（环境工程专业论文）络合剂对剩余污泥厌氧酶水解的影响研究.pdf

i n f l u e n c eo fc o m p l e x i n ga g e n t so ne n z y m a t i ch y d r o l y s i so f s l u d g eu n d e ra n a e r o b i cd i g e s t i o n b y x i e b i n g x i n b e ( s i c h u a na g r i c u l t u r a lu n i v e r s i t y ) 2 0 0 9 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fs c i e n c e e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g i n t h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a n u n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rl ix i a o m i n g a s s o c i a t ep r o f e s s o ry a n g q i m a y ，2 0 1 1 伽4洲0删750 9jl_舢y r - 一 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，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后果由本人承担。 作者签名：诽：唯眵日期：p 1 1 年譬月p 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分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和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密目。 ( 请在以上相应方框内打“、”) 作者签名： 导师签名： 侈日期：沙l 1 年r 月f 。e t 日期：砷i c 年r 月 口日 聚 络含剂对剩余污泥厌氘晦水解的影响研究 摘要 近年来国内外在污泥处理处置技术方面做了大量研究，主要通过采用物理、化学和 生物预处理方法来达到稳定化、减量化和资源化。污泥厌氧消化是研究较为深入且应用 广泛的一种剩余污泥处理方式。水解是污泥厌氧消化的限速步骤，低效率的水解会使消 化时间延长，最终导致工艺负荷低、运行稳定性差和处理成本增加，因此，研发提高污 泥水解效率的技术具有重要意义。在文中介绍了几种国内外污泥水解的主要技术，如超 声波技术、碱解预处理技术、高效氧化剂处理技术、嗜热酶或外加酶处理技术、表面活 性剂处理技术和络合剂处理技术。本文主要针对络合剂柠檬酸钠( s c ) 对胞外酶水解污 泥的影响作了初步研究和探讨。 本文通过单独s c 处理，单独酶处理以及s c 联合酶处理方式下，污泥水解后 s c o d t c o d 值的对比分析，表明s c 能强化污泥酶水解。在5 0 条件下，当s c 的投加量 为0 2 9 4g g d s 时，污泥s c o d t c o d 值从空白组的1 8 提高至3 7 4 ，极大地提高了污泥 水解效率；酶的投加量为6 0 m g g d s 的条件下，0 2 9 4g g d ss c 分别联合三种酶进行处理 时，污泥s c o d 厂r c o d 值分别比单独酶处理时提高了1 4 8 6 、1 5 5 2 、2 0 3 1 ，通过比 较分析，s c 对复合酶水解污泥的强化效果最好，同时确定出s c 的最佳投加量为0 2 9 4 g g d s ，酶的最佳投加量为6 0 m g g d s ，最佳反应温度为5 0 。c 。 从三种不同处理方式下，污泥厌氧水解过程中蛋白质、溶解性糖和氨氮浓度的变化 情况可以得出，单独s c 处理时，污泥液相中的蛋白质、溶解性糖和氨氮的含量变化符合 s c o d t c o d 值的整体变化趋势，s c 投加量为0 2 9 4 9 g d s 时，各物质的值比空白组分别 提高了5 4 9 、9 8 4 、5 9 7m g l 。污泥水解过程中，蛋白质和溶解性糖从污泥固相不断溶 出，同时这类大分子有机物也会进一步水解生成各种小分子有机物质和无机物，如氨基 酸、单糖、氨、二氧化碳和水等，氨氮的浓度也就随之上升，污泥液相中的蛋白质和溶 解性糖的含量为溶出与消耗的平衡结果。 本试验通过s c 对污泥p h 值和酶活力的影响分析，进一步了解s c 强化污泥酶水解 的机理。单独s c 处理时，5 0 时污泥p h 值会随s c 投加量的增大而稍有升高，但p h 变化范围稳定在7 3 7 4 6 ，其p h 条件仍符合蛋白酶和淀粉酶的最适p h 要求，说明此时 s c 没有通过改变污泥体系的p h 来影响酶促反应速率。s c 络合金属离子的性能使污泥 网络结构破坏，降低了酶被污泥包埋的机率，间接减小污泥液相中外加酶活力的损失， 同时，s c 能在一定程度上能促进水解酸化菌释放水解性酶，增加了水解污泥的酶浓度， 进而提高污泥的酶水解效率。 关键词：柠檬酸钠；酶；剩余污泥；厌氧；水解 硕上学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，al o to fr e s e a r c hh a v em a d ei nt h es l u d g et r e a t m e n ta n dd i s p o s a l t e c h n o l o g y , t h e ya r em a i n l yt h r o u g h t h eu s eo f p h y s i c a l ，c h e m i c a la n db i o l o g i c a lp r e t r e a t m e n t m e t h o d st oa c h i e v es t a b i l i z a t i o n ，r e d u c t i o na n dr e c y c l i n g s l u d g ea n a e r o b i cd i g e s t i o ni sa s u r p l u ss l u d g et r e a t m e n t ，w h i c hh a v ei n d e p t hs t u d ya n dw i d e l yu s e d s l u d g eh y d r o l y s i si sa l i m i t i n gs t e pd u r i n ga n a e r o b i cd i g e s t i o n ，t h el o we f f i c i e n c yo fh y d r o l y s i sw i l lm a k ed i g e s t i v e p r o l o n g e d ，e v e n t u a l l yl e a dt or e d u c eo ft h ep r o c e s sl o a d ，p o o rs t a b i l i t y o f o p e r a t i o na n dc o s t i n c r e a s e s t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g yt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo f s l u d g eh y d r o l y s i si si m p o r t a n t t h i sp a p e ri n t r o d u c e ss e v e r a lm a i nt e c h n o l o g yo fs l u d g e h y d r o l y s i sa th o m ea n da b r o s d ，s u c h a su l t r a s o n i ct e c h n o l o g y , a l k a l i - h y d r op r e t r e a t m e n t t e c h n o l o g y , e f f i c i e n ta n t i o x i d a n tp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , h e a t l o v i n ge n z y m eo re n z y m e t r e a t m e n tt e c h n o l o g y , s u r f a c t a n tp r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n dc o m p l e x i n ga g e n tp r o c e s s i n g t e c h n o l o g y t h ea r t i c l em a i n l ya i m sa te x p l m n i n gt h ei n f l u e n c eo fc o m p l e x i n ga g e n ts o d i u m c i t r a t e ( s c ) t oe x o c e l l u l a re n z y m eh y d r o l y s i ss l u d g eb yp r e l i m i n a r ys t u d i e da n dd i s c u s s e d t h ee f f e c t so fc o m p l e x i n ga g e n ta n de n z y m eo nt h ep r o m o t i o no fe x c e s s s l u d g e h y d r o l y s i sw e r ei n v e s t i g a t e d ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a ts cc a ns t r e n g t h e nt h ee n z y m eh y d r o l y z e s l u d g et h r o u g ht h ec o n t r a s ta n a l y s i so fs l u d g es c o d ，r c o d t h ed o s i n gq u a n t i t yo fs ci s 0 2 9 4g g d s ，t h es c o d t c o dv a l u ec a na c h i v e3 7 4 a t5 0 c ，w h i c hi so n l y18 i nt h e b l a n kg r o u p ，s ch a sg r e a t l yi m p r o v e dt h ee f f i c i e n c yo fs l u d g eh y d r o l y s i s w h e nt h ed o s i n g q u a n t i t yo fe n z y m ei s6 0 m g g d s ，0 2 9 4g g d s s cj o i n tt h r e ee n z y m e sr e s p e c t i v e l y , t h e s l u d g es c o d t c o dv a l u ei si m p r o v e d14 8 6 ，15 5 2 a n d2 0 31 t h a ns i n g l ee n z y m e p r o c e s s i n g ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ee f f i c i e n c yo fs l u d g eh y d r o l y s i sc o u l db eg r e a t l y i m p r o v e db yc o m p l e x i n ga g e n t s o d i u mc i t r a t e ( s c ) a n dc o m p o s i t ee n z y m e ，a n dc o n f i r m e d t h a tt h eb e s td o s i n gq u a n t i t yo fs ci s0 2 9 4g g d s ，t h eb e s td o s i n gq u a n t i t yo fe n z y m ei s 6 0 m g g d s ，t h eb e s to fr e a c t i o nt e m p e r a t u r ei s5 0 。c f r o mt h ev a r i a t i o n so fp r o t e i n ，s o l u b l es u g a ra n da m m o n i an i t r o g e nd u r i n gs l u d g e a n a e r o b i ch y d r o l y s i sa tt h r e ed i f f e r e n tp r o c e s s i n gm o d e ，w ec a nc o n c l u dt h a tt h ec o n t e n t c h a n g e so fp r o t e i n ，s o l u b l es u g a ra n da m m o n i an i t r o g e nc o n f o r m e dt h eo v e r a l lc h a n g et r e n d o fs c o d t c o dv a l u e w h e nt h ed o s i n gq u a n t i t yo fs ci s0 2 9 4g g d s ，t h ev a l u eo fe a c h m a t e r i a lw a s5 4 9 ，9 8 4 ，5 9 7m g lh i g h e rt h a nt h eb l a n kg r o u pr e s p e c t i v e l y p r o t e i na n d s o l u b l es u g a rc a nd i s s l o u t ec o n s t a n t l yf r o mt h es l u d g es o l i d p h a s ed u r i n gs l u d g eh y d r o l y s i s ， w h i c hw i l lf u r t h e rh y d r o l y s i st oc r e a t ea l lk i n d so fs m a l lm o l e c u l a ro r g a n i cm a t t e ra n d 1 1 1 m i n e r a l s ，s u c ha sa m i n oa c i d s ，s i m p l es u g a r s ，a m m o n i a , c a r b o nd i o x i d e a n dw a t e re t c ， a m m o n i an i t r o g e nc o n c e n t r a t i 。ni n c r e a s i n g t h ec o n t e n t 。f s o l u b l ep r o t e i na n ds u g a ri st h e b a l a l l c e dr e s u l t so f d i s s o l v e do u ta n dc o n s u m p t i o n t h r o u g l lt h ea n a l y s i s o fs l u d g ep hv a l u ea n de n z y m ea c t i v i t y , w e a r e 士u r t n e r u n d e r s t a j l d i n gm em e c h a l l i s mo f s cs t r e n g t h e n i n ge n z y m eh y d r o l y z et h es e w a g es l u d g e w h e ns ct r e a t m e n t ，s l u d g ep h v a l u es l i g h t l yi n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo fd o s i n gq u a n t i t yo f s ca t5 0 。c b u tt h ep hc h a n g ei n7 3 - 7 4 6 ，w h i c h s t i l la c c o r dw i t ht h eo p t i m a lp h r e q u i r e m e n t so fp r o t e a s e a n da m y l a s e i te x p l a i nt h a ts cd o n t i n f l u e n c et h ee n z ) ，m a t l c r e 枷o nr a t eb yc h a n g i n gt h ep ho fs l u d g es y s t e m t h ec o m p l e x a t i o np e r f o r m a n c e0 f t h es c c a nd 锄a g es l u d g en e t w o r ks t r u c t u r e ，r e d u c e t h ee m b e d d i n gp r o b a b i l i t yo fe n z y m e8 n d s l u d g ew h i c hi n d i r e c t r e d u c e dl o s s e so fe n z y m ea c t i v i t y , m e a n w h i l e ，s c c a l lp r o m o t e h y d r o l y s i sb a c t e r i at or e l e a s eh y d r o l y s i se n z y m e a tac e r t a i ne x t e n t ，i n c r e a s ec o l i c e n t r a n o no f e n z y m e a n di m p r o v et h ee f f i c i e n c yo f t h es l u d g eh y d r o l y s i s k e yw o r d s ：s o d i u mc i t r a t e ；e n z y m e ；e x c e s ss l u d g e ；a n a e r o b i c ；h y d r o l y s i s i v 硕上学位论文 日三罩 目习 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 插图索引v i i 附表索引：v i i i 第1 章绪论1 1 1 课题研究的背景及意义1 1 2 污泥现状2 1 2 1 污泥的产生2 1 2 2 污泥的特性2 1 3 剩余污泥的处理、处置与资源化3 1 3 1 污泥的处理、处置与资源化基本方法3 1 3 2 国内外剩余污泥处理、处置现状及应用进展4 1 3 3 污泥厌氧消化：5 1 3 4 污泥水解的主要方法j 7 1 4 酶水解污泥的研究进展1 0 1 4 1 酶的基础理论1 0 1 4 2 酶水解污泥的原理1 6 1 4 3 酶水解污泥的现状与进展17 1 5 络合剂在污泥水解中的应用1 9 1 5 1 络合剂一19 1 5 2 络合剂在污泥水解中的应用2 0 1 6 课题研究的内容。2 1 第2 章络合剂与酶水解污泥的可行性研究2 2 2 1 前言2 2 2 2 试验设计2 2 2 2 1 试验仪器与装置2 2 2 2 2 试验材料与方法2 3 2 2 3 试验测定指标与测定方法一2 4 2 3 结果与讨论2 4 2 3 1 s c 单独处理对污泥水解s c o d 产率的影响2 4 络合剂对剩余污泥厌氧酶水解的影响研究 2 3 2 酶单独处理对污泥水解s c o d 产率的影响2 6 2 3 3 络合剂和酶同时处理对污泥水解s c o d 产率的影响2 9 2 3 4 络合剂和酶同时处理污泥的经济可行性分析一31 2 4 小结3l 第3 章 污泥水解过程中主要物质转化研究一3 3 3 1 前言3 3 3 2 试验设计3 3 3 2 1 试验仪器与装置3 3 3 2 2 试验材料与方法一3 3 3 2 3 试验测定指标与测定方法3 4 3 3 结果与讨论3 4 3 3 1 三种处理方式对污泥液相中主要物质的产生影响3 4 3 3 2 污泥水解过程中主要物质的转化一3 6 3 5 小结3 9 第4 章污泥水解过程中p h 和酶活变化4 1 4 1 前言4 1 4 2 试验设计41 4 2 1 试验仪器与装置4 1 4 2 2 试验材料与方法一4l 4 2 3 试验测定指标与测定方法4 2 4 3 结果与讨论4 2 4 5 d 、结4 4 结论4 5 参考文献4 7 致j 射5 4 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录5 5 厌氧条件下外加酶强化剩余污泥水解的研究 插图索引 图1 1 污泥处理系统的工艺流程图4 图1 2 污泥厌氧消化模式图6 图1 3 酶的的活性中心1 2 图1 4 反应过程中能量的变化l3 图1 5 锁钥学说和诱导契合学说示意图1 3 图1 6 酶反应速率与底物浓度关系1 4 图2 1 不同温度下污泥s c o d t c o d 随s c 投加量的变化2 5 图2 2 不同温度下污泥s c o d 厂r c o d 随蛋白酶投加量的变化2 7 图2 3 不同温度下污泥s c o d t c o d 随淀粉酶投加量的变化一2 8 图2 4 不同温度下污泥s c o d t c o d 随复合酶投加量的变化。2 9 图2 5 不同温度下，0 2 9 4 9 g d s 的s c 联合不同投加量蛋白酶时污泥s c o d t c o d 的变化3 0 图2 6 不同温度下，0 2 9 4 9 g d s 的s c 联合不同投加量淀粉酶时污泥s c o d t c o d 的变化3 0 图2 7 不同温度下，0 2 9 4 9 g d s 的s c 联合不同投加量复合酶时污泥s c o d f i c o d 的变化3 l 图3 1 污泥上清液中蛋白质、溶解性糖、氨氮随s c 投加量的变化3 4 图3 2 污泥上清液中蛋白质、溶解性糖、氨氮随酶投加量的变化。3 5 图3 30 2 9 4 m g g d ss c 联合不同酶投加量下污泥上清液中蛋白质、溶解性糖、氨 氮的变化一3 6 图3 4 不同处理方式下污泥s c o d t c o d 值的变化3 7 图3 5 不同处理方式下污泥液相中蛋白质的变化。3 8 图3 6 不同处理方式下污泥液相中氨氮的变化。3 8 图3 7 不同处理方式下污泥液相中溶解性糖的变化3 9 图4 1 不同温度下污泥p h 随s c 投加量的变化4 3 图4 2 污泥p h 随酶投加量的变化4 3 图4 3 污泥液相中酶活力的变化4 4 络合剂对剩余污泥厌氧酶水解的影响研究 附表索引 表1 1 不同种类污泥的营养物质含量范围2 表1 2 典型污泥燃烧热值3 表1 3 产乙酸反应方程式6 表1 4 抑制作用的分类16 表2 1 主要试验仪器一览表一2 2 表2 2 测定指标与测定方法- 2 4 硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 随着社会经济快速发展和城市化水平不断提高，工业污水和生活污水的排放量日益 增多，污水处理厂的污泥产量同时也在急剧增加。据统计，从2 0 0 6 年到2 0 1 0 年新建城 市污水处理厂1 0 0 0 余座，污水处理能力由2 0 0 5 年的1 2 0 0 万们增加到5 0 0 0 , - - 6 0 0 0 万们， 污水处理厂污泥排放量达到3 0 0 0 万t a ( 含水量8 0 ) 【l 】。污泥通常是指污水处理过程 中悬浮固体经不同方式胶结凝聚而成的含水固体沉淀物质，含水率很高，其中高含量有 机物寄生着各种细菌、病毒和寄生生物，同时，污泥中还浓缩这锌、铜、铅和镉等重金 属化合物以及盐类、多氯联苯、二恶英、放射性核素等难降解的有毒有害物质 2 1 ，如果 不加以有效的处理处置，任意排放，将会造成二次污染，对人类的生产和生活环境产生 不利影响。污泥产生量大，成分复杂，结构多变等特性决定了对其进行高效处理处置存 在一定的难度，污泥的处理处置已成为当前污水处理的重点、难点和热点问题。传统的 污泥处理处置方法主要是通过浓缩、脱水、干化等预处理后，再经卫生填埋、土地利用、 建材利用或焚烧等方式对污泥进行消纳【3 】。一方面，传统的污泥处理处置方法投资和运 行成本较高，社会效益和经济效益不明显；另一方面，因污泥中含有各种有毒有害物质 和微生物，为保证人类健康不受危害，土地利用和建材利用的处置方式受到极大限制。 因此，无害化、减量化和资源化成为污泥处理处置的主要出路，其中，减量化是通过提 高处理设备性能、优化处理工艺、强化处理技术等途径从源头上减少污泥的产生量，减 小污泥处理处置负荷，这将有效缓解我国污泥处理处置的压力。无论从环境效益来说， 还是经济效益和社会效益来看，污泥减量化都是一个具有巨大发展空间和应用前景的研 究方向。 近年来国内外在污泥处理处置技术方面做了大量研究，主要通过采用物理、化学和 生物预处理方法来达到稳定化、减量化和资源化1 4 1 。污泥厌氧消化是研究较为深入且应 用广泛的一种剩余污泥处理方式【5 j 。水解是污泥厌氧消化的限速步骤，低效率的水解会 使消化时间延长，最终导致工艺负荷低、运行稳定性差和处理成本增加【6 】，因此，研发 提高污泥水解效率的技术具有重要意义。现阶段，促进污泥水解的方法有机械法、超声 波法、热碱法和生物法等【_ 阳】，其中，低能耗、低污染的酶处理技术越来越受关注和重 视，但酶对提高污泥水解效率的作用有限；目前已有学者运用投加络合剂的方式来破坏 污泥絮凝结构从而促进污泥水解，并取得较好效果，但污泥中的蛋白质、碳水化合物等 溶解性大分子有机物的进一步降解主要依靠蛋白酶、淀粉酶、纤维素酶和脂肪酶等水解 酶i l 。为此，本文对单独添加络合剂s c 、酶以及两者联合添加对剩余污泥的水解效率 络含剂对剩余污泥厌钒酶水解的影响研究 进行了对比研究，水解过程中各物质的转移转化机理，同时分析讨论了络合剂s c 对蛋 白酶和淀粉酶活力的影响，为污泥酶水解技术的研究和实际运用提供借鉴和参考。 1 2污泥现状 1 2 1 污泥的产生 目前，活性污泥法是城市污水处理厂污水生物处理环节的主要方法之一。活性污泥 中的微生物在处理工艺正常运行条件下会不断进行合成代谢和分解代谢。合成代谢即微 生物吸收利用污水中小分子物质，并合成自身生物体所需生物基团的过程；分解代谢则 是微生物将有机污染物氧化分解为二氧化碳和水等代谢产物，并释放出能量的过程。由 于微生物的代谢和生物合成作用，使得曝气池中的活性污泥生物量不断增加，经二次沉 淀池沉淀下来的污泥一部分回流到曝气池供再处理污水用，多余的排放到系统之外的部 分即剩余污泥。 1 2 2 污泥的特性 1 2 2 1 物理特性 污泥是由水中悬浮固体经各种方式结合形成的絮凝体，结构松散，形状不规则，具 有类似绒毛的分支与网状结构。含水量高，通常可达到9 9 以上，比表面积和空隙率也 极高( 空隙率常大于9 9 ) ，脱水性差。 1 2 2 2 化学和生物利用特性 生物污泥以微生物为主，还包含混入生活污水的纤维、泥沙、动植物残体等固体颗 粒以及可能吸附的金属、有机物、病菌、虫卵等物质。同时污泥中也包含有能改良土壤 结构的有机质及植物正常生长发育所需的氮、磷、钾和多种微量元素。表1 1 【1 1 为不同种 类污泥的营养物质含量范围。 表1 1 不同种类污泥的营养物质含量范围 t a b l e1 1t h en u t r i e n tc o n t e n tr a n g eo f d i f f e r e n tk i n d so f s l u d g e 1 2 2 3 热值特性 除了污泥中含有的大量营养元素可以作为生物处理的基础外，具有一定的燃烧热值 ( 见表1 2 f l l 】) 也是污泥的一大特性，为污泥的干化焚烧及资源化利用奠定基础。 硕上学位论文 表1 2 典型污泥燃烧热值 t a b l e1 2t h ec o m b u s t i o nc a l o r i f i cv a l u eo ft y p i c a ls l u d g e 1 2 2 4 污泥中水分的存在形式及其性质 根据污泥中水分的不同存在形态，可将污泥中的水分分为以下4 类【也】： ( 1 ) 表面吸附水：表面张力作用吸附的水分为表面吸附水。用普通的浓缩脱水方 法去除比较困难，一般可采用混凝电解质法中和胶体颗粒电荷，使颗粒凝聚，比表面减 小，表面张力降低，最终使表面吸附水从颗粒上脱离。 ( 2 ) 间隙水：间隙水是指由污泥颗粒包围着的游离水，一般要占污泥中总含水量州 6 5 旷8 5 。它并不与固体直接结合，因此很容易被分离，这部分水是污泥浓缩的主要对 。 象。 ( 3 ) 毛细结合水：毛细结合水主要存在于两固体颗粒接触表面之间或固体颗粒自 身裂缝中，毛细结合水可分为裂隙水、空隙水和楔形水，一般占污泥中总含水量的 1 5 - - - 2 5 。浓缩作用不能将毛细结合水分离，而需要有较高的机械作用力和能量，如压 力过滤、真空过滤机、挤压和离心分离等方法可去除这部分水分。 ( 4 )内部结合水：包含在污泥微生物细胞体内的水分即为内部结合水，含量的多 少与污泥微生物细胞体所占的比例有关，一般只占污泥总含水量的1 0 左右。靠机械法 去除这部分比较困难，需采用高温加热、生物分解或冷冻等方法破坏细胞膜，使细胞液 渗出，内部结合水才能变为外部液体。 1 3 剩余污泥的处理、处置与资源化 1 3 1污泥的处理、处置与资源化基本方法 污泥处理是对污泥进行稳定化、减量化处理的过程，一般包括浓缩、脱水、稳定( 厌 氧消化、好氧消化、堆肥) 和干化、焚烧等。污泥浓缩、脱水、干化主要是降低污泥 水分，干固体没有发生减量变化；污泥稳定主要是去除污泥中的部分有机质或将污泥中 的不稳定有机物质转化为较稳定物质，使污泥的有机物含量减少，不再散发异味，而水 络含剂对剩余污泥厌氧酶水解的影响研究 分几乎没有变化；污泥焚烧是利用焚烧炉在有氧条件下高温氧化污泥中的有机物，使污 泥完全矿化为少量灰烬，最终完全消除有机物、可燃物质和水分，是最彻底的稳定化、 减量化【12 1 。 污泥处置是对处理后污泥进行消纳的过程，一般包括土地利用、填埋、建筑材料利 用等。污泥的土地利用是当其所含的有害成分不超过环境所能承受的容量范围时，将污 泥作为肥料或土壤改良材料，用于园林、绿化、林业或农业等场合的处置方式，因对污 泥中各种成分含量要求较高，该方法的应用受到极大局限；污泥填埋是指运用一定公程 措施将污泥埋于天然或人工开挖坑地内的处置方式，这也是我国污泥处理最重要的方法 之一；污泥建材利用是指将污泥作为制作建筑材料的部分原料的处置方式，应用于制砖、 水泥、陶粒、活性炭、熔融轻质材料以及生化纤维板的制俐乃j 。 一般情况下，剩余污泥处理系统的工艺流程可以归结为下列八类，见图1 1 。 区函匡固 压丕囫臣困 匡固 臣困 区函臣困 臣面 d 匡亟司 d 垂 图1 1 污泥处理系统的工艺流程图 f i g1 1t h ep r o c e s sf l o wd i a g r a mo fs l u d g et r e a t m e n ts y s t e m s 1 3 2 国内外剩余污泥处理、处置现状及应用进展 不同地区、不同国家的经济发展水平和环境保护法规各不相同，因此，对污泥处理、 处置的方法和管理办法也不尽相同。但唯一能获得的共识是：应终止污泥粗放或简单的 任意排放，以避免对环境和人体健康造成不利影响，应将污泥有效回用，以达到可持续 发展的目的。2 0 世纪9 0 年代后，随着市政污水处理厂的建设规模与处理程度在不断扩 大和提高，产量与日俱增的剩余污泥所带来的环境问题也日益加重，污泥的处理与处置 问题逐渐引起世界各国的高度重视。根据资料【l 钔，英国对污泥的处置方法主要为农用， 约占污泥总处理量的4 6 6 ，采取填埋方式的比例较小，只占污泥总处理量的8 ，英 国主要采用中温厌氧消化对污泥进行前处理，其中4 2 消化后的污泥回用于农田。近 l o 年来，波兰污泥产量迅速增长，该国更多的是采用高温厌氧消化产生沼气，使用沼气 产生的能量焚烧，最后剩余的灰分可用于建筑行业作为建材使用。因德国对污泥农田回 用的要求极为严格，填埋成为德国城市污水污泥主要处置方法，约占污泥总处理量的 硕一i ：学位论文 4 5 【l 引。在美国，经各种稳定化处理后回用，用于填埋场覆土、建筑材料中的骨料等方 式，6 0 以上的污泥被有效利用【l6 j 。日本早在2 0 年前就开始采用最先进的热干化和污 泥焚烧处理方法，由于这两种处理方式能耗高，且为满足严格的尾气排放标准，进一步 导致处理成本提高。目前，日本制定了大区域污泥处置和资源利用的a c e 计划：a ( a g r i c u l t u r e ) 。污泥无害化后用于农业、园林或绿地；c ( c o n s t r u c t i o n ) 污泥焚烧后将 灰分制成固体砖或其他建筑材料；e ( e n e r g yr e c o v e r y ) 利用污泥发电、供热【l 】。韩国 从2 0 0 8 年开始禁止污泥填海处理，热干化和焚烧处理成为韩国污泥处理发展方向，同 时，韩国也在尝试污泥作为蚯蚓饲料，或与混凝剂混合后作为一种保护性地表层等其他 应用。 在我国，随着近些年来城市化步伐的加快，污水处理事业有了较大发展，但受“重 水轻泥”倾向的影响，污水处理厂的建设往往只注意污水处理要达到排放标准，对污泥 的理处置问题一直未得到重视和解决。我国的污泥处理处置技术的研究和应用尚处于起 步阶段，主要呈现出污泥处理技术落后，设计水平和管理水平较低，资金投入不足等问 题【l7 。我国城市污泥处置目前主要以填埋、农业使用为主。由填埋这种处置方式会带来 的一系列问题。首先，消耗大量的土地资源，不少城市很难找到新的填埋场；其次，由 于污泥含水率较高，加剧了垃圾填埋场渗滤液的污染，大部分混合填埋的垃圾场存在拒 收污泥的现象；最后，对填埋场产生的气体进行资源化利用的填埋场较少，填埋产生的 废气不仅污染环境，还存在安全隐患。我国关于污泥农用风险的研究体系尚不健全，因 此污泥农用也存在一定的隐患和风险【l 引。虽然堆肥、复合肥的研究不少，但生产规模都 较小，国内污泥综合利用实例不多，大规模污泥的处置问题仍停留在技术研究层次，减 小体积、提高含固率仍是污泥处置亟待突破的环节。 在未来几十年中，污泥处理、处置和资源化技术将日益成熟，污泥更多的是作为一 种新的资源被有效利用，以满足可持续发展的需求。 1 3 3污泥厌氧消化 1 3 3 1 污泥厌氧消化机理 厌氧消化是指污泥在无氧的环境下，利用兼性菌及专性厌氧菌群的作用，使污泥中 可生物降解的有机物经液化、气化而分解成c 0 2 、c t - h 、h 2 s 等，病原菌、寄生虫卵被 杀死，固体达到减量化、稳定化和无害化的方法【1 9 1 。污泥厌氧消化过程非常复杂，影响 厌氧消化的因素较多，主要包括：污泥龄与负荷、温度、搅拌和混合、碳氮比( 摩尔比) 、 有毒物质、p h 值等。目前，较为公认的是在微生物的作用下污泥经历水解酸化、产氢 产乙酸及产甲烷的三阶段理论【2 0 】( 见图1 2 ) ，其中前两项为酸性发酵阶段，产甲烷为碱 性发酵阶段【2 1 】。 络含剂对剩余污泥j 犬氧酶水解的影响研究 图1 2 污泥厌氧消化模式图 f i g 1 2t h em o d e lo fo r g a n i ca n a e r o b i cd i g e s t i o n 第一阶段：水解、发酵阶段：碳水化合物、蛋白质及脂肪等复杂有机物在水解和发 酵细菌的作用下分解为单糖、氨基酸、脂肪酸、甘油、c 0 2 等小分子化合物。 第二阶段：产氢、产乙酸阶段：第一阶段产物在产氢产酸菌( 产氢产乙酸菌和同型 乙酸菌) 的作用下转化为乙酸、h 2 和c 0 2 。产乙酸的反应方程式见表1 3 。 表1 3 产乙酸反应方程式 t a b l e1 3t h ee q u a t i o n so fa c e t i ca c i df o r m a t i o n 反应方程式吉布斯自由能( a g 。) c h 3 c h 2 0 h