（环境工程专业论文）臭氧化对污泥特性的影响及同步污泥减量工艺研究.pdf

摘要 摘要 为实现水资源的可持续利用，必须加大污水处理率，保护水环境。就目前 应用广泛的活性污泥法而言，在去除有机物的同时，也会产生大量的剩余污泥。 目前传统的污泥处理处置方法成本较高，且传统的处理方法很难满足日益严格 的环保法律法规。因此，剩余污泥的处理处置已经成为污水处理厂运行中的一 大难题。 为实现污水处理和污泥减量两大问题同时解决，结合m b r 和臭氧各自的优 点，开展了化学法和生物法相结合的污泥减量技术研究，对污泥臭氧化的特点 及其对m b r 运行效能的影响进行了考察。 在不同臭氧浓度和不同作用时间下，系统地考察了臭氧化破解污泥对污泥 混合液各项指标( m l s s 、m l v s s 、s c o d 、t n 、n h 3 n 、t p 、p h 、s o u r ) 的 变化，并根据各指标的变化规律对臭氧化污泥反应的机理进行了探讨。并选取 臭氧浓度和作用时间为主要影响因素，以混合液中s c o d 的溶出量( a s c o d ) 为衡量臭氧化破解污泥效率的指标进行了3 6 组实验，利用统计学对实验结果进 行二元线性回归分析，建立了臭氧化破解污泥反应的数学模型。在此基础上， 考察了m b r 臭氧化同步污泥减量工艺( 臭氧投加量为0 0 2 59 0 3 g s s ) 和对比工 艺( m b r 不加臭氧) 相同条件下长期运行6 0d 的污泥产量和出水水质。研究结 果表明： ( 1 ) 臭氧具有很好的溶解细胞的作用，臭氧化后的污泥s c o d 大大提高， 重新作为底物供微生物生长，能实现污泥减量。在臭氧浓度为4 0 2 5m g l 。1 的作 用过程中，s c o d 从开始的7m g l 。1 增加到3 0 6 7m g l 一，增长了4 3 倍。混合液 中t n 、t p 也在臭氧化作用下产生升高的现象。 ( 2 ) 臭氧化使得污泥混合液p h 和污泥活性( s o u r ) 均有下降的趋势，但 在低臭氧浓度o 0 39 0 3 g s s 时，s o u r 从9 9 2m 9 0 2 g v s s h 下降为6 4 5 m 9 0 2 g v s s h ，微生物活性仅下降了3 5 。 ( 3 ) 以臭氧浓度( c ) 和作用时间( t ) 为自变量，以a s c o d 为因变量建立的反 应数学模型为继黝= c 4 1 0 6xt 1 2 7 6 。且影响臭氧化破解污泥反应效率的 因素的大小顺序为：臭氧浓度 作用时间。 ( 4 ) 在运行的6 0d 内，两系统除取样外均未向外排泥，对比工艺污泥浓度 摘要 从开始的6 2 8 4m g l 以增加到1 1 4 1 0m g l 一，污泥浓度增长了5 1 2 6m g l 。而臭 氧化同步污泥减量工艺从开始的6 2 2 3m g l 1 增加到6 7 3 6m g l ，污泥浓度只增 长了5 1 3m g l 。对比工艺的污泥产率系数匕蜘为0 1 1 4 7 ，臭氧化同步污泥减量 工艺的污泥产率系数e 。为0 0 0 9 6 ，均大大小于传统的活性污泥工艺的污泥产率 系数。而臭氧化同步污泥减量工艺的污泥产率接近于污泥零排放。 ( 5 ) 臭氧化同步污泥减量工艺膜出水c o d 、n h 3 n 、t p 质量浓度均高于 对比工艺。其中t p 约高出一倍，但维持在3 5m g l 。1 以下。臭氧化对c o d 和 n h 3 - n 的去除效果影响不大，平均去除率分别为9 2 4 3 和9 5 7 。 本文所采用的臭氧化同步污泥减量工艺不同于传统的臭氧溶胞技术中的污 泥回流，臭氧直接加入到m b r 中，不需要建臭氧反应池，节约占地面积和基建 费用。m b r 臭氧化同步污泥减量工艺的提出并实验证明其具有一定的可行性， 这对该技术的工业推广具有重要的现实意义。 关键词：同步污泥减量；臭氧化；膜生物反应器；污泥产率 i l a b s t r a c t a b s t r a c t t oa c h i e v es u s t a i n a b l eu s eo fw a t e rr e s o u r c e s ，t h et r e a t i n gr a t eo fs e w a g ew a t e r m u s tb ei n c r e a s e dt op r o t e c tt h en a t u r a lw a t e re n v i r o n m e n t t h ea c t i v a t e ds l u d g e t r e a t m e n tp r o c e s si so n eo ft h em o s tc o m m o nm e t h o d su s e dt or e m o v eo r g a n i c c o n t a m i n a n t si nas e w a g ew a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t a sar e s u l t ，ac o n s i d e r a b l e a m o u n to fa c t i v a t e ds l u d g ew a sp r o d u c e du s i n ga c t i v a t e ds l u d g em e t h o d t h e c o n v e n t i o n a lm a n a g e m e n ta n dd i s p o s a lm e t h o d so fs e w a g es l u d g ew e r eu n d e r s t r o n g e rp u b l i co p p o s i t i o n a n ds t r i c t e r r e g u l a t o r yp r e s s u r e t h e r e f o r e ，t h e m a n a g e m e n ta n dd i s p o s a lo fe x c e s sb i o m a s sh a v eb e c o m ead i f f i c u l tp r o b l e mi na w a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t i no r d e rt oi m p l e m e n tb o t hd o m e s t i cw a s t e w a t e rt r e a t m e n ta n ds l u d g er e d u c t i o n ， t h et e c h n i c a ls t u a yo fs l u d g er e d u c t i o no fc o m b i n i n gt h ec h e m i c a lm e t h o dw i t h b i o l o g i c a lm e t h o dw a sd e v e l o p e d ，i n t e g r a t i n gt h em e r i t so fm b r a n di n - s i t us l u d g e o z o n a t i o n e f f e c t so fo z o n a t i o no ns l u d g ec h a r a c t e r i s t i c sa n do p e r a t i o no fm b r w e r e a l s os t u d i e d t o t a ls t u d yp e r i o dw a sd i v i d e di n t ot h r e es t a g e s a tf l r s ts t a g e as e r i e so fb a t c h s t u d i e sw e r ec a r r i e do u tt oi n v e s t i g a t et h ee f f e c to fo z o n a t i o no ns l u d g ep r o p e r t i e s ( m l s s 、m l v s s 、s c o d 、t n 、n h 3 - n 、t p 、p h 、s o u r e ta 1 ) a td i f f e r e n to z o n e c o n c e n t r a t i o n sa n da c t i o nt i m e s t h er e a c t i o nm e c h a n i s m so fs l u d g eo z o n a t i o nw e r e a l s od e v e l o p e db a s e do nt h ev a r i a t i o nl a w so fs l u d g ep r o p e r t i e s a tt h es e c o n ds t a g e ， 3 6s e r i e so fb a t c he x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u tt os t u d yt h ee f f e c t o fo z o n e c o n c e n t r a t i o na n da c t i o nt i m eo nas c o dw h i c hw a su s e dt oi n d i c a t et h ee f f i c i e n c y o fs l u d g eo z o n a t i o nr e a c t i o n s t a t i s t i c so ft h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sb yt h ed u a ll i n e a r r e g r e s s i o nw e r ea n m y z e dt ob u i l du pm a t h e m a t i c a lm o d e l o fs l u d g eo z o n a t i o n r e a c t i o n a tt h el a s ts t a g e ，t w ol a b o r a t o r ys c a l em e m b r a n eb i o r e a c t o r s ( m b r s ) w e r e o p e r a t e di np a r a l l e lf o ral o n gp e d o d o f6 0d a y st oe v a l u a t et h ei n f l u e n c eo fs l u d g e o z o n a t i o no n s l u d g ey i e l d a n dp e r m e a t eq u a l i t y t h et e s tr e a c t o ri sw i t h 0 0 2 5 9 0 3 g s so z o n ed o s a g ee x p o s e d t os l u d g e ，a n dt h ec o n t r o lr e a c t o ri sw i t h o u ta n y o z o n ee x p o s e dt os l u d g e b a s e do na b o v es t u d i e s ，t h em a i nr e s u l t sc a nb ec o n d u c t e d i i i a b s t r a c t a sf o l l o w i n g s ： ( 1 ) i tw a sf o u n dt h a to z o n ec o u l dd i s r u p tt h ec e l lw a l l sa n dc a u s et h er e l e a s eo f p l a s mf r o mt h ec e l l s ，w h i c hw a sr e u s e db ym i c r o b e u n d e rc r y p t i cc o n d i t i o n sr e s u l ti n t h ee x c e s ss l u d g er e d u c t i o n t h ec o n t e n to fs o l u b l eo r g a n i c s ( s c o d ) i nt h es o l u t i o n i n c r e a s e df r o m7 m g l t o3 0 6 7 m g l b y4 3t i m e sw i t h4 0 2 5m g l 1o z o n e c o n c e n t r a t i o ne x p o s e dt os l u d g e s l u d g eo z o n m i o na l s or e s u l t e di nt h ec o n t e n t so ft n a n dt pi n c r e a s e di nt h es o l u t i o n ( 2 ) t h e r ea r es o m ec h a n g e si np ha n ds o u ro fs l u d g em i x e dl i q u o r , b u tt h e m i c r o b i a l a c t i v i t yj u s td e c r e a s e db y 3 5 f r o m9 9 2 m 9 0 2 g v s s ht o6 4 5 m 9 0 2 g v s s 。ha tt h e0 0 39 0 3 g s so z o n ec o n c e n t r a t i o n ( 3 ) w i t ht h ei n d e p e n d e n tv a r i a b l eo fo z o n ec o n c e n t r a t i o n ( c ) a n da c t i o nt i m e ( t ) ， t h em a t h e m a t i c a lm o d e lw i t h d e p e n d e n t v a r i a b l eo fa s c o di s a s c o d = k o xc 4 1 0 6xt 1 2 7 6 a f t e r a i l a l y z i n g ，w ef o u n dt h ei n f l u e n c es e q u e n c e w a sa sf o l l o w i n g ：c t ( 4 ) t w os y s t e m sb o t hd i dn o td i s c h a r g es l u d g ee x c e p ts a m p l i n gd u r i n gal o n g p e r i o do f6 0d a y so fe x p e f i m e n to p e r a t i o n ，t h es l u d g ec o n c e n t r a t i o no fc o n t r o lr e a c t o r i n c r e a s e db y5 1 2 6 m g l f r o m6 2 8 4 m g l t o1 1 4 1 0 m g l b u tt h es l u d g e c o n c e n t r a t i o no ft e s tr e a c t o rj u s ti n c r e a s e db y513 m g 。l f r o m6 2 2 3 m g l 。1t o 6 7 3 6 m g l 一t h er e s u l t ss h o wt h a ts l u d g ey i e l dc o e f f i c i e n to fc o n t r o lr e a c t o ri so 114 7 a n dt h et e s tr e a c t o ri s0 0 0 9 6 b o t ho fw h i c ha r es m a l l e rt h a ns l u d g ey i e l dc o e f f i c i e n t i nc o n v e n t i o n a la c t i v a t e d s l u d g ep r o c e s s f u r t h e r m o r e ，i tw a sf o u n dt h a tt h ey i e l do f s l u d g eo ft e s tr e a c t o ri sc l o s et oz e r oe x c e s ss l u d g ep r o d u c t i o n ( 5 ) t h em e m b r a n ee f f l u e n tc o d 、n h 3 - n 、t pc o n c e n t r a t i o no ft e s tr e a c t o ra l l w e r eh i g h e rt h a nc o n t r o lr e a c t o r t h et po ft e s tr e a c t o ri st w i c ea sh i g ha sc o n t r o l r e a c t o r , a n db o t ho ft h e ma r eb e l o w3 5m g l o z o n a t i o ni n f l u e n c e dt h er e m o v a l e f f i c i e n c yo fc o da n dn h 3 - ns l i g h t l y , a n da v e r a g er e m o v a lr a t e so ft e s tr e a c t o rw e r e r e s p e c t i v e l y9 2 4 3 ( c o d ) a n d9 5 7 ( n h 3 - n ) t h en e wp r o c e s sc o n c e p to fi n - s i t uo z o n a t i o nf o rs l u d g er e d u c t i o ni sd i f f e r e n t f r o mt h ec o n v e n t i o n a ls l u d g er e ；y c l e t h eo z o n ec o u l db ea d d e dt om b rd i r e c t l yi n t h i ss i t et r e a t m e n tp r o c e s s t h e r e f o r e ，t h eo z o n eo x i d a t i o nt a n kc o u l db es a v e d ，a n d t h ef o o t p r i n ta n dc o n s t r u c t i o nc o s tc o u l da l s ob es a v e d t h i sp a p e ra n a l y z e dt h e l v a b s t r a c t p o s s i b i l i t yo fi n - s i t uo z o n a t i o nf o rs l u d g er e d u c t i o ni nm e m b r a n eb i o r e a c t o r , w h i c h w a so f p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ef o ri n d u s t r i a lp r o m o t i o n k e y w o r d s ：i n - s i r ef o rs l u d g er e d u c t i o n ；o z o n a t i o n ；m e m b r a n eb i o r e a c t o r ( m b r ) ； s l u d g ey i e l d v 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 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 为获得直昌太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写签字日期： d 孑年，2 月“日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、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。本人授权直昌太堂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、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 学位论文作 签字日期：略年f2 r 月如 文在解密后适用 导师签名： 签字日期： 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景和意义 1 1 1 提高污水处理率是保护水环境的有效手段 水资源是人类赖以生存和发展的重要资源之一，但目前，世界上约有8 0 多 个国家，近2 0 亿人口缺水，预计到2 0 1 0 年，缺水国家将达到9 0 个之多。中国 的水资源非常匮乏，且人口众多，人均水资源占有量约2 5 0 0 m 3 ，仅为世界人均 占有量的四分之一，位居第1 1 0 位，已别联合国列为1 3 个水资源贫乏的国家之 一。且中国的水资源分布存在地域和时间上的不平衡，这导致缺水问题更加严 重。 如果不考虑地域和时间不均造成的缺水外，按人均寿命为7 5 岁计算，一户 三口之家每个月的水资源占有量为：q 户：罢祟3 8 3 3m 3 ，从这个数字来看， ，) x l 二 我们并不缺水。但资料表明【1 1 ，我国6 0 0 多个城市中有4 0 0 多个存在不同程度的 缺水问题。而且这4 0 0 多个缺水的城市中，就有1 9 个城市的缺水是因为水源污 染所致，另有7 6 个城市缺水也与水源被污染有关。在被监测的1 2 0 0 多条河流 中，有8 5 0 多条河流受到了不同程度的污染，水污染加剧了水资源短缺问题。 据2 0 0 7 年中国环境状况公报【2 1 ，2 0 0 7 年我国废水排放总量为5 5 6 7 亿吨，比上 年增加3 7 。其中，工业废水排放量为2 4 6 5 ，比上年增加2 6 ，生活污水排 放量为3 1 0 2 ，比上年增加4 6 。因此，为了保护水资源，缓解水资源压力，我 们必须提高污水处理率。 1 1 2 剩余污泥是活性污泥法的瓶颈 一直以来，为了解决水污染问题，人们开展了广泛的研究和工程实践。就 目前最为常用的活性污泥法来说，已有近百年的历史【3 】。该方法自2 0 世纪初应 用于污水处理以来，因其处理效率高、运行稳定可靠等优点，在世界各地倍受 青睐，目前己成为全世界应用最广泛的一种污水处理工艺，在城市污水处理中 应用更为广泛，约有9 0 的城市污水处理厂采用活性污泥法【4 1 。活性污泥中含有 大量的微生物，这些微生物以污水中的有机物为食料进行代谢和繁殖，才降低 了污水中有机物的含量，从而达到净化水质的目的。但微生物在分解有机物的 1 第1 章绪论 同时，也通过合成代谢产生了大量的新的生物体，即所谓的剩余污泥( e x c e s s b i o m a s s ) 【5 】。剩余污泥的产量随污水排放量的增加及污水处理率的提高而不断 增加。2 0 0 7 年我国废水排放总量为5 5 6 7 亿吨，其中，工业废水排放量为2 4 6 5 ， 生活污水排放量为3 1 0 2 。如果6 5 的污水用生物法处理，按万吨废水产生2 7 吨( 干质量) 污泥计算，则全国将产生污泥9 7 7 万吨( 干质量) ，按含水率9 8 折算，则污泥为4 8 8 5 0 万吨。而随着城市污水处理率的提高，在今后几年内， 污泥的产量还将成倍增加，预计到2 0 1 0 年污泥产量将是现在的4 倍。 国际上对污泥的处理处置普遍遵循稳定化、无害化、资源化的原则。基此， 传统的污泥处理处置方法主要有：焚烧、土地填埋、填海、工农业回收利用等。 这些处理方法在实际运行过程中各有其优点，比如污泥本身富含有机质，农业 回用时是一种很好的有机肥料，再比如污泥经过适当的处理可加工成建筑材料、 制备焦碳等。但是这些方法也存在一定的经济、环境、资源等问题： ( 1 ) 处理成本高 剩余污泥的处理处置约占污水处理厂总运行费用的 4 0 - - - - 6 0 t 6 。，特别是小型污水处理厂很难承受这么大的运行成本。 ( 2 ) 环境压力大传统的污泥处理处置方法易产生二次污染( 焚烧烟气和 填埋渗滤液) ，很难达到越来越严格的环境法规要求。 ( 3 ) 可用空间少在污泥处理处置中，最常用的最终处理方法是土地填埋 1 7 】，而当前用于污泥填埋的土地及海域越来越紧缺， ( 4 ) 隐性危害大剩余污泥中的重金属、病原体等在后续处理中很难去除， 容易对环境造成危害。 污泥处理处置的传统方法存在的这些问题，在一定程度上制约着活性污泥 法的推广运用。污泥处理处置己从过去仅仅作为污水处理的一个单元发展成为 现在污水处理厂不得不优先考虑的重要环节。显而易见，剩余污泥的处理处置 成为当前环境领域的一大难题。 一方面是为缓解水资源紧缺的压力而提高污水处理率，而另一方面则是提 高污水处理率后，产生的大量剩余污泥的处理处置难题反过来制约污水处理率 的提高，特别是对于中小城镇的污水处理而言。这两者的矛盾迫切要求水处理 工作者从清洁生产的思想出发，开发一种剩余污泥产量少或无剩余污泥的污水 处理工艺【8 】。 2 第1 章绪论 1 1 3 污泥减量化的意义 污泥减量就是在这样的背景下提出来的。减量化是继污泥稳定化、无害化、 资源化处理原则之后提出的又一重要原则，这一原则从根本上实现了活性污泥 法的清洁生产，实现了污水处理工艺的可持续发展。因此，开展污泥减量技术 的机理和工艺小试研究对提高水处理率和缓解水资源压力具有重要的现实意 义。 所谓的污泥减量是指在保证污水处理效果基本不受影响的前提下，采用适 当的措施( 比如改变工艺参数、增加辅助工艺等) 使处理相同量的污水所产生 的污泥量减少的技术【9 1 。这与污泥的减容化有着本质的不同，减容化是通过降低 污泥含水率来缩小污泥体积，以降低运输和后续处理的成本，但其中的生物固 体( b i o m a s s ) 量基本没有减少；而减量化则是通过改进现有的活性污泥处理工 艺或改变工艺的运行参数等，结合物理、化学、生物等方法降低污泥的产率， 减少整个活性污泥系统向外排放的生物固体量。所以减量化从根本上、实质上 减少了剩余污泥量，实现了污水处理的清洁生产。 1 2 剩余污泥减量化技术的基础 污水中的有机污染物在微生物代谢下，约有1 3 被氧化分解为c 0 2 、h 2 0 、 n h 3 等无机物质并产生能量，而还有约2 3 被微生物用于合成微生物细胞( 微生 物的增长) ，宏观上表现为活性污泥的增长。但在微生物的生长过程中，除吸收 入体内的一部分有机物被氧化外，还有一部分微生物的细胞物质也在进行氧化， 这种细胞物质的氧化称为自身氧化或内源呼吸。当有机物( 食料) 充足时，细 胞质大量合成，内源呼吸是不显著的，所以一般不单独讨论，但当有机物几乎 耗尽时，内源呼吸就会成为供应能量的主要方式，最后细菌将由于缺乏能量而 死亡【1 0 1 。 因此，微生物的增长是其合成反应和内源呼吸两项生理活动的综合作用结 果，活性污泥的净增量是这两项活动的差值，即： a x = a s r - b x ( 1 1 ) 式中，x 为活性污泥的净增量，k g d ；s ，为活性污泥微生物作用下，污水 中被降解、去除的有机污染物( b o d ) 量，k g d ；x 为活性污泥法体系中( 曝气 池) 混合液中含有的微生物量，k g ；a 为微生物降解有机污染物的污泥产率系数； 3 第1 章绪论 b 为微生物内源代谢反应的自身氧化率d 。 从式( 1 1 ) 可知，假设b o d 的去除量s ，不变，那么要减少剩余污泥产量， 就需要降低污泥产率系数a 或者增大b 和x 。根据这种理论基础，可将剩余污泥 减量化技术分为以下几种基本类型【1 1 】： ( 1 ) 在b o d 去除率不变的情况下，降低污泥产率a ，如解偶联技术； ( 2 ) 提高活性污泥法系统中的混合液浓度x ，减少剩余污泥产量； ( 3 ) 溶解微生物细胞，使剩余污泥中固态有机物转变为溶解态有机物，同 时使细胞内的有机质释放出来作为微生物生长所需的碳源，从而使整个污水处 理系统向外排放的剩余污泥量减少。 1 3 剩余污泥减量化技术的研究进展 根据上面所论述的剩余污泥减量化技术的基础，目前污泥减量化技术的研 究主要基于三个方面的理论：基于强化隐性生长的减量化技术、基于解偶联生 长的减量化技术和基于微型动物注1 捕食的减量化技术。现将这三种理论及其应 用的工艺技术做一个简单的综述。 1 3 1 基于强化隐性生长的减量化技术 隐性生长( c r y p t i cg r o w t ho rd e a t h r e g e n e r a t i o n ) 是指微生物利用自身细胞或 其溶解产物进行新陈代谢的生长方式【1 2 1 3 1 ，目前常用的方法有提高污泥浓度、 增加泥龄、加热、超声波、酸碱、氯氧化和臭氧化等。 1 3 1 1 强化微生物的内源呼吸 在污水生物处理过程中，一般情况下，生物处理构筑物内新生长( 增加) 的细胞物质等于所合成的细胞物质减去由于内源呼吸而消耗掉的细胞物质。当 有机物充足时，细胞质大量合成，内源呼吸是不显著的，但当有机物几乎耗尽 时，内源呼吸较为显著，表现为大量细菌死亡，总剩余污泥量降低的现象。从 理论上来讲，可以通过减少有机负荷的方法来强化微生物的内源呼吸，但这种 方法在污水处理中显然不适合，违背了我们污水处理的初衷。因此，常用来提 高微生物内源呼吸的方法有提高污泥浓度( 微生物浓度) ，增加泥龄，提高曝氧 等，m b r 就是基于这样的理论而开发出来的种工型1 4 之7 1 。 削：白i 水处理领域，习惯把原生动物和微型后生动物( 如轮虫、线虫、大型无脊椎动物如环节纲的蚯蚓和 软体动物等) 称为微型动物。严格地说，微型动物不是生物分类学上的概念而是一种俗称。 4 第l 章绪论 1 3 1 2 微生物的溶胞技术 由于占污泥微生物主体的细菌细胞壁是一稳定的半刚性结构，起着保护细 胞的作用。细胞壁属于生物难降解的惰性物质，细胞壁的破解较为困难，导致 微生物进行内源呼吸而减少污泥产量的程度有限，且微生物自身死亡的有机物 质多为惰性物质，很难被其他的微生物所利用，容易造成反应器内的物质累积， 从而最终影响污水处理系统的出水水质【2 引。正是由于细菌细胞壁的这种结构和 特点，污泥中微生物细胞壁的裂解即细胞的分解过程是隐性生长过程的限制步 骤。一般认为污泥的自然分解过程与污泥的浓度成正比，而污泥的自然分解过 程非常慢【2 9 1 。为了加速剩余污泥中细胞的分解，许多学者采用物理化学以及生 化法对剩余污泥进行预处理，实现污泥细胞的破壁( 溶胞) 。剩余污泥的物理化 学处理方法主要是将废水处理过程中生成的污泥进行分离浓缩后，采用物理化 学等工艺，对污泥进行破碎处理，使得污泥部分溶解释放出胞内物质进入到液 相中，从而降低了污泥的质量。由于污泥溶解产生的溶解液具有较高的c o d 、 n 和p ，需要返回生物反应器进行进一步的处理。目前基于微生物溶胞技术主要 包括各种物理、化学、生物及其相互联合应用。通过溶胞强化细菌的自身氧化 在工程应用上极为容易实现，通常可在传统活性污泥法工艺流程中的污泥回流 线上增加相关处理装置，如图1 1 所示。 图1 1 溶胞t 艺不意图 f i g1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fc e l ld i s i n t e g r a t i o n ( 1 ) 物理溶胞 在物理溶胞技术中，常用的方法有加热、超声波、机械压力等。 1 ) 加热 高温能够破坏污泥微生物主体细菌的细胞壁结构，当然也能破坏其它微生 物的机体组织，如蛋白质、脂肪等。高温条件下，蛋白质会变性，细胞质膜的 脂肪受热也会溶解致使膜产生小孔，导致细胞内含物泄漏，因此，剩余污泥加 5 第1 章绪论 热后回流至曝气池中更容易被微生物所利用，从而使得系统最终产生的污泥量 减少 3 0 - 3 4 。不同温度下，细胞被破坏的部位不同：在4 5 - - - 6 5 时，细胞膜破裂， r r n a 被破坏；5 0 - - 7 0 时，d n a 被破坏；在6 5 - - 9 0 时细胞壁被破坏；7 0 - 9 5 时蛋白质变性【3 5 】。c a m a c h op 等人刚研究了4 0 - 1 2 0 高温对污泥破解的 影响，结果发现，4 0 下破解效果不明显，6 0 下加热2 4h 可以使2 5 的总 化学需氧量( t o t a lc h e m i c a lo x y g e nd e m a n d ，t c o d ) 溶出；9 5 下加热2 4h 可以使3 0 3 5 的t c o d 溶出；1 2 0 下，压力为1b a r 时，破解4 5m i n ，t c o d 溶出率为3 5 士7 。c a n a l e s 等 3 6 】在膜生物反应器中增加一个污泥热处理过程，污 泥在9 0 下加热3 h 后回流至膜生物反应器中，整个系统污泥产量减少6 0 。 2 ) 超声波 超声波与声波相同，即是物质介质( 通常是空气和液体) 中的一种弹性机 械波，但是二者频率不同。通常把频率为1 5k h z - - 一1 0m h z ，超出人耳听觉上限 的声波叫做超声波【3 7 】。超声破解污泥的主要作用力是超声空化作用力和声化学 作用 3 8 - 4 0 。所谓的空化作用是指污泥混合液受到一定强度的超声波作用后，液 体系统中将产生大量的气泡，这些气泡通过吸收液相中的空气而变大，最终在 瞬间破灭而形成空化效应所产生的作用力叫做空化作用【4 1 1 。这种作用力对污泥 中的微生物絮体结构具有很强的剪切作用。在空化作用的同时，会引起的局部 高温高压所产生的高活性的自由基( h 、o h ) 和热解，从而产生声化学反应【4 2 】， 声化学反应是提高污泥中难生物降解有机污染物的可生物降解性的主要作用 力。 超声波能够改变污泥絮体结构，使胞内物质释放出来，增加污泥的可生物 降解性。曹秀芹等 4 3 删研究了不同声能密度下，超声破解剩余污泥的情况。结 果表明，声能密度为0 2 5w m l 一，破解污泥3 0m i n ，污泥上清液中溶解性化学 需氧量( s c o d ) 值从1 3 3m g l d 上升到2 5 6 6m g l ；而声能密度为0 5w m l 。1 下，破解污泥3 0m i n 后s c o d 值从1 3 3m g l d 上升到4 5 3 2m g l 。 在较低的能量输出下，超声波破解只是破坏了污泥的絮体结构，而不会破 坏污泥细胞。b o u g r i e r c 4 5 】等人研究发现在能耗为1 3 5 0k j k g t s 下破解污泥，可 使污泥平均粒径由3 1 9 9l x m 降至1 8 5p , m ，同时，污泥水相中s c o d 值增加， s c o d 与t c o d 的比值由5 8 增加至1 6 1 ，超声破解污泥可使剩余污泥的颗 粒粒径变小。 污泥经超声波作用后，颗粒态c o d 转变为溶解态c o d ，充分利用这一特点， 6 第1 章绪论 可将其结合到污水处理工艺中，促使细胞的隐性生长，以实现污泥减量。y o o n l 4 6 】 等人使用超声波破解与m b r 工艺结合进行实验，在试验进行的2 8d 中，反应器 内有机物负荷为0 9 1k g b o d m 3 d ，污泥浓度保持在7 0 0 0 - - - , 8 0 0 0m g l 。1 左右，运 行过程中未发现无机物的积累现象，但出水中有机物含量与对比工艺相比有小 幅升高。 3 ) 机械压力 利用压力溶胞的原理类似于超声波，主要作用是使细菌的细胞壁在机械压 力的作用下破碎，从而使细胞内含物溶于水中【4 7 1 。此外，还可以利用渗透压由 高到低的改变造成水大量进入细胞，导致细胞破裂【4 引。 c h i o 等【4 9 l 研究了高压喷射法对污泥破解的影响。污泥经过孔径为7 1 0i , t m 的 筛网，除去砂子等杂质，进入贮泥池：利用高压泵将污泥加压，经过直径很小 的喷嘴( 1 2m m ) ，高速( 3 0 1 0 0m s ) 喷射至平板上，强大的撞击力是导致 污泥破解的主要原因，而后污泥进入贮泥池，完成一次处理。为达到满意的结 果，该过程可以循环数次进行。高压喷射法是一种较有效的破解方式，一般在 喷射压力为5 0b a r 状况下，处理5 次，可以使8 6 的总蛋白质溶出，处理1 次， 就可使s c o d 由1 5 2m g l 。1 上升1 2 5 0m g l 。 ( 2 ) 化学溶胞 1 ) 臭氧 臭氧( 0 3 ) 是一种强氧化剂，可将部分污泥矿化注2 为二氧化碳和水，同时， 一部分污泥溶解为生物可降解性的物质。利用臭氧化破解污泥，可以改善污泥 厌氧消化性甜5 0 - 5 3 】，也可实现污泥减量化【5 4 1 。y a s u i 等人【5 5 】研究了臭氧化破解对 于污泥减量的影响。臭氧投加量为1 0m 9 0 3 g m l s s d 状况下，氧化后的污泥回 流处理后，可以使污泥产量减少5 0 ，臭氧投加量增加到2 0m 9 0 3 g m l s s d 时， 好氧系统可以实现无剩余污泥排放。l e ej w 【5 6 1 等人研究表明，在气温低于1 5 时，该工艺运行状况仍然较好。臭氧化后的污泥之所以可进行生物处理，是因 为臭氧化后的污泥中半数以上的碳是易生物降解的【5 7 l 。臭氧也会与污水中其他 还原性物质反应，臭氧化的效率取决于污泥的性质和操作条件，所以，臭氧的 最佳投量及投加方式控制复杂。本文将在后面对臭氧化污泥减量技术进行详细 炷2 目前关于“矿化”的定义冈专业不同而不同。在环境生态学中比较认同的定义为：矿化作用是在土壤微 生物作用下，土壤中有机态化合物转化为无机态化合物过程的总称。本文中，矿化足氧化程度较高的一 种解释，这样能够更好进行分析解释，也便于与污泥减量领域的交流。特在此进行说明，不与其他领域的 “矿化”一概而论。 7 第1 章绪论 的介绍。 2 ) 氯气 利用氯气对污泥进行减量的基本原理与臭氧相同，即利用其氧化性对细胞 进行氧化，促进细胞溶解。s a b y 等人【5 8 1 在氯的投加量为0 0 6 6g c l 2 g m l s s ，接 触时间为l 1 0m i n 条件下处理污泥，通过3 5d 的连续试验，发现由于氯气的 氧化，曝气池中的混合液悬浮物固体( m i x t u r el i q u i ds u s p e n d e ds o l i d ，m l s s ) 在 总固体( t o t a ls o l i d ，t s ) 中比例略有降低( 降低5 - - 一1 0 左右) ，污泥絮体平均 直径由1 5 岬降低到3l x m 左右，而且粒径分布更集中，氧化后污泥减量6 5 左 右。 虽然从运行成本角度上看，氯气氧化优于臭氧化工艺，但由于氯气氧化能 力低于臭氧，所有氯气的投加量是臭氧的7 一- - 1 3 倍。此外，氯化过程中可能生 成三氯甲烷( t h m s ) 等具有危害性的副产物，使得该工艺的工业化应用难度较 大【5 8 】。 ( 3 ) 生物溶胞 生物溶胞技术是前面提到的化学、物理溶胞技术之外的又一种溶胞技术。 该技术可以投加能分泌胞外酶的细菌，也可以直接投加酶制剂或抗菌素对细菌 进行溶胞。酶一方面能够溶解细菌的细胞，同时还可以使不容易生物降解的大 分子有机物分解为小分子物质，有利于细菌利用二次基质【5 9 】。投加的细菌可以 从消化池中选取，也可以从溶菌酶方面考虑，甚至包括特殊的噬菌体和能分泌 溶菌物质的真菌。但是在污水处理中投加酶制剂或是抗菌素在经费上不太现实。 以上三种溶胞技术( 物理、化学、生物) 并不是截然分离的，可以联合应用。 如将热处理和生物溶菌作用联合在日本已经处于现场试验阶段。溶胞技术的优 点主要有1 6 0 】：( 1 ) 技术实现简单，只需要在回流阶段增加处理设施；( 2 ) 对曝气池 和初沉池的污泥分别对待，有利于高有机含量的污泥被生物再次利用；( 3 ) 可以 充分利用曝气池中的溶解氧分解二次基质，所需增加的曝气量不大。 1 3 2 基于解偶联生长的减量化技术 解偶联( u n c o u p l i n g ) 技术就是从能量上对微生物细胞的合成进行抑制，使 微生物分解有机物所产生的能量不用于合成细胞本身。目前在这方面的研究主 要集中在投加解偶联剂、改变微生物所处的环境( 高s o x o 条件、o s a 工艺等) 。 解偶联剂是一类亲脂性的弱酸性物质，可以通过改变膜的通透性，破坏跨 8 第1 章绪论 膜质子梯度，从而减少a t p 的生成量，从而使得合成代谢与分解代谢发生解偶 联【6 。目前用于活性污泥工艺中的解偶