（环境工程专业论文）污泥厌氧消化过程胞外聚合物变化对脱水性能的影响研究.pdf

摘要 摘要 城市污水处理厂污泥的产生量大，是一种性质复杂、污染物含量高、潜在 环境风险巨大的污染物，需要及时处理和处置，实现减量化、稳定化和无害化。 污泥厌氧消化为当前许多大中型污水处理厂污泥稳定化处理的主流工艺，而厌 氧消化水解速率是限速步骤，不完全的消化过程则会导致污泥的脱水性能恶化， 其影响机理则与消化过程中污泥有机物组成及结合状态变化有关。为研究消化 过程中污泥脱水性能的演化及其与有机物组成及结合状态的相关性，探索污泥 厌氧消化改善其脱水性能的技术方法；实验对比了超声预处理和无处理直接厌 氧消化两种工况下，污泥脱水性能的变化，采用离心和超声波法将污泥由外到 内依次分为粘液( s l i m e ) 层、疏松结合的胞外聚合物( l b e p s ) 层和紧密结合 的胞外聚合物( t b e p s ) 层及细胞( p e l l e t ) 层。研究了各层有机物、粒径及金 属离子的变化及对脱水性能的影响，得到的主要结论如下。 ( 1 ) 在3 4 d 的消化过程中，超声预处理工况表现了强化有机物降解的作用， 污泥的总悬浮固体( t s s ) 和挥发性固体( v s s ) 去除率有所提高，分别为5 2 6 和5 5 2 ；而无预处理工况相应的t s s 和v s s 去除率分别为4 5 4 和4 7 9 。 ( 2 ) 污泥中的有机物组分主要为蛋白质和多糖，两者之和占污泥总有机物 的6 5 7 6 。超声处理对污泥蛋白质在各层中的分布有明显影响，无预处理时， 污泥蛋白质主要分布在p e l l e t 层和t b e p s 层，s l i m e 层和l b e p s 层分布则较 少，而超声处理后，蛋白质发生了从内而外的转移，主要分布在p e l l e t 层和s l i m e 层。同时两种工况下污泥蛋白质的降解模式也有所不同，随着消化反应的进行， 前者s l i m e 层蛋白质所占的比例逐渐增大，而后者s l i m e 层和l b e p s 层的蛋白 质在减少。两种工况下污泥外部( s l i m e 层和l b e p s 层) 的蛋白质与该部分的 f e 离子浓度的相关性均较强，相关系数分别是r 2 = 0 9 6 7 l ( p = 0 0 0 3 6 ) 和r z = 0 9 6 5 7 ( p = o 0 0 3 3 ) ，表明f e 离子在污泥外部蛋白质的絮凝架桥方面发挥了重要作用。 ( 3 ) 两种工况下污泥的脱水性能变化明显不同。无预处理污泥在消化过程 中的脱水性能显著变差，而超声处理后污泥脱水性能随消化反应的进行逐渐提 高。无预处理污泥的毛细吸水时间c s t 与其s l i m e 层中蛋白质显著相关( r 2 = 0 8 9 3 ， p = 0 0 0 7 ) ；而对于超声处理后污泥，c s t 不但与s l i m e 层中蛋白质正相关，同时 还与l b e p s 层中蛋白质显著相关( r 2 - - - 0 8 8 2 ，p = 0 0 0 2 ) ：总体来说，污泥絮体外 部可溶性部分( s l i m e 层和l b e p s 层) 的蛋白质对其脱水性能有重要影响，r 2 摘要 分别为0 9 9 3 0 ( p = 0 0 0 2 7 ) 和0 9 8 3 5 ( 矿o 0 0 4 9 ) 。 ( 4 ) 利用三维荧光光谱( 3 d e e m ) 测定了超声预处理污泥消化过程中荧光 强度的变化，主要的荧光峰是两个与色氨酸有关的类蛋白峰，第1 个峰的激发 发射光谱( e x e m ) 在2 2 5 3 4 0 - 3 5 0n l i l ( p e a ka ) ，第2 个峰的激发发射光谱 ( e x e m ) 在2 8 0 - 2 8 5 3 4 0 - 3 5 0a m ( p e a kb ) 。在消化过程中，s l i m e 层和l b e p s 层中b 峰逐渐减弱，分布于该部分的污泥蛋白质与b 峰存在较强的相关性 ( r 2 = 0 8 18 5 ，p = 0 0 0 2 8 ) ，污泥c s t 与b 峰也具有较好的线性关系，相关系数 i f 达0 8 8 7 7 。 关键词：污泥，厌氧消化，超声预处理，污泥分层，蛋白质，e e m ，脱水性能 n a b s t r a c t a b s t r a c t al a r g eq u a n t i t yo fs l u d g ei sp r o d u c e di nb i o l o g i c a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n t f a c i l i t i e s ，s h o u l db er e d u c e d 、s t a b l e da n dh a r m l e s s a n a e r o b i cd i g e s t i o ni so n eo f t h e m o s ta p p l i e ds t a b i l i z a t i o np r o c e s s e si ns l u d g em a n a g e m e n t ，b u tt h eh y d r o l y s i si st h e r a t e l i m i t i n gs t a g e ，a n di n c o m p l e t ed i g e s t i o nm a yc a u s et h ed e t e r i o u so ft h es l u d g e d e w a t e r a b i l i t y t h ei n f l u e n c ef a c t o rm a yb er e l a t e dt ot h es l u d g ep o l y m e r sa n d t h e i r t r a n s f o r m a t i o n a i m i n ga ti n v e s t i g a t i n gt h ec h a n g ew i t ht h es l u d g ed e w a t e r a b i l i t ya n d i t si n f l u e n c ef a c t o r s ，a n a e r o b i cd i g e s t i o nf o ru l t r a s o n i cp r e t r e a t m e n tw a sa p p l i e d t h e s l u d g ef l o e sw e r es t r a t i f i e dt h r o u g hc e n t r i f u g a t i o na n du l t r a s o u n d b a s e dm e t h o di n t o f o u rl a y e r s ：( 1 ) s l i m e ，( 2 ) l o o s e l yb o u n de p s ( l b e p s ) ，( 3 ) t i g h t l yb o u n de p s ( t b e p s ) ，a n d ( 4 ) p e l l e t c a p i l l a r ys u c t i o nt i m e ( c s t ) ，t h ep a r t i c l es i z e ，p r o t e i n s ( p n ) a n dp o l y s a c c h a r i d e s ( p s ) c o n c e n t r a t i o ni nd i f f e r e n tl a y e r so ft h es l u d g ef l o e sw e r e m o n i t o r e d ，a st h ed i g e s t i o nw a st e s t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：( 1 ) s l u d g er e d u c t i o nf o rt s sa n dv s sw e r e5 2 6 a n d 55 2 ，r e s p e c t i v e l y ，f o ru l t r a s o n i c a l l yp r e t r e a t e ds l u d g ec o m p a r e dw i t h4 5 4 a n d 4 7 9 f o rt h ec o n t r 0 1 ( 2 ) p r o t e i na n dp o l y s a c c h a r i d e sw e r et h em a j o r i t yo ft h ev s s ， a l m o s t l ya c c o u n t e df o r6 5 7 6 m o s to fw h i c h w e r ed i s t r i b u t e di np e l l e ta n dt b e p s l a y e r s u l t r a s o n i cc a nc l e a r l ya f f e c tt h ed i s t r i b u t i o n a f t e ru l t r a s o n i cp r e t r e a t m e n t ， p r o t e i n sw e r et r a n s ；f e r r e df r o mi n n e rl a y e r s ，t h em o s tw e r ed i s t r i b u t e di np e l l e ta n d s l i m el a y e r s a tt h es a m et i m e ，t h ed e g r a d a t i o no fo u t f r a c t i o no fs l u d g ew a sd i f f e r e n t ； t h ep r o t e i nw a si n c r e a s e di 1 1t h es l i m el a y e rf o rt h ec o n t r o l ，b u td e c r e a s e df o r u l t r a s o n i cs l u d g e f o rc o n t r o l ，t h ep r o t e i n ( i ns l i m ea n dl b - e p s ) c o r r e l a t e dw i t hf e 似2 = 0 9 6 7 1 ，p = 0 0 0 3 6 ) a n dt h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n tw a s r 2 = o 9 6 5 7o 尸0 0 0 3 3 ) f o r p r e t r e a r m e n t t h i si n d i c a t e df ew a si m p o r t a n to nt h ep r o t e i n sf l o c c u t a t i o ni nt h e o u t f r a c t i o no ft h es l u d g e ( 3 ) t h ed e w a t e r a b i l i t yw a sd i f f e r e n to ft h et w ok i n d so f d i g e s t i o n t h es l u d g ed e w a t e r a b i l i t yw a sd e t e r i o u sf o rt h ec o n t r o lb u ti n c r e a s e df o r u l t r a s o n i c p r e t r e a t e ds l u d g ed u r i n g a n a e r o b i cd i g e s t i o n t h en o r m a l i z e dc s t c o r r e l a t e dw i t hp n ( r 2 = o 8 9 3 ，p = 0 0 0 7 ) i ns l i m el a y e rf o ru l t r a s o n i c a l l yp r e t r e a t e d s l u d g e ，a n dc o r r e l a t e dw i t hp ni ns l i m ea n dl b e p sl a y e r s ( r 2 = 0 8 8 2 ，p 2 0 0 0 2 ) t h i ss t u d yd e m o n s t r a t e dt h a tt h ep r o t e i n si ns l i m ea n dl b e p sf i - a c t i o n sh a dm o r e m a b s t r a c t i m p o r t a n t i n f l u e n c eo n s l u d g ed e w a t e r a b i l i t y ( 4 ) t h r e e d i m e n s i o n a l e x c i t a t i o n - e m i s s i o n m a t r i x ( e e m ) f l u o r e s c e n c es p e c t r o s c o p y w a s a p p l i e d t o c h a r a c t e r i z et h ep r o t e i n s ，t h ef i r s tm a i np e a kw a si d e n t i f i e da te x c i t a t i o n e m i s s i o n w a v e l e n g t h s ( e x e r n ) o f2 3 2 2 3 6 3 2 5 - 3 4 0 n m ( p e a ka ) ，a n dt h es e c o n dm a i np e a k w a si d e n t i f i e da te x e mo f2 8 0 - 2 8 8 3 2 0 - 3 4 0 n m ( p e a kb ) ，t h e yh a v eb e e nd e s c r i b e d a sp r o t e i n - l i k ep e a k s f l u o r e s c e n c ei n t e n s i t y ( b ) i ns l i m ea n dl b e p sf r a c t i o n s d e c r e a s e dw i t hd i g e s t i o nt i m e ，c o r r e l a t e dw i t hp n 俾2 = o 818 5 ，p = 0 0 0 2 8 ) i nt h e f r a c t i o n s ，a n dc o r r e l a t e dw i t hc s t 僻。= o 8 8 7 7 ，p = 0 0 2 3 8 ) k e yw o r d s ：a n a e r o b i cd i g e s t i o n ；d e w a t e r a b i l i t y ；p r o t e i n ；s l u d g e ；t h r e ed i m e n s i o n a l e x c i t a t i o n - e m i s s i o nm a t r i x ；s l u d g es t r a t i f i c a t i o n ；u l t r a s o n i cp r e t r e a t m e n t ； i v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本：学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文：学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务：学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版：在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：1 可铭 年勺| 只 3 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，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，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者虢丁可磁兹 口7 年9 月 第1 章引言 第1 章引言 近年来，随着城市化进程的加快和城市污水处理率的逐步提高，城市污水 产生量也大幅增长。截至2 0 0 8 年3 月底全国县城以上的污水处理厂已经达到 1 2 5 0 多个，污水处理能力可达到7 5 0 0 万吨日。城市污水处理量越大，相应产 生的剩余污泥量也就越多，而我国长期存在着“重水轻泥 的情况，到“十一 五 期间污泥处理设施的投资仍只有污水处理设施投资的4 0 左右。因此，污 泥处置是污水处理厂当前迫切需要解决的问题，污泥问题也将成为今后城市一 大环境问题。城市污水处理厂产生的污泥产量巨大且含有大量的有害物质，是 一种性质复杂、污染物含量高、潜在环境风险巨大的污染物，需要及时处理和 处置，且对它的处理必须实现污染物的减量化、稳定化和无害化，而目前中国 污泥的无害化处理率非常低，即使是发达城市也仅为2 0 2 5 左右，污水处理 厂产生的剩余污泥己成为城市污水处理中最主要的二次污染源。 污泥经过消化预处理可以实现稳定化。根据消化过程中溶解氧的浓度，污 泥消化可以分为好氧消化和厌氧消化。小型污水处理厂由于产生的污泥量较少， 可以考虑采用好氧消化工艺，然而，好氧消化所需的高额运行费用限制了其广 泛应用。相对于好氧消化而言，污泥厌氧消化具有运行费用低、处理量大、操 作简单、能产生二次能源等优点，已逐步成为当前许多大中型污水处理厂污泥 稳定化处理的主流工艺。 1 1污泥特性 1 1 1污泥来源及结构 污泥是污水处理后产生的固形物，也是污水处理厂不可避免的副产品。根 据污泥从污水中分离的过程可将其分为如下几判i 】( 1 ) 沉淀污泥( p r i m a r ys e t t l i n g s l u d g e ) ：指初次沉淀池中截留的污泥，包括用药剂沉淀下来的污泥。( 2 ) 生物 处理污泥( b i o l o g i c a ls l u d g e ) ：指在生物处理过程中，由污水中悬浮状、胶体状 或溶解状的有机物组成的某种活性物质，其部分固体是由细菌块( 或菌群) 组 成的。 生物处理污泥中重要的来源是活性污泥法处理产生的剩余活性污泥 ( a c t i v a t e ds l u d g e ) ，活性污泥法在处理废水的过程中会产生大量的剩余活性污 第1 章引言 泥，一般每去除l k g b o d 5 ，就会产生o 3 5 1 1 5 k g 剩余活性污泥 2 】o 图1 1 是活 性污泥絮体组成物质的示意图。它是由细菌、高分子有机聚合物、无机颗粒物 和金属离子经吸附架桥作用聚集在一起组成的带负电荷的生物高聚物 3 1 。其中胞 外聚合物e p s ( e 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 ) 是污泥絮体的重要组成部分。 细菌 op 0 4 3 + 莎c 0 0 - o h 弋7 n + - 疏水点 图1 1 污泥絮体的组成 4 】 f i g 1 1s u b s t a n c e si ns l u d g ef l o e s 1 1 2 污泥中水分及脱水 污泥水分存在的形式有很多种分类，目前比较常用的分类方法是将其分为4 种形态 5 】，即表面吸附水、间隙水、毛细结合水和内部结合水。毛细结合水又可 分间隙水、裂隙水和楔形水。污泥水分存在形式如图i 2 。 毛细结合水 ， 图1 矿污泥中水分存在状态 f i g 1 2s t a t u so ft h el i q u i di ns l u d g e 2 吸附水 合粒笏己 聚 颗缓貊 外5 机眩眼抖 一m。一囫懈p 第1 章引言 ( 1 ) 表面吸附水 污泥颗粒小，比表面积很大，由于表面张力的作用，吸附的水分也就很多。 颗粒带有相同性质的电荷，相互排斥，从而保持稳定状态，因而表面吸附水用 普通的浓缩法或脱水法去除比较困难，只有加入能起混凝作用的电解质，使颗 粒的电荷得到中和后，颗粒呈不稳定状态而粘附在一起，最后沉降下来。颗粒 增大后其比表面积减小，表面张力随之降低，表面吸附水也随之从颗粒上脱离 出来。 ( 2 ) 间隙水 间隙水是指大小污泥颗粒包围着的游离水分，它并不与固体直接结合，因 而很容易分离，只需在浓缩池中控制适当的停留时间，利用重力作用就能将其 分离出来。间隙水一般要占污泥总含水量的6 5 8 5 ，这部分水是污泥浓缩的 主要对象。 ( 3 ) 毛细结合水 污泥由高度密集的细小固体颗粒组成，在固体颗粒接触表面上，由于毛细力 的作用，形成毛细结合水，这种结合水称为楔形毛细结合水。固体颗粒自身裂 隙中的毛细水，称为裂隙毛细结合水。固体颗粒和颗粒之间空隙中的毛细水， 称为间隙毛细结合水。各类毛细结合水约占污泥中含水量的1 5 2 5 。 浓缩作用不能将毛细结合水分离，如果将固体颗粒间充满水分的污泥柱浸 入水中，间隙水由于重力作用从上部开始流出，但到达一定高度后，由于毛细 力的作用，水不能流出，一直保持不变。因此，要分离毛细结合水，需要有较 高的机械作用力和能量，如真空过滤、压力过滤和离心分离才能去除这部分水 分。 ( 4 ) 内部结合水 内部结合水是指包含在污泥中微生物细胞体内的水分，它的含量多少与污 泥中微生物细胞体所占比例有关，内部结合水的量不多，与表面吸附水一起只 占污泥中总含水量的1 0 左右。这部分水分通过机械脱水方法是行不通的，可 以通过超声波辐射、微波辐射、人工加热、干化焚烧等方法破坏细胞膜，使细 胞液渗出，从而达到脱水的目的。 由于污泥的含水量较高，其含水率对其体积的影响很大，如含水率变化l ， 体积可增缩数倍到数十倍。针对污泥的含水率高，体积大，不利于污泥的贮存、 - _ 一 一_ _ - _ - - _ - _ _ 一 第1 章引言 输送、处理、处置及利用，必须对污泥进行脱水处理，脱水主要是去除污泥中 的表面吸附水和毛细水，脱水后污泥呈固态，体积减少9 0 以上。污泥脱水目 前最常用的方法是过滤，比阻和毛细吸水时间是表征污泥的脱水性能的两个重 要指标。一般的，剩余活性污泥的比阻值在1 1 0 1 3 m k g ，同时不同性质的污泥， 脱水的难易程度不同。几种不同类型污泥的毛细吸水时间( c s t ) 大小顺序是消 化污泥 活性污泥 生污泥 矿物污泥，相比其它，消化污泥或活性污泥是较难脱 水的。 不同脱水方式的脱水效果见表1 1 。 表1 1 不同脱水方式及脱水效果 t a b 1 1d i f f e r e n td e h y d r a t i o nm a n n e r sw i t ht h e i rd e h y d r a t i o ne f f e c t 1 2 污泥厌氧消化 目前常用的污泥稳定化工艺有：厌氧消化、好氧消化、污泥堆肥和稳定干 化等。其中厌氧消化工艺是污泥稳定化、无害化处理的有效方法，且厌氧消化 后的污泥可作为农业或其他方面利用。 厌氧消化是利用无氧环境下的厌氧菌群的作用，使有机物经液化、气化而 分解成稳定物质，病菌、寄生虫卵被杀死，固体物达到减量化和无害化的方法。 按消化温度划分，污泥的厌氧消化一般可分为：中温消化( 3 0 3 8 ) 和高温消 化( 5 0 5 5 ) 。 4 第1 章引言 1 2 1厌氧消化过程机理及影响因素 厌氧消化是在无氧的条件下，消化反应器中兼性菌及专性厌氧细菌降解有 机物，最终生成二氧化碳和甲烷。它是一个复杂的过程，1 9 7 9 年，伯力特( b r y a n t ) 等人根据微生物的生理种群提出的厌氧消化的三阶段理论，第一阶段是在水解 与发酵细菌作用下，使碳水化合物、蛋白质与脂肪水解与发酵转化成单糖、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；第三阶段是通过两组生理上不 同的产甲烷菌的作用，一组把氢和二氧化碳转化成甲烷，另一组是对乙酸脱羧 产生甲烷。其中水解阶段被认为是厌氧消化过程的限速步骤。 在厌氧消化过程中细菌种类也不同，参与厌氧消化第一阶段的微生物包括 细菌、原生动物和真菌，统称水解与发酵细菌，大多数为专性厌氧菌，也有不 少兼性厌氧菌：参与厌氧消化第二阶段的微生物是一群极为重要的菌种产 氢产乙酸菌以及同型乙酸菌；参与厌氧消化第三阶段的微生物是甲烷菌甲 烷发酵阶段的主要细菌，属于绝对的厌氧菌。 厌氧消化过程示意图如图1 3 所示。 图1 3 厌氧消化过程6 】 f i g 1 3s u b s e q u e n ts t e p so ft h ea n a e r o b i cd i g e s t i o np r o c e s s 厌氧消化是一个复杂的反应过程，影响厌氧消化过程的因素很多，主要有 c n 比、温度、p h 值、碱度等。 第l 章引言 ( 1 ) c n 比：有机物的成分和含量都会影响厌氧消化产气量和气体组分，当 c n 比在1 2 1 6 范围内时厌氧菌最为活跃。当含氮量降低，c n 大于1 6 时，则有可能抑制有机物的降解。 ( 2 ) 温度：温度是影响消化过程的主要因素。消化温度的范围按所利用的厌 氧菌最适宜的温度一般分为中温消化( 3 0 3 8 ) 和高温消化( 5 0 5 5 ) 。 由于中温消化需要的能量较少且系统具有较好的稳定性，因此在工程中 应用更为广泛【7 j 。 ， ( 3 ) p h 值：p h 值对厌氧消化有重要的影响，尤其对产甲烷菌的影响很大，产 甲烷菌对p h 非常敏感，一般消化的适宜p h 范围在6 8 7 2 之间。 ( 4 ) 碱度：其作用主要是用来保证体系具有一定能够的缓冲能力，以维持合 适的p h 值，一般要求碱度在2 0 0 0m g l 以上为佳。 1 2 2 厌氧消化存在的问题和污泥预处理的意义 厌氧消化技术具有如下几个优点【8 】：( 1 ) 产生可燃气体( 甲烷) 。污泥在消 化过程中产生沼气，沼气中有用的甲烷气体约占2 3 ，可作为燃料用来发电等； ( 2 ) 减少污泥体积。通过减少污泥中可降解的有机物含量，使污泥的体积减少。 与消化前相比，消化污泥的体积一般可减少1 2 1 3 ，减量效果好；( 3 ) 消除恶 臭。污泥在厌氧消化过程中，硫化氢分离出硫分子可与铁结合成为硫化铁，因 此消化后的污泥不会再发出恶臭气体；( 4 ) 杀死病原微牛物。污泥中含有很多 的有毒物质如细菌、病原微生物、寄生虫卵，尽管污泥中温厌氧消化不能保证 完全杀灭污泥中的这些病原菌，但相比于常温条件下的好氧稳定化而言，其对 病原菌也具有相当程度的杀灭作用。 污泥大部分有机物在微牛物细胞内，由于微生物细胞壁和细胞膜的天然屏 障作用，微生物细胞所分泌的水解酶对这部分有机物进行水解的速率低，导致 污泥水解速率低，从而限制了整个污泥厌氧消化过程的快速进展。常规污泥厌 氧消化速度慢、效率低，故消化过程中需要很长的停留时间和很大的存放污泥 的空间，且消化过程中操作管理复杂，产气中甲烷含量低。 为了提高污泥的水解速率，改善污泥的消化性能，许多预处理的方法相继 被开发并报道。如酸预处理、碱预处理、机械物理法、化学法以及生物法等。 由于污泥预处理工艺可以破解污泥细胞，使胞内有机物释放出来，这些释放出 来的有机物可以更好地被水解酶利用以加速水解速率，缩短反应时间，从而提 6 第1 章引言 高厌氧消化性能。 1 3 超声波预处理 国内外先后报道了许多污泥预处理的方法，如高压水流喷射法【9 】、超声波预 处理法【l o 】、碱溶法【l l 】、臭氧氧化法【1 2 】、辐照法 1 3 1 、酶水解法【。1 等，在众多污泥 预处理方法中，超声波处理技术反应条件温和、污泥降解速度快、适用范围广、 可与其他污泥处理技术结合使用，且所需设备成本低，不会对环境造成二次污 染，在污泥处理方面展现了很大的潜力和优势，具有广阔的应用前景。 1 3 1 超声波作用机理 超声波一般指的是频率大于2 0k h z 的声波，在超声过程中液体中将产生大 量空化气泡，它们随着声波改变大小并瞬间破灭，气泡破灭时，将产生极短暂 的强压力脉冲，并在气泡及其周围微小空间形成局部热点，产生高温高压和具 有强烈冲击力的微射流【l5 1 。空化发生时，液体的局部瞬间产生高温、高压、高 剪切力和声化学反应，使污泥中有机体的细胞壁被破碎而释放出胞内物质，增 大了有机物与胞外酶的接触，从而有利于水解反应的进行。 1 3 2 超声波作用对污泥的影响 经超声波处理后的污泥可以释放絮体内的有机物，提高酶的活性，从而对 后续的厌氧消化和脱水性能都会产生积极的影响。 1 3 2 1 超声波对污泥性质的改变 研究表明超声作用可以大大提高污泥的溶解性有机物( s c o d ) 的浓度， s c o d 的释放对污泥减量和后续厌氧消化性能的提高均有很大的作用。针对污泥 s c o d 的产量与超声条件的关系，有研究报道高能量和短时间情况下比低能量长 时间的条件下效果更好【i 6 1 。 1 9 9 1 年，h a r r i s o n 1 7 】首次报道了超声降解是一种破碎细胞壁的有效方法，并 且认为分子量超过4 0 0 0 0 的高分子物质可以被超声空化引起的强大水力剪切力 所分解。t i c h m 1 8 】等人研究了频率在4 1 3 2 1 7k h z 范围内超声波作用污泥的情况， 同时考察了超声声强和处理时间的影响，他们发现低频率超声产生的空化气泡 大，气泡破灭瞬间产牛的水力剪切力非常强大，可以有效的分解污泥细胞，而 7 第l 章引言 高频率超声产生的空化气泡小，气泡破灭不足以产生使污泥细胞分解的强大水 力剪切力，分解作用并不明显。并且发现短时间的超声处理不能使污泥细胞分 解，但可以使污泥絮体发生解聚：长时间的超声作用可以使污泥细胞壁破裂， 从而将包裹在细胞中的有机质释放出来，这种有机质的释放在后续的厌氧消化 过程中大大促进污泥的水解，使污泥挥发性固体浓度降低。王芬和季民 1 9 】也做 了超声波破解剩余活性污泥的相关实验，实验发现在一定声能密度和时间条件 下，污泥破解速度与时间符合一级反应动力学规律，但在较高声能密度与较低 污泥浓度下，s c o d 增值不再随时间延长呈线形增长，其增长的速度逐渐减缓。 z h a n g 等人【2 0 】研究了超声过程中污泥的t s 含量、生物活性、s c o d 及高分 子污泥蛋白质等有机物浓度变化，结果表明超声可以有效的破解污泥，随超声 时间和超声能量的增加，污泥的s c o d 、可溶性的蛋白质量以及污泥的减量效果 更明显。说明超声可以有效的破坏污泥絮体和释放胞内物质，使得s c o d 、蛋白 质等从污泥内部释放到上清液中。且超声在能量0 5w m l 下处理3 0m i n 后，污 泥絮体可分解3 0 1 ，固体量可减少2 3 9 。 生物学的研究表明，低强度的超声波具有促进酶的活性、刺激细胞生长和 增加细胞通透性等特尉2 1 1 。同济大学y u 等 2 2 】发现超声预处理之后污泥胞内水解 酶可以从絮体的内部转移到污泥的外层。重庆大学曾晓岚和龙腾锐等【2 3 】通过试 验发现低强度超声波辐射对污泥活性有显著提高，采用5 0w l 的功率密度辐射 1 0m i n 后，污泥的o u r 值较作用前提高了1 2 9 ，蛋白酶活性提高了2 3 7 ， 脱氢酶活性提高了2 4 6 。 还有报道超声波预处理在破碎污泥细胞及e p s 的同时，污泥上清液溶液中 的金属离子浓度如c a 2 + 、m 9 2 + 含量是增大的胁l 。 1 3 2 2 超声波对污泥消化的影响 t i e h m 等人【2 5 】早些时候也研究了超声波预处理对污泥厌氧消化的影响，并发 现污泥破解的程度和比能量输入( k j k g 干污泥) 有直接的关系。他们使用容积 为1 5 0l 的半工业化规模反应器，采用超声试验条件为3 6k w 、3lk h z 、9 6s ， 结果发现污泥的s c o d 由初始的1 0 0m g l 上升到6 0 0 0m g l ，在3 7 进行的那 个半连续化厌氧消化反应器，在相同的水力停留时间( 2 2d ) 下，污泥中挥发性 固体含量减少了5 0 3 ，而未处理的污泥只减少了4 5 8 。而且发现在较短的水 力停留时间( 8d ) 下，也能使污泥的厌氧消化进行地比较彻底，产气量是未处 第1 章引言 理污泥的2 2 倍。 w a n g 等人【2 6 】研究了超声对剩余活性污泥( w a s ) 的影响，实验结果表明， 当t s 为3 3 4 0 ，超声频率为9k h z ，超声时间分别为1 0 ，2 0 ，3 0 ，4 0m i n ， 与不超声情况对比v s 减量提高了1 l ，2 0 ，3 8 ，4 6 ，总产气量提高了1 5 ， 3 8 ，6 8 ，7 5 。 大量文献报道超声预处理之后可以提高污泥的消化性能，也有学者持不同 的观点，如l a f i t t e t r o u q u 6 和f o r s t e r ( 1 3 】对浓缩污泥( 2 0 2 5g l ) 进行超声处理， 超声条件是在频率2 3k h z 、功率4 7w 、时间9 0s 下，发现与不超声情况对比， 无论中温还是高温条件下消化之后的产气量基本上没有变化。 1 3 2 3 超声波对污泥脱水的影响 超声可以通过改变污泥的絮体结构、沉降性能和细菌表面的性质来影响污 泥的脱水性能。超声对污泥的脱水性能的影响已有很多报道，有的研究者认为 超声预处理可以提高污泥的脱水性能。如n a 等人【2 7 】发现对废弃活性污泥进行超 声预处理可以提高其脱水性能( 以c s t 表征) ，但随着超声能量增加脱水性能却 是降低的。y i n 等【2 8 】报道低频率的超声波( 2 0k h z ) 处理活性污泥之后的脱水性 能可以提高，污泥的含水率可从9 9 减少至8 0 ，s r f 从3 5 9 x1 0 1 2m k g 减少 到1 1 8 1 0 1 2 m k g ，同时节省约2 5 5 0 的絮凝剂投加量。在超声能量4 0 0w m 2 作用2 - 4m i n 后，结合水量从1 6 7g g 降到了2 0g g 。 但也有研究者认为超声预处理会导致污泥的脱水性能恶化。如w a n g 等人【2 9 】 的实验结果表明污泥的脱水性能( 以比阻s r f 和c s t 表征) 在超声破碎之后的 都是变差的。当以0 5 2 8w m l 的能量超声5m i n 后，污泥的s r f 从初始的1 6 7 x1 0 1 2 m k g 升为1 3 3x1 0 1 4 m k g ，c s t 也从8 2s 升到3 4 4s 。d e w i l 等人【3 0 】发现 增加超声能量会降低污泥的脱水性能。当超声能量从7 5 0 0 增大到2 0 ，0 0 0k j k g d s 时，对比不超声污泥，聚电解质的投加量增加了两倍。 c h u 等人【3 l 】的研究则认为超声波处理污泥存在一个临界声能密度，当超声 波的声能密度超过这个临界值时，污泥絮团会被打碎，污泥颗粒粒径会减小， 吸附的水分会更多，从而会恶化污泥的脱水性能。实验结果表明，在0 3 3w m l 下对污泥处理6 0m i n ，污泥的毛细吸水时间c s t 由初始的1 9 7s 增加到了4 9 0s ， 污泥中的结合水含量也由初始的3 8g g 升高到了1 1 7g g 。 上述的研究成果可以看出，许多不同的研究者的结论并不一致，甚至相反， 9 第1 章引言 这可能是因为各自研究的条件不相同和所研究的污泥的性质不一样的原因。 1 4 厌氧消化过程脱水性能的影响因素 图1 4 是污泥厌氧消化处理的流程。污泥预处理之后一般含水率还很高 ( 9 0 一9 9 ) ，在最终处置前需进行进一步的脱水处理。若厌氧消化能有效降低 污泥的含水率，提高其脱水性能，则可为后续的处理过程节约运行费用。因此 有必要研究厌氧消化过程中脱水性能的变化情况及影响脱水性能的因素。 关于厌氧消化对污泥脱水性能的影响已有许多报道。但研究者对厌氧消化 后的污泥的脱水性能的变化仍存在分歧，有研究发现厌氧消化可以改善污泥的 脱水性能【32 。，然而还有的研究者认为厌氧消化降低污泥的脱水性能的 3 引。l a w l e r 等人【3 4 】研究了初沉污泥和二沉污泥的混合污泥的完全混合中温厌氧消化过程， s r t 从7d 至2 1d 污泥的脱水性能是变差的。而m i r o n 和z e e m a n ”】通过污泥在 c s t r 系统中的厌氧消化反应认为污泥的脱水性能在酸化阶段是变差的，而甲烷 化阶段的与原污泥相比是提高的。 厌氧消化通过有机物的降解和细菌的生长从而改变污泥的理化特征及性能 【36 1 ，如可以改变污泥的脱水性能，因此脱水性能的变化是和污泥自身的性质密 切相关的。污泥自身性质如e p s 含量，e p s 中的有机物( 蛋白质、多糖) 、颗粒 的粒径分布，颗粒表面电荷，金属离子、p h 等都可影响污泥的脱水性能，在这 些因素中，e p s 含量是研究最多且被认为是诸多影响因素中最重要的因素。 1 4 1 胞外聚合物( e p $ ) 胞外聚合物( e p s ) 是微生物在一定的环境条件下，在其代谢过程中分泌的 包同在微生物细胞壁外的多聚物。e p s 可能由细菌产生，可能为水解产物，或是 从废水中吸附离子，也可能来自被吸附在絮体上的废水中的有机物。一般认为， e p s 占活性污泥总有机质的5 0 9 0 【”】。e p s 在细胞表面主要有以下作用：吸 附外界有机物和无机离子形成污泥凝体和保护细胞等。 e p s 包括荚膜、粘液层、及其它表面物质，其有机组分主要由蛋白质、多糖 和少量d n a 、脂肪和腐殖酸组成，其无机组分约占总量的1 0 2 0 。e p s 一般 可分为紧密粘附e p s ( t i g h t l yb o u n de p s ，t b e p s ) 和松散附着e p s ( l o o s e l y b o u n d e p s ，l b e p s ) ，t b e p s 位于内层，与细胞表面结合较紧，稳定地附着于 细胞，具 l o 第1 章引言 甲 图1 4 污泥厌氧消化全过程【6 】 f i g i 4p r o c e s sf l o w c h a r to f t h es l u d g ep r o c e s s i n gs t e p s 有一定外形；l b e p s 位于t b e p s 外层，具有比较松散的结构，是可向周围环 境扩展的、无明显边缘的粘液层【3 引。 大量测试结果表明，e p s 主要成分是蛋白质和多糖，两者约占e p s 总量的 7 0 8 0 3 9 】。污泥在消化过程中e p s 的组成及分布均发生改变，且这些变化与 污泥的脱水性能有密切的关系，因此，有必要研究污泥处理过程中e p s 中有机 物的变化规律。关于污泥e p s 的变化与脱水性能关系的研究，包括：e p s 总量、 组成、分层分布与脱水性能的关系。 1 4 1 1e p s 总量 污泥的脱水性能可表示为比阻( s p e c i f i cr e s i s t a n c et of i l t r a t i o n ，s r f ) 或毛 细吸水时间( c a p i l l a r ys u c t i o nt i m e s ，c s t ) 。s a n i n 删等发现当聚合物被提取出来 后，絮体将释放出小颗粒，从而破坏脱水性能，这些小颗粒原先是被聚合物粘 附在絮体里。e r i k s s o n 和a l m t 4 1 】报道了e p s 的存在可使脱水性能变差；h o u g h t o n 和s t e p h e n s o n t 4 2 】认为e p s 总量与c s t 显著正相关( p = 0 0 1 ) ，其组分蛋白质和多 糖的组成并不影响c s t 。h o u g h t o n 4 3 】等人研究了e p s 量和污泥脱水性能之间的 关系，发现当e p s 量增加时污泥脱水性能变好，原因是由于其絮凝作用减少了 第1 章引言 污泥中的小颗粒，但当到达一定量时，再增加e p s 的量反而会使脱水性能恶化， 这可能是因为e p s 具有的高持水量的缘故，说明虽然e p s 可以为微生物提供良 好的保护，但增加的结合水有时却成为污泥脱水的一大障碍。 1 4 1 2e p s 组成 有研究认为蛋白质和多糖对e p s 的水结合能力有重要影响，如j i i l 等认为 c s t 与e p s 中的蛋白质和多糖呈负相关性，m o r g a n 等【4 5 】贝0 认为污泥的脱水性能 是与e p s 中的蛋白质多糖相关的。p o x o n 和d a r b y 删发现e p s 的量占污泥总固 体的1 8 3 0 ，其中e p s 中具体组分对污