（环境工程专业论文）污泥超声波预处理与缺氧好氧消化联合工艺的研究.pdf

摘要 摘要 本文针对我国污水厂污泥处理困难的问题，在污泥消化工艺有关研究 的基础上，对污泥缺氧好氧消化( a n o x i c a e r o b i cd i g e s t i o n ，a a d ) 工艺 进行改进，探讨把超声波预处理引入污泥消化工艺中，寻求一种处理成本 低、运行效果好、消化周期短、操作简单、易于管理的剩余污泥超声波一 缺氧好氧消化联合工艺，研究了各种工艺条件对污泥减量效果的影响。 首先，研究了浓度为10 9 l 的生活污泥经频率为2 8 k h z 的超声波预处 理后，不同超声波声能密度和超声时间作用对污泥耗氧率( s o u r ) 和破解 率( d d c o d ) 的影响。结果表明，在适当的声能密度和超声时间下，超声 波预处理可以明显提高污泥破解率，同时提高污泥的生物活性。最佳的声 能密度和超声时间为0 1w m l xl5 m i n 和0 15 w m l l0 r a i n ，此时，d d c o d 分别达到了 l8 7 4 和17 0 3 ，s o u r 分别达到了l1 6 9 和 l2 5 5 m 9 0 2 g m l s s h ，比能耗均为9 4 7 k j g s s 。 其次，把超声波预处理引入污泥缺氧好氧消化工艺，探讨超声波一缺 氧好氧消化联合工艺( u a a d ) 的操作参数。试验选取超声波声能密度、超 声时间、超声间隔3 个因素设计正交试验，研究了超声波对污泥缺氧好氧 消化的作用。结果表明，经超声预处理的污泥，缺氧好氧消化9 天后， m l v s s 去除率最高达5 0 9 ，比未经超声预处理的提高了l4 4 。超声波 强化污泥缺氧，好氧消化的最佳超声参数为：超声声能密度0 15 w m l 、超 声时间lo m i n 、超声间隔12 h 。其中超声间隔是消化效果的最大影响因素， 其次是超声声能密度，而超声时间影响最小。 最后，进行了联合工艺的实验室中试试验，自主设计了容积为3 0 l 的 污泥超声波缺氧好氧消化中试系统。超声波预处理参数为超声频率 2 8 k h z ，声能密度0 15 w m l ，超声时间1 0 r a i n ，超声间隔l2 h ，污泥超声 比例3 0 。结果表明，引入超声预处理后，明显缩短了污泥的稳定时间， 提高了污泥的消化效率。污泥消化10 天就已经达到了稳定标准，比未引入 超声预处理时缩短了l2 天，而m l v s s 最大去除率提高了1 1 ，达到了 5 5 10 。超声波的引入，对污泥缺氧好氧消化系统中污泥上清液溶解性 广东工业大学硕士学位论文 c o d ( s c o d ) 的变化趋势影响比较明显，而对上清液的p h 值和氨氮、t p 的变化趋势没有明显影响。 关键词：城市生活污泥；超声波预处理；缺氧好氧消化；污泥减量化 i i a b s t r a c t a b s t r a c t b a s eo nt h er e s e a r c h e so ns l u d g ed i g e s t i o np r o c e s so ft h eo t h e r s ，s l u d g e u l t r a s o n i cp r e t r e a t m e n tw a si n t r o d u c e di n t os l u d g ea n o x i c a e r o b i cd i g e s t i o n p r o c e s si nt h i sp a p e r ，f o rs e a r c h i n gal o w c o s t ，s h o r tp e r i o d ，h i g he f f i c i e n c y s l u d g er e d u c t i o np r o c e s s f i r s t ，t h es l u d g eu l t r a s o n i cp r e t r e a t m e n te x p e r i m e n tw a st a k e ni nt h i s p a p e r t h ei m p a c to fu l t r a s o n i cd e n s i t ya n dt i m e o ns l u d g ep r e t r e a t m e n t e f f i c i e n c yh a sb e e ns t u d i e d a tc e r t a i nu l t r a s o n i c f r e q u e n c y ( 2 8k h z ) a n d s l u d g ec o n c e n t r a t i o n ( 10g l ) b o t ht h es l u d g eo x y g e nu p t a k er a t e ( s o u r ) a n dt h ed e g r e eo fd i s i n t e g r a t i o n ( d d c o d ) h a v eb e e na n a l y s i z e d ，a n du s e dt o e v a l u a t et h es l u d g ep r e t r e a t m e n te f f i c i e n c y t h er e s u l t sh a v es h o w e dt h a t d i s i n t e g r a t i o nd e g r e ea n ds l u d g ea c t i v i t yw e r ei m p r o v e ds i g n i f i c a n t l yu n d e r a p p r o p r i a t e u l t r a s o u n dt r e a t m e n tc o n d i t i o n a n dt h eo p t i m u m o p e r a t i n g p a r a m e t e r s o fu l t r a s o n i c e n e r g yd e n s i t y a n du l t r a s o n i ct i m ew e r e 0 1w m l x15 m i na n d0 15 w m l x10 m i n a tt h o s ec a s e s ，d d c o dr e a c h e d 18 7 4 a n d17 0 3 r e s p e c t i v e l y ，s o u rr e a c h e d11 6 8 7 2 m 9 0 2 g m l s s 。h a n d12 5 5 m 9 0 2 g m l s s hr e s p e c t i v e l y ，a n ds p e c i f i ce n e r g yc o n s u m p t i o nw a s 9 4 7 k j g s s s e c o n d l y ，s l u d g e u l t r a s o n i cp r e t r e a t m e n tw a si n t r o d u c e di n t os l u d g e a n o x i c a e r o b i cd i g e s t i o np r o c e s sf o rr e s e a r c h i n gt h eo p e r a t i n gp a r a m e t e r s a n e x p e r i m e n t a lp r o g r a mo fo r t h o g o n a ld e s i g nw a sc a r r i e do u tt od e t e r m i n et h e m o s te f f e c t i v et r e a t m e n tc o n d i t i o n so ft h eu l t r a s o n i cd e n s i t y ，t i m ea n di n t e r v a l o nt h ew a s t ea c t i v a t e ds l u d g ea n o x i c a e r o b i cd i g e s t i o n t h er e s u l t sh a v e s h o w e dt h a tt h em a xr e m o v a lr a t eo fm l vs sr e a c h e d50 9 a f t e r9 d s d i g e s t i o nw i t hu l t r a s o n i ct r e a t m e n t 1 4 4 h i g h e rt h a nt h a tw i t h o u tu l t r a s o n i c t r e a t m e n t ，a n dt h eo p t i m a lt r e a t m e n tc o n d i t i o n sw e r eu l t r a s o n i cd e n s i t ya t 0 15w m l ，u l t r a s o n i ct i m ea t10m i n ，u l t r a s o n i ci n t e r v a la t12h a m o n gt h e t h r e ef a c t o r s ，u l t r a s o n i ci n t e r v a li st h em o s ti n f l u e n c i n gf a c t o r ，n e x ti s ! i i 广东工业大学硕士学位论文 u l t r a s o n i cd e n s i t ya n dt h el a s ti su l t r a s o n i ct i m e f i n a l l y ，u l t r a s o n i c - a n o x i c a e r o b i cd i g e s t i o np r o c e s ss i m u l a t i o n t e s tw a s t a k e n ar e a c t o rw i t hav o l u m eo f3 0 lw a sd e s i g n e da n ds p e c i a l i z e df o rt h e u l t r a s o n i ca n o x i c a e r o b i cd i g e s t i o n t h ep r e t r e a t m e n tt e s t sw e r ec a r r i e do u ta t t h ef o l l o w i n gc o n d i t i o n s ：u l t r a s o n i cf r e q u e n c yo f2 8k h z ，u l t r a s o n i cd e n s i t y o f0 15w m l ，u l t r a s o n i ct i m eo f10m i n ，u l t r a s o n i ci n t e r v a lo f12h ，a n d p r e t r e a t e ds l u d g ep r o p o r t i o n o f3 0 t h er e s u l t sh a v es h o w nt h a tt h e u l t r a s o n i cp r e t r e a t m e n tc a nr e d u c et h ed i g e s t i o nt i m eo fs l u d g ea n di m p r o v e t h ed i g e s t i o ne f f i c i e n c ys i g n i f i c a n t l y s l u d g er e a c h e dt h ed i s c h a r g es t a n d a r d a f t e rl0 d a y s d i g e s t i o n ，12d a y s s h o r t e rt h a nt h a tw i t h o u tu l t r a s o n i c p r e t r e a t m e n t t h em a x i m u mr e m o v a lr a t eo fm l v s sw a si n c r e a s e db y11 ，u p t o5 5 10 i na d d i t i o n ，t h eu l t r a s o n i cp r e t r e a t m e n th a das i g n i f i c a n te f f e c to n t h ec h a n g et r e n do fs o l u b l ec o d ( s c o d ) o fs u p e r n a t a n td i g e s t i o nl i q u i d ，b u t al i t t l eo nt h a to fp h ，a m m o n i an i t r o g e na n dt p k e y w o r d s ： m u n i c i p a ls e w a g es l u d g e ； u l t r a s o n i c p r e t r e a t m e n t ； a n o x i c a e r o b i cd i g e s t i o n ；s l u d g er e d u c t i o n 广东工业大学硕士学位论文 c o n t e n t s a b s t r a c t ( c h i n e s e ) i a b s t r a c t ( e n g l i s h ) i i i c o n t e n t s ( c h i n e s e ) v c o n t e n t s ( e n g l i s h ) v i i i c h a p t e ro n ei n t r o d u c t i o n 1 1 1p r o d u c ea n dc o n s t i t u t eo fs u r p l u ss l u d g e 1 1 1 1p r o d u c eo fs u r p l u ss l u d g e 1 1 1 2c o n s t i t u t eo fs u r p l u ss l u d g e 1 1 2t r e a t m e n ta n dd i s p o s a lo fs l u d g e 2 1 2 1 s l u d g ed i s p o s a l 2 1 2 2 s l u d g er e d u c t i o nt e c h n o l o g y 3 1 3s l u d g ea n o x i c a e r o b i cd i g e s t i o n ( a a d ) 5 i 4r e s e a r c ho fu l t r a s o u n do ns l u d g ed i g e s t i o n 7 1 5s o u r c ea n db a c k g r o u n do ft h es e l e c t e dt i t l e 8 c h a p t e rt w oe q u i p m e n t sa n da n a l y t i c a lm e t h o d s 二1 0 2 1 s l u d g es o u r c e 10 2 2c h e m i c a lr e a g e n t s 10 2 3e q u i p m e n t sa n di n s t r u m e n t s 11 2 3 1 e q u i p m e n t so f s m a l l s c a l ee x p e r i m e n t 11 2 3 2e q u i p m e n t so fm i d - s c a l ee x p e r i m e n t 1 3 2 3 3o t h e rm a i ni n s t r u m e n t s 1 4 2 4a n a l y t i c a li n d i c a t o r sa n dm e t h o d s 15 2 4 1m e a s u r e m e n ta n dc a l c u l a t i o no fd d c o d 1 6 2 4 2m e a s u r e m e n ta n dc a l c u l a t i o no fs o u r 1 6 2 4 3c a l c u l a t i o n o fs p e c i f i ce n e r g yc o n s u m p t i o n 1 7 2 4 4m e a s u r e m e n ta n dc a l c u l a t i o no fm l s sa n dm l v s s 18 2 4 5r e l a t e ds t a n d a r dc u r v e 19 v i i ! c o n t e n t s c h a p t e rt h r e eu l t r a s o n i cp r e t r e a t m e n te x p e r i m e n t 2 0 3 1e x p e r i m e n t a lm e t h o d 2 0 3 2r e s u l t sa n a l y s i s 2 0 3 2 1e f f e c t so fu l t r a s o n i cp r e t r e a t m e n to n t 2 0 3 2 2e f f e c t so fu l t r a s o n i cp r e t r e a t m e n to n p h 21 3 2 3e f f e c t so fu l t r a s o n i c p r e t r e a t m e n to nd d c o d 2 2 3 2 4e f f e c t so fu l t r a s o n i cp r e t r e a t m e n to n s o u r 2 3 3 2 5e f f e c t so fs p e c i f i c e n e r g yc o n s u m p t i o no n t ，d d c o d a n d s o u r 2 4 3 2 6e f f e c t so fu l t r a s o n i c p r e t r e a t m e n to ns l u d g ef l o e 2 5 ：；3 s u m m a r y 2 7 c h a p t e rf o u ru l t r a s o n i c a n o x i e a e r o b i cd i g e s t i o ns m a l l - s c a l et e s t 2 8 4 1e x p e r i m e n t a lm e t h o d 2 8 4 1 1 o r t h o g o n a lt e s t 2 8 4 1 2 e x p a n d i n gt e s t 2 9 4 2r e s u l t sa n da n a l y s i s 2 9 4 2 1r e s u l t sa n da n a l y s i so fo r t h o g o n a lt e s t 2 9 4 2 2r e s u l t sa n da n a l y s i so fe x p a n d i n gt e s t 31 。， 4 3s u m m a r y 3 3 c h a p t e rf i v eu l t r a s o n i c a n o x i c a e r o b i cd i g e s t i o nm i d s c a l et e s t 3 4 5 1e x p e r i m e n t a lm e t h o d 3 4 1 ；2r e s u l t sa n da n a l y s i s 3 5 5 2 1r e m o v a lo fm l s sa n dm l v s s 3 5 1 ；2 2v a r i a t i o no fp h 3 7 5 2 3v a r i a t i o no fs c o d 、a m m o n i an i t r o g e na n dt p 的变化3 7 5 3c o n t r a s to fd i f f e r e n ta e r o b i cd i g e s t i o np r o c e s s e s 3 9 1 ；4 s u m m a r y 4 0 c o n c l u s i o n 4 1 1 c o n c l u s i o n 4 l 2 s u g g e s t i o n 4 2 广东工业大学硕士学位论文 r e f e r e n c e s 4 3 a c a d e m i cp a p e r sp u b l i s h e dd u r i n gm a s t e rp e r i o d 4 7 a w a r d sd u r i n gm a s t e rp e r i o d - 4 8 o r i g i n a la n da u t h o r i z a t i o ns t a t e m e n t - 4 9 a c k n o w i e d g e m e n t 5 0 x 第一章绪论 第一章绪论 在城市生活污水处理中，应用最普遍、最成熟的工艺技术是污水的生 化处理工艺。而生化处理工艺的的弊端就是会产生大量的剩余污泥，浓缩 的污泥含水率都在9 7 以上，易腐烂、有强烈的臭味，并且含有多种污染 物质，废水中的有毒有害物也往往积累在浓缩污泥中，无论从量到质，污 泥都是影响环境、造成危害最为严重的污染物之一。同时污泥的处理难度 较大，费用很高，一般约占污水处理厂总运行费用的15 3 0 ，占总投资 的10 2 5 。目前开发新的预处理工艺，提高污泥降解率、促进后续生物 处理，具有重大的社会、环境和经济效益。 1 1 剩余污泥的产生及组成 1 1 1 剩余污泥的产生 污水的生化处理就是通过大量微生物的生命活动实现对污染物的降解 和去除，其实质是污水中呈胶体状态和溶解状态的可降解有机污染物质被 微生物所摄取、代谢与利用，从而使污水得到净化。但与此同时，在处理 污水的过程中，微生物因从污水中获得物质和能量而合成新的细胞而使生 物量增加，污泥量也随之增加。在稳定运行的污水生化处理系统中，为了 维持恒定的生物量，每天新增加生物质，需要作为剩余污泥排放。剩余污 泥可以认为，剩余污泥的产生，是污水中污染物从液相到固相或半固相的 转化，是污水处理的二次污染物。 1 1 2 剩余污泥的组成 剩余污泥是城市污水处理厂处理污水的副产物，它是一种由有机物质 残片、细菌菌体、无机颗粒、有机和无机胶体等组成的极其复杂的非均质 体。经过进一步好氧消化或厌氧消化处理后的污泥称为好氧或厌氧消化污 泥；经过絮凝脱水后称为脱水污泥，一般脱水污泥含水率约8 0 。一些中 广东工业大学硕士学位论文 小型污水处理厂为了节约污泥处理的开支，往往未对污泥进行消化和脱水 处理便排出系统，这种污泥常称为未消化污泥，含水率在9 7 以上。 尽管污泥的成分及性质主要由污水处理厂的运行情况、所用工艺决定， 但是污泥大体由四个组分组成：( 1 ) 具有代谢功能的活性微生物群体；( 2 ) 微生物内代谢、自身氧化的残留物；( 3 ) 从污水中挟入的难降解的惰性有 机物；( 4 ) 从污水中挟入的无机物质。 1 2 污泥的处理处置 1 2 1 污泥的处置 传统的污泥处理处置方式有土地填埋、焚烧、农业利用和海洋处理等。 土地填埋一直是最经济的一种剩余污泥处置方法，其优点是容量大、见效 快，但其需占用大量面积的场地，运输费用高，地基需做防渗处理以免造 成地下水污染，而且污泥中带有大量病菌易造成环境二次污染。因此在近 年来，污泥填埋处置所占比例逐渐减小。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i l l 。污泥焚烧是一种较彻底的污泥处理 方法，它可以解决其他方法中污泥要占用大量空间的缺陷，但是焚烧的投 资运行成本过高，且产生大量的烟尘等二次污染物，对环境的影响非常大， 需要增加后续烟气处理工艺，加大了技术上和经济上的投资，以至于近年 来有些国家也开始限制焚烧炉的建设。农业利用是目前发达国家使用较广 泛的剩余污泥处置方法之一，但由于许多剩余污泥中含有重金属、有毒的 有机污染物、病原菌、寄生虫等，使用时一定要控制污染物的含量，并同 时对土壤进行定期监测，使得剩余污泥在农业利用较为困难。 由于各种因素的制约，污泥的处置将成为环境领域的一大难题，也是 制约污水生物处理技术进一步发展的一大因素。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，大力开展污 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同益完善。 2 第一章绪论 1 2 2 污泥的减量化技术 而随着污泥问题的突显，国内外对污泥处理处置的研究有所加强，主 要致力于污泥减量化和资源化利用方面。资源化利用技术主要有污泥制砖、 制烟气脱硫吸附材料、园林利用、作锅炉燃料、作造纸材料等，减量化方 面主要有污泥解偶联、臭氧氧化、微型动物捕食、污泥破解生物消化等。 根据微生物的代谢特性，剩余污泥的减量可能通过以下途径来实现： ( 1 ) 降低微生物的产率；( 2 ) 利用微型动物的捕食作用；( 3 ) 利用微生物的 内源呼吸作用1 2j 。 1 2 2 1 降低微生物的产率降低微生物的产率可以通过以下两方面实 现：一是从物质上对细菌的合成进行抑制，如限制其合成自身所必需物质 的供给，但这种方法在污水处理中显然不适合；二从能量上对细菌的合成 进行抑制，使细菌氧化底物所获得的能量不用于合成细胞本身，即a t p 不 随着底物的氧化而大量合成或者合成后迅速由其他途径释放而不用于细胞 的合成，目前可以通过解偶联技术来。达到【3 】。解偶联技术包括投加解偶联 剂、好氧沉淀厌氧( o s a ) 工艺和高s o x o ( 底物浓度污泥浓度) 条件下 的解偶联等。 有研究表明，解偶联剂的投加，对污泥微生物的表观产率系数会产生 明显影响，可在不改变现有工艺的条件下达到污泥减量的目的f 4 - 6 。但解偶 联剂在工程应用中还存在一些问题，如：需连续投加药剂、降低了c o d 的 去除效率、微生物的驯化作用会降低解偶联剂的效率1 7 、可能对环境存在 潜在的危害等。 o s at 艺是一种应用解偶联概念进行污泥减量化改良的活性污泥工 艺，是在传统活性污泥工艺的污泥回流过程中插入厌氧池，为微生物提供 好氧、厌氧交替改变的环境，从而达到降低污泥产量的目的。o s a 工艺主 要用于减少处理高浓度有机废水( c o d l0 0 0m g l ) 的污泥排放量，对低浓 度有机废水没有明显的污泥减量效果1 8 - 9 j ，但由于o s a t 艺的水力停留时间 较长( 是常规活性污泥法的2 倍) ，使得在较低有机物浓度下的处理和常规活 性污泥法相比没有太大的优势 i o i 。 3 广东工业大学硕士学位论文 有研究表明，在基质充裕条件下，由于能量消散，当s o x o 增加时，微 生物解偶联生长部分增多，使得污泥产生率降低】。但高s o x o 条件还不能 用于实际的污水处理过程，因为城市生活污水的实际s o x o 常处于o 01 0 13 范围内，而要实现解偶联，s o x o 要大于8 ，而且在高s o x o 条件下，微生物 产生的不完全代谢的产物还可能对整个处理过程产生影响。 1 2 2 2 利用微型动物的捕食作用污水生物处理系统一般包括细菌、原 生动物、轮虫、线虫、寡毛类和昆虫幼虫等，有机物质首先被细菌消耗， 然后细菌被原生动物和后生动物消耗，能量也从低级生物传递给高级生物。 根据生态学原理，食物链越长，能量在食物链中的损失就越大，最终在系 统中存在的生物量就越少，该理论应用于活性污泥系统，可以达到剩余污 泥的减量效果。 有研究表明，利用蚯蚓、红斑颗体虫、蚤状蚤、颤蚓等微型动物的捕 食作用，可以达到剩余污泥的减量化效果，且流程简单、无二次污染1 1 2 - 1 6 】。 但目前国内外将微型动物正式投入污泥减量化工程应用的不多，其主要技 术瓶颈有【 1 ：如何在污水处理系统中实现微型后生动物的可调控稳定生长、 伴随污泥的减量如何保证污水处理效果、如何避免污水处理系统无机物的 积累等等。因此，还需要根据这些问题进行进一步研究，以实现微型后生 动物能够稳定地进行污泥减量。 1 2 2 3 利用微生物的内源呼吸作用微生物的内源呼吸过程包括溶胞和 生长，其中污泥细胞自身的溶胞是污泥降解的限速步骤。目前通过微生物 的内源呼吸作用达到污泥减量化效果的最普遍手段主要有厌氧消化法和好 氧消化法。 有研究表明，通过臭氧溶胞、加氯溶胞、酸碱溶胞、生物溶胞、热解、 超声波破解等手段，可以促进微生物的溶胞过程，从而使整个内源呼吸过 程大大加快 18 - 2 1 l 。 污泥厌氧消化工艺是目前国际上最为常用的污泥生物处理方法，同时 也是大型污水处理厂最为经济的污泥处理方法。该法具有能量回收、生物 固体适合农用、病原体活性低等特点。但厌氧消化工艺在应用中也存在着 不少缺点，如水力停留时间长、反应效率不高、结构复杂、不便于操作管 4 第一章绪论 理、厌氧微生物对环境因素要求较苛刻、维护管理问题较多等。污泥好氧 消化是近二十多年来在延时曝气活性污泥法的基础上发展起来的，污泥好 氧处理对中小型污水处理厂比较适用。它处理效率高，需要的处理设施体 积小，投资较少，上清液中的b o d 浓度较低，处理后的产物无臭、类似腐 殖质、肥效较高，运行安全、管理方便。但由于耗氧量大，需长时间连续 曝气，需要输入动力，所以运行费用较高。另外，传统好氧消化会发生硝 化反应消耗碱度，使得p h 值下降【22 1 。这就促使人们对工艺进行改造，提出 了缺氧好氧消化工艺( a n o x i c a e r o b i cd i g e s t i o n ，a a d ) 。 1 3 污泥缺氧好氧消化工艺( a a d ) 随着污泥好氧消化研究的不断深入并进一步的充实与完善，在传统好 氧消化工艺( c o n v e n t i o n a la e r o b i cd i g e s t i o n ，c a d ) 前加一缺氧段发展出 了缺氧好氧消化工艺。 污泥缺氧好氧消化的工作原理是使微生物处于内源呼吸阶段，以其自 身生物体作为代谢底物获得能量和进行再合成。在污泥好氧消化的过程中， 从氮转化的角度看，存在氨化作用、硝化作用以及反硝化作用。 氨化作用指污泥中的微生物在好氧条件下自身氧化分解，机体中的氮 元素以氨氮的形式释放，污泥体系内的碱度增加，见式( 1 1 ) 。 c 5 h 7 n 0 2 + 5 0 2 + h + - - 5 c 0 2 + n h 4 + + 2 h 2 0 ( 1 1 ) 生物硝化是在好氧条件下，通过亚硝酸盐菌和硝酸盐菌的作用，将氨 氮氧化成亚硝酸盐和硝酸盐的过程。如果反应完全，氨氧化成硝酸盐分两 阶段完成：1 ) 亚硝酸菌利用氨作为其唯一能源，将氨氧化成亚硝酸盐，见 式( 1 2 ) ；2 ) 硝酸菌将亚硝酸盐转化为硝酸盐，见式( 1 3 ) 。整个硝化反 应可以用总方程式( 1 4 ) 来表示。 2 n h 4 + + 3 0 2 专2 n 0 2 一+ 2 h 2 0 + 4 h + 2 n 0 2 一+ 0 2 专2 n 0 3 一 n h 4 + + 2 0 2 专n 0 3 一+ 2 h + + h 2 0 5 ( 1 2 ) ( 1 3 ) ( 1 4 ) 广东工业大学硕士学位论丈 反硝化就是在缺氧条件下，反硝化菌将n 0 3 一和n 0 2 一还原为n 2 的过 程。大多数的反硝化细菌是异养型兼性厌氧细菌，能利用各种各样的有机 基质作为反硝化过程中的电子供体，如易于生物降解的溶解性有机物和细 胞物质等。由于污泥消化过程中微生物的内源代谢产物能作为电子供体， 故在降解有机物的同时可大幅度降低氧的消耗，同时补偿硝化反应消耗的 碱度。其污泥稳定过程如式( 1 5 ) 、式( 1 6 ) 所示： n 0 3 一+ 2 h ( 氢供给体一有机物)- - n 0 2 一+ h 2 0 ( 1 5 ) 2 n 0 2 一+ 6 h ( 氢供给体一有机物) - - - n 2 + 2 0 h 一+ 2 h 2 0 ( 1 6 ) 在传统的好氧消化初期几天内，氨化作用使n h 4 + n 增加，同时引起 溶液p h 上升。随后由于硝化作用，污泥混合液碱度被消耗，p h 下降，溶 液的p h 甚至会下降至5 以下【2 3 1 。由此可见，溶液中氮形态的转化与溶液 的p h 有一定的联系。m a t s u d a 等人1 2 4 】测得消化过程中上清液的n h 4 + n 变 化规律为：先升高，再降低，最后又有回升的趋势，与混合液p h 的变化 规律一致。沈耀良f 2 5 】的研究也得出同样的结论。 p h 过低，会改变微生物细胞的渗透性，反应物的氧化还原电位以及生 物酶催化反应的能力，影响微生物的物质运输过程和新陈代谢作用。而 a a d 工艺则是在c a d 工艺上，通过间歇曝气交替产生缺氧期和好氧期，在 缺氧期发生反硝化，反硝化过程中产生的碱度来补充硝化过程中的消耗， 所以不必另行投碱就可使p h 值保持在7 左右，从而提供稳定的p h 值。a a d 消化池内污泥浓度、污泥停留时间、对m l v s s 的去除效率等都与c a d 工艺 相似，但由于在缺氧段是以硝态氮代替0 2 作为最终电子受体，需氧量比c a d 工艺要少，在一定程度上既节省了能源，又能达到较好的处理效果。 牛奕娜等【2 6 】研究表明污泥的m l v s s 与m l s s 的比值是影响去除率的重 要因素之一，其值越高越有利于去除m l v s s ，缺氧好氧消化工艺去除率平 均达到3 5 左右，而系统的p h 稳定在7 8 之间，从而减少氧供给量，减少能 源的消耗。薛嘉韵【27 j 研究表明a a dt 艺在3 0 ，交替进行缺氧、好氧各12 小时，污泥停留时间为2 0 天时，m l v s s 的去除率达到4 0 5 ，与c a d 工艺 相比，能节省2 8 6 的供氧能耗。p e d d i ec 等【2 8 1 对一个a a d 消化系统进行 了两年的观察发现在l 4 17 自然条件下，m l v s s 的去除率达到2 6 。 6 第一章绪论 a i g h u s a i ni 等1 2 9 采用a a d i 艺对回流污泥进行消化，获得的最佳工艺参 数为：污泥停留时间为l0 d ，温度为3 0 ，缺氧和好氧时间各占l2 h ，其m l v s s 的去除率为4 3 7 ，且整个过程的p h 值保持近中性。 1 4 超声波在污泥处理中的研究现状 超声波处理技术因其在细胞破碎方面具有高效、稳定、清洁、安全等 优点，在污泥处理中可以提高污泥活性和可降解性能，且操作方便，因而 在近年来的污泥减量研究方面备受关注。经超声波处理后，污泥上清液各 溶出物浓度随声能密度和超声时间的增加而增加1 3 0 1 。同时，适当的低能量 超声波辐射可显著提高污泥的活性，当超声作用强度、时问适当时，污泥 活性会处在较高水平且持续较长时间，而当超声作用超过一定限度后则会 导致污泥活性下降i 引】。另外，超声波在介质中传播，可使介质质点进入振 动状态，由此可以有效促进反应物质的扩散和传输，强化反应物进入以及 生成物离开酶的活性部位的过程，因此可增加酶的活性1 3 2 1 。曹秀芹等1 3 3 研究了超声波对细胞分解的程度，结果表明，超声声能密度为0 5 w m l 的 超声处理后污泥絮体被分解，s c o d 大幅上升，胞内释放物质具有良好的生 化降解性能。超声波具有很高的声强，在液体中会产生超声空化现象，大 量的空化气泡在瞬间破灭时将产生极短暂的强压力脉冲，并在气泡及其微 小周边空间产生局部热点。利用超声波处理污泥，就是利用声波的能量， 在污泥系统中产生各种极端反应，引发机械剪切、声化学、热效应，从而 提高污泥活性1 3 4 , 3 5 ，促进污泥隐性生长并破坏污泥的结构，使污泥中e p s 得到破解，从而污泥中的可降解物质溶解出来进入水相，易于被微生物自 身所消化，使污泥的可降解性得到提高【3 6 ，37 1 。 国内外对超声波促进污泥消化的研究主要