（环境工程专业论文）电化学预处理强化污水泥污泥好氧消化性能的研究.pdf

上海交通大学博士后研究报告摘要 摘要 城市污水处理厂污泥成分复杂、含有大量的有毒有害物质，极易给环境带来 二次污染。我国城镇污水处理厂污染物排放标准( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 明确规定 污泥应进行稳定化处理。然而，由于技术、经济等方面原因，我国具有污泥稳定 处理设施的污水处理厂很少，污泥大多经浓缩脱水而直接外运填埋。但是，随着 环保法规的日益严格和执法力度的日益加大，污泥的稳定化处理势在必行。因此， 寻求一种处理成本低、运行效果好、操作简单、易于管理的污泥稳定化技术具有 深远的意义。 生物消化法处理成本低、运行可靠，是目前常用的污泥稳定化方法。但传统 的生物稳定法具有处理时间长、设施占地大、处理效率低等缺点，在一些用地紧 张的大中城市应用存在建设成本高、征地困难等问题。为解决这一难题，本课题 在大量前期研究的基础上提出采用电化学方法对污泥进行预处理，实现提高后续 污泥好氧消化工艺处理效率、节约单位污泥稳定化处理设施的占地面积的目的。 围绕这一主题，首先通过研究极板间距、反应时间、电功率等工艺参数对污泥电 化学处理效果的影响，得到最佳的电化学处理工艺参数，并通过污泥的好氧消化 实验来验证污泥的电化学预处理效果。另外，通过添加尿素、f e n t o n 试剂等进 一步强化污泥的电化学预处理效果，考察不同的预处理方法对污泥好氧消化性能 的影响。并通过扫描电镜、红外光谱仪等手段分析污泥电化学处理前后的污泥性 质，探讨污泥电化学预处理提高其好氧消化性能的机理。本课题得出的研究结果 主要有： ( 1 ) 以网状r u 0 2 f r i 电极板为电极进行污泥的电化学处理，最佳的工艺参 数为：极板间距为2 0 c m ，电解时间为3 0 m i n ，电功率为5 w ，污泥p h 为1 0 。 在上述条件下对污泥( 污泥浓度约1 2 9 9 l ) 进行电化学预处理，并通入气流( 曝 气量为0 7 8 o 8 0m 3 h m 3 ) 曝气搅拌，处理后污泥v s 和v s s 的去除率分别是 2 7 5 和7 8 7 ，s c o d 值由原来的4 4m g l 上升至3 4 8m g l ，t n 、t p 和n h 4 + - n 等指标也均有所上升。 ( 2 ) 与原污泥相比，电化学预处理后的污泥有较好的好氧消化性能。好氧 消化1 7 5 d 时，其v s s 去除率达3 9 5 9 ，而未经电解处理的原污泥达到同样的 去除率则至少需要2 3 5 d 。可见，电化学预处理可使污泥减少6 天的好氧消化时 间消化时间。 ( 3 ) 添加尿素可以强化污泥的电化学预处理效果。当尿素投加量为1 0 9 l 时，污泥的v s s 去除率为1 2 31 ；在随后的好氧消化实验中，投加尿素条件下 上海交通大学博士后研究报告 摘要 电化学预处理污泥达到稳定化要求需要1 6 天，比原污泥好氧消化时间缩短8 天。 ( 4 ) 添加f e n t o n 试剂对污泥的电化学预处理有很好的强化效果。f e n t o n 反 应联合电化学法预处理f e n t o n 反应的最佳参数为：污泥初始p h3 ，n ( h 2 0 2 f e 2 + ) 1 0 ，h 2 0 2 投加量1 0 0 9 l ，反应时间6 0 r a i n 。添加f e n t o n 试剂条件下电化学预 处理方式可将污泥的好氧消化时间由2 4 天缩短为1 2 天。 ( 5 ) 分析电化学预处理前后污泥上清液性质、固体热稳定性、污泥细胞的 形貌特征和红外光谱性质发现，电化学预处理强化污泥的好氧消化性能的机理在 于电化学法可以破解微生物细胞、降解污泥中蛋白质和糖类等有机物质和溶解部 分有机物，提高污泥的可降解性。 关键词：剩余污泥，电化学预处理，f e n t o n 试剂，好氧消化 上海交通大学博士后堕壅壑堂 一兰墅里竺! 一 _ _ _ _ _ _ 一一 a b s t r a c t w 瓠t ea c t i v a t e ds l u d g e ( w a s ) g e n e r a t e dd u r i n gw a s t e w a t e rt r e a t m e n t s h o u l db e s t a b i l i z e ds u 伍c i e n t l yt or e d u c ei t so r g a n i cc o n t e n t ，p a t h o g e n c o n t a m i n a t i o na n do d o r p r o b l e m sp r i o r t ou l t i m a t ed i s p o s a l t h em o s tc o n l m o nm e t h o d s o fs l u d g e s t a b i l i z a t i o na r eb i o l o g i c a lp r o c e s s e so fa n a e r o b i cd i g e s t i o na n da e r o b i cd i g e s t i o n c o m p a r e dw i t ha n a e r o b i cd i g e s t i o n , s i m p l i c i t yo fp r o c e s sa n d l o w e rc a p i t a lc o s t sa r e t h ea d v a n t a g e so fa e r o b i cp r o c e s s a e r o b i cd i g e s t i o nh a sb e e nap o p u l a ro p t i o nf o r 跚_ 1 1 a l lo rm e d i 切【1 1 s i z e dw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t sb e c a u s eo f t h e s em e r i t s h o w e v e r , c o r w r 饥t i o n a ia e r o b i cd i g e s t i o ns t i l lr e q u i r e sl a r g ed i g e s t i o nt a n k sd u et oi t sr e l a t i v e l y l o n gr e t e n t i o nt i m e ( 1 5 - - - 3 0d a y s ) d u r i n gs l u d g ed i g e s t i o n ，t h eh y d r o l y s i so fl a r g eo r g a n i c m o l e c u l e sa s s o c i a t e dw i t h m i c r o b i a lc e l l sh a sb e e np r o v e na st h er a t e - l i m i t i n gs t e p t h e r e f o r e ，t h ep r e - t r e a t m e n t w l l i c l ld i s i n t e g r a t es l u d g ef l o e s a n dd i s r u p tm i c r o b i a lc e l lw a l l so fs l u d g ew a s d e v e l o p e dt oi m p r o v es u b s e q u e n tb i o l o g i c a ld i g e s t i o n s e v e r a l s u c c e s s f u ls l u d g e d i s i n t e g r a t i o nt e c h n o l o g i e s i n c l u d ea l k a l i n et r e a t m e n t , t h e r m a lt r e a t m e n t ，a l k a l i n e c o m b i n o dw i t ht h e r m a lh y d r o l y s i s ，u l t r a s o n i ct r e a t m e n t ，o z o n eo x i d a t i o n , h y d r o g e n p e r o x i d e a n db i o l o g i c a lh y d r o l y s i sw i t he n z y m e s a sar e s u l to ft h em o r es t r i n g e n te n v i r o n m e n t a lr e g u l a t i o n so nt h ed i s c h a r g eo f i n d u s t r i a la n dm u n i c i p a lw a s t e w a t e r , e l e c t r o c h e m i c a lt e c h n o l o g yi s c o n s i d e r e da p o w e r f u lm e a n so fp o l l u t i o nc o n t r o la n dh a sb e e nw i d e l yu s e d i th a ss h o w ng r e a t v e r s a t i l i t y , h i 曲r e m o v a le f f i c i e n c y , l o w e rt e m p e r a t u r er e q u i r e m e n t a n de n v i r o n m e n t a l c o m p a t i b i l i t y t h em a i nr e g e n t ，t h ee l e c t r o n , i s c l e a n i ns o m es i t u a t i o n s ，t h e t e 幽l o g ym a yb et h ei n d i s p e n s a b l es t e pf o rt h et r e a t m e n to fi n d u s t r i a le f f l u e n t s w l l i c hc o n t a i nb i o r e f r a c t o r yo r g a n i cp o l l u t a n t s ，s u c ha sl a n d f i l ll e a c h a t e ，p h e n o l ， c y a n i d e s ，c i g a r e t t ei n d u s t r yw a s t e w a t e r , t e x t i l e ( d y e ) w a s t e w a t e r , t a n n e r y w a s t e w a t e r , e t c a l t h o u g ht h el i t e r a t u r e0 1 1e l e c t r o c h c r n i c a lt r e a t m e n to fa c t i v a t e ds l u d g e l sr a r e , t h ec a p a b i l i t yo fe l e c t r o c h c m i c a lt e c h n i q u et od e c o m p o s eo r g a m cm a c r o m o l e c u l e st o s m a l lm 0 1 e c u l e so b s e r v e df r o ma b o v es t u d i e sm a yj u s t i f yi t sa p p l i c a t i o ni nw a s e 1 e c 咖c h 锄i c a lt e c h n o l o g yw i t hap a i ro fr u 0 2 t im e s hp h t e e l e c t r o d ei sf i r s t i i i 上海交通大学博士后研究报告 a b s t r a c t a p p l i e dt op r e - t r e a tw a s t ea c t i v a t e ds l u d g e ( w a s ) p r i o rt oa e r o b i cd i g e s t i o ni nt h i s s t u d y t h ee f f e c t so fv a r i o u so p e r a t i n gc o n d i t i o n sw e r ei n v e s t i g a t e di n c l u d i n g e l e c t r o l y s i st i m e ，e l e c t r i cp o w e r , c u r r e n td e n s i t y , i n i t i a lp ho fs l u d g ea n ds l u d g e c o n c e n t r a t i o n t h es t u d ys h o w e dt h a tt h e s l u d g er e d u c t i o ni n c r e a s e dw i t ht h e e l e c t r o l y s i st i m e ，e l e c t r i cp o w e ro rc u r r e n td e n s i t y , w h i l ed e c r e a s e dw i mt h es l u d g e c o n c e n t r a t i o n a d d i t i o n a l l y , h i g h e ro rl o w e rp ht h a n7 0w a sp r o p i t i o u st or e m o v e o r g a n i cm a t t e r s t h ee l e c t r o c h e m i c a lp r e t r e a t m e n tr e m o v e dv o l a t i l es o l i d s ( v s ) a n d v o l a t i l es u s p e n d e ds o l i d s ( v s s ) b y2 7 5 a n d7 8 7 ，r e s p e c t i v e l y , w i t haw a s c o n c e n t r a t i o no f12 9 9 l ，e l e c t r o l y s i st i m eo f3 0m i n ，e l e c t r i cp o w e ro f5wa n di n i t i a l s l u d g ep ho f10 i nt h es u b s e q u e n ta e r o b i cd i g e s t i o n ，t h es l u d g er e d u c t i o n sf o rv s a n dv s sa f t e rs o l i d sr e t e n t i o nt i m e ( s r t ) o f17 5 d a y sw e r e3 4 2 5 a n d3 9 5 9 ， r e s p e c t i v e l y h o w e v e r , as r to f2 3 5d a y sw a sn e c e s s a r yt oa c h i e v ee q u i v a l e n t r e d u c t i o n sw i t h o u te l e c t r o c h e m i c a lp r e t r e a t m e n t f e n t o n sr e a g e n th a sb e e na p p l i e dt op r e - t r e a ts e w a g es l u d g ei nr e g e n ty e a r sa si ti s k n o w nt ob ee f f e c t i v eo nr e m o v a lo fm a n yh a z a r d o u so r g a n i cp o l l u t a n t sf r o m w a s t e w a t e r i ti sam i x t u r eo fh 2 0 2a n df e r r o u si r o n ( f e 2 + ) ，w h i c hp r o d u c e sh i g h l y r e a c t i v ef r e e h y d r o x y lr a d i c a l s ( o h ) i na c i d i c s o l u t i o n sb yi r o n c a t a l y z e d d e c o m p o s i t i o no fh 2 0 2 t h e 。o hr a d i c a li st h em a i nr e a c t a n ti nt h ep r o c e s sc a p a b l eo f o x i d i z i n gan u m b e ro fo r g a n i cs u b s t a n c e s f e n t o n sr e a g e n tw a sc o m b i n e dw i t h e l e c t r o c h e m i c a lt e c h n o l o g yt op r e t r e a ts e w a g es l u d g e ，an e wa t t e m p tt ot a k i n g a d v a n t a g e s o fb o t h m e t h o d s ( i e ，s o l u b i l i z a t i o n o fm o r es l u d g et o e a s i l y b i o d e g r a d a b l eo r g a n i c st h a na n ys i n g l em e t h o d ) a n da c h i e v i n gab e t t e rt r e a t m e n t e f f i c i e n c y t h ce f f e c t so ft h ec o m b i n a t i o no ff e n t o np r o c e s sa n de l e c t r o c h e m i c a lp r e - 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t r e a t e ds l u d g e s a m p l e sw e r ec o m p a r e dt ot h a to fc o n t r o ls l u d g et oe v a l u a t et h ei n f l u e n c eo ff e n t o n p r o c e s sa n d o re l e c t r o c h e m i c a lp r e - t r e a t m e n to ns l u d g eb i o d e g r a d a b i l i t y ，n l es l u d g e p r e t r e a t e dw i t hc o m b i n e df e n t o np r o c e s sa n de l e c t r o c h e m i c a lp r e - t r e a t m e n th a st h e b e s ta e r o b i cp e r f o r m a n c e ，a n dt h et o t a ls l u d g ev s sr e d u c t i o n sw a s3 8 5 a f t e rs o l i d s r e t e n t i o nt i m e ( s r t ) o f12d a y s ，w h i l et h em i n i m u ms r to f16d a y sw a sr e q u i r e df o r s i n g l ef e n t o np r o c e s sp r e - t r e a t m e n ts l u d g et oa c h i e v ee q u a lr e d u c t i o n s ，18d a y sf o r s i n g l ee l e c t r o c h e m i c a lp r e - t r e a t m e n ts l u d g e ，a n d2 4d a y sf o rt h es l u d g ew i t h o u ta n y p r e t r e a t m e n t s l u d g ea n a l y s i sb ys c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) i m a g e sa n di n f r a r e d ( m ) s p e c t r ai n d i c a t e dt h em e c h a n i s mt h a te l e c t r o c h e m i c a lp r e - t r e a t m e n tc a nr u p t u r e s l u d g ec e l l s ，r e m o v ea n ds o l u b i l i z ei n t r a c e l l u l a rs u b s t a n c e s ，e s p e c i a l l yp r o t e i na n d p o l y s a c c h a r i d e ，a n dc o n s e q u e n t l ye n h a n c et h ea e r o b i cd i g e s t i o n k e yw o r d s ：w a s t ea c t i v a t e ds l u d g e ( w a s ) ；e l e c t r o c h e m i c a lp r e - t r e a t m e n t ；f e n t o n p r o c e s s ；a e r o b i cd i g e s t i o n ；m e c h a n i s m v 上海交通大学博上后研究报告 i 引言 1 1 课题来源 1 引言 本课题是上海市科委资助项目“白龙港污泥除砂除渣调理预处理技术研究 、 中国博士后基金面上资助项目“电化学法强化城市污水厂污泥好氧消化处理的研 究 的主要内容。其核心是采用电化学方法，通过优化电化学预处理污泥的工艺 参数，达到破解微生物细胞、溶解胞内物质、最大限度提高后续污泥好氧消化性 能和缩短污泥消化时间的目的。通过本课题的研究，使污泥快速获得稳定化，达 到美国e p a 5 0 3 条款规定的有机物降解率超过3 8 的要求，同时，为国内外城市 污水处理厂污泥的稳定化处理提供一种快速、高效、低耗的新方法。 1 2 课题背景 随着城市化进程的加速及城市人口的增加，城市生活污水和工业废水的排放 量f 1 益增多。根据国家环保部2 0 0 8 年环境统计年报【l 】，截至2 0 0 8 年年底，全国 废水排放总量为5 7 1 7 亿吨，比上年增加2 7 ，其中工业废水排放量2 4 1 7 亿吨， 生活污水排放量3 3 0 0 亿吨。全国共统计1 6 9 2 座城市污水处理厂，比上年增加 4 3 4 座；设计日处理能力9 0 7 9 万吨，比上年新增1 5 0 0 万吨。随着环保执法力度 的加强，污水处理量和污水处理厂建设数量还将快速增长。 在污水处理厂处理设施去除有机污染物的同时，也会产生大量的污泥。一般 地，一座二级污水处理厂产生的污泥量约占污水处理总量的0 3 o 5 ( 体积 分数，以含水率为9 7 计) ，如进行深度处理，污泥量会增加0 5 1 0 倍。可见， 我国污泥年产量十分巨大，预计2 0 2 0 年将达到约8 4 0 万吨( 干重) 【2 】。 污泥成分复杂，含有大量的有害有毒物质，如寄生虫卵、病原微生物、微生 物、合成有机物及重金属离子等，若不进行妥善处理或处置，极易给环境带来二 次污染。污泥的处理处置费用较高，在我国污水处理厂的全部建设费用中，用于 处理污泥的约占2 0 , - - 5 0 ，有的甚至高达7 0 以上【3 】。大量未经处理的污泥任意 堆放和排放，会对环境造成严重的二次污染。因此，为了使污水处理厂能够正常 运行并确保污水处理效果，通过有效的处理手段对污泥进行减量化、无害化和资 源化，已经成为我国乃至全球环境界广泛关注的研究课题。 污泥稳定化处理是污泥减量化、无害化的一个重要手段，也是污泥处理处置 必经的重要环节。在我国，由于技术和资金投入过大等方面的原因，长期以来我 国现有的污水处理设施中有污泥稳定处理设施的不到2 5 ，具有完善的处理工艺 上海交通大学博士后研究报告 1 引言 和配套设施的更是不到1 0 【3 】，很多大中等城市的污水处理厂在当初设计时没有 系统、完整的生产性污泥处理装置，产生的污泥往往只经过简单的浓缩、脱水处 理，未经过稳定化处理即运往郊区处置，这样做的环境隐患是显而易见的。为此， 我国城镇污水处理厂污染物排放标准( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 明确规定，污泥处置 前应经稳定化和脱水处理。因此，我国多数污水处理厂污泥处理处置方式将不可 避免地面临着转变，各地原有的许多污水处理厂由此将面临着扩建和改建，同时， 新建的污水处理厂也将不得不面临着污泥处理设施的建设问题。但由于我国郊区 城市化步伐的加快，土地利用趋紧，使得原有的诸多污水处理厂在改造过程中征 地、用地困难，可见，寻求一种占地较小、污泥减量化与无害化效果明显的工艺 对原有污水厂的改造和用地紧张地区的污水厂污泥设施的建设显得相当重要。 1 2 1 污泥稳定化处理 污泥稳定化处理是在一定条件下通过物理、化学或生物化学作用使污泥中的 有机质发生分解或降解成为矿化度较高的无机化合物的过程。一般地，当污泥中 有机物含量下降到一定程度时，可以避免和防止污泥在农用或其他最终处置过程 中产生和散发臭味物质。因此，污泥稳定化的实质是进一步去除污泥中的有机物 或将污泥中的不稳定有机物转化为较为稳定的物质，使污泥在较长时间的堆置过 程中成分不发生明显变化、不对外部环境产生不良的影响。 目前常用的污泥稳定化技术主要分为三类：化学稳定法( 如石灰稳定法和氯 氧化法) 、物理稳定法( 如热处理法) 以及生物稳定法( 如厌氧消化、好氧消化 和高温堆肥) 。其中，生物稳定法由于运行成本低、安全可靠而被广泛采用1 4 】。 1 2 1 1 石灰稳定法 石灰稳定法是一种较为简单的方法，所需基建费用不高，但是由于该法会在 一定程度上增加固体物质的量，使处理后的污泥体积增加，故污泥最终处置的费 用高于其他污泥稳定化方法。 石灰稳定法能解决污泥的臭气问题，杀死病原菌。污泥的臭气源于有机物厌 氧消化过程中产生的氨气、硫化物等，污泥中投加石灰形成的强碱性环境可抑制 或杀死生成臭气的厌氧微生物和病原菌。另外，当石灰的投加量较高时，污泥的 物理化学性质发生变化，此过程中发生的复杂反应虽然尚不清楚，但其中存在的 水解反应、皂化反应、酸被中和反应等已被证实。 在石灰稳定设施的设计过程中，必须考虑以下三个参数：污泥的p h 值、接 触时间和石灰剂量【5 】。为了保持足够的碱度杀死病原菌，要求污泥的p h 在1 2 以上并维持两小时，使污泥的p h 能在1 1 左右这个水平上维持几天。因此无法 对经过石灰稳定处理的污泥马上进行最终的处置和利用，否则可能再次发生污泥 的腐败。一般地，在具体操作时通常使污泥处于液体状态，投加足量的石灰调节 2 上海交通大学博士后研究报告 l 引言 p h 值至1 2 5 左右，并维持半个小时，从而保证污泥p h 在两小时内不低于1 2 【6 1 。 1 212 氯氧化法 氯氧化法【7 j 是通过在污泥中通入高剂量的氯气氧化污泥并达到稳定化的过 程。首先将污泥贮存在密封反应器中，直接通入氯气，较短时间后即可脱水。现 有的氯氧化技术中通常采用砂床干化层，通常在污泥中添加一定量的氢氧化钠和 聚合电解质，使污泥在脱水前处于良好状态。 氯气和污泥反应会形成大量溶解态重金属，重金属的释放取决于污泥的p h 、 重金属含量和污泥中重金属的存在形式。一般，氯氧化后的污泥上清液和滤池中 可能含有较高浓度的重金属和氯胺，故氯氧化法只在某些特殊情况下使用。 1 2 1 3 热处理法 热处理既是一种稳定过程，也是一种调理过程。热处理法是在一定的压力下， 短时间内加热污泥，使污泥固体凝结，并破坏其凝胶体结构，以降低污泥固体和 水之间的亲合力。热处理法不仅能够消毒污泥，去除污泥的臭味，还可在不加任 何化学药品条件下在真空滤机或压滤机上迅速脱水。污泥在压力为2 7 5 m p a 的 容器内被加热至2 6 0 ( 2 ，进行稳定和调理，不加化学药剂便能进行污泥脱水f 8 】 热处理法主要包括p o f f e u s 法和低温湿氧化法。湿氧化过程可分解污泥中的 大部分有机物，同时污泥颗粒间和颗粒内的结合水将被脱除，从而达到污泥稳定 和减容的目的。如果温度合适，还能分解污泥中的苯并芘等剧毒有机物 9 1 。 1 2 1 4 厌氧消化法 污泥的厌氧消化法是在厌氧条件下，利用兼性菌和专性厌氧菌降解污泥中的 有机物，并最终转化为c 0 2 和c h 4 。该过程也称为污泥的生物稳定过程，只有 适用于以有机成分为主的污泥。厌氧消化可使污泥中的有机物转化为甲烷，其转 化率可达6 0 ，可回收用于发电，还可去除恶臭及各种病原菌、寄生虫，减少脂 肪类物质含量，提高氨氮浓度，使污泥的综合利用更为安全( 1 0 1 。 污泥的厌氧消化是一个复杂的生物化学反应过程，较为认同的是厌氧消化的 三阶段理论。主要过程如下：第一阶段：在水解与发酵微生物的作用下，蛋白质 物、碳水化合与脂肪等有机物在水解与发酵微生物作用下，转化成单糖、氨基酸、 脂肪酸、甘油及二氧化碳、氢等物质，参与该阶段反应的微生物大多为专性厌氧 菌，也有部分兼性厌氧菌，主要包括微生物、原生动物和真菌，一般将其称为水 解和发酵微生物；第二阶段：在产氢产乙酸菌的作用下，把第一阶段的产物转化 成氢、二氧化碳和乙酸等物质，该阶段的微生物为系专性厌氧菌，称为产氢产乙 酸菌以及同型乙酸菌；第三阶段：在产甲烷菌的作用下，把氢和二氧化碳合成甲 烷或通过脱羧作用将乙酸转化为甲烷，参与该阶段的微生物是甲烷菌，是甲烷发 酵阶段的主要微生物。厌氧消化产生的气体量取决于流入消化池的底物浓度和影 3 上海交通大学博十后研究报告 l 引言 响分解速率的温度【l l 】。 影响污泥厌氧消化效果的主要因素有：温度，p h 和污泥龄。厌氧消化的第 三阶段甲烷发酵阶段是厌氧消化反应的控制因素，故甲烷菌的环境是尤为重要的。 甲烷菌根据对温度的适应性可分为两类：中温甲烷菌( 3 6 ) 和高温甲烷菌 ( 5 0 - - , 5 3 ) 。中温或高温厌氧消化允许存在士1 5 2 0 c 的变化，当发生士3 的变 化时，厌氧消化的反应速率就会被抑制；当发生士5 的急剧变化时，就会停止产 气，使有机酸大量积累而进一步破坏厌氧消化的有序进行。中温消化历时2 0 - , 3 0 d ， 高温消化历时1 0 1 5 d 。p h 也是污泥厌氧消化过程中非常重要的影响因素。水解 与发酵菌及产氢产乙酸菌对p h 的适应范围为5 6 5 ，而甲烷菌对p h 的适应范围 为6 6 7 5 之间，即在中性范围内波动。污泥龄对于厌氧消化的效果有非常直接 的关系，有机质的降解程度为污泥龄的函数。由于甲烷菌的增殖速率较小，对环 境条件的变化较为敏感，因此保持较长的污泥龄对于获得较好的污泥稳定化程度 至关重要。除此以外，影响厌氧消化的因素还有搅拌和混合程度、营养与c n 比和氮的守恒与转化等。厌氧消化是诸多污泥稳定法中起步较早的，且近些年来 进展较快，在欧美、日本等国家采用该方法处理污泥已经占了所处理污泥总量的 5 0 以上。另外两阶段消化( 其中一个阶段是高温消化) 、提供微生物附着生长 载体以提高生物量以及改进监测与控制设备等，也将是今后的主要发展与方法改 进的方向【1 2 j 。 1 2 1 5 好氧消化法 污泥好氧消化是指经过较长时间的曝气，污泥中一部分的有机物质在好氧微 生物的作用下进行降解和稳定的过程【l 引。污泥好氧消化的基本原理是使微生物 进入内源呼吸阶段，微生物利用氧气分解可生物降解的有机质及细胞原生质，从 而使污泥逐步达到稳定，同时大大减少污泥量。 当污泥量较小时，可采用好氧消化的方法进行污泥的稳定化过程。在不投加 任何底物的条件下，对污泥进行较长时间的曝气，使污泥中微生物处于内源呼吸 阶段进行自身氧化。微生物中的可生物降解部分( 约占v s s 的8 0 ) 可通过上 述氧化过程而去除。通过好氧方法处理的污泥的消化程度高，剩余的消化污泥量 也较少。当污泥好氧消化处于内源呼吸阶段是，细胞质反应方程如式( 1 1 ) 所 示： c 5 h 7 n 0 2 + 7 0 2 5 c 0 2 + 3 h 2 0 + h + + n o ； ( 1 - 1 ) 在好氧消化过程中，氨氮被氧化为n 0 3 。，p h 值会降低，故需要足够的碱度 来进行调节，以使好氧消化池内p h 值维持在7 左右。同时好氧消化反应器内的 溶解氧不得低于2 m g l ，并使污泥保持悬浮状态，因此必须要有充足的搅拌强度。 而当污泥的含水率在9 5 左右时搅拌效果较好。 好氧消化处于微生物的内源呼吸阶段，属一级反应，即污泥可生物降解的挥 4 上海交通大学博上后研究报告 l 引言 发性固体( 用v s s 表示) 的降解速度与污泥剩余的挥发性固体浓度的一次方成 正比，如式( 1 2 ) 所示： 一竿= 髟x ( 1 2 ) d t 式中一等可生物降解的挥发性固体的分解速率，叭l d ) ； x 一在t 时刻的可生物降解的挥发性固体浓度，l ； k r 内源呼吸速率常数，d ，和温度t 有关。 局= ( 蟛) 2 0 c ( 1 0 2 3 ) 卜2 们 ( 1 3 ) 由式( 1 - 3 ) 积分： 筝= h 出，h 一畅出 x d d l 即x=x10 2 3 ( 1 4 ) 式中) ( ( 广_ 污泥中原有生物可降解挥发性固体浓度，趴l d ) ； t 好氧消化时间，d 。 由式( 1 3 ) 可知，污泥好氧消化后的挥发性性固体浓度和消化时间有关。 m a v i n i c 和k o e r s 在研究低温条件下( 5 、1 0 。c 、2 0 c ) 污泥好氧消化动 力学的过程中，提出：温度与污泥停留时间的乘积和v s s 的去除率具有一定曲 线的关系；k e l l y 在研究高温好氧消化的过程中也发现了相似的关系曲线。美国 e p a 通过结合上述猜测与发现，提出了污泥好氧消化的设计曲线，当好氧消化 的温度( ) 与污泥停留时间( s r t ，d ) 的乘积为4 0 0 - - , 5 0 0 ( d ) 时，污泥的 稳定化效果较好，其v s s 去除率较高。污泥的好氧消化过程中需要反应体系中 具有足够量的空气，以保证污泥的有溶解氧浓度不低于l 2m g l ，并有足够的 搅拌使污泥颗粒保持悬浮状态。在此过程中污泥的含水率应大于9 5 ，否则搅拌 效果不佳。 污泥的好氧消化的优点有：前期基建投资少，操作运行简单，最终产物量 少，无臭味，上清液的b o d s 浓度较低。但是在好氧消化过程中需要输入动力， 故运行费用较高【1 4 】。污泥的好氧消化适用于与中小型水厂。现阶段该方法在北 美洲应用较为广泛，加拿大的某省内就有2 0 余个小型污水厂采用污泥的好氧消 化方法进行污泥的稳定化处理【1 5 】。 城市污水处理厂采用好氧消化方法处理污泥起源于2 0 世纪5 0 年代，后来 逐步发展起来的高温、中温好氧消化法为原好氧消化法的技术改进类型【1 6 1 。高 温、中温好氧消化的基本原理是在封闭式反应器中对污泥进行曝气处理，利用微 生物活动过程中产生的热量进一步加速污泥的稳定( 中温为2 7 - - 4 1 ，高温为 5 5 6 0 c ) 和消毒( 高温消化) 效果，进料采用间歇式或半连续流式的方式；污 上海交通人学博士后研究报告1 引言 泥在反应器中至少停留7 天，对于高温消化而言，一般至少要经5 5 。c 以上温度 进行4 h 的处理【1 1 7 1 。该污泥稳定法成本相对较低，比较适用于农村地区的小型污 水处理厂。但由于污泥的高温消化技术杀菌消毒效果优于中温厌氧处理法，故该 技术可能具有更好的发展前景。近年来，美国、德国等正试图将此项技术应用于 规模更大的污水处理厂【i8 1 。 1 2 1 6 高温堆肥法 污泥高温堆肥技术主要分为静态和动态两种【1 9 1 ，如自然堆肥法、滚筒堆肥 法、圆柱形分格封闭堆肥法、条形静态通风堆肥法和竖式多层反应堆肥法等。 污泥高温堆肥方法优势明显，相关研究表明：选用适当的堆肥技术不仅可以 杀灭污泥中的病毒、病原体和寄生虫卵等微生物，而且不会破坏污泥中的营养成 分 2 0 - 2 1 1 。该方法也有一定的缺点，如占地面积较大，减容效果不够理想，且重 金属含量较高的污泥用于农田时，重金属易被被农田植物富集，并通过食物链与 生物链的传递对人类产生较大的毒害作用【2 2 2 4 】。北京、天津、大连、石家庄、 深圳、秦皇岛等城市对污泥高温堆肥处理的研究已取得了工艺技术方面的经验和 成果【2 5 2 6 1 。 1 2 1 7 污泥稳定化技术比较 在上述污泥稳定化方法中，以生物稳定法最为常用，如厌氧消化法在欧美、 日本等发达国家已广泛使用。常用的污泥稳定化工艺特点及应用比较见表1 1 【l 】。 表1 - 1 常用的污泥稳定化工艺比较 t a b l e l - 1c o m p a r i s o no f s l u d g es t a b i l i z a t i o nt e c h o n o l o g i e s 工艺优点缺点应用与成果 有机