（环境工程专业论文）剩余污泥“水解好氧消化”减量化的试验研究.pdf

摘要 摘要 目前，世界各国在污泥处理领域仍以污泥厌氧消化工艺为主，但厌氧消化工 艺在应用中存在着加热消耗大量能源、水力停留时间长( h r t ) 、反应效率不高、 维护管理问题较多等缺点。而污泥好氧消化法虽然具有投资少、运行管理方便、 基建费用低以及最终产物无臭味等优点，但是由于供氧需要动力，其运行费用较 高，一般只适合中小型污水处理厂的污泥处理，同时采用好氧消化处理时，污泥 中细菌细胞质的主要成分胞外聚合物( e p s ) 和蛋白质分解不彻底，实际减量化的效 率并不高。因此，改进传统的污泥消化工艺，研究和探索污泥减量化的新工艺， 这对于国内污水处理厂污泥处理的节能降耗是十分有意义的。 本文通过对以上两种生物处理工艺优缺点的分析，提出了“水解好氧消化”污 泥减量化工艺，从理论上分析其可行性后，再对此工艺进行试验研究。 试验研究分两部分进行。第一部分是静态试验，首先分析水解段p h 值、温度 ( d 和污泥停留时间( s r t ) 对污泥水解效果的影响，确定最佳的水解条件为t = 2 5 左右、p h = 6 2 - - 6 5 和o r p = - 3 0 0 - 一- 0 m v ，然后在最佳水解条件下进行试验，考查 水解段剩余污泥中m l s s 和m l v s s 的浓度、m l v s s m l s s 的比值、m l v s s 去除率 以及上清液中的溶解性c o d ( s c o d ) 的变化：再研究好氧消化阶段溶解氧( d o ) 、 p h 值和水力停留时间( h r t ) 对消化效果的影响，确定最佳的好氧消化条件为 t = 2 5 - 3 0 c 、p h = 6 5 7 5 和d 0 = 2 - - - 3 m g l ，然后对水解段处理后的剩余污泥进行 好氧段试验，考查好氧段剩余污泥中m l s s 和m l v s s 的浓度、m l v s s m l s s 的比 值、m l v s s 去除率以及上清液中的溶解性c o d ( s c o d ) 的变化。试验结果表明， 在2 0 d 的水解反应过程中，污泥中m l v s s 和m l s s 的浓度以及m l v s s m l s s 的比 值均有不同程度的下降，水解池内上清液中的溶解性c o d ( s c o d ) 从6 9 7 m g l 上升至u 9 9 9 2 m g l ，污泥中m l v s s 的去除率达到了3 8 9 4 ；在1 4 d 的好氧反应过 程中，污泥中m l v s s 和m l s s 的浓度以及m l v s s m l s s 的比值虽有少许波动，但 总体上均表现为下降，污泥中m l v s s 的去除率达到了1 9 1 0 。所以，“水解好氧 消化”工艺处理剩余污泥可行，而且m l v s s 总去除率达到了5 0 6 。 第二部分是动态试验。在静态试验得出最佳工艺条件的基础上，在常温( 2 5 广东工业大学硕士学位论文 左右) 下进行动态试验，进一步考察“水解好氧消化”工艺的可行性和运行稳定 性。并通过试验确定常温条件下h r t 和s r t 等参数，为工程设计和运行提供参 考。试验结果表明，在实际工程中，综合考虑到经济性和去除效果，当水解段 h r t 和s l 玎分别为1 0 d 、1 4 d ，好氧段h r t 和s r t 分别为1 4 d 、1 7 d 时，水解段 和好氧段m l v s s 的去除率分别为3 8 9 4 和1 9 8 8 ，总的去除率可达到5 1 0 8 ， 既取得了较好的处理效果又可节省投资成本和运行成本。 本文的研究结果为剩余污泥“水解好氧消化”工艺的工业应用提供了试验数 据。 关键词：剩余污泥；水解；好氧消化；减量化 a b s t r a c t a bs t r a c t a tp r e s e n t ，t h ea n a e r o b i cd i g e s t i o nt e c h n i q u ei sd o m i n a t i n gf o rs l u d g e t r e a t m e n ta l lo v e rt h ew o r l d b u ti ts t i l le x i s t sm a n ys h o r t c o m i n g s ，s u c ha sa m a s so fe n e r g yc o n s u m p t i o nb e c a u s eo fh e a t i n g ，l o wr e a c t i o ne f f i c i e n c y , c o m p l e xs t r u c t u r e ，i n c o n v e n i e n to p e r a t i o ng u i d a n c e ，a n dd e m a n d i n g e n v i r o n m e n tf o ra n a e r o b i cm i c r o o r g a n i s m w h i l e ，t h es l u d g ea e r o b i c d i g e s t i o nt e c h n i q u ei sw i d e l yu s e d f o rs l u d g et r e a t m e n to fs m a l la n d m e d i u ms c a c l ew a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n tb e c a u s eo fl e s si n v e s t m e n t ， c o n v e n i e n to p e r a t i o nm a n a g e m e n t ，l o w e rc a p i t a le x p e n d i t u r ea n dn oo d o u r ； b u ti ta l s oh a sal o tofs h o r t c o m i n g s ，s u c ha sh i g e rr u n n i n ge x p e n s eb e c a u s e o fp o w e rc o n s u m p t i o nr e q u i r e db yo x y g e ns u p p l y a n di t ss o l i dr e m o v a li s c h a n g e dw i t ht h ef l u c t u a t i o n o ft e m p e r a t u r e i nw i n t e r ，t h er e m o v a li sl o w e r a n d ，b e c a u s et h ec y t o p l a s m o fc a c t e r i ai ns l u d g ei sm a i n l yc o m p o s e do f e x t r a c e l l u a r p o l y m e r i cs u b s t a n c e s ( e p s ) a n dp r o t e i n ，i t c a n t b e d i s a s s e m b l e dt h o r o u g h l y t h e r e f o r e ，t h ep r a c t i c a le f f i c i e n c yo fs l u d g e r e d u c i n gi na e r o b i cd i g e s t i o nt e c h n i q u ei sn o th i g h s o ，i m p r o v i n gc o n v e n t i o n a ls l u d g ed i g e s t i o nt e c h n i q u ea n dr e s e a r c h i n g an e ws l u d g er e d u c i n gt e c h n i q u ei sv e r ys i g n i f i c a t i v ef o rt h el o w e re n e r g y c o n s u m p t i o ni ns l u d g et r e a t m e n t t h r o u g ht h ea n a l y s i s oft h em e r i t sa n dd e m e r i t sofa e r o b i ca n d a n a e r o b i c s l u d g e t r e a t m e n t t e c h n i q u e s ， e x c e s s s l u d g e “h y d r o l i z a t i o n a e r o b i cd i g e s t i o n ”r e d u c i n gt e c h n i q u ew a sa d v a n c e d at e s t r e s e a r c ha b o u tt h et e c h i q u ew a sc a r r i e dt h r o u g ha f t e rt h ef e a s i b i l i t y a n a l y i s i si nt h e o r y t h i st e s tw a sc o m p o s e do ft w os e g m e n t s t h ef i r s tw a sc a p t i v et e s t t h eo p t i m a lp a r a m e t e r s ( t = 2 5 ，p h = 6 2 6 5 ，o r p - - - 3 0 0 0 m v ) o fh y d r o l y z ew e r ef i x e df o rt e s tt h r o u g ht h ea n a l y s i s o fs l u d g eh y d r a t i o nr a t i oi n f u e n c e db yp h ，ta n ds r t u n d e rt h eo p t i m a l h y d r o l y s i sc o n d i t i o n ，t h ev a r i a t i o n so fm l s sa n dm l v s sc o n c e n t r a t i o n ， r a t i oo fm l v s s m l s s ，r e m o v a lo fm l v s sa n ds c o di nh y d r o l y s i st a n k 广东工业大学硕士学位论文 w e r ee x a m i n e d a n dt h e n ，t h eo p t i m a lp a r a m e t e r s ( t = 2 5 3 0 c ，p h = 6 5 7 5 ，d o = 2 3 m g l ) o fa e r o b i cd i g e s t i o nw e r ef i x e df o rf u r t h e rt e s tt h r o u g h t h ee x a m i n a t i o no fd i g e s t i o ne f f e c ti n f l u e n e db yd o ，p ha n dh r t u n d e r t h eo p t i m a la e r o b i cd i g e s t i o nc o n d i t i o n ，t h ev a r i a t i o n so fm l s sa n dm l v s s c o n c e n t r a t i o n r a t i oo fm l v s s m l s s ，r e m o v a lo fm l v s sa n ds c o di n a e r o b i dt a n kw e r ee x a m i n e d t h et e s tr e s u l ts h o w e dt h a t ，i nt h e2 0d a y s h y d r o l i z a t i o n ，t h ec o n c e n t r a t i o no fm l s sa n dm l v s sa n dt h e r a t i oo f m l v s s m l s sd e c l i n e dw i t hv a r y i n gd e g r e e s t h ec o n c e n t r a t i no fs c o di n s u p e r n a t a n tl i q u i do fh y s r o l y s i st a n kw a su pt o9 9 9 2 m g lf r o ms u p e r n a t a n t l i q u i da n dt h er e m o m a lo fm l v s sr e a c h e d3 8 9 4 d u r i n gt h ea e r o b i c d i g e s t i o n ，t h ec o n c e n t r a t i o no fm l s sa n dm l v s sa n dt h er a t i o o f m l v s s m l s sd e c l i n e do nt h ew h o l e ，a n dt h er e m o m a lo fm l v s sr e a c h e d 19 10 s oe x c e s s s l u d g eh y d r o l i z a t i o n a e r o b i cd i g e s t i o n ” r e d u c t i o n t e c h n i q u ew a sf e a s i b l ea n dt h et o t a lr e m o v a lr a t i ow a su p t o5 0 6 t h es e c o n dw a sd y n a m i ct e s t b a s e do nt h eo p t i m a lt e c h i n i c sc o n d i t i o n o ft h ec a p t i v et e s t ，t h ed y n a m i ct e s tw a sc a r r i e do u tu n d e rt h en o r m a l t e m p e r a t u r e ( a b o u t2 5 。c ) f o rf u r t h e rd e r m i n a t i o no ft h ef e a s i b i l i t y a n d r u n n i n gs t a l i l i t yof h y d r o l i z a t i o n a e r o b i cd i g e s t i o n r e d u c i n gt e c h n i q u e a n dt h eo p t i m a lh r ta n ds r tw e r ef i x e dt h r o u g ht h et e s t i no r d e rt o p r o v i d es o m er e f e r e n c e f o re n g i n e e r i n gd e s i g na n ds y s t e mr u n n i n g t h e r e s u l ts h o w e dt h a tw h e nt h eh r ta n ds r t i nh y d r o l i z a t i o nr e a c t o rw a s1o d a n d14 d ；a n dw h e nt h es lh r ta n ds r ti nh y d r o l i z a t i o nr e a c t o rw a s14 da n d 17 dr e s p e c t i v e l y ，t h er e m o v a lr a t i oo fm l v s si ne a c hr e a c t o rr e a c h e d 38 9 4 a n d19 8 8 a n dt h et o t a lr e m o v a lr a t i or e a c h e d51 0 8 i nt h i s c o n d i t i o n b e t t e rm l v ssr c m o v a lr a t i ow a so b t a i n e d ，a n dt h ei n v e s t m e n t r u n n i n gc o s tw e r es a v e da l s o t h er e s u l t p r o v i d e d s om e e x p e r i m e n t a l d a t af o rt h ei n d u s t r i a l a p p l i c a t i o no fe x c e s ss l u d g e “h y d r o l i z a t i o n a e r o b i cd i g e s t i o n ”t e c h n i c s k e yw o r d s ：e x c e s ss l u d g e ：h y d r o l i z a t i o n ；a e r o b i cd i g e s t i o n ；r e d u c t i o n 广东工业大学硕士学位论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人 在导师的指导下进行的研究以及所取得的成果。尽我所知，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的或撰写过的研究成果， 不包含本人或其它用途使用过的成果。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。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下所取得 的，论文成果归广东工业大学所有。 申请学位与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 论文作者签字：黑1 碜魃 指导教师签字：弓押妈弘 2 0 0 9 年4 月2 7 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 剩余污泥的产生及成分 1 1 1 剩余污泥的产生 活性污泥法是目前应用最为广泛的污水生物处理技术，但是它一直存在一个 很大的弊端，就是会产生大量的剩余污泌t 】。剩余污泥主要来自活性污泥法的沉 砂池、初沉池和二沉池，其中二沉池污泥约占8 0 以上。应用活性污泥法处理污 水，即通过大量的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作为营养物质为微生物所摄 取、代谢与利用，从而使污水得到净化，净化后达标的上清液经消毒后排放或重 复利用。同时，在处理过程中，微生物因获得食物而合成新的细胞，使净化能力 得以持续，因此，在生物处理系统中，需要排出部分老化的污泥以维持恒定的活 性生物量，于是产生了剩余污泥。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产物。 剩余污泥产生量一般是污水处理量的0 3 , - - - , 0 5 ( 以含水率9 7 计) ，数量十 分惊人；目前污泥处理的投资和运行费用巨大，可占整个污水厂投资费用的2 5 6 5 t 2 1 ，已成为城市污水处理厂所面临的沉重负担。 1 1 2 剩余污泥的成分 从污水处理厂排出来的剩余污泥一般由松散的物质组成，其特点是：含水率 较高，污泥容积可达其所含固体容积的数十倍；由多种微生物形成的菌胶团与其 吸附的有机物和无机物组成，如含有n 、p 、k 及多种微量元素和有机质以及对人 体有害的病原微生物、寄生虫卵、重金属及某些难降解的有机物等。 1 1 2 1 污泥中的有机物 在生物处理过程中，活性污泥对水中有机物进行迅速吸附，这些有机物还来 不及降解即被排放到系统外，所以活性污泥的有机物主要吸附在污泥表面，其成 分复杂，包括有机酸、苯衍生物等。 广东工业大学硕士学位论文 1 1 2 2 污泥中的重金属和无机物 污泥中的重金属离子含量，决定于城市污水中的工业废水所占比例及工业性 质。污水经二级处理后，重金属离子约有5 0 以上转移到污泥中，因此，污泥中 重金属离子含量都较高。 污泥中除了重金属外，往往还含有2 0 - 3 0 的无机物，主要是s i 、a l 、f e 和c a 等成分。根据污水性质的不同，这些成分也有所不同。 1 1 2 3 病毒、病原体微生物 污泥中存在相当数量的病源微生物和寄生虫卵。从夏秋季新鲜的污泥样品中 共检出1 2 种细菌1 3 1 ，这些病菌中多数属于肠道和呼吸道传染病菌，能引起肠胃炎 及生物中毒。病毒有脊髓灰质炎病毒、肝炎病毒、艾柯病毒和柯萨奇病毒等；寄 生虫卵主要为蠕虫，以线虫卵和绦虫卵最为常见 4 1 。 由于污泥的体积非常庞大，性质很不稳定，极易腐化，不利于运输和处置， 污泥中还含有一些有害成份。因此，必须对污泥进行及时处理和处置，其目的在 于：使污水处理厂能够正常运行，确保污水处理效果：使有害有毒物质得到妥善 处理或利用；使容易腐化发臭的有机物得到稳定处理；使有用物质能够得到综合 利用，变害为利。 可以说，剩余活性污泥高效低耗的减量化、资源化、无害化处理，已成为城 市污水处理厂目前最急需解决的问题。 1 2 剩余污泥的减量化技术 传统的污泥处理是以污水处理系统中排出的污水污泥为对象，采用浓缩、调 质、脱水、干化等处理方法，降低污泥含水量、减少体积，实现污泥减容化。处 理后的干化污泥有两种处置方法：一种是进行填埋和焚烧等直接处置：另一种是 用作有机肥料、制作建筑材料、制成陶粒和活性炭等，从而实现污水污泥的资源 化利用。然而，现有的污泥处理技术成本都比较高，主要适合大型污水处理厂。 随着城市污水处理普及率的提高，中小城市污水处理厂产生的剩余污泥量逐渐增 多。污泥处理规模愈小，单位处理量的投资愈高。因此，从技术和经济两方面考 虑，中小城市污水处理厂污泥的处理将成为一个新的问题，需要研究开发合适的 2 第一章绪论 新技术。剩余污泥减量化或无剩余污泥技术正是在这样的背景下研究开发的。 剩余污泥减量与减容有本质的区别。减容化是通过降低污泥含水率来缩小污 泥体积，其中的生物固体量几乎得不到减少；减量化则是通过利用物理、化学、 生化的手段，使得整个污水处理系统向外排放的生物固体量达到最少【5 】，是从根 本上、实质上减少污泥的产生量。污泥减量目的除了减少污泥的最终处置量外， 还减轻了污泥对环境和土壤的危害。 剩余污泥的减量化可通过源头控制和末端处理两个方面来实现。 1 2 1 源头控制技术 源头控制，即从源头着手，在污水处理过程中想方设法的减少污泥产生或排 放量。这也符合在选择污泥处理方法时的优先级原则，尽量避免产生污泥和污泥 循环，两者统称为污泥的源头消减。污泥的源头消减是通过物理、化学、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，从根本上、实质上减少污泥量，是从 源头进行治理的清洁生产。经减量化的污泥产量极大消减，从而最大程度上减少 污泥处理处置的负荷和费用。在某些情况下甚至可能实现污泥“零”排放，从而彻 底解决污泥问题。 目前的污泥源头减量技术分为三类，一类是基于细胞溶解( 或分解) 一隐性 生长的污泥减量技术：第二类原理是增加系统中细菌捕食者的数量，是模拟自然 生态系统中的食物链原理进行的污泥减量化技术；第三类是采用化学或生物方法 促进解偶联代谢，造成能量泄漏，从而使生物生长效率下降。 1 2 1 1 基于隐性生长的污泥减量化技术 微生物先分解代谢污水中有机底物，将其转化为二氧化碳和水，然后利用分 解代谢释放的能量进行合成代谢。当微生物以其自身细胞溶解产物为底物并重复 上述新陈代谢时，污泥的产生量就会减少。这种微生物靠自身细胞溶解产物生长 的方式称之为隐性生长睁”，隐性生长的减量化技术主要是靠采用热处理、酸、碱、 超声波等一些物理化学手段m ”，促进细胞的溶解和投加一些特别选择的微生物菌 株、酶等以强化生物系统的代谢功触4 】。 广东工业大学硕士学位论文 1 碱一热结合污泥减量化技术 c a n a l e s 等0 5 1 在膜生物反应器处理生活污水的小试研究中加入了一个热水解 处理装置。研究表明，污泥经热水解处理( 9 0 ，停留时间3 h ) 后大部分细胞被 杀死并溶解，促进了微生物的隐性生长，污泥产量减少了6 0 ，污泥产率为 0 17 k g m l s s k g c o d 。 r o c h e r 等 8 1 研究和比较了热处理、酸、碱对细胞溶解的影响，发现在p h - - 1 0 和t = 6 0 时培育2 0 m i n ，细胞溶解和生物降解最稳定，污泥产率是常规工艺的 3 8 - - 4 3 。但该技术的不足在于需要投加n a o h 和输入能量以调整系统的p h 值 和温度。此外，复杂的工艺操作和反应设备的腐蚀也是此技术工业化应用的限值 因素。 2 超声波结合污泥减量化技术 n e i s 等( 1 6 1 通过实验比较了不同频率下的超声波处理，发现污泥菌胶团解构的 频率随着超声波频率的升高而降低，4 1 k h z 下处理效率是3 2 1 7 k h z 下处理效率的 9 7 倍，因此污泥处理中一般采用不超过4 0 k h z 的超声波。超声波虽具有无污染、 能量密度高、分解速度快等优点，但超声波应用于污泥处理的机理、超声处理运 行参数的优化、超声波与污水处理工艺的合理组合等仍需进一步研究。 3 臭氧化结合污泥减量化技术 此技术是利用臭氧的强氧化性来达到污泥破解的目的，然后将破解后污泥回 流到活性污泥生化处理系统。由于臭氧氧化壁超声波破解、热处理和化学法等污 泥破解技术破解率高，能耗低旧，所以与臭氧氧化结合的一些工艺能够实现污泥 零排放，并可用于工业化的实际应用。 s a k a i 等【1 1 1 研究表明，回流率为o 3 d 1 ，臭氧浓度在0 0 2 m 9 0 3 m g s s 以上时， 可以达到污泥的完全减量化。 y a s u i 等【1 0 1 在2 0 世纪9 0 年底代提出了臭氧氧化污泥减量工艺，然后对处理 不同废水的工艺进行了一系列的可行性研究，在出水水质没有显著恶化的情况下， 这种工艺能做到污泥的零排放。y a s u i 还从经济学角度对此工艺进行了评价，结 果表明，结合臭氧氧化后的整个过程的运行费用与传统活性污泥工艺加上后续污 泥的处理与处置费用相比仍然是的低的。但是，臭氧化的有效性极大取决于活性 污泥的物理结构以及系统的运行状况，这些使得臭氧投加方式的优化非常困难。 另外，经过臭氧氧化后使难处理的有机碳释放到污水中。 4 第一章绪论 4 氯化结合污泥减量化技术 s e b y 等【1 8 】采用氯化代替臭氧化来进行污泥量的研究，结果表明，当氯投加 量为1 3 3 m g g m l s s d 时，污泥产量减少了6 5 。 虽然从运行成本角度来讲，氯化运行成本只有臭氧化的1 0 ，但是由于与臭 氧相比，氯是一种相对弱的氧化剂，投加量大约是臭氧的7 1 3 倍；此外氯化过 程中会产生三氯甲烷等具有危害性的副产物，这些给此技术的工业化应用带来一 定的挑战。 1 2 1 2 基于生物捕食的污泥减量化技术 污水为微生物提供了理想的生存和繁殖环境，在污水中存在由各种微生物组 成的复杂食物链和生态系统。根据生态学原理，食物链越长，该传递过程的能量 损失越大，而生物的产生量越小【1 9 】。因此，促进捕食细菌的微生物生长，增加活 性污泥系统中微生物食物链的长度，是减少污泥产量的有效方法。 梁鹏等【z o ，在活性污泥反应器中引入红斑瓢体虫以考察其生长条件和对剩余 污泥减量效果的影响。研究结果表明，不同污泥龄( 1 5 d - - - 3 4 d ) 条件下，对剩余 污泥的减量比例为3 9 5 8 。 吴敏等 2 1 1 采用蚯蚓污泥稳定床来处理剩余污泥得到了良好的效果。其研究表 明，当污泥负荷为0 2 8 - - - 0 4 2 k g ( m 3 d ) 、c o d 负荷为o 3 2 - - 0 4 8k g ( m 3 d ) t v j ，污 泥稳定床对剩余污泥的s s 去除率可达9 9 左右。 1 2 1 3 基于解偶联代谢的污泥减量化技术 解偶联代谢，即为细菌分解代谢和合成代谢不再由三磷酸腺苷( a t p ) 的合 成与分解偶联在一起，从而降低微生物的合成量。在一般情况下，微生物的分解 代谢和合成代谢是通过a t p 和二磷酸腺苷( a d p ) 之间的转换而联系在一起的。 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， 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，即分解代 谢和合成代谢解偶联，细菌在保持正常分解底物的同时，表观产率系数降低，污 泥产生量减少，从而达到污泥减量的目的。 解偶联的污泥减量化技术主要是靠投加解偶联剂或者改变微生物环境条件 来实现的。 5 广东工业大学硕士学位论文 1 投加解偶联剂 用于污泥减量的解偶联剂有：2 ，4 二硝基苯酚( d n p ) 、对硝基苯酚( p n p ) 、 3 ，3 ，4 ，5 四氯水杨酰苯胺( t c s ) 、2 , 4 ，5 三氯苯胺( t c p ) 、五氯苯酚( p c p ) 、 甲酚和氨基酸等。 l o w 等i 笠】报道在实验室规模的活性污泥系统，加入p n p 后，生物量可减少 4 9 ，但同时系统底物的去除率也随之下降2 5 。 c h e n 铮：，】观察到在加入质量浓度为0 8 m g l 的t c p 后，污泥产量减少7 8 ， 且对底物的去除效率没有显著影响。 投加解偶联剂可在不改变现有工艺的条件下达到污泥减量的目的，但在工程 应用中还存在一些问题，如：增加了氧的消耗；降低了c o d 的去除效率：长时 间用药后微生物被驯化，失去解偶联作用：所有的解偶联剂都属于异性生物质， 对环境存在潜在的危害。 2 高s 。) ( o ( 底物浓度污泥浓度) 条件下的解偶联 高s o x o 条件下，微生物在分解代谢中产生a t p 的速率要大于合成代谢中消 耗的速率。a t p 累积后，能量以热和功的形式散失到环境中，降低污泥产率，减 少污泥产量。 由于要求较高的s o x o 值( 8 1 0 ) ，远远大于实际活性污泥法处理污水时 的情况( f m = o 0 5 - - 0 1 ) ，所以高s o x 0 条件下的解偶联技术还不能用于实际的 污水处理。 3 好氧一沉淀一厌氧法解偶联 好氧沉淀厌氧( o x i c s e t t l i n ga n a e r o b i c ，o s a ) 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。 c h u d o b a 等发现，在o s a 工艺中，污泥量可比传统活性污泥法减少约 2 0 6 5 。同时，o s a 工艺处理污水过程中产生的活性污泥的s v i 值低，说明活 性污泥的沉淀性能也得到了改善。而且，由于o s a 的流程和除磷的流程相似，有 利于除磷菌的生长，对磷的去除优于传统活性污泥法。 o s a 工艺主要应用在进水有机物浓度较高的条件下，如果进水的有机物浓度 较低，则o s a 工艺的剩余污泥产量与传统活性污泥法相差不大。而且，由于o s a 工艺的h r t 较长( 是传统活性污泥法的两倍) ，使得在较低有机物浓度下的处理 6 第章绪论 与传统活性污泥法相比在污泥减量方面没有优势。 1 2 2 末端处理技术 通过末端处理对污泥进行减量即通过一定物理、化学和生物的方法对已经产 生的污泥进行处理，使其减量化。 1 2 2 1 物理化学法 1 超声波法 超声波对污泥的破解主要受声波频率、声能密度、声波作用时间、污泥性质 等影响。s h o w a 等【：5 】对低频率超声波处理污泥最优条件的研究表明，污泥固体质 量分数在2 3 一- 3 2 、超声波声能密度为0 5 2 w m l 时，破解污泥达到最好的效果， 且最佳作用时间为l m i n 。 超声波无环境顾虑，国外( 如德国等) 已经把超声波应用与实际污泥处理工 艺中，但超声波仍存在声能密度利用效率低和能耗大的问题，通常与其他污泥处 理和处置工艺联合适用。 2 氧化剂破解法 氧化剂破解法是利用强氧化剂如臭氧、氯气和f e n t o n 试剂等将污泥溶解为生 ! ， 物可降解的物质。 n e y n s 铮2 6 】进行的f e n t o n 试剂处理污泥中试试验中，在p h = 3 的室温常压下，加 入f c 2 + 1 6 7 9 瓜g ( 以每千克固形物含量( d s ) 计) 和h 2 0 2 2 5g k g ( 以每千克d s 计) 试，污泥饼中d s 和有机干固形物含量( o d s ) 减少超过3 0 。 3 热处理法 在一定温度下，污泥中的碳水化合物和脂肪都是容易降解的，但蛋白质被细 胞壁保护而难降解。在6 0 - - 1 8 0 下，对污泥进行热处理，可以破坏细胞壁使蛋白 质溶出鲫。王治军铮：s 】在1 7 0 下热水解污泥3 0 m i n 后，蛋白质溶出率为3 9 2 5 ， s c o d 达9 0 0 0 m g l 。 4 湿式氧化( w o ) 法 用w o 技术氧化处理城市污泥是w o 法最成功的研究领域，目前有5 0 以上的 w o 装置用于活性污泥的处理1 2 9 。k h a n 铮：7 】研究表明，温度是w o 效果的最重要影 7 广东工业大学硕士学位论文 响因素，通入氧气( 空气纯氧) ，在3 0 0 。c 下，w o 对污泥总固体( t s ) 和挥发 性总固体( v t s ) 的去除率分别达到6 0 和9 0 ，并产生大量以乙酸为主的挥发性 脂肪酸。 w o 技术具有短时高效、二次污染少等特点，但该法对设备和操作要求较高， 开发合适催化剂或与其他方法协同作用以降低苛刻的反应条件，有助于减少设备 投资和运行、维护费用，推动其实用化进程。 5 超临界水氧化( s c w o ) 法 超临界流体状态是介于气体和液体之间的一种特殊状态。当水的温度和压力 超过临界点( t c = 3 7 4 3 c ，p c = 2 2 0 5 m a a ) 时就形成一种超临界流体。在超临界条件 下，无需机械搅拌，有机物、空气( 氧) 和水均相混合开始自发氧化，无需外界供 热。在很短的反应停留时间内，9 9 9 9 以上的有机物能被迅速氧化成h 2 0 、c 0 2 、 n 2 等其它小分子。 第一座s c w o 法污泥处理厂在美国德克萨斯州哈林根建成，它对c o d 的去除 率炒股9 9 9 ，处理费用大约是1 8 0 美元t ( 以每吨干污泥计) ；出售此处理装置 产生的废热和c 0 2 产品，可部分抵消处理费用。 s c w o 法处理污泥不仅经济上比其他方法节约，而且较少不利环境影响，但 是此法需要高温、高压条件，对设备的防腐蚀要求较高。 1 2 2 2 生物法 1 好氧消化法 污泥好氧消化实质上是活性污泥法的继续，其工作原理是污泥中的微生物有 机体的内源代谢过程。通过曝气充入氧气，活性污泥中的微生物有机体自身氧化 分解，转化为c 0 2 、h 2 0 和n h 3 等，使污泥得到稳定p 1 3 2 1 。美国、日本和加拿大等 发达国家都有不少中、小型污水处理厂采用好氧消化处理污泥。 如果以c s h 7 n 0 2 表示细胞分子式，则好氧处理过程中发生的氧化作用可以表 示为： c s h t n 0 2 + 5 0 2 + h + 一5 c 0 2 + n h 4 + + 2 h 2 0( 1 1 ) 污泥好氧消化包括传统空气好氧氧化、高纯氧好氧一中温厌氧双重消化和自 8 第一章绪论 热式高温好氧消化a t a d ( a u t o t h e r m a lt h e r m o p h i l i ca e r o b i cd i g e s t i o n ) 。a t a d 技 术是近年来发展较快地稳定化技术【，3 1 。程洁红刚等设计的自热式高温好氧消化工 艺可使污泥的含水率降至6 5 - - 7 0 ，v s s 的去除率平均达到4 4 3 ，出泥可达 到美国a 级污泥标准，直接用作土壤肥料，彻底解决污泥的最终处置问题。 与现在普遍采用的污泥厌氧消化相比，污泥好氧消化具有以下优点：( 1 ) 对悬 浮固体的去除率与厌氧法大致相等；( 2 ) 上清液中的b o d 浓度较低( 1 0m g l 以 下) ；( 3 ) 处理后的产物无臭、类似腐殖质，肥效较高；( 4 ) 运行安全、管理方便；( 5 ) 处理效率高，需要的处理设施体积小，投资较少。 污泥好氧消化工艺运行管理方便、操作灵活、投资低、处理不容易失败，对 于处理量较小( 2 0 0 0 0 州d ) 的污水处理厂仍是一种有效实用的污泥稳定技术。 2 厌氧消化法 污泥厌氧消化处理是一种在厌氧状态下利用微生物使各种类型的有机物转 化为c i - h 、c 0 2 、h 2 0 和h 2 s 的消化技术，它可以去除废水中3 0 - - 5 0 的有机物并 使之稳定化，该法是大型污水厂最为经济的污泥处理方法。 污泥厌氧消化是一个极其复杂的过程。1 9 7 9 年b r y a n t 等人根据微生物的生物 种群提出厌氧消化三阶段理论，也是当前较为公认的理论模式。三阶段消化的第 一阶段，有机物在水解与发酵细菌的作用下使碳水化合物、蛋白质与脂肪经水解 和发酵转化为单糖、氨基酸、脂肪酸、甘油、二氧化碳和氢等。 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。乙醇的转化化学反应式如下： c h 3 c h 2 0 h + h 2 0 - c h 3 c o o h + 2 h 2 ( 1 2 ) 第三阶段，通过两组生理特性上不同的产甲烷菌的作用，将氢和二氧化碳转 化为甲烷，或对乙酸脱羧产生甲烷。产甲烷阶段产生的能量绝大部分都用于维持 细菌生存，只有很少能量用于合成新细菌，故细胞的增殖很少。在厌氧消化的过 程中，由乙酸形成的c h 4 约占总量的2 3 ，由c 0 2 还原形成的c h 4 约占总量的1 3 ， 如式( 1 3 ) 和式( 1 4 ) 所示。 4 h 2 + c 0 2 _ c h 4 + 2 h 2 0 ( 1 3 ) 9 广东工业大学硕士学位论文 2 c h a c o o h一2 c h 4 + 2 c 0 2 ( 1 4 ) 由上可知，产氢产乙酸细菌在厌氧消化中具有极为重要的作用。它在水解与 发酵细菌及产甲烷细菌之间的共生关系中起到了联系作用，通过不断地提供大量 的h 2 作为产甲烷细菌的能源以及还原c 0 2 生成c h 4 的电子供体【，s j 。 污泥厌氧消化根据甲烷菌对温度的适应性分为中温( 3 0 3 6 ) 和高温( 5 0 5 3 ) 消化两种形式。其中中温消化的消化时间为2 0 d - 3 0 d ，高温消化约为1 0 d - 1 5 d 。污泥的消化时间长，必然导致该工艺存在负荷低、运行不稳定、处理费用高 等特点。s o n g 等f 蚓对比了高温中温协同厌氧消化、单级中温消化和单级高温消化 处理污水处理厂污泥的效果。研究表明，高温中温协同厌氧消化的v s 去除率达 5 0 7 - - - 5 8 8 ，远高于单级高温消化或单级中温消化。 1 3 剩余污泥“水解好氧消化”减量化工艺的提出及概述 1 3 1 剩余污泥“水解好氧消化”减量化工艺的提出 剩余污泥是在污水处理过程中，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，其绝大部分由微生物菌体所组成鲫。因此，可以被微生物 所分解。 兼氧技术应用于污泥处理已有几十年的历史，但一直没作系统的分析和测 定，近几年来，因其能克服好氧处理连续曝气能耗高、厌氧处理条件苛刻等欠缺 而越来越受到人们的重视【，删】。兼氧技术应用于有机污泥处理是将污泥视为有机基 质进行水解酸化。从有机物降解的角度讲，水解污泥是稳定的污泥，而且总排 放量少】。 水解酸化是在污水厌氧工艺开发及应用过程中经过反复实验及分析所形成 的一种生物处理工艺。从工程应用上讲，水解酸化对环境条件( 如温度) 的要求 不高，而且在停留时间和能耗等方面比厌氧消化工艺具有更多的优势，具有良好 的工程应用前景。 对水解污泥的考察表明，从水解反应器内排出的污泥总量、污泥的有机物含 量、污泥卫生指标和脱水性能等各方面与传统消化池污泥相比，大多数指标大致 接近，有些指标甚至优于消化污泥，因此完全具备了从传统工艺流程中取消污泥 1 0 第一章绪论 消化的条件。这样，可以去掉消化贮气柜、生产锅炉房、消化池的投资，从而降 低基建投资和运转费用，简化了传统的工艺流程，使得传统的二级处理操作管理 都大为简化【引】。 所以，本课题采用“水解酸似好氧消化”工艺对剩余污泥进行处理，以突破现 有的污泥减量化局限，同时通过合理设计高效水解反应器结构以及通过试验调整 各反应器运行参数以取得最佳的处理效率。 1 3 2 剩余污泥“水解好氧消化”减量化工艺概述 1 3 2 1 污泥“水解好氧