（环境工程专业论文）剩余污泥减量化的解偶联代谢数学模型和好氧—沉淀—缺氧（osa）工艺的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 剩余污泥减量化的解偶联代谢数学模型 和好氧一沉淀一缺氧( o s a ) 工艺的研究 摘要 活性污泥法是目前世界上应用最广泛的污水生物处理技术，但它一直存在一 个最大的弊端，就是会产生大量的剩余污泥。在各种污泥减量技术中，投加解偶 联剂来降低污泥产量，可能是最有应用前景的，因为它不需要增加额外的处理设 施，运行也方便。好氧一沉淀缺氧( o s a ) 工艺虽然其污泥减量化的效果可能 不及添加化学解偶联剂的作用明显，但可改善污泥的沉降性能，而且也不必对现 有的工艺装置进行改造，运行成本较低。本文在考察以前和现有的污泥减量化技 术工艺研究的成果的基础上重点研究了剩余污泥减量化的解偶联代谢数学模型 和好氧一沉淀缺氧( o s a ) 工艺。 在剩余污泥减量化的解偶联代谢数学模型试验研究中，通过摇瓶试验比较了 对氯酚( o c p ) 、2 ，4 一二氯酚( d c p ) 、3 ，3 ，4 ，5 - 四氯水杨酰苯胺( t c s ) 、邻硝 基酚( p n p ) 、2 ，4 一二硝基酚( d n p ) 的污泥减量化效果，并对效果较好的化学解 偶联剂d n p 、p n p 与t c s 进行解偶联剂浓度和污泥浓度试验，对t c s 进行完全混 合活性污泥分批工艺试验。结果表明，摇瓶试验结果与数学模型不符合，但t c s 的分批工艺试验数据与数学模型相符；表观污泥产率( y 咖) 随初始解偶联剂浓度 与初始生物量浓度之比( c o 的增大而降低，因此真正施加在生物量上的化学 解偶联剂强度应该是c _ j x o ，而不是单纯的初始解偶联剂浓度( c 。) 。 在好氧沉淀缺氧( o s a ) 工艺的试验研究中，比较了污泥在缺氧池中不 同停留时间( 5 5 h 、7 6 h 、1 1 5 h ) 的3 种o s a 工艺对剩余污泥的减量化效果。 结果表明，3 种工艺的剩余污泥量分别比传统活性污泥工艺降低2 2 9 9 、3 3 2 4 和1 3 8 0 。和传统活性污泥工艺相比，c o d 去除率和出水氨氮浓度与对照相当， 总氮去除率下降了0 0 3 8 7 0 ，污泥在缺氧池中停留7 6 h 、1 1 5 h 的o s a 工艺 总磷去除率升高约1 9 。除污泥停留t 1 5 h 的o s a 工艺其污泥s 值有所升高 外，其余均和对照相当，但所有污泥的沉降性能都很好( s v i 值均小于1 0 0 ) 。 综合考虑污泥减量化效果、运行效能和实际可操作性，认为o s a 工艺中污泥在 缺氧池中停留6 7 h 较为理想。 浙江大学硕士学位论文 关键词：活性污泥工艺；剩余污泥减量化：化学解偶联剂；3 ，3 ，4 ，5 四氯水 杨酰苯胺( t c s ) ；表观污泥产率；好氧一沉淀缺氧( o s a ) 工艺 浙江大学硕士学位论文 t h er e s e a r c ho nt h eu n c o u p l e dm e t a b o l i s mm o d e lo f e x c e s ss l u d g er e d u c t i o na n do s a ( o x i c - - s e t t l i n g - a n o x i c ) p r o c e s s a b s t r a c t t h ea c t i v a t e ds l u d g ep r o c c s si sc o m m o l l l yu s e df o rt h et r e a t m e n to fw a s t e w a t e r , w h i c ha l s og e n e r a t e sal a r g eq u a n t i t yo fe x c e s ss l u d g ed a i l ya sab y p r o d u c t t h e r ea r e v a r i o u sk i n d so f t e c h n o l o g yd e v e l o p e dt or e d u c ee x c e s ss l u d g e ，a m o n gw h i c h , t h eu s e o fc h e m i c a lu n c o u p l e r sa r ev e r yp r o s p e c t i v eb e c a u s ei ti se a s yt or u na n dn oe x t r a t r e a t m e n tf a c i l i t i e sa r en e e d e d o x i c - s e t t l i n g a n o m c ( o s mp r o c e s sm a yn o tb e e f f e c t i v ea st h ec o n t r o lo f e x c o s ss l u d g ep r o d u c t i o nb yc h e m i c a lu n c o u p l e r s t h eo s a p r o c e s sc a l li m p r o v et h es e t t l e a b i l i t yo fs l u d g e ，a n di tn e e d sn om o d i f i c a t i o no ut h e c o n v e n t i o n a la c t i v a t e ds l u d g ea n dl e s sr u n n i n gc o s t t h i sp a p e re m p h a s i z e dt h e m s e a r c ho nt h eu n c o u p l e dm e t a b o l i s mm o d e lo fe x c e s ss l u d g er e d u c t i o na n do s a p r o c e s so i lt h er e v i e wo ft h et e c h n i c a la n dt h et h e o r yo fs l u d g er e d u c t i o no fp a s ta n d p r e s e n t i nt h em s e a r c ho f u n c o u p l e dm e m b o l i s mm o d e lo f e x c e s ss l u d g er e d u c t i o n , o r t h o c h l o r o p h e n o l ( o c p ) ，2 ，4 - d i c h l o r o p h e n o l ( d c p ) ，3 , 3 ，4 ，5 - t e t r a c h l o r o s a l i e y l a n i l i d e ( t c s ) ， p a r a - d i n i t r o p h e n o l ( p n p ) a n d2 , 4 - d i n i t r o p h e n o l ( d n p ) w e r ec h o s e nf o rs h o r t - t e r mt e s t s o ft h e i ra b i l i t yt or e d u c es l u d g ey i e l db yab o t t l es h a k i n gt e s t t h em o s te f f e c t i v e c h e m i c a l s ，d n p ，p n pa n dt c sw e r et e s t e df o rv a r i o u su n c o u p l e re o n c e n t r a t i o u sa n d b i o m a s sc o n c e n t r a t i o n s t c sw a st h e nt e s t e d i nal a b s c a l ec o m p l e t e l ym i x e d a c t i v a t e ds l u d g eb a t c hc u l t u r e t h em o d e lw a sv e r i f i e dw i t t le x p e r i m e n t a ld a t ai na c o m p l e t e l ym i x e da c t i v a l e ds l u d g eb a t c ht e s t ，b u tt h er e s u l t sf r o m t h eb o t t l es h a k i n g b a t c ht e s ta r ei n c o n s i s t e n t t h eo b s e r v e dg r o w t hy i e l d ( y o b s ) i sd e c r e a s e dw i t ht h e i n c r e a s eo ft h er a t i oo fi n i t i a lu n c o u p l e rc o n c e n t r a t i o nt oi n i t i a lb i o m a s s c o n e e n t r a t i o n ( c d x o ) t h er e a ls 仃e n g t ho fc h e m i c a lu n c o u p l e ri m p o s i n go nb i o m a s s m 浙江大学硕士学位论文 s h o u l db ec i i x o ，n o ti n i t i a lu n c o u p l e r c o n c e n t r a t i o n ( c ) a l o n e o x i c s e t t l i n g a n o x i c ( o s a 、p r o c e s si s am o d i f i c a t i o no fc o n v e n t i o n a la c t i v a t e d s l u d g eb yi n s e r t i n g as l u d g eh o l d i n gt a n ki nt h ee x p e r i m e n t t h er e d u c t i o n p e r f o r m a n c eo fo s ap r o c e s st oe x c e s ss l u d g ey i e l du n d e rt h r e ed i f f e r e n tr e t e n t i o n p e r i o d ( 5 5 h ，7 6 h , 1 1 s h ) o fs l u d g ei nt h ea n o x i ct a n kw a ss t u d i e d t h e2 1 0 dt e s t s h o w e d t h a t t h e t h r e e p r o c e s s e s w i t h d i f f e r e n ts l u d g er e t e n t i o n t i m e ( 5 5 h , 7 6 h , 1 1 5 h ) i nt h es l u d g eh o l dt a n kr e d u c e dt h ee x 0 2 s ss l u d g eb y2 2 9 9 * , ，3 3 2 4 a n d 1 3 8 0 ， r e s p e c t i v e l y a sc o m p a r e dw i t ht h ec o n t r o lp r o c e s s ，c o dr e m o v a lr a t e sa n de f f l u e n t n h 3 - nc o n c e n t r a t i o n sd i d n o ts i g n i f i c a n t l yi n f l u e n c e d , a n dt nr e m o v a lr a t e s d e c r e a s e db y0 0 3 8 7 0 t pr e m o v a lr a t e so ft w oo s a p r o c e s s e sw i t hs l u d g e r e t e n t i o nt i m e ( 7 6 h , 1 1 5 h ) i n c r e a s e db y1 9 s l u d g es e t t l e a b i l i t yw a se x c e l l e n ti n t h e s et h r e eo s a p r o c e s s e sa n do n l yt h es v io ft h ep r o c e s sw i t hs l u d g er e t e n t i o nt i m e ( 11 5 h ) i n c r e a s e dal i t t l e t h e s er e s u l t ss u g g e s t e dt h a ti tm i g h tb ei d e a lt oa p p l yo s a p r o c e s sw i t h 乱7 l ls l u d g er e t e n t i o nt i m et or e d u c et h ee x c e s ss l u d g ey i e l d c o n s i d e r i n g t h ep e r f o r m a n c eo fe x c e s ss l u d g er e d u c t i o n , r u n n i n gc o s ta n dp r a c t i c a lo p e r a b i l i t y a l t o g e t h e r k e y w o r d s ：a c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s ，e x c e s ss l u d g er e d u c t i o n ，c h e m i c a lu n c o u p l e r , 3 , 3 k 4 k 5 一t e t r a c h l o r o s a l i e y l a n i l i d e ( t c s ) ，o b s e r v e dg r o w t hy i e l d , o x i c s e t t l i n g - a n o x i c ( o s a ) p r o c e s s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，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，也不包含为获得澎姿盘鲎或其他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 明并表示谢意。 学位论文作者签名：每舻勿 签字日期：歹砷6 年，月矽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿态堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权逝鎏盘堂可以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：馅斤匆 导师签名：_ 确岛力摇犷 i 签字日期：年f p 月秽日签字日期：娜占年f ) 月客咱 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 浙江大学硕士学位论文 第一章前言 1 1 我国污泥概况 1 1 1 我国的污泥产量发展状况 活性污泥法是目前世界上应用最广泛的一种污水生物处理技术，世界上超过 9 0 的城市污水处理都采用活性污泥法，但它的最大不足是会产生大量的污泥。 随着我国经济的快速发展和城市化步伐的加快，未来几年我国的污水处理厂污泥 产量将会有大幅度的上升，主要有以下几方面的原因。 1 、污水量的增加。随着我国城市化进程的加快、人口的急剧增加，污水排 放量日益增加。根据有关部门预测，我国城市污水量在未来几年中还将会有较大 增长，预计2 0 1 0 年污水量将达到4 4 0 x 1 0 3 m 3 d ，2 0 2 0 年将达到5 3 6 x1 0 8 m 3 d 。目 前全国共有污水处理厂约4 0 0 多座，年处理污水1 0 0 多亿立方米。建设部计划到 2 0 1 0 年，新建城市污水处理厂1 0 0 0 余座，污水处理能力将由目前的1 2 0 0 万吨 日增加到5 0 0 0 - - 6 0 0 0 万吨日，因此污泥产量将会成倍地增长【1 1 。 以浙江省宁波市为例 2 1 ，宁波市区目前有一座江东北区城市污水处理厂，一 期规模5 万m 3 ，d ，经扩建后处理能力己达1 0 万m 3 d 。而用世行贷款的江东南区污 水处理厂和镇海后海塘污水处理厂也将计划于2 0 0 8 年建成投产。在未来的几年 中，2 0 0 8 年宁波市的城市污水处理能力将在2 0 0 4 年的5 万m 3 d 的基础上增) j 1 2 倍， n 2 0 2 0 年更是将增) j u n t 0 万m 3 ，d ，宁波市污水处理厂规模和建设计划详细情况请 看表1 1 。随之而来的将是伴随处理能力一起增加的污泥产量。妥善解决污泥出 路问题，迫在眉睫。 表i - 1 宁波市污水处理厂建设计划 t a b l e1 - 1t h eb u i l d i n gp l a no f s e w a g et r e a t m e n tp l a n t si nn i n g b o 浙江大学硕士学位论文 2 、污水处理率的提高。以浙江省宁波市为例，2 0 0 5 年宁波市城市污水处理 率为6 0 左右，全市工业污水排放量2 3 7 亿吨，生活污水排放量1 3 4 亿吨，总 排放量3 7 1 亿吨。“十一五”规划纲要明确了宁波市污水处理要达到的总体 目标：至2 0 1 0 年，城市污水处理率达到7 0 以上，宁波市区污水处理率达到8 5 以上；宁波市区、余慈地区、象山城镇污水处理厂集中处理率达8 0 以上，奉化、 宁海城镇污水处理厂集中处理率达6 5 以上。由此可见，随着人民生活水平的提 高和城市化进程的加快，我国污水处理率必然将进一步提高。 3 、处理标准提高，处理功能拓展。随着我国排放标准日趋严格及污水处理 功能的拓展，污泥产量随之增加。尤其是现在日益引起重视的无机营养物质n 、 p 的去除，德国脱氮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。 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 ，特别是在我国城市化水平较高的城市与地区，污泥 出路问题己经十分突出。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) 、有害的有机污染物和重金属等有害成分，伴有恶臭， 易腐烂，如不及时处置，极易造成二次污染。现在大量未稳定处理的污泥已成为 城市污水处理厂的沉重负担和环境的极大威胁，如何处置这些污泥是一个急待解 决的大问题。 在这样的背景下，人们就开始重视污泥减量技术。污泥减量是2 0 世纪9 0 年代提出的对剩余污泥处置的新概念。所谓污泥减量技术，是指在保证污水处理 效果的前提下，采用适当的措施使处理相同量的污水所产生的污泥量降低的各种 技术。其主要包括围绕降低细菌合成量的代谢解偶联技术、增强微生物隐性生长 的各种溶胞技术以及生物捕食技术。 1 1 2 我国污泥处理处置的现状与问题 我国污泥的产生量快速增长，我国的污泥处理处置面临巨大的压力和困难， 总体而言存在以下问题： 1 、对污泥处理处置不够重视【l 】，缺少有效的管理和监控。长期以来，国内 外对污水处理技术给予了很大的关注，处理工艺日益成熟。处理标准也随着国家 对环境问题的重视逐渐提高。但由于经济、设计和管理等诸多方面的原因，污泥 2 浙江大学硕士学位论文 处理的重要性未得到应有的重视。虽然近年来对污泥处理处置的认识有所提高， 但是也仅停留在技术层面，没有专项的规划和法规。政府有关部门对污泥处理处 置重视不够，缺少系统的管理和监控。鉴于污泥处理处置的重要性，政府有必要 将污泥科学纳入政府监管，同时还应公开污泥的处理处置方式，将舆论监督作为 政府监管的辅助手段。污泥处理处置的管理缺位还表现在缺少系统规划。国内各 城市的总体规划中尚未涉及到污泥处理处置内容，更无专项规划。目前仅深圳、 上海、北京等大城市初步尝试了污泥处理处置专项规划的编制，但仅限于技术性 规划，应在系统性方面进一步提高完善，而其他绝大部分城市尚未开展污泥处理 处置的规划工作。 2 、污泥成分复杂，处理难度增加【l 】。由于排水沟道建设的不完备，大量工 业废水超标、农业排水及雨水径流等伴随着城市生活污水一起进入污水处理厂， 使得污泥成分日益复杂，使污泥处理难度增加。这些污泥如不妥善处理，势必会 对环境造成二次污染，形成新的公害。 3 、随污水处理排放标准的提高和处理功能的拓展，污泥处理产生新的问题 【”。为防止水体富营养化的发生，污水处理不仅要进行有机物的去除，而且要进 行n 、p 等无机营养物的去除。同时由于水资源的日益紧张，各国城市尤其是缺 水地区都在寻求新的水源，污水资源化是其中的主要途径，而满足污水回用需进 一步去除污水中的污染物质，随着这种处理功能的拓展，污泥量随之增加，而且 生物除磷脱氮工艺要考虑污泥处理处置中n 、p 的返回负荷，如德国脱氮除磷工 艺运行情况表明，污泥处理返回的氮量可达进水含氮量的2 0 ，返回的磷量可达 进水含磷量的6 0 ，具体返回负荷大小与污泥处理工艺有关，这对污泥处理提出 了新的要求。 4 、污泥处理处置基建投资大，运行费用高【“。虽然污泥量约为污水量的 l 以，但污泥处理设施投资占整个污水处理厂总投资中约4 0 5 0 。目前，我国 的污泥处理技术严重滞后，现有的污水处理设施中，污泥处理工艺和配套设旌极 不完善，有污泥稳定处理设施的还不到2 5 ，处理工艺和配套设备完善的不到 1 0 。目前我国污泥的处理大多采用厌氧消化，其前期次性投资大，而且还有 工艺负荷低、安全性要求高、运行管理难度大、运行经验缺乏等问题。使得部分 运行管理水平较低的污水处理厂索性将消化池闲置，造成很大浪费。有些污水处 3 浙江大学硕士学位论文 理厂被逐渐发展的居民区包围，安全防护距离达不到消防部门要求，造成消化池 无法正常运行。一些小型的污水处理厂更是没有条件考虑污泥的处理处置问题。 绝大多数污泥经过重力浓缩、消化、机械脱水这一套简单的工艺处理后，就送住 垃圾场填埋或直接暴露在旷野中，造成严重的二次污染。尽管国家花费了大量人 力、物力、财力治理了污水，但污水处理的伴生产品污泥却得不到充分有效的控 制，大大抵消了污水处理的环境保护意义。 5 、现有各种污泥处置方法存在不足 l 】。目前大多数国家采用填埋、焚烧和 土地利用等实用性方法。污泥的处理与处置费用一般要占总运行费用的3 0 ( 填 埋) 一6 0 ( 焚烧) 。在我国城市污水处理厂中，传统的污泥处理工艺处理费用昂 贵，约占污水处理厂总运行费用的2 0 5 0 ，投资占污水处理厂总投资的3 0 4 0 。 在许多国家常用的污泥处理处置技术中，投海己明令禁止。填埋所需成本最低， 但是它要占用大量的土地资源，而且填埋场周围的环境也会恶化，遭受渗滤液、 恶臭的困扰。在许多国家和地区，新建填埋场遭到人们坚决反对，如德国从2 0 0 0 年起，要求填埋污泥的有机物含量小于5 ，美国环保局估计今后2 0 年内，美国 6 5 0 0 个填埋场将有5 0 0 0 个被关闭。焚烧处理虽然减量程度很高，但投资运行费 用很高，难以用来处理城市污水处理厂的污泥，而且存在烟气污染的问题，我国 少数应用焚烧装置并试运行的城市，发现二嗯英排放超标而不得不停止运行。土 地利用可以将污泥变废为宝，但是由于污泥成分复杂，污泥中含有重金属离子、 呋喃等有害物质，尤其我国，由于排水沟道建设的不完备，绝大多数城市生活污 水与工业废水混合进入污水处理厂集中处理，造成剩余污泥中重金属和持久性有 机污染物( p o p s ) 普遍超标，难以达到土地利用标准。 污泥的最终处置越来越困难，污泥处置已成为污水处理厂设计、运行中必须 优先考虑的主要环节。解决污泥的出路问题是污永处理厂正常运行的前提条件。 为了防止污泥的二次污染，应尽可能通过技术进步和工艺改造等手段减少污泥的 产生量，这才是最有效的措施。大力开展促进污泥减量技术的研究，以大幅度降 低现有污泥处理处置基建和运行费用，提高污水处理厂投入产出比，促进污水处 理技术的日益完善。对污水处理厂来说，只有污水、污泥两部分都能合理且妥善 地去除，才能达到污染控制和清洁生产的目的。 总之，污泥出路问题使人们对于能减少污泥产量的生物处理工艺更加关注。 4 浙江大学硕士学位论文 从源头着手，在污水处理过程中尽量减少剩余污泥产生的思路受到各国学者的重 视。这也符合绿色生产方案中关于废物处理的原则，即按照减量化、资源化、无 害化顺序考虑。污泥的减量化与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，而污泥中的生物量几乎没有减少。剩余污泥减量化 是通过物理、化学或生物等手段，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，使污水处理设施向外排放的生物量达到最小，是从实质 上减少污泥量。若将污水处理看成生产过程，将清洁生产的理念运用到污水处理， 剩余污泥的减量化是从源头进行治理的“绿色生产”。而且由于污泥经减量化后。 污泥中重金属、p o p s 等有害物质也将被成倍地浓缩，从而为无害化处理创造了 更好的条件，可以大大降低无害化费用。 1 2 污泥减量化的理论基础 1 2 1 维持代谢和内源代谢 p i t t 在1 9 6 5 年，把微生物用于维持其生理功能的这部分能量称维持代谢。 一般认为，维持能源包括细胞物质的周转、活性运输和运动等。和维持有关的这 部分基质消耗不用来合成新的细胞物质。因此，污泥的产量和维持活性呈负相关 【3 1 。为解释比生长速率下降时生物量的减少现象，h e r b e r t 在1 9 5 6 年提出，维持 能的需求可通过内源代谢来提供，部分细胞被氧化。从环境工程角度看，内源呼 吸通常指生物量的自我消化，在连续培养生长时，可同时发生内源代谢。内源代 谢的主要优势在于进入的基质最终被呼吸氧化成为二氧化碳和水，使生物量产量 下降1 4 】。在废水处理工艺中，内源呼吸的控制比微生物生长控制和基质去除控制 更为重要。 通过分解代谢，细胞可获得生物可利用的能量，并用于其他一些吸能反应。 非生长活性所需的能量需求的增大，将降低用于合成新生物质的能量。放热维持 功能包括细胞物质的周转、渗透以维持浓度梯度。另外，用于细胞运动的能量需 求也不能和维持能需求相区别。 增加用于维持功能基质的量以降低生物产率已有报道。w a t s o n 5 】发现，在啤 酒酵母( s a c c h a r o m y c e sc e r e v i s i a e ) 的培养基中加入lmn a c l ，可增加维持能需 求，同时生物产率下降。s t r a e h a n 等【6 】研究降低膜反应器中生物膜的生长时，发 现在恒化器单一培养基中加入n a c l 使维持能需求增大。因此生物产率降低。但 5 浙江大学硕士学位论文 是h a m o d a 掣7 1 研究发现，当向已驯化的污泥中连续加入n a c i ，直至3 0g l 时 污泥产率也没有下降，有机去除效率和出水质量没有影响。这表明在驯化后，污 泥已适应了盐化环境。 基质的量决定了微生物可获得能量的多少。在基质受限制的污水处理工艺 中，碳源的分配将首先满足它们的维持需求。已有人提出了一些模型用来说明基 质限制条件下细胞培养物中维持能需求的影响以及在污水处理中的适应性。 关于没有污泥循环的恒化器系统中碳源的质量平衡，p i t t i s 认为，总碳源中 的一部分用于维持，一部分用于合成代谢，如果所有基质都用于合成代谢，那么 将是理论上的最大生长率圪，定义为真实生长率。对于生物量一定的稳态系统， 用于维持的碳源消耗速率假设是恒定的，z 为比生长速率，因此基质消耗的 可观测生物产率( 乓) 为： 土：盟+ 上( 1 1 ) 乓p圪 但是，对于大多数污水处理工艺来说，这个关系是不合适的。b o u i l l o t 等嘲在一 个有污泥循环的分解代谢合成污水的p f l u o r e s c e n s 系统中，为估算模型的维持系 数，对p i t t 方程进行了修正： 。( s o - s ) = 等蚝工 ( m ) 式中d 为稀释速率，s 为底物浓度，为初始底物浓度，z 为生物量的浓度。 当污泥全部回流，生长速率为零时，维持系数为： 靠：d ( $ o - s ) ( i - 3 ) 2 f 同时他们认为，当污泥实行部分循环时，通过假定在稳态条件下，比生长速率等 于污泥去除的体积速率q w 除于反应器的体积，从而可从p i r t 方程 方程( i - i ) 】 估算维持系数，邸 1 ：业+ 上( 1 - 4 ) 珏q * 但是从上述部分污泥循环所得出的维持系数 = o 0 3 5g ，( g h ) 】与完全污泥循 环所得出的结果【q m = 0 0 4 2 ( g h ) 】，以及没有循环的恒化器中的结果 6 浙江大学硕士学位论文 【靠= 0 0 2 8 ( g h ) 】有很大差异方程( 1 - 3 ) 所描述的污泥完全循环状况下， 细胞的生理和分批生长的休眠期相类似，这与m u l l e r 和b a b e l 1 0 1 所采用的用于研 究生存所需能量的需求方法雷同。部分污泥循环运行将导致反应器中的污泥浓度 增加，当用于维持功能的基质利用取决于存在的污泥量时，用于这些功能的基质 比例也将增大。然而方程( 1 - 4 ) 并没有正确地反映这种状况。 l o w 和c h a s e 发现【l i 】，污水处理工艺一般都试图提高反应器中污泥浓度， 污泥浓度与污泥产量相分离，因此，经验常数的确定便复杂化。为了更好地描 述部分污泥循环系统，发展了一种排除比生长速率，同时结合污泥浓度的模型。 对于连续进料，完全混合生物反应器，假定能源利用的质量平衡是用于合成代谢 的基质与污泥用于维持代谢的基质总和： 一1 吩= 手。一g 。x ( 1 - 5 ) 1 g 单位体积的污泥产量可计算如下 r x = 圪( 吩- q 。x ) ( 1 - 6 ) 式中取为生物量的产生速率，珞为底物消耗速率。 l o w 和c h a s e 1 1 1 研究发现，采用质子载体进行能量耗散时，细胞优先满足与 维持功能相关的能量需求，并利用可获得的剩余基质进行一些细胞合成。当基质 供应稳定，生长稳定地受基质限制，那么珞也可认为是常数。 从方程( 1 - 6 ) 可知，如果和g 。为常数，污泥生长受基质限制，那么随污 泥浓度的提高，污泥产量将下降。通过不同污泥浓度下的污泥产量可确定圪和 ，在活性污泥工艺的曝气池中，污泥浓度是污泥回流速率的函数，因此是一 个可控参数。 1 2 2 解偶联代谢 代谢是生物化学转化的总称，分为分解代谢和合成代谢。微生物学家认为， 细胞产量和分解代谢产生的能量直接相关，但在某些条件下，如存在质子载体、 重金属、异常温度和好氧一厌氧交替循环时，呼吸超过了a t p 产量，即分解代谢 和合成代谢解偶引挖4 1 ，此时微生物能过量地消耗底物，底物的消耗速率很高。 浙江大学硕士学位论文 c 0 0 k 等u 5 l 报道，在完全停止生长时细菌利用能源的速率比对数生长期的高三分 之一，这表明细胞能通过消耗膜电势、a t p 水解和无效循环处置其胞内能量。 在解偶联条件下，大部分底物被氧化为二氧化碳，产生的能量用于驱动无效循环， 但对底物的去除率不会产生重大影晦m 1 4 , 1 6 。能量解偶联的特殊性在于它是微生 物对底物的分解和再生，而没有细胞质量的相应变化。从环境工程意义上讲，能 量解偶联可用于解释底物消耗速率高于生长和维持所需之现象。因此，在能量解 偶联条件下活性污泥的产率下降，污泥产量也随之降低。通过控制微生物的代谢 状态，最大程度地分离合成代谢和分解代谢，在剩余污泥减量化上将是一个很有 发展前景的技术途径。 1 3 国内外主要污泥减量化技术的研究现状 1 3 1 基于解偶联生长的污泥减量化技术 在正常情况下，生物的分解代谢和合成代谢是由三磷酸腺苷( a t p ) 和二磷酸 腺苷( a d p ) 之间的转化而联系在起的如图1 1 。即分解一定的底物，将有一定比 例的生物体合成。但在特殊情况下，底物被氧化的同时a t p 不大量合成或者合 成以后迅速由其他途径释放。总体上使得细菌的分解代谢和合成代谢不再由a t p 的合成与分解反应偶联在一起，这样细菌在保持正常分解底物的同时，自身合成 速度减慢，表观产率系数降低，从而达到降低污泥产量的目的，这就是所谓的解 偶联。 l 赢物 c o r + l - i o , l 生物律 鹿糟 f 图1 - 1 分解代谢和合成代谢的关系 f i g l 一1t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc a t a b o l i s ma n d a n a b o l i s m 解偶联最开始的定义是：没有磷酸化的呼吸过程，即氧化和磷酸化相互分离， 在降解相同基质条件下，微生物的合成量降低。一般情况下，微生物的合成代谢 浙江大学硕士学位论文 通过呼吸( 速率控制) 与底物的分解代谢进行偶联，当呼吸控制不存在，生物合成 速率成为速率控制因素时，解偶联新陈代谢就会发生，并且在微生物新陈代谢过 程中产生的剩余能量没有被用来合成生物体，这种现象称为解偶联生长。 s o u t h a r a e r i l 7 】认为发生解偶联的情况有：( 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 ) ( 。条件) ；( 3 ) 温度不合适；( 4 ) 细胞所处环境改变( o s a 工艺) ；( 5 ) 存在抑制性化合物。 1 、投加解偶联剂 解偶联剂能使氧化和磷酸化解偶联，限制了a t p 的合成，从而进一步抑制 了细胞的生长，故而能使污泥减量。解偶联剂的作用机理是通过与h + 的结合， 降低细胞膜对旷的阻力，携带旷跨过细胞膜，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 合成酶合成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【1 们。 s t r a n d 等1 1 9 】研究了1 2 种化合物，发现最有效的解偶联剂是2 。4 ，5 - 三氯苯 酚( t o p ) ，它可使污泥产率下降约5 0 ，但一段时间后随反应器中t c p 含量的 下降，污泥产率又上升，比氧气利用速率增大。y a n g 等 2 0 l 研究却发现在邻氯酚、 间氯酚、间硝基酚和对硝基酚中，间氯酚的污泥减量化效果最好。在2 0m g l 时， 污泥减少8 6 9 。而去除效率只下降了1 3 2 。认为解偶联剂的p k a 值是影响污 泥减量化效果差异的主要原因，即p k a 值越低，化合物的酸性越强，减量化效 果越好。因此选择解偶联剂时必须对解偶联剂的浓度、效果以及对工艺效能的影 响程度进行综合考虑。l o w 掣】在实验室小试规模的活性污泥工艺中添加对硝 基苯酚( 阶咿) ，微生物种群发生了改变，原生动物被冲出反应器，丝状菌繁殖， 生物量下降4 9 ，总基质去除率下降2 5 。他们认为工艺效能的下降是由于反 应器设计不合理造成的生物量浓度下降所致，可以加以克服，但污泥的催化降解 效率上升3 3 倍，从而使比基质吸收速率上升。c h e n 等【2 l 】研究发现，t c s 能有 效降低分批培养物和连续培养物中的污泥量，尤其是连续培养物，当t c s 浓度 为0 8p p m 时，可观察产率( y o b s ) 下降了7 0 。而培养物的基质去除活性没有 发生变化。用大肠杆菌试验发现t c s 对其无毒，细胞分裂和细胞大小没有改变。 m a y h e w 等【1 4 】发现连续添加2 ，4 - 二硝基苯酚( d n p y f 活性污泥模拟反应器中，7 天后平均产率系数( y ) 为0 3 0 ，而对照为o 4 2 ，b o d 去除率没有明显变化。 9 浙江大学硕士学位论文 o k e y 等【2 习研究了2 ，4 - 二氯苯酚，一种基本结构和d n p 相同的强化学解偶联剂， 发现它可使呼吸增加，基质吸收降低2 5 倍，但b o d 去除率没有受化学解偶联 剂的影响一在实际工程中，y 值的降低其作用是相当大的，可大大降低污泥处理 与处置费用。美国菲尼克斯和亚利桑那的两个污水处理厂添加了一种化学解偶联 剂( 未报道名称) ，已成功地运用解偶联代谢来降低污泥量，负效应是对氧气需 求增大。 2 、好氧沉淀缺氧( o s a ) i 艺 好氧一沉淀缺氧( 或厌氧) 工艺也是基于代谢解偶联理论的污泥减量工艺。 其基本原理是，在常规活性污泥法的污泥回流过程中设置一个厌氧段，使微生物 交替进入好氧和厌氧环境，好氧微生物从外源有机基质的氧化中获得a t p ，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。当这些微生物突然进入没有食物供应的厌氧环境下，就 不能产生能量，不得不利用自身的a t p 库作为能源，在厌氧饥饿阶段，没有一 定量的细胞内a t p ，不能进行细胞合成，因此，微生物必须在生物合成之前重建 必需的能源库，这样消耗基质进行分解代谢以满足微生物的能量需求。因此，好 氧一厌氧的交替循环可促进分解代谢活性，使分解代谢和合成代谢相分离，能量 的解偶联导致污泥产量的减量化。由交替好氧一厌氧处理诱导的能量解偶联为设 计剩余污泥减量化的o s a 工艺奠定了基础。 o s a 工艺已成功地应用于抑制丝状菌的生长。w e s t g a n h 等人【2 3 1 首次报道了 在高效活性污泥工艺中插入厌氧消化段，可减少一半的剩余污泥产量。以后，基 于好氧一厌氧循环，交替的基质缺乏基质过量方法被用于活性污泥工艺中剩余 污泥的减量化研究i 州。 在传统活性污泥工艺中，随污泥负荷的增加，污泥产率升高，然而在o s a 工艺中，污泥产率却呈下降趋势，这表明o s a 工艺能处理高浓度有机污染物， 而没有严重的相关污泥闯题。o s a 工艺的另一成功应用的事例是序批式反应器， 污泥产率很低，且污泥沉降很好【2 5 1 。 c h u d o b a 等人【2 纯刀比较了o s a 工艺和传统活性污泥工艺的污泥产率，发现 在o s a 工艺中的污泥产量比传统活性污泥工艺减少了2 0 6 5 ，而且s v i 值大 大低于传统活性污泥工艺，即o s a 工艺可提高活性污泥的沉降性能。 回流污泥回路中厌氧稳定阶段的插入改变了活性污泥微生物的组成和行为， 1 0 浙江大学硕士学位论文 在分批条件下，污泥产率随s d x o ( 初始底物浓度与初始微生物浓度之比) 的增加 下降，而在对照反应器中，污泥产率不变，o s a 工艺中的污泥s v i 值约6 0m l g ， 传统工艺中为2 0 0m u g 。进一步实验表明，在相同的污泥龄( 5 天) 下，o s a 工艺的污泥产率为0 1 3 0 2 9g s s g c o d ，对照为0 2 8 - 4 ) 4 7gs s g c o d ，认为其 减量化的机理是内源代谢所致。 s a b y 等【2 明研究了0 s at 艺中，污泥缺氧段中的氧化还原电位( o r p ，o x y g e n r e d o xp o t e n t i a l ) 对剩余污泥产率的影响。在o s a 工艺的缺氧罐中采用不同的 o r p 值( + 1 0 0m v 到- - 2 5 0m y ) ，在污泥回流时插入一污泥储罐或缺氧罐形成o s a 工艺可使剩余污泥产率大大下降，c o d 去除率和污泥的沉降性能都提高。低o r p 值有利于污泥产率的下降，当o r p 值控制在- - 2 5 0m v 时，剩余污泥产率比+ 1 0 0 m v 时降低3 6 ，和传统活性污泥工艺相比，则降低了5 8 。在长达9 个月的运 行中，活细菌和总细菌数量都没有受影响，认为污泥减量化的机理可能是污泥的 衰减导致污泥的分解和溶解加快。 我国的朱振超等人【2 轴采用好氧一沉淀一兼氧活性污泥工艺，使上海锦纶厂 废水处理站的剩余污泥达到零排放。张全等人【3 0 】采用好氧一沉淀微氧活性污 泥工艺，污泥量由8 0 减少为1 5 - 2 0 。系统基本上可作到无污泥排放。 在传统活性污泥工艺中，随污泥负荷率的增加，污泥产量也相应增加。但在 o s a 工艺中，污泥产量却呈下降趋势。这表明o s a 工艺能处理高浓度有机污染 物，而没有有关的污泥问题。就工业化规模的应用而言，o s at 艺能高效降低 污泥产量，同时改善运行稳定性，不失为一种有发展前途的工艺技术。 o s a i 艺的优势主要有以下四点：( 1 ) 污泥产率低并且抑制污泥膨胀；( 2 ) c o d 的去除率高，适合高浓度有机废水；( 3 ) 投资少，只需添加一个污泥储罐； ( 4 ) o s a i 艺和除磷工艺相似，有利于除磷菌的生长。因此，对磷的去除效率