s ，v f a s ，t p a d ，a c i d i f i c a t i o ns y s t e m ，a c i d f o r m i n gb a c t e r i a 注释表 硕士论文 v i 硕士论文温度阶段厌氧消化系统下剩余污泥产酸性能研究 1 绪论 1 1 概述 1 1 1 污泥处理现状 当今世界范围内，活性污泥法被广泛运用于污水处理过程中，剩余污泥的产生是不 可避免的。2 0 世纪初，处置这些剩余污泥所消耗的费用会占到整个污水处理厂( w w t p ) 运营成本的6 0 【1 1 ，而到本世纪初，污泥处置费用仍然高达w w t p 运营成本的5 0 t 2 1 。 因此，为了妥善处置活性污泥处理法过程中产生的污泥，降低污泥处理成本，实现污泥 的减量化及无害化，人们开展了很多这方面的研究，比如污泥消化、农用堆肥、污泥焚 烧、污泥填埋等。相比较而言，污泥农用被认为是最为环境友好型的一种处理方法。比 如在丹麦，目前而言，有6 0 的污泥是农用施肥，只有1 5 的污泥是进行焚烧处置的。 但是，由于污泥中含有重金属、病原茵，以及这些物质所引起的环境问题已引起人们越 来越多的重视和担心，所以污泥的出路问题又再次引起世界的普遍关注。 在我国，污泥的处理处置也是一大难题。随着城市化进程的加快，城市污水处理率 逐年增加，而生物方法处理废水则普遍存在于各类污水处理过程中，其结果就是污泥产 量会急速增加，而污泥的处理速率又远远赶不上污泥的产生速率，以致污泥大量弃置， 引起愈来愈严重的环境问题。另一方面，能源、资源、资金等方面的不足已成为污水处 理问题的“瓶颈”。由于这一原因，长期以来，在污水处理方面，我国一直存在着“重水 轻泥”的情况，据统计，到“十一五”期间污泥处理设施方面的投资仍然只有污水处理设 施投资的4 0 。污泥处理处置问题已成为社会城市建设进程中亟待解决的最为关键和复 杂的环境问题之一。近几年来，随着国家对环保监督力度的加大，人们环保意识的提高， 污泥的出路问题逐渐被列上研究议程，受到越来越广泛的关注。众所周知，污泥是一类 被弃置的资源，但是仅仅从污染控制角度出发处置剩余污泥确是一种对资源的浪费，因 此，为满足可持续发展的社会需求，当今的污泥废物处理重心已正转向资源化开发。当 前，国内外研究者们也正在积极探索实现污泥资源化的途径与方法，如此，不仅可以实 现污泥的减量化和无害化，还可以一定程度上降低污水处理所需资金、能源等方面的压 力。 1 1 2 污泥资源化 一直以来，在利用污泥发酵产甲烷 3 - 5 】或制氢睁7 1 方面的研究较为普遍，但是，还有 一个值得我们注意的现象就是：当前，在城市污水处理领域，生物可分解碳源在生物脱 氮和生物除磷过程中的需求量越来越大【8 母】，已成为富营养化去除过程( b n r ) 中的主 1 绪论 硕士论文 要限制性因子【1 0 】。然而，仅依赖外加碳源进行b n r 过程不仅增加了污水处理成本，而 且外加碳源的加入会增大后续污泥的产生量【1 1 1 。污水处理厂运行过程产生的污泥中含有 大量的有机质【1 2 】，通过一定的方法便可以利用污泥生产易被微生物利用的碳源。这样， 不仅实现了污泥的原位减量，还可为污水处理厂提供易被利用的碳源，节约脱氮除磷的 成本。开展好这方面的研究工作，将会为污泥出路问题及污水处理“瓶颈”的解决提供新 的思路。 因此，愈来愈多的研究倾向于从污泥中获得溶解性碳源。近来，在利用污泥进行厌 氧发酵获得v f a s n d 3 。4 l 方面的研究越来越多。v f a s 是污泥厌氧消化过程中产生的一种 中间代谢产物，由乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、异丁酸及异戊酸等小分子脂肪酸组成。相 关实验研究已经证明，在生物脱氮过程1 5 1 以及生物除磷过程【8 - 1 6 3，认s 是最易被利 用的碳源之一。有研究表明，每利用6 - g r o g 的 a s 就可以去除l m g 的磷【1 7 】。可见， 利用发酵液中所富含的v f a s 作为外加碳源去除生物富营养化是切实可行的。从污泥中 获得v f a s 作为碳源，可以减少对外加碳源的需求量，在一定程度上降低了污水处理的 运营成本【1 8 】。因此，如何最大程度地提高v f a s 产量具有十分重要的研究价值和实际意 义。 1 2 污泥厌氧消化 在污泥处理领域，污泥处理的主要目标有以下三个方面：水分的去除，实现污泥的 减量；易降解的物质的去除，减少恶臭和病原菌传染媒介；病原菌的去除。污泥的厌氧 消化较之好氧消化而言，能更好地使污泥稳定，而且成本低、能耗少。与填埋、焚烧、 堆肥等污泥处理处置技术相比，厌氧消化不仅可以减少污泥的量，还可以较好地利用污 泥中的有机质等资源生产资源化产品，避免了焚烧对污泥中所含资源的浪费。因此，污 泥厌氧消化是实现污泥有效处理处置的一种可持续性方法，值得进一步深入研究。 1 2 1 污泥厌氧发酵 污泥的厌氧消化过程极为复杂，大体而言，主要经历四个过程：水解( h y d r o l y s i s ) ， 酸化( a c i d o g e n e s i s ) ，产乙酸阶段( a c e t o g e n e s i s ) ，产甲烷阶段( m e t h a n o g e n e s i s ) 【1 9 】。 其中水解过程产生可溶性有机物，但水解作用在整个厌氧消化过程中被认为是速率限制 步骤【2 0 1 。厌氧消化过程中，多糖、蛋白质、脂肪等有机物质在发酵细菌作用下生成v f a s 、 醇、h 2 和c 0 2 ；而后v f a s 和醇类又在微生物作用下转变成乙酸、h 2 和c 0 2 ，并在产甲 烷菌作用下最终转变成生物气( 如c h 4 和c 0 2 ) f 2 。从这一转化过程来看，无论是从提 高污泥厌氧消化产气效率角度出发，还是从提高污泥厌氧消化产酸效率角度出发，首先 要研究的就是提高污泥中有机质的水解效率，最大限度地从污泥中获得可利用碳源。但 是为了提高产酸效率，还有另一方面值得研究的就是降低产气率，以减少酸的损耗。 2 硕士论文温度阶段厌氧消化系统下剩余污泥产酸性能研究 t a b l e1 1t h e p r o c e s sm w h i c ht h es u b s t a n c e sa r et r a n s f o r m e dd u r i n ga n a e r o b i cd i g e s t i o n 图1 1 厌氧消化过程中物质的转化过程 1 2 2v f a s 的形成过程 污泥厌氧消化过程中，v f a s 的形成过程主要经过三步：首先，污泥中的固体复合 物分解成糖类、油脂、蛋白质以及可溶性惰性颗粒物，这一过程物质的转化不依赖于生 物作用；其次，在酶作用下，糖类、油脂、蛋白质及可溶性惰性颗粒物将被分解为氨基 酸、长链脂肪酸等，这一过程主要依赖于生物水解作用；最后，氨基酸等将被进一步酸 化生成长链脂肪酸，同时再度被分解为丙酸、丁酸等小分子脂肪酸，这一过程就是通常 所说的酸化，酸化的实现主要依赖于产酸微生物的作用。 1 3 影响污泥厌氧消化产酸的主要因素 产酸菌群有其适合生长的最佳条件，而且不同系统中的产酸菌群所适合的最佳条件 也有所差异。这些条件包括温度、p h 、氧化还原电位( o r p ) 、污泥泥龄( s r t ) 等。 ( 1 ) p h 。污泥厌氧消化产酸过程中，其可适应的p h 范围较广( 3 0 1 2 0 之间) 。然 而，产酸菌群种类多样，不同p h 下，各类产酸菌群的生长繁殖速率以及代谢途径等都 不尽相同；此外，p h 对污泥有机质的水解速率也有较大的影响；控制好p h ，可以抑制 其它耗酸菌群，如产甲烷菌群等的生长，从而促进酸的积累。 ( 2 ) 温度。温度同样也对厌氧消化系统中产酸微生物等的生长与代谢活动、微生 物的种群结构与分布、水解酶活性以及基质释放速率等有着十分重要的影响。污泥厌氧 消化按照温度的不同可以分为高温厌氧消化( 5 0 7 0 c ) 、中温厌氧消化( 3 0 左右) 以 3 1 绪论硕士论文 及低温厌氧消化( 2 0 c 以下) 。温度过高，水解产酸菌群的种类和数量都会减少，导致 厌氧消化产酸过程的不稳定，而温度过低，污泥中有机颗粒物的水解又会受到限制，不 利于产酸量的提高。 ( 3 ) s i 盯。对于无污泥回流的厌氧反应系统，s r t 与h r t 是一致的；在一定范围 内，停留时间越长，水解产酸菌群与有机物质，尤其是难降解有机物的接触时间也就越 长，有机质利用率也就越高，进而促使酸产量的提升。 ( 4 ) 营养元素。产酸微生物的生长需要适合的c n 比，c n 比过高或是过低，都 会影响产酸微生物的正常生长以及微生物种类的分布；对于不同类型的产酸菌群而言， 其适合生长所需的c n 比也不尽相同：不同温度阶段厌氧消化反应系统中，各温度阶段 反应器中所生长的产酸菌群也是不相同的。 ( 5 ) 进泥浓度。进泥浓度对污泥厌氧发酵产酸程度的影响主要体现在底物降解速 率和产物生成速率方面。在一定进泥浓度范围内，产酸效率会随着进泥浓度的增大而增 大。但是并非越高越好，如任南琪等1 2 2 】的研究表明，污泥浓度为1 8 时的a s 产量反 而低于污泥浓度为6 时的v f a s 产量。可见适宜的进泥浓度也是提高v f a s 含量的一个 关键因素。 ( 6 ) 搅拌。为促使污泥厌氧消化产酸过程的进行，必须使产酸微生物及其所含的 内酶和外酶与有机底物充分接触。搅拌可以很好的实现二者之间的充分混合。此外，一 定的搅拌强度下，产酸菌和产甲烷菌之间严格共生的关系会遭到破坏，对于v f a s 的累 积是有积极意义的。 除以上因素外，硫酸盐、毒性物质、o r p 等因素对于污泥厌氧消化产酸过程而言也 有着定的影响。 1 4 提高污泥厌氧消化产酸效率的方法 一直以来，厌氧消化为人们广泛运用，究其原因在于：一方面可以减少污泥的重量， 另一方面可以回收消化过程中产生的甲烷。但是传统的厌氧消化因存在消化速率低、停 留时间长、及产气率低等缺陷而无法发挥其技术优势。为提高剩余污泥的厌氧消化产酸 效率，一方面需要采取措施增大有机质溶出程度，另一方面还需要采取措施抑制产甲烷 菌群等的生长。综观当前国内外的相关研究，研究者们主要采取了两种策略来提高污泥 厌氧发酵的产酸效率：一是优化系统酸累积环境，二是开发高效产酸技术。 1 4 1 优化系统酸累积环境 优化系统环境，目的在于使得系统中的产酸菌群处于主导地位，抑制产甲烷菌群等 的生长，防止其对酸的消耗，以使发酵单位体积污泥时获得最大量的w a s 。主要的方 4 硕士论文温度阶段厌氧消化系统下剩余污泥产酸性能研究 法有以下几种： ( 1 ) 优化系统参数。产酸菌群有其自己适合生长所需的最佳环境，如p h 、温度、 s r t 等。调控好这些参数，就可以使得产酸菌群在系统中占据主导地位，以期获得酸量 的最大程度积累。c h e r t 等研究了室温条件下不同p h 对剩余活性污泥酸化的影响， 研究结果表明，在碱性条件时v f a s 产量有明显提高。在不控制厌氧发酵系统p h 的情 形下，k i m 等 2 4 1 和s o n g 等【2 5 】研究比较了污泥3 5 c 中温条件下的厌氧发酵和5 5 c 高温 条件下的厌氧发酵情况，实验表明，后者的产酸量明显高于前者。在p h 由4 0 1 1 0 的 变化条件下，z h a n g 等【1 刀研究了3 5 c 中温条件下的污泥厌氧消化系统与5 5 c 高温条件 下的污泥厌氧消化系统的产酸情况，研究发现，无论是对于3 5 。c 的中温厌氧发酵系统， 还是对于5 5 的高温厌氧系统，调节其p h 为碱性时的v f a s 积累量要比酸性、中性以 及不控制系统p h 时高的多。由此可见，控制好系统参数对于产酸量的提高是至关重要 的。 ( 2 ) 加入表面活性剂。表面活性剂，如十二烷基苯磺酸钠( s d b s ) 2 6 - 2 7 1 、十二烷 基硫酸钠( s d s ) 1 4 】等的加入，既可以增强厌氧消化过程中活性污泥的水解作用，又可 以促进v f a s 的积累。j i 等【2 明采用添加表面活性剂的方法探索其对初沉污泥水解和短链 脂肪酸积累的影响，研究表明：s d b s 的加入对于污泥的水解、v f a s 的积累、n h 4 + - n 和p 0 4 3 - _ p 等的释放都有明显的改善。 1 4 2 开发高效产酸工艺 1 4 2 1 多级逆流发酵技术 为了提高剩余污泥中生物产酸量，g u o 等【1 3 】开发了一种新型的发酵产酸工艺多 级逆流发酵技术，研究结果表明，与传统厌氧发酵技术相比，多级逆流发酵工艺的v f a s 浓度提高了3 1 。 1 4 2 2 二阶段厌氧消化技术 在活性污泥厌氧消化过程中，会产生由微生物和多聚物组成的微生物絮体结构，这 些以微生物为中心而形成的胞外聚合物是十分复杂的生物聚合物，即e p s ，由多糖、蛋 白质、核酸、腐植酸等组成【2 9 枷】。e p s 的存在降低了活性污泥的可分解性，不利于污泥 厌氧消化效率的提高。为解决这一问题，可以在主厌氧消化之前对污泥进行预处理，提 高污泥中有机质的释放程度，常采用的预处理技术主要有： ( 1 ) 物理预处理技术 热处理技术 污泥热处理是一种常用的提高污泥可分解性的方法【3 l 】，其温度范围一般在9 0 2 0 0 c 以上。污泥中的碳水化合物和脂类相比于蛋白质而言较易降解，而蛋白质却难以被 5 l 绪论 硕士论文 降解，采用热解预处理可以破坏细胞壁使生物细胞破裂分解，促使蛋白质释放而 得以降解，并使细胞内水释放出来而改变了污泥的粘滞度，使污泥中溶解性固体 含量得到进一步提高。增加热预处理不仅可减小消化池容积，还可使污泥的脱水 性能大幅提升，此外，对于消化污泥缓冲能力的改善，污泥的稳定，臭味的减少， 病菌的杀灭等都起到明显的促进作用。 超声波技术 超声波处理技术【3 2 3 4 1 主要是通过物理方法破坏污泥细胞结构，达到对胞内有机物和 结合水的释放，以提高后续污泥消化产酸效率，同时提高污泥的脱水性能，实现污泥的 减量。超声处理后的污泥，其性质会发生很大变化，因为超声处理后污泥絮体会被分解， 而使得胞内物质得到释放，液相中的s c o d 、n 、p 等的含量会大幅上升。释放出的物 质具有良好的生物可分解性，这就为系统中污泥的减量奠定了较好的基础，然而另一方 面，也可能增加污水处理系统中的氮、磷负荷。 微波技术 微波的振动频率范围为o 3 3 0 0 g h z ，微波作用于污泥的主要技术原理在于产生热 量，以促使微生物蛋白质的二级、三级结构发生改变，是一种非常快速的预处理方法， 在国内外的相关研究中也受到越来越多的关注1 3 7 1 。 此外，诸如高速转盘机械法【3 8 】、丫射线法【3 9 】等技术在污泥预处理过程中也有应用。 ( 2 ) 化学预处理技术 碱解技术 碱处理【4 0 4 1 】是传统而又简易的处理方法，可在常温下以较低用量达到促进细胞分解 的目的，使污泥中含有更多的溶解性有机物，能有效地将细胞内的硝化纤维转化为可溶 性有机碳化合物，并使污泥中小颗粒污泥大大增多，增加污泥的可生物降解性和水解速 率。然而，碱处理会增加盐离子浓度，并且易对仪器设备造成腐蚀。 臭氧氧化技术 臭氧氧化技术3 】主要是利用臭氧的强氧化能力，破坏细胞壁、细胞膜，使细胞内 的物质溶解、释放出来，被微生物二次利用。臭氧化技术具有氧化能力强、产物中无有 毒有害的副产物、溶胞效率高( 可以实现1 0 0 的剩余污泥减量) 、可有效改善活性污泥 沉降性能等特点。虽然近些年来臭氧预处理技术受到越来越多的关注，但由于设备投资 费用较高等问题，在短期内还难以普及。 超临界水氧化技术 超临界水氧化技术( s c w o ) 的特点在于氧化快速、彻底且无二次污染。超临界状 态下，水的性质如密度、黏度、电导率等都会发生很大变化，此状态下的水可以与氧气 或者有机物以任意比互溶，两相间的传质阻力得以消除。当污泥颗粒物被超临界状态下 的水包围时，其溶解能力会得到显著改善。咎元峰等f 删运用s c w o 技术处理城市污泥， 6 硕士论文 温度阶段厌氧消化系统下剩余污泥产酸性能研究 结果表明，经过s c w o 处理后，污泥的减量化程度得到较为明显的提高。 此外，近年来h 2 0 2 氧化【4 5 1 、f e n t o n 氧化【删等技术在污泥的研究应用方面也越来越 广泛。 ( 3 ) 组合预处理技术 在污泥中加入碱，可以使脂类物质得以从微生物细胞中溶出。将之与热处理相结合 的热碱水解澍4 7 。4 明是一种有效地污泥预处理技术，这种组合可使胞内有机质得到最大程 度的释放并被进一步水解，从而使污泥脱水性能得到改善，产酸性能得到提高，同时实 现污泥减量。与其它预处理方法相比，操作简单、时间短、效果好。 此外，对于其它组合方法的研究也很广泛，如热力学和机械力学联合作用于污泥的 研究【5 0 1 ，碱解和超声联合作用于污泥的研究嘲，化学氧化和超声破解联合作用的研究 p ，等。预处理方法很多，但都有各自的针对性，所以在选择污泥预处理技术时，需要 综合考虑污泥本身特性、经济能力等各方面的因素，做到污泥资源的最大化利用。 1 4 2 3 温度阶段厌氧消化技术 严格意义上说，该技术也是提高污泥厌氧消化效率的一种预处理技术。但水解过程 是通过强化生物水解活性来实现的。 t p a d 技术可以同时提高污泥厌氧消化效率与消化过程稳定性。与传统厌氧消化相 比，t p a d 技术将传统的厌氧消化过程分为两个阶段：前一阶段采用污泥高温厌氧消化 技术，后一阶段采用中温厌氧消化技术。如此，每一阶段的厌氧消化过程可以根据各自 所需功能进行最优化。厌氧消化过程中，水解步骤为速率限制步骤，高温厌氧消化段的 存在便克服了这样一个缺点，水解速率会得到很大改善；在中温厌氧消化阶段，可以根 据需要调控产酸菌、产甲烷菌或者产氢菌的生长环境，为产酸、产甲烷、或者产氢气服 务。综观国内外相关研究，高温厌氧消化技术采用的温度范围主要在5 0 7 0 之间，常 采用的温度值有5 5 、6 0 c 、7 0 ，中温厌氧消化技术常采用的温度值为2 5 、3 0 。c 、 3 5 。c 。高温厌氧消化段主要依赖于提高微生物的水解活性以提高污泥有机质的水解及分 解程度，为后续中温厌氧消化提供更多的基质。g e 5 2 】等研究了初沉污泥在高温( 5 0 7 0 c ， 2 d ) 一中温( 3 5 ，1 0 2 0 d ) 二阶段t p a d 系统中的反应特性，研究表明，与中温( 3 5 ， 2 d ) 一中温( 3 5 ，1 0 2 0 d ) 二阶段厌氧消化系统相比，甲烷产量增加了2 5 ，挥发性 固体的去除程度也有显著增加；通过数学模型分析表明，污泥消解性能的改善主要是依 赖于水解作用的增强。 目前而言，大规模的t p a d 系统还没有被广泛应用，但是相比于单阶段的消化过程 以及其他物化产酸处理方法( 如热解法、物理法、化学法等) 而言，在提高挥发性固体 去除率、病菌去除率、甲烷产率、过程稳定性、有机负荷率、形成更短链的脂肪酸等方 面有很大的潜在优势；此外，其还有利于水力停留时间的缩短，减少构筑物容积，降低 成本。 7 1 绪论硕士论文 污泥高温厌氧消化常常是为污泥中温厌氧消化产气服务的1 5 3 洲，但是单独对污泥高 温厌氧消化进行产酸的相关研究甚少，关于污泥高温厌氧消化最适温度的探究工作还没 有相关报道。因而关于污泥高温厌氧消化产酸的最佳条件仍未确定。 论文对活性污泥高温厌氧消化产酸过程及其引起的污泥减量程度进行了针对性的 研究。研究以s c o d 、可溶性蛋白质、可溶性糖和v f a _ s 为指标探讨了高温厌氧消化过 程中p h ( 3 0 1 1 o ) ，高温厌氧消化温度( 5 0 7 0 ) 以及污泥投配比( 1 2 5 ，2 5 ，5 0 ， 7 5 ) 对活性污泥水解和酸化的影响。 1 5 课题主要研究内容 1 5 1 研究意义 随着国内外学者的深入研究，生物方法逐渐被应用到污泥的“三化”研究中。目前， 利用生物技术方法将污泥有机物资源化方面所开展的研究，主要集中于三个方面：生产 甲烷、生产氢气及生产v f a s 等生物化学品。其中，生产v f a s 的研究越来越引起学者 的重视，如陈银广等【1 4 】研究了表面活性剂对活性污泥中水解产物和v f a s 积累的影响； 刘和等1 5 5 】采用产氢产酸同型产乙酸两相耦合工艺探讨了对市政污泥进行厌氧发酵产酸 的影响。当前，污水厂普遍存在碳源不足问题，往往是通过投加外加碳源的方式解决。 在污水脱氮除磷处理过程中，甲醇是最常用的外加碳源，但是甲醇的费用昂贵，可占到 污水处理厂运行维护费用的7 0 。v f a s 是易被利用的碳源之一，而其在污泥厌氧消化 过程中就可以产生，所以，采用污泥厌氧消化的方法生产v f a s 是实现污泥资源化的一 种有效方法。因此，最大限度地提高剩余污泥厌氧发酵过程中的v f a s 产量，在污水处 理厂内实现污泥的减量化与资源化，将是一项十分有价值的工作。论文的研究立足于温 度阶段厌氧消化系统下城市剩余污泥的厌氧消化生产v f a s ，不仅可以解决碳源不足的 问题，而且还能实现剩余污泥的原位减量化，减少污泥处理成本，是十分经济可行的， 具有良好的应用前景。 1 5 2 研究出发点 为促进v f a s 产量的提高，论文从两个方面着手。一方面，上游阶段着力于提高污 泥有机质的溶出程度，从而为后续产酸群的生长提供更多可利用的基质，为酸化系统的 形成提供良好的物质基础；另一方面，下游阶段着力于调控、改进后续温度阶段反应系 统，抑制产甲烷菌群等耗酸微生物的生长，确保产酸菌群的主导地位，促使酸产量的增 加。 1 5 3 研究内容 论文以构建温度阶段厌氧消化酸化系统为目标，确定酸化系统的最佳系统参数。研 3 硕士论文温度阶段厌氧消化系统下剩余污泥产酸性能研究 究内容主要包括以下三个方面。 ( 1 ) 传统t p a d 反应系统的启动。接种污泥，启动各反应器，以t s 、v s 、v f a s 等为指标，实时监系统中各指标的变化情况，待各指标趋于稳定时，表明反应器运行达 稳态。 ( 2 ) t p a d 高温厌氧消化段基质释放规律的研究。此阶段旨在提供产酸基质，以 s c o d 、可溶性蛋白质、可溶性糖、v f a s 等为指标，研究温度、p h 、污泥投配比、h r t 等对污泥有机质释放程度的影响，确定有机质释放的最佳系统参数。 ( 3 ) t p a d 高温厌氧消化段酸化规律探究。探索了p h 、温度、污泥投配比及h r t 对高温厌氧消化酸化性能的影响，确定了系统中产酸菌群所适宜生长的最佳条件，为 t s s t 酸化系统的构建做准备。 ( 4 ) t p a d 中温厌氧消化段酸化规律探究。探索了p h 、温度、污泥投配比及h r t 对中温厌氧消化酸化性能的影响，确定了系统中产酸菌群所适宜生长的最佳条件，构建 了t s m 系统，并为t s s m 系统的构建做准备。 ( 5 ) 新型t p a d 酸化系统的构建及其产酸特性分析。在上述实验研究的基础上构 建了t s s t 和t s s m 两类新型t p a d 酸化系统，并与之前构建的t s m 系统进行比较分 析，揭示了各类酸化系统酸积累性能的差异。所构建的三类t p a d 系统及其各自运作达 最佳时的系统参数见图1 2 。 巧泥高盖天夏疆亿 污汪孛温贾襄渭化污泥高温厌氧消化污泥清液高温厌氧消化污泥高温厌氯消化清滚中温厌氧消化 v - - 9 0 0 , n t 州1 0 n 们v - - 4 州州7 - 0 , 3 0 忙铷i 州1 0 0 哦 v - , , 1 3 0 m l 酽9 0 ，6 宄性黝lp 一a6 v ：一i o g m ! 邢7 o j3 犯 爰配眈1 坫，啉1 6 d投配姐2 弭，f 町射掇e 比n 强b 耵1 韶搦e 比1 j x h r t 柏捌眦n 姥抖甜l 毓捌配比n 韩鼾1 6 噍 ( a ) t s mo)tsst(c)tssm t a b l e1 2t h r e et y p e so ft p a da c i d i f i c a t i o ns y s t e m s 图1 2 三类t p a d 酸化系统 1 5 4 研究技术路线 研究工作以文献调研和实验分析为基础，充分了解了国内外关于污泥资源化、无害 化、减量化等方面研究的最新进展。目前，在国内外的相关科研成果中，对于剩余活性 污泥高温厌氧消化进行产酸方面还未有过单独而完整的报道。此外，以温度阶段厌氧消 化系统为基础构建酸化系统方面的研究，尤其是构建清液厌氧消化系统方面的研究，在 国内外的研究中还尚未见相关报道。论文对于剩余活性污泥在高温厌氧消化系统下的产 酸性能进行了单独而完整的研究，同时研究了p h 、温度、污泥投配比以及h r t 等系统 9 1 绪论 硕士论文 参数对t p a d 高温厌氧消化段基质释放规律的影响和对t p a d 中温厌氧消化段( 即主厌 氧消化段) 酸化性能的影响，并在此基础上构建了t s m 、t s s m 和t s s t 系统，由此展 开了对城市剩余污泥资源化方面的探讨。 接种污泥 t a b l e l 3t e c h n i c a lr o u t eo ft h es t u d y 图1 3 实验研究技术路线 注：t p ：a p - 温度阶段厌氧消化系统： t s m 一污泥高温厌氧消化污泥中温厌氧消化系统； t s s 卜污泥高温厌氧消化高温清液厌氧消化系统： t s s m 污泥高温厌氧消化中温清液厌氧消化系统； s s t - 高温清液厌氧消化系统( 即t s s t 系统的s s t 段) ； s m 一污泥中温厌氧消化系统( 即t s m 系统的s m 段) ： s s m 一中温清液厌氧消化系统( 即t s s m 系统的s s m 段) 1 0 硕士论文 温度阶段厌氧消化系统下剩余污泥产酸性能研究 2 传统t p a d 反应系统的启动 2 1 材料与方法 2 1 1 试验污泥来源 污泥取自南京市城东污水处理厂二沉池回流污泥，经重力浓缩使得污泥含固率为 2 o 。浓缩后的污泥置于4 c 冰箱中保存待用。浓缩污泥的性质见表2 1 。 表2 1 实验用剩余污泥的基本特性 t a b l e2 1c h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o n c e n t r a t e dw a s p a r a m e t e r v a l u e p h t s ( g l 1 ) v s ( g l ) s t c ( m g l 1 ) s 1 o c ( r a g l - 1 ) s t i c ( m g l 1 ) s t n b ( r a g l ) s c o d ( n a g l - 1 ) 可溶性蛋白质( r a g l 1 ) 可溶性糖( m g l 1 ) m o i s t u r ec o n t e n t ( ) v o l a t i l ef a t t ya c i d s ( v f a s ) ( n a g l - 1 ) 6 7 0 0 3 2 4 5 3 0 1 3 2 2 0 2 7 5 7 2 0 0 1 9 5 6 2 0 0 8 0 1 1 0 o 1 2 0 0 1 0 0 1 2 0 1 1 o 7 4 8 - 4 - 6 0 2 4 8 2 5 9 7 7 8 0 o 6 o 1 2 1 2 实验仪器与设备 实验主要仪器及设备：磁力搅拌器、数显恒温水浴锅、马弗炉、电热恒温鼓风干燥箱、 蒸馏装置、紫外分光光度计、台式离心机、精密离子型p h 计、电子分析天平等，主要 实验试剂与仪器详见表2 2 。 表2 2 实验仪器与设备 t a b l e2 2e x p e r i m e n ti n s t r u m e n ta n de q u i p m e n t s 名称型号 供应商 t o c 分析仪v a r i ot o cc u b e g e r m a n ye l e m e n t a r 马弗炉 s x 2 4 1 0 上海意丰电炉有限公司 台式离心机l d 5 - 1 0 北京京立离心机有限公司 磁力搅拌器温控仪8 5 2 型上海司乐仪器有限公司 电动搅拌仪 s a r i o j j 1 ( 1 0 0 w )上海司乐仪器有限公司 2 传统t i a d 反应系统的启动 硕士论文 表2 2 实验仪器与设备 t a b l e2 2e x p e r i m e n ti n s t r u m e n ta n de q u i p m e n t s 2 1 3 实验药品 实验过程中用到的主要试剂详见表2 3 。 表2 3 实验药品 1 2 t a b l e2 3e x p e r i m e n tr e a g e n t s 硕士论文温度阶段厌氧消化系统下剩余污泥产酸性能研究 2 1 4 分析方法 2 1 4 1 可溶性蛋白质的测定 污泥混合样液5 0 0 0 r m i n 离心5 r a i n 后经0 4 5 9 r n 过滤，采用福林( f o l i n ) 酚试剂法 测定【5 6 1 。 2 1 4 2 可溶性糖的测定 污泥混合样液5 0 0 0 r m i n 离心5 m i n 后经0 4 5 9 m 过滤，采用苯酚一硫酸法测赳5 7 1 。 2 1 4 1 3 总固体和挥发性有机物质的含量 总固体和挥发性有机物质的含量采用重量法，见g b l l 9 0 1 8 9 和水和废水监测分 析方法。 2 1 4 4s t c 、s t o c 、s t i c 及s t n b 含量的测定 样液经0 4 5 9 m 滤膜过滤后，用l i q u it o c 分析仪测定，见水质总有机碳的测定燃 烧氧化非分散红外吸收法( h j t7 1 2 0 0 1 ) 。 2 1 4 5v f a s 的质量浓度 v f a s 总量采用比色测定法。 2 1 4 6s c o d 的测定 样液经0 4 5 1 a m 滤膜过滤后，采用密封催化消解法。 2 1 4 7p h 值 采用玻璃电极法测定。 2 2 反应器的启动 2 2 1 实验装置 启动阶段，各温度阶段反应器的设计参数见表2 4 和表2 5 。 表2 4 污泥高温厌氧消化段反应器的运行参数表 t a b l e2 4o p e r a t i n gp a r a m e t e r so ft h e r m o p h i l i ca n a e r o b i cd i g e s t i o ns y s t e m 运行参数参数值 有效容积400ml h r t4 d t6 0 进泥初始浓度 2 3 p h 不予调节 1 3 2 传统t p a d 反应系统的启动 硕士论文 表2 5 污泥中温厌氧消化段反应器的运行参数表 t a b l e2 5o p e r a t i n gp a r a m e t e r so fm e s o p h i l i ca n a e r o b i cd i g e s t i o ns y s t e m 有效容积400ml 腿t t p h 运作方式 8