（环境科学与工程专业论文）嗜热酶溶解技术处理污泥发酵产氢研究.pdf

硕i j 学f 征论文 与相应温度( 6 5 1 热预处理污泥的发酵产氢效果进行对比，同时分析探讨了污泥 发酵产氢过程中底物和p h 值的变化。结果表明，经s t e 预处理的污泥在未接种 外在产氢菌时，产氢效果良好，最大产氢率( h 2 v s ) 高达1 6 3m l h 2 g ，高出6 5 热预处理污泥接种产氢菌( e n t e r o c o c c u ss p l g l ) 1 5 6 ，高出6 5 热预处理污泥未 接种产氢菌2 6 4 ，发酵气体中只含有h 2 和c 0 2 ，不含c h 4 ，氢延迟时间短( 3 4h 1 ，产氢率达最大值后能较稳定地维持1 0h 以上；s t e 预处理污泥接种产氢菌 后，产氢效果不佳，最大产氢率仅为1 0 7m l g 。s t e 预处理污泥发酵过程中， s c o d 处于上下波动状态，可溶性蛋白质和可溶性糖先上升，然后在波动情况下 总体趋于下降，且可溶性蛋白质和可溶性糖急剧减少的阶段正是产氢率急剧增加 的阶段，这说明可溶性蛋白质和可溶性糖是s t e 预污泥产氢发酵的主要营养物 质。发酵产氢过程中的发酵类型以丁酸型发酵和乙醇型发酵为主。 关键词：剩余污泥；嗜热酶溶解( s t e ) ；嗜热菌；预处理；厌氧发酵；生物制 氢；底物； a bs t r a c t w i t ht h ei n c r e a s eo fa m o u n to fm u n i c i p a lw a s t e w a t e ra n ds e w e r l a i dr a t e sa n d e x p a n s i o no fa c t i v es l u d g e ( a s ) s y s t e m ， g e n e r a t e s an e wi n t e r n a t i o n a lt e n d e n c y u t i l i z a t i o n t h ec h a r a c t e r i s t i c s o fw a s t e i tb r i n g sa b o u tl a r g ea m o u n to fs l u d g ea n d o fs l u d g em i n i m i z a t i o n a n dr e s o u r c e a c t i v a t e ds l u d g e ( w a s ) p r e t r e a t e db y p h y s i c a l ，c h e m i c o rb i o l o g i cm e t h o dw e r ec h a n g e d c o m b i n e dw i t ht h ef o l l o w i n g p r o c e s sr e a l i z eh i g he f f e c t i v ew a s t e w a t e rb i o d e g r a d a t i o no re n h a n c e m e n to fb i o g a s p r o d u c t i o n a n d t h e p r e t r e a t e ds l u d g ep r o d u c t s b i o h y d r o g e nb y a n e r o b i e f e m e n t a t i o nw a yi sa l s oak i n do ft h ef e l l o w i n gp r o c e s s t h i sm e t h o dr e a c t i o n c o n d i t i o n sm o d e r a t i o n ，t h ef e r m e n t a t i o np r o d u c t i o n h 2 i sh i g h e n e r g yv a l u ea n dn o p o l l u t i o nf u e l c o m p a r e dw i t ho t h e rs l u d g es o l u b i l i z a t i o nt e c h n o l o g ys u c ha so z o n e o x i d a t i o n ， c h l o r i n eo x i d a t i o n ，t h e r m a lh y d r o l y s i s ， a c i d ， a l k a l i ，m e c h a n i c a l ， u l t r a s o n i ca n de n z y m a t i cd i r e c t l y p r e t r e a t m e n t ， s o l u b i l i z a t i o nb yt h e r m o p h i l i c e n z y m e ( s - t e ) b a s e do nm i c r o b i a lc r y p t i cg r o w t hi sm o r ec o s t e f f e c t i v ea n d s a f e ra s w e l la sl o w e re n e r g yc o s ta n de a s i e ro p e r a t i o n i no r d e rt os e p a r a t ea n di d e n t i f yt h et h e r m o p h i l i cb a c t e r i aa p p l i c a t i n gt os l u d g e d i s s o l v e di ng a r d e ns o i l ，t h eg e n e r a lm e t h o do fd i l u t i o ns p r e a dw a su s e d an e w s p e c i e s o f h i g h e f f i c i e n tw a ss e l e c t e d a n d m o r p h o l o g i c a l o b s e r v a t i o na n d p h y s i o l o g y b i o c h e m i s t r yt e s t sh a v eb e e nc o n d u c t e d i tw a s s h o w e dt h a tt h es t r a i nw a s g r a m p o s s i t i v e s m a l lr o d s h a p e d ，s p o r u l a t i o n a n da e r o b i co rf a c a l t a t i v ea e r o b i c b a c t e r i u m i t so p t i m u mt e m p e r a t u r ef o rg r o w t hw a s6 5 c ，o p t i m u mp hf o rg r o w t h w a sb e t w e e n6 8a n d7 5 s e q u e n c ea n a l y s i so ft h i st y p eo fc l o n e ss h o w e dt h a ti tw a s n o tr e p o r t e dy e ti no t h e rp a p e ra tp r e s e n ta n dl a b e l l e d a sb a c i l l u st h e r m o p h i l i c b a c t e r i aa t 0 7 1 ( r e g i s t r a t i o nn u m b e r ：f j 2 3110 8 ) 12s t r a i n so fh 2 p r o d u c i n gb a c t e r i aw e r ei s o l a t e da n dp u r i f i e df r o ma n a e r o b i c s l u d g e a e r o b i c s l u d g ea n dr i v e rb o t t o ms l u d g eb yh u n g a t e m e t h o d an e ws p e c i e so f h i g h e f f i c i e n th y d r o g e np r o d u c t i o n b a c t e r i u me n t e r o c o c c u ss p l g 1 ( r e g i s t r a t i o n n u m b e r ：e u 2 5 8 7 4 3 ) w a ss t u d i e dd e e p l y i tw a ss h o w e d l g1w a sa na n a e r o b i ca n dg r a m n e g a t i v eb a c t e r i u ma n d t h a tt h ee n t e r o c o c c u ss p c o u l dm a k eb i o h y d r o g e n p r o d u c t i o ne f f i c i e n t l y i n t h i sr e s e a r c h ，s t ew a su s e dt op r e t r e a tw a su n d e rv a r i o u si n o c u l a t e d v o l u m e so ft h e r m o p h i l i cb a c t e r i u ma n dd i f f e r e to x y g e n o u sc o n d i t o n t h ee f f c t o f i n o c u l a t e dv o l u m e s ，o x y g e n o u sc o n d i t i o na n dt h ep r e t r e a t e d t i m ef o rf e l l o w i n g p r o c e s so fa n a e r o b i c f e r m e n t a t i v eh y d r o g e n o p t i m a lc o n d i t i o nw e r eg a i n e d t h e r e s u l t s p r o d u c t i o nw e r e e x a m i n e da n dt h e s h e w e dt h a tt h ea d d t i o no f5 ( v v ) t h e m o p h i l i cb a c t e r i a c u l t u r et ot h ew a sp r o d u c e d t h em o s th y d r o g e n u n d e r m i c r o a e r a t i o nt h es - t ew e r em o r ep r o p i t i o u st op r o m o t et h e r e l e a s eo 士n u t r i e n t si n w a s t es l u d g et h a nu n d e ra g i t a t i o n ，b u tt h es l u d g ep r e t r e a t e db ys - t eu n d e ra g i t a t l o n p r o d u c e dm o r eh y d r o g e nt h a ns l u d g ep r e t r e a t e du n d e rm i c r o a e r a t i o n t h eo p t i m u m p r e t r e a t e dt i m ef o ro p t i m u mh y d r o g e np r o d u c t i o nw a s 2 4h o u r s ，a n dt h el o n g e r p r e t r e a t e dt i m ew a s ，t h el e s sh y d r o g e nu l l a g e w o u l db e b a t c ht e s t sw e r ec a r r i e do u tt oa n a l y z et h ee f f e c t so fa n a e r o b i cf e r m e n t a t l v e h y d r o g e np r o d u c t i o nu s i n g e x c e s ss l u d g ep r e t r e a t e db ys - t e( s o l u b i l i z a t i o nb y t h e m o p h i l i ee n z y m e ) w i t ha n dw i t h o u ti n o c u l a t i o no fh y d r o g e n p r o d u c i n gb a c t e r i a , e n t e r o c o c c u ss p l g1 t h ep e r f o r m a n c e o fb i o h y d r o g e np r o d u c t i o no ft h cs 。ie p r e t r e a t e ds l u d g ea n dt h e6 5 。c t h e r m a l l yp r e t r e a t e ds l u d g ew a sa l s oc o m p a r e d i n b a t c hf e l m e n t a t i o nt e s t s 。t h ec h a n g e so fs l u d g es u b s t r a t e sa n dp h v a l u ed u r i n gt h e f e m e n t a t i o np r o c e s sw e r ea l s om o n i t o r e da n dd i s c u s s e d t h er e s u l t s s h o w e dt h a t s l u d g ep r e t r e a t e db ys - t e w i t h o u ti n o c u l a t i o nc o u l d m a k eg o o db i o - h y d r og e n p r o d u c t i o n t h em a x i m a lh y d r o g e ny i e l d ( h 2 v s ) w a s1 6 3 m lh 2 g ，2 6 4 h i g h e rt h a n s l u d g ep r e t r e a t e db y6 5 ch e a tw i t h o u ti n o c u l a t i o na n d1 5 6 t h a n6 5 * ch e a tw i t h i n o c u l a t i o n h y d r o g e na n dc a r b o nd i o x i d ew e r eo n l yp r o d u c e da n dm e t h a n e w a sn o t o b s e r v e dd u r i n gt h ep r o c e s s t h el a yt i m e f o rh y d r o g e np r o d u c t i o nw a so n l yj 珥 h o u r s a n da f t e rr e a c h i n gi t sm a x i m u n ，t h eb i o h y d r o g e nw a sa b l et om a i n t a l ns t a b l e f o ra b o v e10h o u r s w i t hl i t t l ec o n s u m i n g t h eb i o h y d r o g e n y i e l d o ft h es - t e p r e t r e a t e ds l u d g ei n o c u l a t e de n t e r o c o c c u ss p l g lw a sv e r yl o w ，o n l y 10 7m l g t h e s 0 1 u b l ep f o t e i na n dc a r b o h y d r a t ed u r i n gt h ef e r m e n t a t i o np r o c e s sf i r s t i n c r e a s e dt o t h e i rm a x i m a ic o n c e n t r a t i o na n dt h e nd e c r e a s e d ， w h i l es c o dc o n c e n t r a t l o nw a s f l u c t u a n tt h r o u g h o u tt h ep r o c e s s t h et i m es o l u b l ep r o t e i na n d c a r b o h y d r a t es h a r p l y d e c r e a s e dw a st h et i m eb i o h y d r o g e ns h a r p l yi n c r e a s e d t h er e s u l t sc l e a r l y s h o w e d t h a ts o l u b l ep r o t e i na n dc a r b o h y d r a t ew e r e t h em a i ns u b s t r a t e sf o rb i o - h y d r o g e n f e r n 】e n t a t i o nf r o ms t ep r e t r e a t e ds l u d g e k e yw o r d s ：e x c e s ss l u d g e ；s o l u b i l i z a t i 。n b yt h e r m 。p h i l i ce n z y m e ( s _ t e ) ； t h e r m o p h i l i c b a c t e r i a ；p r e t r e a t m e n t ；a n a e r o b i c f e r m e n t a t i o n ； b i o h y d r o g e np r o d u c t i o n ；s u b s t r a t e ； v 硕i 。学位论文 插图索引 图l l 丙酮酸脱羧作用中产h 2 过程( 梭状芽泡杆菌型) 一8 图1 2 甲酸裂解产h 2 过程( 肠道杆菌型) 一9 图1 3 产氢发酵细菌的碳水化合物发酵途径一9 图1 4 硫2 氧化酶的生理功能1 0 图1 5 乙醇型发酵途径1 2 图1 6 污泥有机质的分解17 图2 1 嗜热菌b a c i l l u ss p a t 0 7 1 扫描电镜图片2 2 图2 2e n t e r o c o c c u ss p l g1 扫描电镜图片2 4 图2 3 基于1 6 sr d n a 序列的肠球e n t e r o c o c c u ss p l g l 菌株的系统发育树2 4 图3 1s t e 污泥溶解反应器2 9 图3 2s t e 污泥溶解反应器单元示意图3 0 图3 3 污泥发酵及氢气收集装置3 0 图3 4 污泥发酵及氢气收集装置平面图3 0 图3 5 不同投菌量对产氢率的影响3 4 图3 6 不同曝气条件对产氢率的影响3 5 图3 7 不同处理时间对污泥发酵产氢的影响3 6 图4 1s t e 和6 5 热预处理污泥发酵产氢率变化4 5 图4 2s t e 和6 5 热预处理污泥发酵过程中s c o d 浓度变化4 6 图4 3s t e 和6 5 热预处理污泥发酵过程中可溶性蛋白质浓度变化4 7 图4 4s t e 和6 5 热预处理污泥发酵过程中可溶性糖浓度变化4 7 图4 5s t e 和6 5 热预处理污泥发酵过程中p h 变化4 8 嗜热酶_ = f 舻f 技术处理污泥发酵产氧研究 附表索引 表1 1 污泥中有机物质的组成3 表3 1 主要实验仪器3 1 表3 2 原污泥性质3 1 表3 3 接种不同量嗜热菌进行s t e 处理后污泥各项指标3 3 表3 4 不同曝气条件下s t e 处理后污泥各项指标3 4 表3 5 不同时间s t e 处理后污泥各项指标3 6 表4 1 污泥预处理后各项指标4 4 表4 2 发酵气体中各成分含量4 6 表4 3 反应末端挥发性酸( v f a ) 及乙醇含量一4 9 表4 4 本实验中产氢效果与文献中产氢效果的比较5 1 x 硕l j 学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 1 1 1 课题研究背景 随着污水处理设施的普及、处理量的增加、处理标准的提高和处理功能的拓 展，污泥的产生量和处理费用会大幅度地增加。目前我国城市污水年排放量已经 达到4 1 4 亿m 3 ，二级处理率达到1 5 ，污泥产生量大约为1 5 0 0 万t a 左右( 按含 水率9 7 计算) ，而根据我国污水处理的建设规划，到2 0 1 0 年污泥年产量将增加 到现在的5 倍【l 】，目前污泥处理方面的投资可占整个污水处理厂投资的2 5 6 5 ， 费用的急剧增加将提高了污泥合理处理的难度【2 1 。污泥处理的通常做法是经过浓 缩、稳定和脱水等预处理后再用土地利用、卫生填埋和焚烧等常规方法处置。不 经处理直接任意堆放或简单填埋，不仅易对周边环境造成严重的二次污染，还会 浪费污泥中的有用能源。但传统的好氧消化法消化时间长，动力消耗大剩余污泥 的可降解性差又成为制约厌氧消化的瓶颈问题。但环境标准的日益严格使常规处 置方法变得非常困难，而且没能充分利用污泥的潜在价值，发挥其经济效益。污 泥是一种可利用的资源，含有丰富的有机质，近年来国内外在污泥的资源化处理 技术方面做了大量研究。通过物理、化学和生物的方法改变污泥的物化和生化特 性，以达到资源化的目的。 氢气作为一种无污染可再生的理想燃料，已在世界范围内得到广泛重视城市 污水处理厂剩余污泥或其他生物质能制取氢气，反应条件温和，具有开发新能源、 节省能量消耗及净化环境的重要意义【3 4 1 利用污水厂预处理剩余污泥厌氧发酵 产氢是一个非常有意义并具有广阔发展前景的新的研究方向。 1 1 2 课题研究的目的和意义 提高污泥发酵的产氢率，减少反应过程中氢气的消耗，以及降低产氢成本， 是利用污泥进行规模化发酵产氢首先需要解决的问题。近年来，国内外部分学者 研究了许多种方式来来解决这些问题，如筛选纯种产氢菌、基因诱变育导高效产 氢菌，以及对污泥进行各种物理、化学和生物方法的预处理。这些研究虽然取得 了一定的成效，但还是没有完全解决这些问题，不是成本高，就是产氢效果欠佳， 可操作性不强。 s t e 是一种基于微生物隐性生长的嗜热菌污泥溶解预处理技术，具有能耗 小、运行费用低、高效、安全、无污染等特点【5 1 。本研究利用s - t e 技术对污泥进 嗜热酶溶解技术处理污泥发酵产氧研究 行预处理，在不添加任何外在营养物质的情况下，以预处理污泥为底质进行发酵 产氢，考察了不同的s - t e 处理条件对污泥产氢的影响，并在最佳s t e 条件处理污 泥，研究了s t e 技术预处理污泥发酵产氢的可行性和优越性，以期将s t e 技术和 污泥发酵产氢技术的结合起来，实现污泥的高效产氢和降低成本，为污泥发酵产 氢的工业化应用提供理论借鉴和参考。 1 2 污泥概况 1 2 1 污泥的产生 活性污泥法是日前污水生物处理的主要方法之一，在正常生产条件下，活性 污泥中的微生物不断进行新陈代谢，即合成代谢和分解代谢，分解代谢就是将有 机污染物氧化分解为二氧化碳和水等代谢产物，释放出能量，并产生a t p ：合成代 谢则利用a t p 释放能量，将小分子物质合成生物有机体所需的生物团，活性污 泥不断地增长，曝气池内活性污泥的量愈积愈多，当活性污泥增加到一定程度， 再增加的污泥就不再是处理过程中所需要的，就要及时排出，这部分污泥即称为 剩余污泥。 1 2 2 污泥的类型 根据污泥从污水中分离的过程，可将共分为如下几类： ( 1 ) 沉淀污泥( p r i m a r ys e t t l i n gs l u d g e ) 初次沉中截流的污泥，包括用化学药剂沉淀下来的污泥。 ( 2 ) 生物污泥( b i o l o g i c a ls l u d g e ) 生物处理过程中，由丁污水中悬浮状、胶体状或溶解状的有机污物组成的某 种活性物质，成为生物处理污泥。这种生物体中的大部分固体是由细菌块( 或称 菌群) 组成的。根据生物处理方式的不同，可进一步分为：生物滤池污泥( f i l t e r h u m u s ) ：且p 采用生物滤池处理方法时所产生的污泥；活性污泥( a c t i v a t e ds l u d g e ) ：采 用活性污泥法处理时产生的污泥口在活性污泥处理法处理过程中，部分污泥作为 接触体而循环使用，称为回流污泥( r e t u r ns l u d g e ) ；剩余下来的需要去处理的称为 剩余污泥( e x c e s ss l u d g e ) 。污水处理广的污泥主要是沉淀污泥与剩余污泥的混合污 泥，一般称为生污泥( f r e s hs l u d g e ) 。生污泥经过厌氧消化后得到的污泥称为消化 污泥( d i g e s t e ds l u d g e ) 。 1 2 3 污泥的成分 污泥中含有无机物质和有机物质，其中有机物质主要由碳( 大约5 8 ，干重) 构成，包括蛋白质、碳水化合物和脂肪，这些有机物是由长链分子构成，比较难 2 硕i ? 学位论文 于降解。污泥中含有的有机物组成见表1 1 。 1 2 4 污泥的性质 污水厂污泥的来源和形成过程十分复杂，不同来源的污泥，其物理、化学和 微生物学特性存在差异。 1 2 4 1污泥的物理性质 城市污水处理厂污泥主要来自初沉池污泥和剩余活性污泥，其含水率一般都 很大，高达9 5 9 9 ，相对密度接近于l 。初沉池污泥正常情况下为棕褐色，发 生腐败后变为灰黑色，含固率约为2 4 ，固体物质以有机物为主，约占 5 5 7 0 ，容易腐化发臭；剩余活性污泥为絮状黄褐色，含固率约为o 5 0 8 ， 固体物质基本是生物残体。因含多种有机化合物，污泥常散发臭味。液体污泥的 物理性质与水极为相近，通常是牛顿流体，即在层流状态下，压力的减少与速度 和黏度成比例。此外，因污泥中含有有机物质，因此污泥还具有燃料价值。在一 定含水率下，具有自持燃烧( 不需要添加辅助燃料) 及将干污泥用作能源的可能。 表1 1 污泥中有机物质的组成 i有机物种类初沉池污泥 二沉池污泥秀 有机物含量 6 0 9 06 0 8 0 纤维素含量( 占干重) 8 1 55 - 1 0 7 仁纤维素含量( 占千重) 2 - 4 术质素含量( 占干重) 3 7 油脂_ ； u 脂肪含量( 占干重) 6 3 55 1 2 蛋白质含量( 占干重) 2 0 3 0 、 3 2 - 4 1 碳氮比 ( 9 4 1 0 ) ：1( 4 6 5 o ) ：i 1 2 4 2 污泥的化学性质 污泥的化学构成可以从以下几个方面分析： 1 1 污泥中含有n 、k 、p 、s 等植物营养元素以剩余活性污泥为例，t n 含 量可达2 8 3 1 ；p 2 0 5 含量达1 0 2 o ；k 含量为0 1 1 一o 8 嘣6 。 2 ) 富含有机物质污泥中的有机物质主要包括由长链分子构成的蛋白质、碳 水化合物和脂肪等；此外，污泥中含有可生物利用有机成分包括多糖，如纤维素、 脂肪、树脂、有机氮、硫和磷化合物等。 3 ) 含有微量营养物质污泥中包含微量营养物质如铁、锌、铜、镁、硼、钠、 矾和氯等，可供植物生长少量需要，但过量时会产生毒性作用。 4 ) 含有重金属等污染物质污泥中常含有砷、镉、铬、铜、铅、汞、钼、镍 嗜热酶溶舻f 技术处理污泥发酵产氧研究 和锌等重金属。这些物质的过量存在会严重影响动植物的生长及人类健康。 1 2 4 3 污泥的微生物学性质 污泥中包含多种微生物群体，这些微生物群体在污泥的处理和实际利用中起 到双重作用，既有有益的作用，也有有害的作用。通常污泥中的微生物体可分类 为细菌、放线菌、病毒、寄生虫、原生动物、轮虫和真菌。例如，初沉污泥、二 沉污泥和混合污泥中就含有大量的大肠杆菌、粪链球菌、噬菌体、沙门氏菌、青 绿色假单胞菌及肠道病毒【7 1 。大多数废水处理工艺将污水的致病微生物去除后， 将其转移到污泥中来。 未经处理的污泥排放或直接农用会将微生物和病毒的污染传播给农作物以及 地表和地下水。污水处理厂、污泥处理设施、污泥堆肥、污泥土地填埋和污泥土 地利用等如果操作不当，都极有可能产生大气和工农业产品的致病体污染。污泥 资源利用和处置之前的有效处理对于防止致病体带来的疾病是非常重要和必要 的。 1 2 5我国污泥产量发展状况 随着我国国民经济的发展和城市的现代化建设、城市环境和生态平衡的要求， 城市污水处理厂的兴建与运行管理已经成为现代化城市建设不可分割的重要部 分。与过去仅仅作为污水处理的一个单元不同，污泥处置现已发展成为在污水处 理厂设计、运行中不得不优先考虑的重要环节。据统计，目前我国污水年排放量 已经达到5 2 5 亿吨【8 】，二级处理率达到1 5 ，污泥产生量大约为1 9 0 0 万t a 左右 ( 按含水率9 7 计算) ，如进行深度处理，污泥量还可能会增加0 5 1 0 倍。而 根据我国污水处理的建设规划，到2 0 1 0 年污泥年产量将增加到现在的5 倍【。今 后几年我国的污水处理厂污泥产量将会有大幅度的上升，主要有以下几方面的原 因： 1 ) 污水量的增加随着我国城市化进程的加快、人口的急剧增加，污水排 放量日益增加，相应的污水处理厂亦随之增加。据统计，截至2 0 0 5 年，全国污水 处理厂的数量已由1 9 9 5 年的1 4 1 座增至7 9 2 座。随着污水处理能力的迅速增加， 污泥产量将会成倍地增长。 2 ) 污水处理率提高2 0 0 5 年我国城市污水集中处理率为3 9 3 6 ，根据国 家环境保护十一五规划，到2 0 1 0 年所有城市都要建立污水处理设施，城市污水处 理率不低于7 0 。 3 ) 处理标准提高，处理功能拓展随着我国排放标准同趋严格及污水处理 功能的拓展，污泥产量随之增加。尤其是现在同益引起重视的无机营养物质n 、 p 的去除，德困脱氮除磷污水处理厂的运行经验表明，若污泥中磷的含量为5 。 污泥量比传统活性污泥法要增加l3 。一般为保证出水磷含量达标，通常辅以化 4 硕i ：学化论文 学除磷，这样污泥量至少增加3 0 以上【9 】。 污水污泥成分复杂，它是由多种微生物形成的菌胶团与其吸附的有机物和无 机物组成的集合体。污泥中除含有大量的水分外，还含有难降解的有机物、重金 属和盐类，以及病原微生物和寄生虫卵等。如处理不当就进入环境，会对周围环 境造成严重的二次污染。因此，如何将产量大、成分复杂的污泥，经过科学处理 后，使其减量化，已成为我国乃至全世界环境界广泛关注的课题之一。 1 2 6 污泥的处理与处置 污泥处理与处置的目的主要有以下四个方面( 1 ) 减量化：减少污泥最终处置前 的体积，以降低污泥处理及最终处置的费用；( 2 ) 稳定化：通过处理使污泥稳定化， 最终处置后不再发生污泥的进一步降解，从而避免产生二次污染；( 3 ) 无害化：达到 污泥的无害化与卫生化，如去除重金属或火菌等；( 4 ) 资源化：在处理污泥的同时 达到变害为利、综合利用、保护环境的目的。 1 2 6 1常用污泥处理技术 污泥处理是污泥各种处置技术实施的前提，合理的处理技术可以确保污泥最 终处置的经济有效，因此在处置之前必须进行处理，常规污泥处理方法包括：浓缩、 消化、脱水、前处理、干燥和焚烧等。 ( 1 ) 污泥浓缩 污泥浓缩是使污泥的含水率、污泥的体积得到一定程度的降低从而降低污泥 的后续处理设施的基本费用和运行费用。从二沉池出来的污泥含水率为 9 7 9 9 ，必须经过浓缩处理，以去除污泥中的空隙水，达到减容的目的，经过 浓缩以后，可使污泥含水率降低到9 4 9 5 ，污泥的体积可以缩小到原来的1 4 左右，经浓缩后的污泥仍是能够流动的。污泥的浓缩主要是去除污泥中的游离水。 浓缩包括重力式、气浮式、离心式。重力浓缩是国内外广泛采用的一种操作简单 而经济的污泥浓缩方法，由于我国经济状态和资金短缺，而且污泥中有机物含量 低，所以国内大部分污水厂都采用重力浓缩法。 ( 2 ) 污泥脱水 污泥经过浓缩处理后，其含水率为9 5 左右，仍为流动液体，易腐败发臭， 不利于运输和处理，所以需要进一步脱水至含水率为7 0 8 0 左右，污泥脱水后， 其容积大大减少，减少了外运的费用和填埋厂的沥滤液量，污泥的可利用物质的 含量增加( 如农用的肥分、焚烧的热值等) ，且利于污泥的后续处置和利用。污泥 的脱水技术分为自然干燥和机械脱水。 污泥的自然干燥是一种比较古老、简便经济、应用广泛的污泥脱水方法，有 污泥干化床和污泥塘两种类型。它们都是利用蒸发和脱水而将污泥于化的，适用 十气候比较干燥，占地不紧张以及环境卫生条件允许的地区。机械脱水一般有转 5 嗜热酶溶解技术处理污泥发酵产氧研究 筒离心机、板框压滤机、带式压滤机和真空过滤机。真空过滤机是早期使用的连 续机械脱水技术，由于其附属设备较多，厂房建筑高大，设备和基建投资高，工 序复杂，运行费用高，已逐步被淘汰。仅用浓缩和机械脱水并不能减少污染，也 不能满足卫生需要，因此不能满足污泥处置的要求，进行污泥深度处理是污泥处 理发展的必然选择。 ( 3 ) 污泥干化 污泥含水率是决定污泥处置方法的关键因素，降低污泥的含水率是解决污泥 处理的关键问题。国内外的应用实践表明，经传统的浓缩和脱水处理后，污泥的 含水率不可能达到6 0 以下，经济的机械脱水后污泥含水率约为7 5 要达到污 泥的深度脱水，常用的方法是引入化工操作中常用的热干燥技术。 从国内的情况看，目前的干化方法有很多，大致可以分为二大类：一类使用燃 烧烟气进行直接干化；另一类使用蒸汽或热油等热媒体进行间接干化。用烟气进 行直接干化时，由于温度较高，在干化的同时还进行许多有机物分解，造成恶臭。 间接干化法的污泥加热温度一般低于1 2 0 ，污泥中的有机物不易分解，能够大 大改善生产环境。国外干化方法也很多，较成熟的方法主要有：苏尔寿艾雪维斯 法、s e v a r 法、多级减压蒸馏法以及奖叶干燥法。 ( 4 ) 污泥消化 污泥消化包括厌氧消化和好氧消化。厌氧消化是在没有游离氧的条件下，利 用兼性及专性厌氧细菌降解有机污染物，分解的主要产物为甲烷、二氧化碳和水， 经消化后，多数可降解的有机物被分解、稳定。消化后的污泥比较稳定，易于脱 水，固体物数量减少，不会腐化。厌氧消化是污泥稳定的常用方法。厌氧是在无 氧条件下，利用厌氧细菌的作用，使有机物经液化、气化而分解为稳定的物质， 病菌、寄生虫卵被杀灭，固体达到减量化和无害化的方法。 ( 5 ) 污泥调节处理 城市污水处理厂污泥中的固体物质主要是腐殖质，它是带有亲水性带负电的 胶体微粒，其颗粒大小极不均匀而且很细小，其结构复杂，与水亲和力很强，比 阻值大，脱水性能较差，特别是活性污泥为此，在污泥进行机械脱水前，通常 需要调理剂进行调理，以改变污泥颗粒表面的物化性质和组分，破坏污泥的胶体 结构，减小与水的亲和力，从而改善脱水性能常用的调理方法有化学调理法、淘 洗加药法、冷冻法和热调理法。常用的调理剂分为无机和有机调理剂两大类。无 机调理剂主要是一些铁盐、铝盐和石灰等。有机调理剂可分为表面活性剂、天然 高分子物质和有机合成高分子物质。从近几年国内外发展趋势看，有机调理剂如 高聚合度的聚丙烯酞胺系列应用较多。 1 2 6 2 常用污泥处置方法及存在问题 6 硕l j 学位论文 城市污泥处置的途径很多，因国家的情况不同而有很大的差异，根据污泥 的最终去向可分为污泥利用和污泥无害化。在许多情况下两者是联合使用的。污 泥利用包括农用、低温热解制油、作为动物饲料、提取蛋白质、制水泥、制吸附 剂等：污泥无害化处置有焚烧、填埋。目前，世界范围内常用的污泥处置方法是农 用、焚烧、低温热解和填埋。堆肥处理、水体消纳、卫生填埋、焚烧处理和土地 利用是包括我国在内的许多国家常用的方法。 目前对污泥的处理与处置，存在着有效性和经济性两方面的问题：首先，尚无 一种可推广又对坏境无污染的有效方法：其次，各种污泥处理与处置方法需要的资 金巨大。污泥处理及处置费用十分昂贵， 至达到7 0 。在我国城市污水处理厂中， 约占全部基建费用的2 0 5 0 ，有时甚 传统的污泥处理费用约占污水处理厂总 运行费用的2 0 5 0 ，其投资占污水处理厂总投资的3 0 4 0 。因此，污泥处理 制约着其资源化利用。 1 3 污泥发酵制氢 目前，国内外利用废弃物有机质( 包括高浓度有机废水、污泥、农业生物质) 厌氧发酵生产氢气已经进行了大量研究f l o 2 0 1 。这也是继产沼气之外，利用生物技 术处理废弃物，生产替代能源的最有前景的领域。可以预见，在全球能源紧张、 化石能源价格高涨的背景下，这一领域将仍然是全球的研究热点。 1 3 1 污泥发酵制氢的理论原理 1 3 1 1 厌氧发酵产氢细菌 g r a y 和g e s t 2 1 1 ( 1 9 6 4 ) 在s c i e n c e 杂志上发表的一篇生物产氢发酵机理的综述， 奠定了产氢发酵细菌研究的基础。他们按照形成氢所需电子供体的不同将产氢发 酵细菌分为了三类：1 兼性厌氧产氢发酵细菌，如大肠杆菌，它以细胞色素微电子作 供体，通过甲酸裂解产氢，甲酸的前体是丙酮酸；2 专性厌氧产氢发酵细菌，如丁酸 梭菌，它不含细胞色素型电子供体，通过丙酮酸或丙酮酸式二碳单位产氢；3 特殊 类型的产氢发酵细菌，实际上这类发酵菌属于第1 类和第2 类之间的过渡类型，如脱 硫弧菌，在五硫源的条件下代谢产氢。产氢发酵细菌的种类很多，主要包括梭菌属 ( c l o s t r i d i u m ) ，类芽孢菌属f ，p a e ni b a 2 c i l l u s ) ，肠杆菌科f ，e n t e r o b a c t e r i a c e a e ) ，巨 型球菌属似e g a s p h a e r a ) ，韦荣式球菌属( v e i l l o n e l l a ) ，互养球菌属 f ，s y n t r o p h o c o c c u s ) ，醋弧菌属似c e t i v i b r i o ) ，线形醋菌属似c e t o f i l a me n t u m ，) ，醋微 球菌属阳c e t o mi c r o b i u m 夕，拟杆菌属厂ba c t e r o i d e s ，闪烁杆菌属 f ，f e r v i d o b a c t e r i u m 夕，盐厌氧菌属f ，s y n t r o p h o b a c t e r ) ，栖热袍菌属rt h e r mo t o g a ) ， 栖热粪杆菌属rc o p r o t h e r mo b a c t e o ，盐胞菌属厂h a l o c e l l a ) ，盐厌氧杆菌属 ( h a l o n a e r o b i a c t e r ) ，嗜热盐丝菌属f ，t h e r mo h y d r o g e n i u m 、科里氏杆菌属 7 嗜热酶； ：f 解技术处理污泥发酵产氧研究 ( c o r i b a c t e r i u m 夕，真杆菌属re