（环境工程专业论文）城市污水混凝预处理及污泥厌氧消化试验研究.pdf

城市污水混凝预处理及污泥厌氧消化试验研究 学位论文完成日期：卫军业 指导教师签字： 答辩委员会成员签字： 3 独创声明 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，也不包含未获得 ( 洼；地退查基丝盂要挂墨9 直塑的! 奎拦互窒2 或其他教育机构的学位或证书使 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：巧礴签字目期：产年石月。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，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 授权学校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： 导师签字： 易 签字日期：f 。年易月f 9 日签字日期：舢年6 月一日 城市污水混凝预处理及污泥厌氧消化试验研究 毒面 两晏 化学强化一级处理通过向污水中投加混凝剂能有效的去除水中的污染物质， 也可以通过化学强化一级处理减轻二级处理负荷，提高处理效果。近年来，化学 强化一级处理技术已逐渐引起水处理界的重视，成为新的研究热点。混凝强化一 级处理发展迅速，但投药量的确定以及混凝污泥的处理与处置问题是阻碍其推广 的障碍。 f e c l 3 因为其低廉的价格和良好的效果，被广泛应用到污水的强化级处理 中。基于f e c l 3 处理城市生活污水的机理，本课题通过实验室的烧杯试验，研究 了f e c l 3 在污水处理中的预处理效果，最佳投药量，并对比分析了铁盐混凝污泥 和生物污泥的厌氧消化性能，研究了铁盐污泥的厌氧处理效果。 f e c l 3 的混凝对磷的去除效果表明，当铁盐投加量较高时，搅拌强度对磷的 去除影响不大；p h 6 8 的范围内具有较好的除磷效果；p a m 对磷的去除有帮助， 但是并不明显，综合经济的考虑，p a m 并不适于大量投加。对铁盐除磷的沉淀 物进行分析x r d 分析，结果表明，当f e ：p 较高时( 例如2 0 ，2 5 ) ，沉淀物主 要以羟基磷酸铁和f e o o h ( s ) 存在；当f e ：p 较低时，主要存在沉淀物主要以f e p 0 4 为主。沉淀物的能谱的分析表明当高剂量铁盐投加时铁和磷的摩尔比远高于l 时，产生了铁盐的浪费现象。 针对铁盐预处理的过程，建立一个神经网络，可以根据控制出水的程度，方 便的调节投药量，实现水质达标的同时，减小总运行费用，为铁盐的化学强化一 级处理的实时只能控制提供了一个可行的思路。建立的3 层b p 神经网络，隐含 层数分别为5 1 4 ，训练误差选为0 , 0 0 1 ，网络的最大训练步骤为1 0 0 0 ，学习速率 选为o 1 。最终选择隐含层数为1 2 的b p 神经网络，训练误差为0 0 0 9 2 。训练好 的神经网络具有良好的预测效果，s s 去除率预测值与实际值的平均相对误差为 1 1 2 ，c o d 平均相对误差为8 3 9 ，t p 和p 0 4 3 的平均相对误差分别为9 9 2 和8 9 9 。针对特定的污水，利用训练好的模型，可以方便的根据去除目的选择 铁盐的投加量。 通过厌氧续批试验，对比分析含铁混凝污泥和生物污泥的厌氧消化性能，研 究结果表明，混凝污泥和生物污泥均能产生良好的消化效果，产生具有热电联产 价值的沼气，v s 降解率分别达到了2 6 和2 9 ，经过消化后的污泥v s 、粒度 下降趋势明显，有利于后续处理。研究中发现铁污泥的沼气积累速率较慢，这是 因为铁盐投加，形成的絮体包裹了部分有机物，使得在同样负荷条件下，厌氧消 化初期产气量比生物污泥要少。 关键词化学一级强化处理；厌氧消化；投药量；铁盐污泥；沼气； i t sl o wp r i c ea n dg o o dr e s u l t s b a s e do nt h em e c h a n i s mo fw a s t e w a t e rt r e a t m e n t ，i n t h i sp a p e ri th a sa n a l y z e dt h a tt h ee f f e c tf e c l 3i nt h ep r e t r e a t m e n to fw a s t e w a t e r t r e a t m e n t ，a n dt h eo p t i m u md o s a g ea n dc o m p a r a t i v ea n a l y s i so ft h ef e r r i cc o a g u l a t i o n s l u d g ea n db i o l o g i c a ls l u d g ei na n a e r o b i cd i g e s t i o n t h er e m o v a lo fp h o s p h o r u ss h o ww e l lw h e nt h eh i g h e rd o s a g eo ff e c l 3 ；g to n t h er e m o v a lo fp h o s p h o r u sh a sl i t t l ee f f e c ta n dp h 6 8i sab e a e rr a n g ef o rp h o s p h o r u s r e m o v a l ；c o m p r e h e n s i v ee c o n o m i cc o n s i d e r a t i o n s ，p a mi s n o ts u i t a b l ef o rl a r g e d o s a g e a n a l y s i st h es e d i m e n t so ft h ef e c l 3w i t hx r d s h o w e dt h a t ，w h e nf e ：pi s h i g h ( e g2 0 ，2 5 ) ，s e d i m e n t sm a i n l yi n c l u d e sh y d r o x y - i r o np h o s p h a t ea n df e o o h ( s ) e x i s t ；h o w e v e rw h e nf e ：pi sl o w , m a i n l yi ns e d i m e n t si sp r i m a r i l yf e p 0 4 t h ee n e r g y s p e c t r u ma n a l y s i s s h o w st h a tw h e na d d i n gh i g hd o s e so ff e c l 3 ，t h ei r o na n d p h o s p h o r u sw h e n t h em o l a rr a t i oh i g h e rt h a n1 ，r e s u l t i n gi nw a s t eo fi r o ns a l t a i m i n ga tt h ei s s u e st h a tt h e r ea r em a n yf a c t o r si nt r e a t i n gw a s t e w a t e rw i t h c h e m i c a l l ye n h a n c e dp r i m a r yt r e a t m e n ts y s t e m ，a n di ti sd i f f i c u l ti nc o n t r o l l i n g p r o p e r l ya n dp r e d i c t i n gt h ee f f e c to ft r e a t m e n t ，t h ea r t i c l es e t su paf o r e c a s t i n gm o d e l o ft r e a t i n gw a s t e w a t e rw i t hf e c l 3t h a tb a s e do nb pn e u r a ln e t w o r km o d e la n d s i m u l a t e sb e a k e re x p e r i m e n t s t h em o d e li st h r e el a y e r sb pn e u r a ln e t w o r k ，a n d h i d d e nl a y e r sa r er e s p e c t i v e l yf r o m5t o14 t h em o d e lp e r f o r m a n c eg o a li s0 0 01a n d t h el a r g e s tt r a i n i n gs t e p so fn e t w o r ka r e10 0 0 t h ep e r f o r m a n c eo ft h ef i n a lm o d e l f w i t h12h i d d e nl a y e r si s0 0 0 9 2 t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ed a t ao ff o r e c a s tf i r e c o i n c i d e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t aw e l l t h ea v e r a g er e l a t i v ee r r o r so fr e m o v a l r a t e so fc o d ，t o t a lp h o s p h o r u s ，p 0 4 3 a n ds sb e t w e e nf o r e c a s tv a l u ea n da c t u a lv a l u e w e r e11 2 ，8 3 9 ，9 9 2 a n d8 9 9 r e s p e c t i v e l y t h i sr e s e a r c hc o m p a r e dt h er e l a t i v ed i g e s t i b i l i t yo fi r o n d o s e dw i t hu n d o s e d a c t i v a t e ds l u d g ed u r i n gt w ob a t c ht e s tt r i a l s r e s u l t ss h o w e dt h a tb o t hi r o n - d o s e d s l u d g ea n du n d o s e da c t i v a t e ds l u d g ec a r lp r o d u c e al o to fm e t h a n ew h i c hc a nu s e df o r c o m b i n e dh e a ta n dp o w e rp r o d u c t i o np l a n t ，a n dt h ev sd e g r a d a t i o nr a t e sw e r e2 6 a n d2 9 r e s p e c t i v e l y v s ，p a r t i c l eo ft h es l u d g ew e r eo b v i o u ss m a l l e ra f t e rb a t c ht e s t t r i a l sw h i c hw i l lb eb e n e f i tf o rt h ef u r t h e rp r o c e s s i n g b e c a u s es o m eo r g a n i cw r a p p i n g i nt h ef l o c ，t h ea c c u m u l a t i o nr a t e so fm e t h a n ei nt h ei r o n - d o s e ds l u d g ei ss l o w e ra n d r e s u l ti nt h eg a sy i e l di sa l s ol e s st h a nu n d o s e da c t i v a t e ds l u d g e k e y w o r d s ： c e p t a n a e r o b i cd i g e s t i o n d o s a g e f e r r i cs l u d g eg a s i v 城市污水混凝预处理及污泥厌氧消化试验研究 目录 1 绪论。1 1 1 引言1 1 2 化学一级强化处理的研究现状2 1 2 1 化学一级强化处理技术简介2 1 2 2 化学一级强化处理技术的必要性3 1 2 3 化学一级强化处理技术的技术特点4 1 3 厌氧消化简介一5 1 3 1 厌氧消化原理5 1 3 2 厌氧消化的影响因素9 1 4 混凝预处理对厌氧消化的影响1 1 1 4 1 混凝预处理过程中污泥量变化1 2 1 4 2 混凝剂对厌氧消化的影响1 3 1 4 3 絮凝剂对厌氧消化的影响1 7 1 5 课题的提出和研究内容1 9 1 5 1 课题的提出1 9 1 5 2 实验内容简介19 2 城市生活污水铁盐预处理研究2 0 2 1 试验准备与分析方法2 0 2 1 1 试验器材与试剂2 0 2 1 2 试验对象2 0 2 1 3 试验方法2 1 2 2 结果与讨论2 1 2 2 1f e c l 3 混凝预处理试验2 1 2 2 2f e c l 3 除磷理论研究2 4 2 3 总结3 0 3 城市污水铁盐预处理优化3 1 3 1 铁盐对其他污染物的预处理效果3 l 3 1 1 铁盐对c o d 的去除效果3 l 3 1 2 铁盐对n 地n 的去除效果3 2 3 1 3 铁盐对s s 的去除效果3 2 3 2 铁盐预处理的优化方法选择3 3 3 2 1 数学模型法简介j 3 3 3 2 2 人工神经网络简介3 3 ； 城市污水混凝预处理及污泥厌氧消化试验研究 3 2 3 铁盐预处理优化的选择3 5 3 3 神经网络模型的建立：3 5 3 3 1 试验数据的来源3 5 3 3 2 人工神经网络的建立3 5 3 4 铁盐预处理条件优化3 7 3 4 1 模型的选择3 7 3 4 2 铁盐投加量的选取3 9 3 5 结论4 0 4 铁盐混凝污泥厌氧消化研究4 l 4 1 试验材料及方法4 1 4 1 1 试验目的一4 1 4 1 2 试验对象和方法4 1 4 2 结果与分析4 3 4 2 1 不同污泥的产气量变化4 3 4 2 2 不同污泥的产气成分j 4 4 4 2 3 不同污泥的消化反应前后粒度变化4 6 4 3f e c l 3 对污泥厌氧消化的影响4 7 4 3 1 铁盐混凝污泥的成分分析4 7 4 3 2 化学污泥中铁盐的还原5 0 4 3 结论5 1 5 结论与建议5 2 5 1 结论5 2 5 2 建议5 2 参考文献：5 4 致j 射5 8 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果5 9 城市污水混凝预处理及污泥厌氧消化试验研究 1绪论 1 1 引言 我国城市污水处理率一直较低，并且原有的城市污水处理厂已不能应对城市 污水日益增长的需要。以沉淀为主的一级处理对有机物的去除率较低，仅采用一 级处理，难以有效控制水污染。而己建成的二级生物处理厂，由于其高额的运行 费用和高能耗，也希望通过化学强化一级处理，减轻二级处理的负荷，降低能耗 【。正因为如此，近年来，化学强化一级处理技术已逐渐引起国内水处理工程界 的重视，成为新的研究热点【2 j 。 化学强化一级处理发展迅速，但污泥的处理与处置问题是阻碍其推广的一大 障碍。污水污泥是指污水处理厂处理污水过程中所产生的固体废弃物。随着城市 污水处理技术的革新，处理程度的深化以及污染物质去除率的提高，污泥的产生 量也在不断增加，污泥问题己成为当前影响城市发展的一大环境问题。混凝剂投 入初沉池后。将使该段的产泥量提高5 0 1 0 0 ，增加了污泥的处置难度【3 】。由 于混凝污泥有机物含量高，比剩余污泥更易被降解，因此对其进行厌氧处理不失 为一种经济可行的方法，将大大减少能耗、促进能源循环利用，达到循环经济的 目的。 污泥发电的主要方法是通过污泥厌氧发酵，产生沼气，然后沼气在燃气内燃 机的气缸内燃烧做功，把化学能转换成机械能，最终产生电能和热能。这种方法 无需对污泥进行脱水处理，经厌氧罐发酵后，能消化7 5 , - - - 8 0 的污泥，剩余 2 0 2 5 的沼渣经脱水无害化处理后，还可制成有机肥；产生的沼气回收到沼 气储存装置内，随时可用于发电，供污水处理厂循环自用；发电产生的余热一部 分用来加温发酵池，剩下部分用于区域供热，实现热电联产。2 0 0 3 年至2 0 0 6 年， 英国的一家水务公司投资2 2 0 0 力英镑使他们旗下7 3 污水处理厂实现热电联产 【4 】；至u 2 0 0 7 年热电联产污水厂的覆盖率已达8 3 t 5 1 。在中国，污水处理厂热电联 产的意义更重要，根据政策，企业可再生能源发电可享受高于煤电0 2 5 元( k w h ) 的电价补贴，并免征所得税和增值税。这不仅帮助企业实现了经济效益，更帮助 城市污水混凝预处理及污泥厌氧消化试验研究 政府解决了污泥出路问题，实现了经济、环境和社会效益的统一。 从1 9 3 1 年开始，学者就开始了化学一级强化技术产生的化学污泥中对污泥厌 氧消化产生的影响的研究【6 1 但是直到现在，学术界还是存在两种截然相反的观 点。随着热电联产的发展，任何可能影响对污泥厌氧消化的不利影响，最终都会 导致经济上的损失，因此，弄清化学污泥对污泥厌氧消化的影响变得愈发重要。 1 2 化学一级强化处理的研究现状 化学强化一级处理工艺( c h e m i c a l l ye n h a n c e dp r i m a r yt r e a t m e n t ) 是向水体中 投加混凝剂和絮凝剂，通过电中和、吸附架桥、网捕、卷扫等絮凝作用，使微小 的悬浮颗粒、胶体颗粒脱稳，聚集形成较大的颗粒，从而提高沉淀效率，增大污 水中污染物的去除率。 1 2 1 化学一级强化处理技术简介 污水 混凝剂和絮 凝剂 污泥 出水 图1 1 化学强化一级处理一i ：艺流崔 化学强化一级处理常见工艺流程如图1 1 所示。由图1 1 可知，化学强化 一级处理工艺流程简单，易于操作管理。国外开展化学絮凝强化一级处理工艺研 究较早，1 8 7 0 年在英国就己成为一种污水处理方法，十九世纪后期英美等国广 泛采用化学沉淀处理城市污水，但不久即被生物处理法所取代。到了2 0 世纪8 0 年代，为进一步提高污水中有机物和磷的去除程度，化学强化一级处理又重新得 到重视。“化学强化一级处理”可以说是老技术的新发展。 2 城市污水混凝预处理及污泥厌氧消化试验研究 1 2 2 化学一级强化处理技术的必要性 1 2 2 1 经济的方面的要求 目前，我国城市污水处理8 0 以上以二级生物处理工艺为主，但是二级生物 污水处理厂投资巨大，能耗和运行费用也较高，就我国目前经济状况而言，普遍 建造二级污水处理厂是不现实的。虽然我国环保投资呈逐年增加趋势，但水环境 污染的同益加剧和经济发展水平的相对较低，决定了我国中小城市的污水处理在 相当长段时间内( 污水排放量约占城市污水总量的7 0 ) 不可能普遍采用二级 生物处理，只有在一级处理基础上进行强化，削减总体污染负荷，探索出适合我 国国情的“高效低耗”城市污水处理新技术和新工艺。另外，随着近年来水体富营 养化严重加剧，而国内现有的污水处理厂绝大多数不具备氮、磷脱除能力，因而 研究和开发化学强化一级处理技术具有重要的现实意义。 城市污水强化一级处理能够削减大部分的污染负荷，减缓水环境的污染，因 而开展化学强化一级处理的研究是非常有必要的。 从经济方面考虑，城市污水化学强化一级处理的适用情况主要有【7 】： ( 1 ) 对于低浓度的城市污水经过强化一级处理直接排放。我国许多中小城 镇的污水处理可采用此种方式，可以较少的投资削减较大量的污染负荷； ( 2 ) 近期内先建一级半处理厂，经过强化一级处理取得较好的投资环境效 益，待有条件时再续建完整的二级处理工艺； ( 3 ) 对于以二级生物处理为主的城市污水处理厂，通过强化一级处理，去 除难于用生化处理去除的有机物、重金属和无机盐，同时减轻二级处理的负荷， 降低能耗。 1 2 2 2 污水进一步除磷的要求 污水中过量磷的主要危害是刺激藻类和光合水生物的生长，从而使藻类繁 盛，夺走水中溶解氧。水体中含磷量( 以p 0 4 3 - ) 超过0 3 m g l ，则藻类生长繁殖 将明显加快。当植物死亡腐烂继续夺走水中的溶解氧时，就会出现富营养化现象。 此时如果水体光照足，气温高则很容易形成赤潮，因藻类代谢需要大量溶解氧， 形成厌氧，其最终后果是导致藻类死亡，使水生生物大量死亡，释出大量有毒气 城市污水混凝预处理及污泥厌氧消化试验研究 体如h z s 、n h 3 、p h 3 、c h 4 等，使水质恶化。水体的富营养化危害大致有： ( 1 ) 导致水体含氧量急剧下降； ( 2 ) 降低水体的美学价值。 国内外的实际运行经验表明，采用生物除磷方法，磷的去除量一般约为b o d 5 去除量的3 5 4 5 ( 泥龄5 - 2 0 d ) ，其中m l s s ( 混合液悬浮固体浓度) 中磷的 含量平均为5 。单独采用生物除磷工艺很难满足出水含磷量低于1 0 m g l 的排 放要求( 二级排放标准) 【8 1 。 1 2 3 化学级强化处理技术的技术特点 1 2 3 1 化学一级强化处理技术的优点 化学强化一级处理技术对s s 、c o d c ，和b o d 5 有较好的处理效果，特别是 对t p 的去除率较高，出水t p 可控制在1 m l 以下，这是目前二级生物处理所 达不到的，且系统占地面积和基建投资也小于活性污泥法，采用高效絮凝剂，具 有投资低廉、运行费用低、易于管理、处理过程稳定可靠等优点，近期投资具有 较好的环境效益和社会效益【9 l 。 与常规一级处理相比，化学强化一级处理工艺能够大幅度地提高有机物的去 除效率，强化效果明显，运行费用较低，处理成本为住0 3 0 5 元吨。c e p t 工 艺是一种处理量大、费用低、效果较好以及能减少病原体的污水处理技术。在水 污染严重、资金有限的国家和地区新建城市污水处理厂或改建现有污水处理厂时 可选用该工艺。在对b o d 5 和氨氮等指标的排放要求不高的区域，可单独使用 c e p t 工艺；控制营养元素的比例和数量问题，c e p t 和二级生物处理联合使用 时，可起到强化一级处理、减少二级处理有机负荷的作用。 1 2 3 2 化学一级强化处理技术的问题 化学强化一级处理技术对污水中氨氮去除率比较低，出水氨氮指标达不到排 放要求。另外，大量化学药剂的投加会使沉淀污泥产量增加，污泥体积增大，使 污泥的处理处置难度加大，因而在采用化学强化一级处理城市污水时，必须同时 考虑药剂费用和污泥的处理处置费用。 城市污水混凝预处理及污泥厌氧消化试验研究 用化学法如混凝法处理废水所产生的污泥称为化学污泥。化学污泥的含水率 很高，呈凝胶状，质轻并且蓬松，如果不改变其物理性质，它将保持半流化状态 【4 2 】。其组成粒子为水中悬浮固体，经物理聚集、化学凝聚、生化繁衍吸附或三 者共存的方式，胶结凝聚而成。为了防止污泥污染环境，污泥必须进行稳定化和 无害化处理。当原水经过化学强化一级处理后，污泥体积将会大大增加，而且原 水中一些易生物降解的有机质也被沉淀到污泥中，因此对污泥的消化处理更为必 要。 1 3 厌氧消化简介 在城市污水的处理中，一级、二级污水处理厂会产生大量的污泥。城市污泥 的特点是，第一产量大，以体积计为污水处理量的0 5 8 0 ( 含水率9 9 ) 。 目前我国城市污水年排放量已经达到4 1 4 亿r n 3 ，二级处理率达到1 5 ，污泥产 生量大约1 5 0 0 万t a 左右( 按含水率9 7 计) 【1o j ；第二成分复杂，不仅含有大量 有机质和n 、p 、k 等植物营养成分，而且含有很多病原微生物，同时还含有一 定的重金属和其他有毒有害成分。在城市污泥的各种处理方法中，厌氧消化处理 方法是研究较为深入、在生产实际中应用广泛的一种方法。 1 3 1 厌氧消化原理 厌氧生物处理，也称为厌氧消化或甲烷发酵，是指在无氧条件下，有机物在 厌氧菌作用下转化为甲烷的生物化学过程。在厌氧消化过程中，复杂的有机物被 降解，转化为简单、稳定的物质，同时释放能量，最终转化为甲烷和二氧化碳， 还有少量的n h 3 、h 2 、h 2 s 、n 2 ，能量主要贮存在甲烷中。有机质的厌氧消化是 一个非常复杂的微生物过程和生物化学过程，反应可简化表示如下】： 有机物+ h 2 0 _ c h 4 + c 0 2 + 新生物+ n h 3 + h 2 s + 热量 污泥厌氧消化是一个极其复杂的过程，多年来厌氧消化被概括成为两阶段过 程，第一阶段是酸化发酵阶段，有机物在产酸细菌的作用下，分解成脂肪酸及其 它产物，并合成新细胞；第二阶段是甲烷发酵阶段，脂肪酸在专性厌氧菌产 甲烷菌的作用下转化成c h 4 和c 0 2 。但是，事实上第一阶段的最终产物不仅仅 是酸，发酵所产生的气也并不都是从第二阶段产生的。因此，第一阶段比较恰当 城市污水混凝预处理及污泥厌氧消化试验研究 的提法是不产甲烷阶段与第二阶段称为产甲烷阶段。随着对厌氧消化微生物研究 的不断深入，厌氧消化中不产甲烷细菌和产甲烷细菌之间的相互关系更加明确。 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，提出了厌氧消化三阶段 理论，是当前较为公认的理论模式。三阶段消化突出了产氢产乙酸的作用，并把 其独立的划分为一个阶段【1 2 】。此后，z e i k u s l a o 等人提出了厌氧消化四阶段理论， 强调了同型产乙酸菌的作用【1 3 】。在国际水协( i w a ) 2 0 0 2 年正式推出厌氧消化1 号 模型( a d m l ) 中，有机物厌氧消化过程被扩展成为分解、水解、产酸、产乙酸和 产甲烷五个阶段【1 4 1 。 无论是哪一种理论，实质上都是对两阶段理论的补充和完善，较好地揭示了 厌氧发酵过程中不同代谢菌群之间相互作用、相互影响、相互制约的动态平衡关 系，阐明了复杂有机物厌氧消化的微生物过程。 典型的五段论过程可以分为： 第一阶段：解体阶段，解体是指颗粒复合体的破裂、相分离、非酶降解以及 整个细胞的裂解。 第二阶段：水解阶段，是指颗粒降解成为可溶性单体。水解速率受接种物、 微生物浓度温度和p h 限制，较后两阶段反应要慢l l5 1 。胞外酶催化水解过程，胞 内酶催化后面的过程( 产酸、产氢和产甲烷阶段) 。复合物经过水解之后降解成 为碳水化合物、蛋白质和脂肪酸。 第三阶段，产酸阶段，通过发酵产酸菌将水解产生的小分子化合物转化为挥 发性有机酸和二氧化碳，同时会产生甲醇以及其他醇类，p h 下降【1 6 】。是指可溶 性单体厌氧发酵产生一系列酸而没有额外的电子受体或供体【1 7 】。因为产酸茵生 长迅速( 2 0 分钟内翻一番) ，产酸过程相对较快1 1 8 1 。产酸菌是化能营养性生物， 也就是它们通过氧化还原反应或者质子动力势能的方式获得能量。氢作为产酸阶 段醋酸的副产物( 图1 2 和方程1 1 所示) 。氢转移到一种叫烟酰胺腺嘌呤二核苷 酸( n a d h ) 的辅酶上，然后通过n a d h 耦合脱氢酶的作用生成l m o l h + ( 方程 1 2 ) 。如果过量的h 十积聚会使乙醇取代醋酸成为产酸阶段的主产物，这样导致厌 氧微生物获得较少的能量。b a t s t o n e 等人指明虽然有其他酸产生，但是乙酸、丙 酸、丁酸是单糖酸化的主要产物。葡萄糖最常见的降解方式被称为糖降解。 n a d h + h + hn a d + + h ， ( 1 1 ) 6 城市污水混凝预处理及污泥厌氧消化试验研究 c 6 h 1 2 0 6 + 2 h 2 0 _ 2 c h s c o o h + 2 c 0 2 + 4 h 2 ( 葡萄糖一醋酸盐) 3 c 6 h1 2 0 6 _ 4 c h s c h 2 c o o h + 2 c h a c o o h + 2 c 0 2 + 2 h 2 0 ( 葡萄糖_ 醋酸和丙酸) c 6 h12 0 6 一c h 3 c h 2 c h 2 c o o h + 2 c 0 2 + 2 h 2 ( 葡萄糖一丁酸) 表1 1 葡萄糖厌氧发酵能量同收 ( 1 2 ) ( 1 3 ) ( 1 - 4 ) 产生的能量( m o l s a t p m o l 葡萄糖) 产物种类 2e t h a n o l + 2c 0 2 2l a c t a t e p r o p i o n a t e + a c e t a t e + c 0 2 + h 2 b u t y r a t e + 2c 0 2 + 2 h 2 2 a c e t a t e + 2 c 0 2 + 4 h 2 厌氧糖酵解的最终产物取决于基质的数量，当基质( 葡萄糖) 充足时，会产 生乙醇和乳酸；当基质不足时，会产生醋酸和c 0 2 。 氨基酸通过以下两种方式发酵：s t r i c k l a n d 氧化还原成对发酵解耦氧化 作用。s t r i c k l a n d 氧化还原成对发酵比较快，因为这个途径不需要任何电子受体 或供体，而解耦氧化发酵则需要h + 或c 0 2 这样的电子受体。n a g a s ea n dm a t s u o 指出在典型的混合蛋白体系中只有1 0 的内部电子受体短缺。因此，只有1 0 的氨基酸通过解耦氧化的途径降解成为甲酸和h + 。s t r i c k l a n d 途径降解蛋白质的 数量占9 0 ，生产的最终产物是醋酸、各种酸和h + 。产生酸的类型取决于污水 中蛋白质的种类。 第四阶段，产乙酸阶段，是污泥稳定的第一步，是指长链脂肪酸和有机酸降 解成为醋酸和氢。这是一个相对缓慢的过程，大约要消耗8 4 个小时。产乙酸过 程和产甲烷过程是共生的过程，因为产乙酸阶段过程产生的氢在产甲烷阶段被利 用。这一过程被称为种间氢转移。 应当指出的是不仅是产乙酸阶段会产生氢，产酸阶段也会产生氢。因此，对 于种间氢转移而言，这两种类型的微生物可以被称为发酵微生物。种间氢转移的 原理包括以下几个方程： 2 c h 3 c h 2 0 h + 2 h 2 0 _ 2 c h 3 c o o 。+ 2 h + ( 1 5 ) 4 h 2 + c 0 2 一c h 4 + 2 h 2 0 ( 1 6 ) 7 城市污水混凝预处理及污泥厌氧消化试验研究 2 c h 3 c h 2 0 h + 2 h 2 c 0 3 _ 2 c h 3 c o o h + h 2 0 + c h 4 ( 1 7 ) 方程1 5 需要外界提供能量( + 1 9k j ) 才能反应，因此在没有脱氢甲烷菌的作 用下，发酵细菌不能利用乙醇来进行代谢。只有甲烷菌使氢的氧分压低于1 0 0 p a 时，反应才会发生。没有哪种生物可以单独利用乙醇，因此共生作用是必要的。 第一反应阶段( 方程1 5 ) 是非常重要的，这是因为产甲烷菌只f l 跻, j 用某一 些特定的基质来生长，而这些基质只有发酵细菌降解阶段才会产生。 第五阶段，产甲烷阶段，厌氧消化的最终转化过程是产甲烷阶段，也是五个 过程中最慢对p h 最敏感的阶段。产甲烷菌只能利用c 0 2 ，醋酸和氢来生长，c h 4 有两种可能的生成途径：1 乙酸分解产甲烷( 方程1 8 ) ；2 氢营养产甲烷( 方 程1 9 ) 。大部分甲烷来自于醋酸【1 9 】。 c h 3 c o o h + h 2 0 _ c h 4 + h c 0 3 ( 1 8 ) 甲烷可以利用一个阳离子分解乙酸，反应会产生重碳酸从而提升碱度，保持 足够的碱度是厌氧消化顺利进行的重要保证。 4 h 2 + c 0 2 _ c h 4 + 2 h 2 0 ( 1 9 ) 产甲烷菌利用产酸和产乙酸阶段产生的h + 来产生c h 4 和能量，这有助于厌 氧反应池中产乙酸微生物维持较低的氢分压和合适的氧化还原电位。 城市污水混凝预处理及污泥厌氧消化试验研究 图1 2 厌氧消化中有机物转化过程和中间产物 1 3 2 厌氧消化的影响因素 污泥的厌氧消化过程的影响因素比较多也比较复杂，各种菌种的生长、代谢 直接关系到反应的进行程度。因此，其工艺影响因素的控制非常重要，许多学者 对影响因素进行了广泛而周密的研究，主要包括预处理、温度、p h 和碱度、氧 化还原电位、碳氮比等。 1 3 2 1 预处理 污泥厌氧消化是一个复杂的生化过程，受到多种因素的制约。即使在相同的 处理工艺和条件下，不同性质的物料厌氧发酵的处理效果可能不同。因此，改变 物料的性质和消除限速步骤的影响因素是提高厌氧消化效率提高效率的有效步 骤。 物理预处理的种类包括：切碎、研磨、冲击碰撞和蒸汽爆破等方法。化学预 处理方法包括碱处理、酸处理、热处理、臭氧氧化处理。在生物预处理方面，有 9 城市污水混凝预处理及污泥厌氧消化试验研究 研究表明，进行高温好氧堆肥，可提高厌氧消化过程的效率、气体产量和甲烷产 量【2 0 1 。p e t e r t 2 1 1 等从高温反应器中分离到能分解有机固体废物的嗜温微生物，用 该微生物对污水污泥进行预处理，在1 2 d 内，近4 0 的有机物被分解，且产气 产量提高了5 0 。 1 3 2 2 温度 甲烷菌对于温度的适应性，可分为两类，即中温甲烷菌( 适应温度区 3 0 3 6 ) ；高温甲烷菌( 适应温度区5 0 5 3 ) 。两个区之间的温度，通常甲烷的 产生量随温度的升高而增加，但在4 5 左右有一个断点，这是由于中温发酵和 高温发酵分别是由两个不同的微生物种群在起作用，在该温度条件下，对于中温 和高温细菌的生长都不利。 高温厌氧消化工艺可以提高代谢速率，其有机质去除率和致病细菌的杀灭率 均比中温厌氧消化工艺要高【2 2 】，此外高温厌氧消化可以有效的杀灭反应物料中 的大肠杆菌、沙门氏菌和肠球菌等。这些治病微生物的灭活对于消化产物用作土 壤调节剂或肥料非常重要。 温度波动会对厌氧消化工艺造成严重影响，中温和高温厌氧消化允许的温度 变动范围为士1 5 2 0 。当温度急剧变化时，一些工艺参数如产气量、甲烷产量、 p h 值等会发生变化，严重者甚至可能导致工艺运行失败f 2 3 1 。 1 3 2 3p h 和碱度 在厌氧处理中，各种微生物生长所能适应的p h 范围不同。水解与发酵菌、 产氢产乙酸菌对p h 的适应范围大致为5 - 6 5 ，而甲烷菌对p h 的适应范围大致 为6 6 7 5 之间，即只允许在中性范围附件波动。研究发现，p h 值为6 6 7 8 范 围内，水分含量为9 0 9 6 时产甲烷速率较高；p h 值低于6 1 或高于8 3 时， 产甲烷菌可能会停止活动。p h 低于6 1 时，甲烷的形成速率低于有机酸的形成 速率，此时，产甲烷菌的生长被明显抑制，而产酸菌的活性仍很旺盛，常导致 p h 降至4 5 5 0 ，这种酸化状态对甲烷菌是有毒害作用的。p h 高于8 3 时产甲 烷效率明显下降是由于n h 4 - 转变成了对甲烷菌有毒的、非离子化的n h 3 。通常， 产甲烷菌最适p h 大致范围在6 8 7 2 。因此，在厌氧消化过程中的p h 是一个重 1 0 城市污水混凝预处理及污泥厌氧消化试验研究 要的控制参数。 在消化系统中，如果水解发酵阶段与产酸阶段的反应速率超过产甲烷阶段， 则p h 会降低，影响产甲烷菌的生活环境。但是，在消化系统中，由于缓冲溶 液的作用，在一定范围内可以避免发生这种情况。因此，在消化系统中，应保 持碱度在2 0 0 0 m g l 以上，使其有足够的缓冲能力，可以有效的防止p h 下降。 消化液中的脂肪酸是甲烷发酵的底物，其浓度也应保持在2 0 0 0 m g l 左右。 1 3 2 4 氧化还原电位 厌氧环境是厌氧消化过程得以进行的前提条件。厌氧环境主要以体系中的氧 化还原电位来反映，其主要标志是消化液具有为负值的氧化还原电位。氧的溶入 是引起厌氧消化系统的氧化还原电位升高的最主要的原因。除氧以外，其他一些 氧化剂或氧化态物质的存在同样能使系统中的氧化还原电位升高，当浓度达到一 定程度时，会严重降低厌氧消化反应的进行。可见，氧的存在不仅不会起促进作 用，相反会起到毒害、抑制作用。中温厌氧消化系统及浮动温度厌氧消化系统要 求的氧化还原电位应低于3 0 0 - - 3 8 0 m v 。 1 3 2 5c n 比 厌氧消化池中，细菌生长所需要营养由污泥提供。合成细胞所需的碳源担负 着双重任务，其一是作为反应过程的能源，其二是合成新细胞。衡量厌氧微生物 营养水平的基本指标也使用碳氮比。最佳的碳氮比应控制在1 0 ：1 3 0 ：1 。碳氮比 过低，氮量过多，氨氮容易积累，导致系统p h 值上升，抑制消化过程。碳氮比 过高，细胞的氮量不足，消化液的缓冲能力不足，v f a 容易积累。此时，可以 增加富氮物质( 如粪便、下水污泥等) 调节碳氮比到适宜的范围。 1 4 混凝预处理对厌氧消化的影响 污水处理过程中混凝预处理对后续厌氧消化过程产生的影响主要有两个方 面：一方面经过一级强化处理后污泥量显著增加；另一方面，污泥中含有了大量 的混凝剂和絮凝剂，使得污泥的成分更为复杂，新增加的物质会影响厌氧消化。 城市污水混凝预处理及污泥厌氧消化试验研究 1 4 1 混凝预处理过程中污泥量变化 混凝法强化城市污水一级处理中一个突出的难题是产生的化学污泥量多，体 积大，增大了后续污泥处理的负荷和难度，提高了单位污水量的处理成本，直接 影响和制约了c e p t 技术的推广运用。 用化学强化一级处理工艺处理城市污水所产生的化学污泥，其成分除了包含 原污水中大部分的胶态和悬浮态的污染物外，还含有一定量的絮凝剂成分，而且 污泥的产量将明显增大。产量可通过工艺计量学做初步估算，在初沉池投加化学 药剂，初沉池污泥产量将增加5 0 1 0 0 ，如设后续生物处理，则全厂污泥增加 6 0 7 0 。在二沉池投药，全厂污泥量将增加1 0 2 5 t 2 引。一般生化污泥的生 成率约为4 0 ，污泥含水率在9 8 以上；而强化絮凝污泥生成率为4 5 5 0 ， 污泥含水率为9 2 9 5 t 2 5 1 。在化学混凝沉淀过程中污泥的产量主要由去除的悬 浮物、胶体和药剂水解产