（环境工程专业论文）剩余活性污泥脱水的高级处理方法研究.pdf

硕 ：论文 剩余活性污泥脱水的高级处理方法研究 摘要 随着经济社会的高速发展，城市污水处理厂的处理量和处理率逐年提高，污水的处 理过程中会产生大量的剩余活性污泥。活性污泥的主要特性是含水率高，需要对其进行 调理以改变其特性，再进行后续的处理处置。聚电解质调理法能显著加快泥水分离速度， 提高污泥沉降性能，是现今应用最为广泛的调理方法，但却无法解决调理后污泥滤饼含 水率偏高这个问题。因此，本论文以移除污泥中的水分为主要目的，研究了表面活性剂 处理和酶处理这两种高级处理方法对活性污泥脱水性能的影响。 采用十六烷基三甲基溴化铵( 简称c r a b ) 和十二烷基磺酸钠( 简称s d s ) 这两种表面 活性剂进行活性污泥调理，首先将c t a b 和s d s 与其它化学提取剂进行对比，研究了 它们对污泥中胞外聚合物( e p s ) 的提取效果，并通过分析污泥上清液中的钙镁离子含量 和d n a 含量等，阐述了表面活性剂对e p s 的提取机理。然后以污泥滤饼含水率、污泥 滤饼结合水含量、污泥沉降性能、污泥过滤性能为指标，评价了它们对污泥脱水性能的 影响，并通过分析絮体结构变化，阐明了表面活性剂在活性污泥体系中的作用机制。结 果表明，表面活性剂有良好的e p s 提取效果，能显著降低过滤后污泥滤饼含水率和结合 水含量，其中c t a b 效果优于s d s 。c t a b 投加量为1 5 t s 时可将滤饼含水率降低约 1 0 ，又能改善污泥沉降性能和过滤性能。此外，表面活性剂和聚电解质联合调理工艺 的结果表明，两种试剂联用于污泥调理中，能够发挥各自独特的作用，同时降低污泥含 水率和提高污泥沉降性能。 采用淀粉酶、蛋白酶、纤维素酶等酶试剂进行污泥调理，研究了酶试剂对剩余活性 污泥脱水性能的影响，以及酶试剂对污泥厌氧消化过程的影响。结果表明，酶试剂有一 定的e p s 提取效果，能降低过滤后污泥滤饼含水率，改善污泥脱水性能，其中蛋白酶 效果最佳；酶试剂对污泥厌氧消化过程有明显的促进作用，能降低处理后污泥滤饼含水 率以及污泥总固含量、有机物含量，利于后续的稳定化处置。 关键词：污泥脱水，污泥调理，胞外聚合物，表面活性剂，酶，厌氧消化 a b s t r a c t w i t hh i g h s p e e de c o n o m i ca n ds o c i a ld e v e l o p m e n t ，t h ec a p a c i t ya n de f f i c i e n c y o f s e w a g et r e a t m e n ti si n c r e a s i n g t h e n al a r g ea m o u n to fa c t i v a t e d s l u d g ew a sp r o d u c e d a c t i v a t e d s l u d g eh a st h em a i nc h a r a c t e r i s t i co f h i g hw a t e rc o n t e n t c o n d i t i o n i n gi sn e e d e dt o c h a n g e t h ei d e n t i t yb e f o r ed i s p o s a l p o l y e l e c t r o l y t e c o n d i t i o n i n g i saw i d e l yu s e d c o n d i t i o n i n gm e t h o d i tc a ns p e e du pt h er a t eo fw a t e rs e p a r a t i o na n di m p r o v e s e t t l e m e m p e 渤m l a n c es i g n i f i c a n t l y h o w e v e r ，i th a sap r o b l e mt h a th i g h e rw a t e r c o n t e n ti ns l u d g ec a k e a f t e rc o n d i t i o n i n g t h i sp a p e rt o o kr e m o v i n gt h ew a t e ri ns l u d g e a st h em a i no b j e c t l v e ， s t u d i e dt h ei m p a c to ns l u d g ed e w a t e r i n gp r o p e r t i e s o ft w oa d v a n c e ds l u d g et r e a t m e n t s ， s u r f a c t a n tc o n d i t i o n i n gm e t h o da n de n z y m ec o n d i t i o n i n gm e t h o d c e t y lt r i m e t h y la m m o n i u mb r o m i d e u s e df o rs l u d g ec o n d i t i o n i n g f i r s t ，t h e ( c t a b ) a n ds o d i u md o d e c y ls u l f a t e ( s d s ) w e r e e x t r a c t i o ne f f i c i e n c yo fe x t r a c e i l u l a rp o l y m e r i c s u b s t a n c e s ( e p s ) i nt h es l u d g ew a ss t u d i e d e x t r a c t i o nm e c h a n i s mo fe p s w a si n v e s t i g a t e d b va n a l y z i n gt h ec a l c i u ma n dm a g n e s i u mi o na n dd n a c o n t e n ti nt h es u p e m a t a n t ln e n d e w a t e r i n gp r o p e r t i e s ，s u c ha sw a t e rc o n t e n to fs l u d g ec a k e ，s e t t l e m e n tp e r f o r m a n c e ，n l t e r p e 渤咖a n c e ，w e r es t u d i e dt oe v a l u a t et h ei m p a c to f s u f f a c t a n t so nt h ep e r f o r m a n c eo fs l u d g e d e w a t e r i n g b ya n a l y z i n gt h es l u d g e f l o cs t r u c t u r e ，t h ec o n d i t i o n i n gm e c h a n i s mw a s e x p l a i n e d e x p e r i m e n t a lr e s u l ts h o w e dt h a ts u r f a c t a n t sc o u l de x t r a c te p s o fs l u d g e ，r e d u c e w a t e rc o n t e r i to fs l u d g ec a k e c t a bh a sab e t t e re f f e c tt h a ns d s w a t e rc o n t e n to fs l u d g e c a k ea f t e rf i l t e r i n gw a sd e c r e a s e d1 0 w h e nt h ec t a bd o s a g ew a s1 5 t s ，s e d i m e n t a t i o n a n df l i t r a t i o np e r f o r m a n c e sw e r ea l s oi m p r o v e d i na d d i t i o n ，c o m b i n e d t e c h n o l o g yo f s u r f a c t a n ta n dp o l y e l e c t r o l y t es h o w e dt h a tt w or e a g e n t su s e df o rs l u d g e c o n d i t l o n l n g1 n c o n j u n c t i o nc o u l db o t hr e d u c ew a t e rc o n t e n ta n di m p r o v e s e t t l e m e n tp e r f o r m a n c e e n z y m e s s u c ha sa m y l a s e ，p r o t e a s e ，c e l l u l o s e ，w e r eu s e df o rs l u d g ec o n d i t i o n i n g i h e i m p a c to na c t i v a t e d s l u d g ed e w a t e r i n gp r o p e r t i e s a n da n a e r o b i cd i g e s t i o np r o c e s sw e r e r e s e a r c h e d e x p e r i m e n t a lr e s u l ts h o w e dt h a te n z y m e sc a ne x t r a c ta c e r t a i na m o u n to fe l s ， r e d u c ew a t e rc o n t e n to fs l u d g ec a k ea n di m p r o v ed e w a t e r i n gp e r f o r m a n c e p r o t e a s e h a da b e t t e re f f e c tt h a no t h e r s e n z y m e sc o u l dp r o m o t ea n a e r o b i cd i g e s t i o np r o c e s s ；r e d u c e w a t e r c o n t e ：n to fs l u d g ec a k ea n dt o t a ls o l i dc o n t e n t ，o r g a n i cc o n t e n t ，a n dc o n d u c i v et ot h ed i s p o s a l k e yw o r d s ：s l u d g ed e w a t e r i n g s l u d g ec o n d i t i o n i n g , e x t r a c e l l u l a rp o l y m e r i c s u b s t a n ， s u r f a c t a n t s ，e n z y m e ，a n a e r o b i cd i g e s t i o n i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学 位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布 过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的 材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明 确的说明。 研究生签名：整筮蝽 呵年月巧日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上 网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权 其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文， 按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：2 0 0 9 年6 月 硕i ：论文剩余活性污泥脱水的高级处理方法研究 1 引言 1 1 污泥处理处置国内外概况 1 1 1 选题的意义 随着经济社会的高速发展，生产、生活用水量不断增加，产生的工业废水和生活污 水也迅速增长。为改善生态环境，促进水资源的可持续利用，我国城市污水处理厂的处 理量和处理率也逐年提高，预计2 0 1 0 年污水排放总量为1 0 5 0 亿m 3 a ，处理率要达到 5 0 1 1 1 。城市污水处理厂普遍采用的工艺为普通活性污泥法、氧化沟法、间歇式活性污 泥法等。污水的处理过程中，必然产生大量的活性污泥，污泥量占污水处理量的 o 3 0 5 ( 体积) 或1 - 2 ( 质量) ，如果进行深度处理，污泥量会增加0 5 1 t 2 1 。据统计， 欧美等发达国家的污泥产量每年大约以5 - 1 0 的速度增长，1 9 9 2 年欧盟的干污泥产量 为6 5 0 万吨，2 0 0 0 年增加到8 9 0 万吨，2 0 0 5 年突破了1 0 0 0 万吨【3 】。据美国环保署统计， 1 9 9 8 年美国的干污泥产量为6 9 0 万吨，2 0 0 5 年达到7 6 0 万吨，预计2 0 1 0 年将超过8 2 0 万吨【引。据我国环保总局统计，2 0 0 3 年我国城市污水厂的湿污泥产量为9 0 0 万吨( 含水 率为8 0 ) ，约为1 8 0 万吨干污泥【5 1 。污泥的急剧增加已成为一个严重的环境问题。 污泥组成十分复杂，变异性大，含有大量的有机物质、病原物生物、重金属、有机 物、氮、磷等富营养化元素及其它有害物质，如不适当处理，会污染堆放地区的水体、 土壤和大气等周围环境，将对动物、人类以及环境造成极大的危害。如何妥善处置污泥， 使其减量化、安定化、无害化、资源化已成为全球关注的课题。 1 1 2 污泥的性质和分类 污泥的主要特性是含水率高，通常在9 9 以上。污泥絮体为水中悬浮物胶结凝聚而 成，结构松散，形状不规则，高度非均匀，比表面积与孔隙率极高，具有分形结构，外 观上具有类似绒毛的分支与网状结构，呈胶状液态1 6 1 。污水处理厂不同的处理工艺所产 生的污泥量和污泥性质不尽相同，按来源和处理方式一般可将其分为三类【7 8 j ： ( 1 ) 初级污泥或化学污泥 初级污泥来源于初沉池，指初级污水经初沉池初步混凝后，以重力沉降或气浮等分 离所得的污泥。其中含有许多粪便、蔬菜、水果、纺织物、纸类残渣等悬浮物质，含水 率较低，通常为9 2 9 8 ，其悬浮固体水合物与多数溶解性有机物尚未经微生物消化分 解。经过絮凝剂聚集或化学除磷等处理的这类污泥也可称化学污泥。由于药剂投加的位 置不同，化学污泥可以来自初沉池，也可以来自二沉池或二沉池后的沉淀池、滤池等。 ( 2 ) 二级污泥或活性污泥 二级污泥来源于生物池，指由生物处理方法所产生的活性污泥。主要由初级污泥在 曝气槽与悬浮状态的好氧性微生物及污水中的溶解性有机物接触，摄取水中生物分解成 1 1 引苦硕l ：论文 分进行生长繁殖而形成。此外还有生物膜法后冲刷下来的生物膜，其组成和活性污泥类 似。二级污泥结构松散，含水率极高，平均粒径在1 0 0 5 0 0 岬之间，脱水性差。 ( 3 ) - - - - 级污泥或消化污泥 消化污泥是生污泥经厌氧消化或好氧消化处理后的污泥，也称熟污泥或稳定污泥。 在污泥的消化处理过程中分解部分有机物，破坏污泥的高比表面积的疏松结构，将吸附 于其上的水分剥除成为自由水，改善污泥的沉降性与脱水性。好氧消化的污泥含水率一 般为9 6 - 9 8 ，厌氧消化后的污泥含水率为9 0 - - 9 7 。 1 1 3 污泥的处理处置 污泥的处理与处置一般流程是：浓缩_ 消化_ 脱水_ 卫生填埋或焚烧等。通常把污 泥的稳定和脱水称作污泥的处理，将污泥的堆肥、填埋、干化和加热处理及最终利用， 称为污泥的处置。污泥处理与处置的基本流程如图1 1 所示【9 1 ： 好氧或厌氧消化 i 农业绿化i 离心磙缩 刮= 卜 热处理 i 真空过滤 l i 卫生垣埋i l 污泥 4卜 l 千化床 l i 焚烧 i 【1 重力浓缩卜j i 湿式氧化 生物除臭 l 压澹机 l 投放海洋i 图1 - 1 污泥的处理与处置基本流程 f i g 1 1f l o wc h a r t so fs l u d g et r e a t m e n ta n dd i s p o s a l 1 1 3 1 污泥的处理 由于污泥具有高含水量以及颗粒结构疏松等物理性质和极不稳定的化学性质，处理 难度和处理成本较大，因此在干燥、焚烧等最终处置之前，需对污泥进行一系列的处理 以改变其特性。污泥处理和污泥处置是紧密相关的，污泥处理的效果直接影响污泥的最 终处置。 ( 1 ) 浓缩 剩余活性污泥的含水率很高，一般要先进行浓缩处理。污泥浓缩可使污泥初步减容， 使其体积减小为原来的几分之一，从而便于后续的处理或处置。污泥浓缩的常规方法有 重力浓缩、气浮浓缩和离心浓缩。在选择浓缩方法时，应综合考虑污泥的性质、来源、 污泥处理流程及最终处置方式等。污泥浓缩后其含水率可降为9 5 左右，呈流动状。 ( 2 ) 调理 污泥调理主要是指通过添加化学药剂或采用物理、生物方法来改善污泥沉降性能与 脱水性能。依据调理机制可将其分为物理法、化学法、生物法，其中化学调理法操作简 2 硕：l 论文 剩余活性污泥脱水的i 岛级处理方法研究 单，投资成本较低，调理效果较稳定，是目前广泛应用的方法。 ( 3 ) 脱水 污泥脱水分为自然干化脱水和机械脱水两大类。自然干化脱水指将污泥摊置到由砂 石铺挚的干化场上，通过蒸发、渗透和清液溢流等方式实现脱水。这种脱水方式维护管 理工作量很大，并产生大范围的恶臭。机械脱水指利用机械设备进行污泥脱水，占地少， 恶臭影响也较小，但运行维护费用较高。按脱水原理可将机械脱水分为三类：真空过滤 脱水、压滤脱水和离心脱水。机械脱水可进一步降低污泥含水率( 一般可降至7 0 。8 0 ) ， 减少体积。目前常用的机械脱水设备有真空过滤机、板框压滤机、带式压滤机和离心机。 ( 4 ) 稳定 厌氧消化是目前我国最常用的污泥稳定处理工艺，包括水解、酸化、产乙酸、产甲 烷四个阶段。厌氧消化一般有中温消化和高温消化，在国内的实践中，最常用的是中温 消化( 3 2 3 5 。c ) 。随着该技术的不断革新，厌氧消化又发展为两相消化工艺和两级消化 工艺。厌氧消化能产生大量的沼气，可以将其作为热能或者用来发电，同时消化污泥是 种很好的土壤改良剂，含有一定的灰分和有机物，能有效提高土壤肥力、改善土壤结 构。但是厌氧消化投资大，时间长，易受环境条件的影响，存在一定的局限性。 1 1 3 2 污泥的处置 污泥的处置方法很多，各国之间也有很大差异，一般有以下几种：堆肥处理、农用 绿化、卫生填埋、海洋倾倒、焚烧处理等。污泥的处置应该朝着无害化、资源化和能源 化的方向发展，避免二次污染，并对污泥自身实现充分的利用。 ( 1 ) 堆肥农用 堆肥农用被认为是一种积极、有效的污泥处置方法。污泥中含有丰富的有机营养成 分如氮、磷、钾等和植物所需的各种微量元素如c a ，m g ，c u ，z n ，f e 等，其中有机 物的浓度一般为4 0 , - - , 7 0 ，高于普通的农家肥。如果污泥得到合理利用，可以改良土壤 结构，增加土壤肥力，促进作物的生长，是一种非常有价值的资源。但是污泥中含有重 金属、病原菌、寄生虫、有机污染物等有害成分，直接施用会污染土壤、水体，影响农 作物质量，危害人体健康，因此施用前必须经过无害化、稳定化的处理。 ( 2 ) 卫生填埋 卫生填埋是使用历史最久，也是最普遍的方法，其优点是能将污泥和其他固体废弃 物起处理，不需要高度脱水或自然干化，操作费用较低，其缺点是对场址和场地防护 处理的要求较高。近年来，由于废弃物运输费用逐渐提高以及填埋场址的饱和，该方法 受到了很大的限制。英国从1 9 9 6 年1 0 月开始对污泥的陆地填埋征收一定的税收，德国 从2 0 0 0 年开始要求填埋污泥的有机物含量小于5 ，美国污泥填埋的比例也逐步下降， 许多地区甚至已经禁止了污泥的填埋。据美国环保局估计，今后几十年内美国6 5 0 0 个 填埋场将有5 0 0 0 个被关闭。污泥填埋并不能避免环境污染，而只是延缓了时间【2 1 。 1 引苦 硕i ：论文 ( 3 ) 污泥焚烧 污泥焚烧是利用焚烧炉将脱水污泥加温干燥，通过高温氧化污泥中的有机物，使污 泥变成灰渣。污泥焚烧可以大量减少污泥体积( 1 t 干污泥焚烧后仅产出0 3 6 t 灰渣) ，便 于后续处理和运输，又能杀灭细菌。另外，污泥中所含有的重金属在高温下被氧化成稳 定的氧化物，可以制造陶粒、瓷砖等建材，综合利用的话可以真正实现污泥的稳定化、 无害化和资源化。但是焚烧也存在一些不足之处，如焚烧过程中会产生二次污染物如二 嗯英等有毒物质等，处理不当会对周围居民的健康产生一定的危害。 1 9 9 2 年欧盟各国的污泥焚烧比例上升至3 6 ，1 9 9 5 年同本用于焚烧的污泥已达 4 9 。从可持续发展的角度来看，污泥焚烧能实现最大化地减量，采用干燥一流化床焚 烧技术的污泥焚烧厂几乎不需使用矿物燃料助燃，且产生的余热可用于供暖发电，将是 污泥处置的最终出路【3 】。 ( 4 ) 投放海洋 污泥投放海洋是利用水体来消纳城市污泥，该方法简便经济，对于靠近海岸的大型 污水处理厂来说尤其方便。但此法对海洋生态系统和人类食物链构成威胁，可能造成严 重的后果，已在各国环保人员和公众当中引起激烈的争论，遭到严厉的批评。1 9 9 1 年 起美国全面禁止向海洋投弃污泥，1 9 9 8 年欧盟也做了类似的规定，中国政府于1 9 9 4 年 初接受3 项国际协议，承诺于1 9 9 4 年2 月2 0 日起不在海上处置工业废弃物和污水污泥。 世界各国对污泥的处置各有侧重，目前发达国家以填埋、农用及焚烧为主。西欧以 填埋为主，美国、英国和丹麦以农用为主，日本由于国土的限制，也以减量安定化为考 虑因素，以焚烧为主。一些国家污泥处置情况如表1 1 所剥2 】： 表1 - 1 一些国家污泥处置情况 t a b l e1 - 1t h ew a yo fs l u d g ed i s p o s a li nd i f f e r e n tc o u n t r i e s 1 1 4 我国剩余活性污泥的处理处置现状 我国的污泥处理处置与利用起步晚，不论是科研开发，还是工程实践，均远远落后 于发达国家和国内需求。我国城市污水处理厂用于污泥处置的投资，仅占污水处理厂总 4 硕l ：论文剩余活性污泥脱水的高级处理方法研究 投资的2 0 左右，而根据实际经验，要处理好污泥，耗费的运转成本占总成本的4 0 8 0 以上【1 0 】。较高的基建费用和运行费用使得许多污水处理厂把污泥处置放在二期工程，有 些污水厂即使有污泥处置设施，也很少运转，致使污泥处置仍以传统的填埋为主。有研 究者对我国1 0 9 座污水处理厂的污泥处置情况做了统计，如表1 2 所示： 表1 - 2 污水处理厂污泥处置情况统计表 t a b l e1 - 2s t a t i s t i c a lt a b l eo fs l u d g ed i s p o s a li ns e w a g ep l a n t s 污泥最终处置形式所占比例( ) 填埋 外运 自然干化综合利用 堆肥农用 露天堆放 焚烧 6 3 0 6 1 4 4 2 5 4 1 1 3 5 1 1 8 0 1 8 0 从表中可以看出，我国污泥处置仍以农用和填埋为主，由于我国在污泥管理方面对 污泥所含病原菌、重金属和有毒有机物等理化指标及臭气等感官指标重视的程度还不 够，污泥散发的臭气污染空气，病原菌对人类健康产生潜在威胁，重金属和有毒有害有 机物污染地表和地下水系统。而且1 4 4 2 的外运污泥都不知去向，可想而知如果这部 污泥没有妥善处置，对环境的危害是不言而喻的。应根据污水处理工艺，审慎选择污泥 处理和处置工艺，寻求新的、有效的污泥处置方法，使污泥治理走上健康发展的道路l l 。 1 2 污泥的高级处理方法 1 2 1 污泥的调理 在污泥处理及处置流程中，污泥脱水已成为一个非常重要的环节，而污泥的调理在 污泥脱水过程中起着关键作用。通过污泥调理，可以有效改善污泥自身特性，提高污泥 的脱水性能，以便后续处理和最终处置。 与生物法和物理法相比，化学调理法更为经济、便捷，是最常用的污泥调理方法。 当前污水处理厂一般采用絮凝剂进行调理。絮凝剂主要包括铝盐、铁盐和石灰等无机絮 凝剂，以及近十几年广泛采用的有机高分子絮凝剂。向污泥中投加各种絮凝剂，依靠其 电性中和作用以及吸附架桥作用，可以破坏污泥胶体颗粒的稳定状态，使分散的小颗粒 相互聚集形成大颗粒，从而改善污泥的沉降性能和过滤性能。 但这种传统的调理法也产生了诸多问题。无机药剂投加量较高，增加了污泥的重量 和体积，减少了污泥的热值，并把金属带进了污泥的最终产物之中；有机高分子絮凝剂 价格昂贵，有些单体有毒性，危害人类生存环境。而且经研究发现【1 2 】，絮凝剂调理只能 1 引言 硕l ：论文 增加污泥过滤速度和沉降速度，不能提高污泥的可脱水程度。在当前污泥产量同益增加 的情势下，迫切需要开发经济、高效、实用的新型污泥调理方法。 1 2 2 污泥的高级处理方法简介 传统的絮凝剂调理法会产生污泥滤饼含水率偏高、絮体结构疏松，以及残余聚电解 质环境影响等问题【1 2 】，很多学者开始寻找新型的处理法来克服这种传统调理法的缺点。 朱敬平、李笃中掣1 3 】对多种污泥处理方法进行了深入的研究，详细介绍了酸碱处理 等化学方法和热处理、冷冻处理、超声波处理等物理方法；n e y e n s 1 4 1 系统地综述了化学 氧化( 过氧化氢) 、热处理、酸碱处理等处理方法对污泥脱水性能的影响。相关研究表明， 这些处理方法可能产生改变污泥絮体结构、释放与水解污泥中的有机物、杀灭了污泥中 的细菌等作用，从而提高污泥的脱水性能。 与絮凝剂调理法不同的是，这些污泥处理方法是以除去污泥中的水分、水解或降解 污泥中的有机物为主要目标，n e y e n s 等人称其为污泥的高级处理方法。应用于污泥处 理的这些高级处理方法，一方面可以通过改变污泥内部水分分布来改善污泥的脱水性 能，另一方面还能将污泥中不易水解的胶体或细胞壁予以溶解，促进污泥中有机物的水 解或去除，使污泥的性质趋于稳定。 有机物作为活性污泥的主要成分之一，对污泥脱水性能有着重要的影响。活性污泥 中大量的有机物聚集成生物膜或絮体的形式，称为胞外聚合物( e x t r a c e l l u l a rp o l y m e r i c s u b s t a n c e ，e p s ) 。在污泥高级处理方法的研究中，各学者都将污泥中的e p s 作为一项重 要的研究内容。了解e p s 在活性污泥中的功能，是研究各种高级处理方法的前提。 1 2 3 污泥的胞外聚合物( e p s ) 1 2 3 1e p s 的产生和组成 活性污泥中含有较多的有机物，如碳水化合物、脂肪、蛋白质等。我国污泥中的有 机物含量为5 0 - 7 0 ，一些发达国家为6 0 - 一8 0 1 5 1 。e p s 是一种附看于细胞表面的不溶 性有机物，占污泥中总有机物的比例约为5 0 9 0 ，是生物絮体的主要组成部分。e p s 通过连接细胞和其他物质以稳定污泥的絮体结构，为微生物提供最基本的生长条件，同 时从废水中吸收新陈代谢所需的营养，并形成保护屏障，抵抗苛刻的外界环境。 e p s 可能由细菌产生，可能为水解产物，或是从废水中吸附的离子，也可能来自被 吸附在絮体上的废水中的有机物，因此，微生物新陈代谢、进水基质和细胞溶解是e p s 的主要来源。e p s 包括荚膜、粘液层及其他表面物质，其有机物部分主要由多糖、蛋白 质、核酸和腐殖酸组成，其中多糖和蛋白质约占e p s 总量的7 0 8 0 。在污水污泥处理 中，e p s 对于活性污泥的絮凝、沉降、脱水等各种性能有着重要的影响【1 6 1 。 1 2 3 2e p s 对污泥脱水性能的影响 e p s 能改变活性污泥表面电荷、疏水性、颗粒粒径等性剧1 7 】，从而影响活性污泥的 6 硕l 论文 剩余活性污泥脱水的高级处理方法研究 絮凝性能、沉淀性能以及脱水性能等。 e p s 对活性污泥絮凝影响很大【1 8 1 。絮凝是聚合物粘附在细胞表面从而在悬浮液中的 细胞间形成架桥的结果。m c k i n n e y 首次发现e p s 与细菌絮凝之间的关系，他提出了细 菌絮凝是由于e p s 包裹细胞壁，降低了细胞的有效临界电势。p a v o n i 观察到在内源呼 吸期细胞絮凝作用明显，而e p s 也在此生长期内以高速率合成，他推测e p s 是发生絮 凝作用的直接原斟1 9 】。 e p s 对活性污泥的脱水性能也有重要影响。h i g g i n s t 2 0 】认为e p s 的存在使脱水性能 变差，e p s 像胶囊一样包围在细菌的周围且不断向溶液中分泌粘性聚合物，高含水率的 e p s 虽然为微生物提供了良好的保护，但增加的结合水却成为污泥脱水的一大障碍。 h o u g h t o n 等【2 l 】研究发现e p s 的存在对各类不同性质污泥的脱水性能都产生了负面影 响。m i k k e l e s e n 冽认为e p s 的存在使污泥絮体处于稳定状态，影响了污泥的过滤性能， 由于e p s 的增多使得更多的水分嵌入污泥絮体中而很难通过机械过滤将其去除，因此 活性污泥中e p s 越多，污泥滤饼的含水率越高，污泥脱水性能也更差。 1 2 4 高级处理方法对e p s 和污泥脱水性能的影响 e p s 的存在对污泥脱水性能带来了不良影响，因此研究者认为，脱落或水解活性污 泥中的e p s 可以有效地释放出原本由e p s 结合的水分，这是提高活性污泥脱水性能关 键。而高级处理方法可能产生水解活性污泥中的e p s 以及瓦解微生物细胞结构等多种 作用，从而使絮体内部间隙水和细胞内部间隙水被释放变成自由水，污泥水分分布发生 变化，污泥可脱水程度提高，最终导致污泥脱水效果好。 有研究者将高级处理的作用机制归纳为两个方面【1 4 1 ：一是活性污泥经高级处理可降 解e p s ，减少了e p s 所结合的水分；二是改变了絮体颗粒的粒径大小，促进了絮凝作 用。下面以研究较多的高级处理方法为例，阐述其对e p s 及污泥脱水性能的影响【驯。 ( 1 ) 热处理 热处理被认为是最适合作为杀菌与水解的高级处理法，大量的热能直接破坏污泥絮 体结构，促使细菌死亡和有机物释出。n e y e n s 将活性污泥在1 2 0 下处理6 0 m i n ，发现 毛细吸水时间降低，泥饼的固含量由原来的3 0 增加到4 3 ，脱水性能得到明显改善。 w a t s o n i 驯认为高温使e p s 中的蛋白质不可逆转地失去活性从而实现降解。e v e r e t t 2 5 1 测 定了热处理后活性污泥水相中的c o d 浓度，实验表明污泥经处理后溶液中c o d 含量 大大升高，说明热处理可以将污泥e p s 中的大分子有机物降解为氨基酸、挥发性酸以 及单糖等物质，并溶解于溶液中，从而使得c o d 含量升高。 ( 2 ) 酸碱处理 酸碱处理会明显地影响活性污泥中微生物的新陈代谢，也直接改变污泥的絮体形 状、絮体有机物的分布以及颗粒间的凝聚。因此，酸碱处理对活性污泥脱水性能有着重 7 1 引苦 硕l j 论文 要的影响。许多研究者表明酸碱处理可有效地促进有机物水解，而且p h 的变化也会使 微生物细胞不能维持j 下常的渗透压，发生胞溶并水解。w a t s o n 2 4 认为同热处理一样，p h 的急剧变化也会导致污泥絮体中蛋白质变性。朱敬平【1 3 j 发现经酸碱处理后污泥上清液中 的钙离子和镁离子浓度随p h 的上升而降低，代表污泥内i - i + 浓度越高，絮体内有越多的 钙镁离子被取代出来，这个明显的离子交换作用将导致污泥絮体的解体。c h e n i 冽研究 了酸和表面活性剂的联合处理对活性污泥的影响，结果表明酸和表面活性剂可以通过改 变污泥絮体的表面性质，将污泥絮体中的e p s 脱落下来，释放出间隙水，从而提高了 污泥的脱水性和沉降性。袁园1 2 7 j 认为酸处理中i t 与污泥负电荷结合，改变了污泥的表 面电荷特性，促进了污泥絮体的絮凝和e p s 的水解，降低了污泥絮体对水的结合力。 ( 3 ) 化学氧化 化学氧化包括h 2 0 2 氧化、0 3 氧化等。n e y e n s t l 4 1 采用h 2 0 2 与二价铁盐发生的f e n t o n 反应来处理活性污泥，认为这种氧化还原反应能破坏聚合物的相互链接作用，在常温下 能快速降解e p s 。另外，也有学者认为f e n t o n 反应是通过降低z e t a 电位和增强絮体疏 水性来改善污泥脱水性能的。k 、阳n 1 2 8 】将污泥臭氧氧化处理后发现污泥的脱水性能明显 改善，在臭氧的用量为1 0 0 1 2 0 0 m 9 0 3 g s s 的范围内均能降低泥饼的含水率和z e t a 电位， 臭氧用量为5 0 0 m 9 0 3 g s s 时结合水含量也由1 2 5 9 g s s 降低到6 9 g s s 。 此外，其他高级处理方法对活性污泥e p s 必然也存在很大的影响。比如o 咖e c i l 2 9 】 报导了冷冻溶解法使污泥絮体变得脆弱，释放了大量e p s 中的蛋白质和多糖，处理后 上清液中的蛋白质从2 m g l 升高到2 6 m g l ，多糖从4 m g l 升高到4 0 m g l 。t h o m a s 采 用酶处理法，认为投加水解酶可使e p s 降解，从而提高脱水性能。 各种高级处理方法在国内外都有一些相关的研究，但实际应用起来还有很大的难 度。物理法可使污泥的絮体结构被充分破坏，脱水性能大大提高，但是投资大、运行费 用高，操作复杂，难以用来实际处理如此大量的污泥；酸碱等化学处理法也仅限于实验 室研究，由于酸碱会给处理金属设备带来不良影响，目前还不能真正地应用于实际的污 泥处理工艺中。当前污泥产量的急剧增加，迫切需要我们开发一种在运行和操作上经济 简便，且能够同时改善污泥脱水速度、脱水程度等污泥性能的新的高级处理方法。 1 3 本论文的目的和研究内容 根据文献的报导，表面活性剂和酶试剂对活性污泥絮体中的e p s 具有良好的提取 效果，从理论上说，两种试剂均可作为污泥高级处理试剂。本论文首先深入研究了普通 商品化阳离子聚电解质对剩余活性污泥脱水性能的影响，探讨它的优势与不足。然后着 重研究了表面活性剂处理法和酶处理法，旨在水解或去除活性污泥中的e p s 、提高活性 污泥的可脱水程度。 表面活性剂处理法中，本论文研究了表面活性剂的e p s 提取效果，并通过一系列 r 硕j ：论文剩余活性污泥脱水的高级处理方法研究 测试，分析表面活性剂对e p s 的提取机理，然后以污泥滤饼含水率、污泥滤饼的结合 水含量、污泥过滤速度等作为评价指标，研究了表面活性剂对活性污泥脱水性能的影响， 并通过分析污泥絮体特征变化，探讨了表面活性剂对活性污泥脱水性能的影响机制。 酶处理法中，本论文设计了“剩余活性污泥一酶试剂调理”和“剩余活性污泥一酶试 剂调理一进入厌氧消化”这两种不同的处理工艺，研究了酶试剂对剩余活性污泥脱水性 能以及污泥厌氧消化进程的影响。 本论文主要包括以下几个方面的研究内容： ( 1 ) 聚电解质对剩余活性污泥脱水性能的影响研究。 ( 2 ) 表面活性剂对剩余活性污泥脱水性能的影响研究。 ( 3 ) 聚电解质和表面活性剂的联合调理对剩余活性污泥脱水性能的影响研究。 ( 4 ) 酶试剂对剩余活性污泥脱水性能的影响研究。 ( 5 ) 酶试剂对污泥厌氧消化进程的影响研究。 9 2 聚电解质对剩余活性污泥脱水性能的影响研究 硕i ：论文 2 聚电解质对剩余活性污泥脱水性能的影响研究 2 1 概述 絮凝剂调理法是当前污水处理厂应用最广的一种活性污泥化学调理方法。常用的有 机高分子絮凝剂包括聚丙烯酰胺、活化硅酸、骨胶、海藻酸钠等，根据官能团的不同， 可以分为阳离子型、阴离子型、非离子型和两性型，由于活性污泥表面通常带负电荷， 根据电性吸附原理，阳离子型有机高分子絮凝剂在污泥调理中应用最为广泛。有机高分 子絮凝剂投加量少，凝聚效果好1 3 。 有机高分子絮凝剂通过吸附电中和作用、吸附架桥作用以及沉淀物卷扫作用，从而 有效地加快泥水分离，提高污泥沉降速度和过滤速度。但是添加有机高分子絮凝剂对污 泥滤饼含水率和污泥可脱水程度的影响却存在一定的争议，一些研究者认为有机高分子 絮凝剂与水分子在污泥颗粒表面存在竞争吸附，使污泥表面的水分减少，从而降低污泥 滤饼含水率【3 ，但是，一些研究者发现有机高分子絮凝剂调理无法提高污泥的可脱水程 度【1 2 l ，甚至还增大污泥滤饼含水率【3 2 】。 本章选择了三种商品化的阳离子聚电解质作为有机絮凝剂的代表，用于活性污泥调 理中。一方面以污泥沉降速度、污泥滤饼含水率、毛细吸水时间等为指标，评价了聚电 解质对污泥脱水性能的影响，一方面也研究了调理后污泥e p s 分布的变化，考察了聚 电解质对与污泥脱水性能密切相关的e p s 的影响。 2 2 实验材料与方法 2 2 1 实验药品与仪器 2 2 1 1 实验药品 实验中所用的三种阳离子聚电解质的基本性质如表2 1 所示。 表2 - 1 实验试剂 t a b l e2 1e x p e r i m e n t a la g e n t s 2 2 1 2 实验仪器 实验中所用的主要仪器如表2 2 所示。 1 0 硕卜论文 剩余活性污泥脱水的高级处理方法研究 表2 - 2 实验仪器 t a b l e2 - 2e x p e r i m e n t a li n s t r u m e n t s 2 2 2 实验步骤与方法 2 2 2 1 污泥调理 剩余活性污泥取自南京城东污水处理厂的曝气池出口，取回的污泥先在实验室进行 自由沉降，弃去部分上清液后，浓缩的污泥作为实验用的污泥样品。污泥样品于4 c 冰 箱中保存，所有污泥测试实验均在三天内完成。污泥的基本性质按照城市污水处理厂污 泥检测方法测定。污泥性质如表2 3 所示。 表2 3 剩余活性污泥样品的性质 t a b l e2 - 3t h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ea c t i v a t e ds l u d g e 准确称取阳离子聚电解质0 5 9 ，溶于2 5 0 m l 的去离子水中，配置成0 2 的标准溶液。 此三种标准溶液需在使用前2 4 h 配制，以保证聚电解质的充分溶解。 在6 个烧杯中分别加入4 0 0 m l 的污泥样品，随后依次加入上述三种聚电解质标准溶 液，聚电解质的投加量分别为污泥干重的0 、o 1 、0 2 、0 5 、1 、2 ，之后将污 泥样品置于程控搅拌机下以2 7 0 r m i n 的转速搅拌l m i n ，改变转速为3 5 r m i n 再搅拌9 m i n ， 使药剂和活性污泥充分混合，之后进行其它实验。实验操作流程如图2 1 所示。 2 聚电解质对剩余活性污泥脱水性能的影响研究 硕f ：论文 污泥滤饼含水率的测定 污泥过滤速度的测定 污泥沉降速度的测定 污泥上涪液中e p s 含量的测定 图2 1 实验操作流程图 f i g 2 - 1f l o wc h a r t so fe x p e r i m e n to p e r a t i o n s 2 2 2 2 污泥总固含重( t s ) 的测定 t s 的测定采用重量法1 3 3 1 。量取体积为v ( m l ) 的样品( 通常取5 0 m e ) ，倒入已恒重的 质量为m l ( g ) 的瓷坩埚内；将带有样品的瓷坩埚放在水浴锅上蒸，将其中水分蒸发近干， 将其移入烘箱内1 0 3 1 0 5 烘干2 h ，取出放入干燥器内，冷却o 5 h 后称重，反复几次， 直到恒重为m 2 ( g ) 。t s 计算方法如式( 2 1 ) ： t s s ( g l ) = m 2 i - 一1 0 0 0( 2 1 ) y 2 2 2 3 污泥有机物含量( v s ) 的测定 v s 的测定采用重量法【3 3 1 。量取体积为v ( m l ) 的样品( 通常取5 0 m l ) ，倒入已恒重的 质量为m l q ) 的瓷坩埚内；将带有样品的瓷坩埚放在水浴锅上蒸，将其中水分蒸发近干， 将其移入烘箱内1 0 3 1 0 5 烘干2 h ，取出放入干燥器内，冷却0 5 h 后称重，反复几次， 直到恒重为m 2 ( 曲；将烘干后的样品和瓷坩埚放入马弗炉中( 5 5 0 5 0 ) 灼烧1 h ，关掉电 源，待炉内温度降至2 0 0 c 左右时取出，冷却后称重为m 3 ( g ) 。v s 计算方法如式( 2 2 ) ： v s s ( g l ) = m 2 i - 一m 3 1 0 0 0 ( 2 2 ) y 2 2 2 4 混合物污泥浓度( m is s ) 的测定 m l s s 的测定采用重量法【3 3 】。用无齿扁嘴镊子夹取微孔滤膜放于称量瓶内，移入烘 箱，于1 0 3 1 0 5 。c 烘干o 5 h 后取出，置于干燥器内冷却至室温，称重，反复多次，直至 恒重为m l ( g ) 。将已恒重的微孔滤膜正确地放在滤膜过滤器的托盘上，加盖配套的漏斗， 并用镊子固定好，以蒸馏水湿润滤膜，并不断吸滤。 量取均匀的污泥混合