（环境工程专业论文）邻氨基苯酚和四氯水杨酰苯胺的污泥减量化.pdf

山东人学硕士学位论文 摘要 活性污泥法是目前城市污水处理厂应用最为广泛的生物处理技术，但该工艺在运行 过程中会产生大量的剩余污泥。如何减少剩余污泥产量己成为一个亟待解决的问题。常 见的污泥减量技术如臭氧氧化、氯气氧化以及污泥焚烧等方法本质上属于污泥处理，而 非污泥减量。如何从源头上降低污泥的产率则是进行污泥减量化的根本途径。因此，本 文主要研究的是邻氨基苯酚( a p ) 和3 ，3 ，4 ，5 四氯水杨酰苯胺( t c s ) 以及协同蛋白酶 和纤维素酶对活性污泥产率以及工艺运行效能的影响及其减量化机理，得到的结论如 下： a p 和t c s 都能有效降低污泥产率，均可以作为解偶联剂。和对照组相比，当污泥 混合液中a p 和t c s 的浓度分别为1 5m g l 和1 2m g l 时，污泥减量效果最好，分别 达到2 1 和5 2 。a p 和t c s 作用下c o d 去除率仅有轻微下降，t c s 造成氨氮去除率 降低约3 0 左右，而a p 则对其影响很小。污泥的脱水性能受2 种解偶联剂影响不大， 污泥沉降指数( s v i ) 受t c s 影响而略有升高。 与对照组相比，加入a p 和t c s 后污泥脱氢酶活性显著提高。a p 和t c s 对污泥结 构和微生物相的研究结果表明：a p 和t c s 处理后污泥丝状菌增多，絮体结构明显不如 对照组污泥结构紧密，且污泥中原生动物和后生动物种类和数量明显减少。 蛋白酶和纤维素酶均不利于提高解偶联剂的污泥减量效果，其中蛋白酶影响更为明 显。通过对比分析可知，蛋白酶、纤维素酶以及a p 、t c s 作用下污泥s v i 、污泥脱水 性能与对照组相比变化均较小。 由变性梯度凝胶电泳( d g g e ) 图谱分析可知，与对照组相比，蛋白酶处理后污泥 微生物种属及数量最多，纤维素酶处理后污泥微生物种属相应对照组相差不大。t c s 处理后污泥微生物种属及总数量少于对照组污泥。 a p 和t c s 作为有机弱酸，均能电离h + ，起到将微生物合成代谢和分解代谢解偶联 f 的作用。通过试验数据验证，l i uy u 提出的高o 条件下( 初始基质浓度初始生物量 ，a0 一 浓度) 的微生物生长动力学模型和能量消散模型可用于描述常规) 条件下，存在 ，、0 a p 和t c s 时的微生物生长动力学。 山东大学硕十学位论文 关键词：污泥减量化；解偶联剂；邻氨基苯酚；四氯水杨酰苯胺；生物相 2 山东大学硕上学位论文 a b s t r a c t a c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s si sam e t h o do f b i o l o g i cw a s t e w a t e rt r e a t m e n tt h a ti su s e dm o s t e x t e n s i v e l yi nt h ew o r l d ，b u te x c e s ss l u d g ep r o d u c t i o ni sh i g h l y h o wt od e a lw i t ht h ee x c e s s s l u d g ei sap r o b l e mt h a tm u s tt ob es o l v e dq u i c k l y t r a d i t i o n a lm e t h o d su s e dt od i s p o s et h e e x c e s ss l u d g es 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 na n ds l u d g ec o m b u s t i o na ren o tt o r e d u c et h ep r o d u c t i o no fe x c e s ss l u d g e t h e r e f o r e ，t h em o s te f f e c t i v em e t h o do f s o l v i n gt h e p r o b l e mo fe x c e s ss l u d g ei st or e d u c et h ep r o d u c t i o no ft h ee x c e s ss l u d g ei nt h ec o u r s eo f w a s t e w a t e rt r e a t m e n t t h i sp a p e rf o c u s e so nb i o m a s sy i e l d s ，e f f e c t so fw a s t e w a t e rt r e a t m e n t a n dm e c h a n i s mo f o a m i n o p h e n o l ，3 ，3 ，4 ，5 - t e t r a c h l o r o s a l i c y l a n i l i d e ，p r o t e a s ea n dc e l l u l a s e t h em a i nc o n c l u s i o n so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： w h e na po f15 m g la n dt c so f1 2 m g l ，o b s e r v e dg r o w t hy i e l d s ( y o b s ) o ft h es l u d g e a r er e d u c e db y21 a n d5 2 w i t hl o wr e d u c t i o no fc o dr e m o v a le f f i c i e n c y r e m o v a lr a t e o fa m m o n i ad e c r e a s e db y3 0 w i t ht c sb u tw a sn o ta f f e c t e do b v i o u s l yb ya p t h ed e w a t e r a b i l i t yo fs l u d g ew a sn o ta f f e c t e db yt h et w ou n c o u p l e r s t h es v iv a l u e so fs l u d g ew i t ht c s i n c r e a s e ds l i g h t l y a pa n dt c sl e dt oa ni n c r e a s ei nd e h y d r o g e n a s ea c t i v i t y ( d h a ) o f s l u d g e f l o e so f t h e s l u d g et r e a t e db ya pa n dt c sw e r es m a l l e ra n di n c o m p a c tt h a nc o m p a r i s o ns l u d g eo b v i o u s l y a c c o r d i n g t om i c r o s c o p eo b s e r v a t i o n ，t h es l u d g em i c r o b ep o p u l a t i o nc h a n g e m e a n w h i l e q u a n t i t i e sa n dk i n d so fp r o t o z o a na n dm e t a z o a nr e d u c e d p r e t r e a t m e n tw i t hb o t hp r o t e a s ea n dc e l l u l a s er e s u l t e dt op o o r e rs l u d g er e d u c t i o n c o m p a r i n gw i t hc e l l u l u s e ，t h ep r o t e a s ea f f e c t e dt h es l u d g er e d u c t i o nm u c hm o r ec l e a r l y s v i v a l u ea n dd e w a t e ra b i l i t yo ft h es l u d g et r e a t e db yp r o t e a s ew i t ha po rt c sw e r en o td i f f e r e n t f r o mt h ec o m p a r i s o ns l u d g e t h es a m ee f f e c ti so b t a i n e dw i t hc e l l u l a s e r e s u l t so b t a i n e dt h r o u g ht h ea t l a so f d e n a t u r i n gg r a d i e n tg e le l e c t r o p h o r e s i ss h o w e dt h a t q u a n t i t i e sa n dk i n d so fm i c r o b eo ft h es l u d g et r e a t e db yp r o t e a s ea r em o s t ，w h i l et h es l u d g e t r e a t e db yc e l l u l o s ew a ss i m i l a rw i t hc o m p a r i s o ns l u d g e t h eq u a n t i t i e sa n dk i n d so fm i c r o b e o fs l u d g ew i t ht c sw e r el e s st h a nt h a to fc o n t r o l s a m p l e b o t ha pa n dt c sa r eo r g a n i ca c i dw h i c hc a ni o n i z eh + i - i + p l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei n 山东人学顾：卜学位论文 d e t a c h m e n to fc a t a b o l i s ma n da n a b o l i s m t h ed a t e so fe x p e r i m e n tv a l i d a t e dt h a tt h em o d e lo f m i c r o b eg r o w t ha n de n e r g ys p i l l i n ga l s oa p p l i e dt ot h eg r o w t ho fs l u d g et r e a t e db ya pa n d t c su n d e rt h ec o n d i t i o no f c o n v e n t i o n a lr a t i oo fc o n c e n t r a t i o no fs u s t r a t et om i c r o b eo f s l u d g e k e y w o r d s ：s l u d g er e d u c t i o n ；u n c o u p l e r ；a p ；t c s ；m i c r o b e 4 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：褪嗑塑臣 日 期：盈：型 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：巡导师签名：雄缘日期：掣 山东大学硕士学位论文 1 1 污泥处理处置的必要性 第一章绪论 活性污泥处理方法是当今最为主要的污水处理方法，特别是在城市污水处理领域， 绝大部分污水处理厂采用的均为该法。活性污泥法自身有很多优点，诸如出水水质稳定、 处理效率高等。但其存在一个很大的弊端，即在水处理过程中会产生大量的剩余污泥， 体积是处理污水量的5 2 5 1 1 1 。随着城市人口的增长，市政设施的不断完善以及对污 水处理率及深度不断提高的要求，污泥产生量将会进一步增加【2 】。目前我国城市污水处 理厂污泥年产量大于1 5 0 0 万吨，按我国城市污水处理厂的建设规划，2 0 1 0 年污泥年产 量将达到7 5 0 0 万吨【3 1 。据报道【4 1 剩余污泥的处理处置成本目前已占污水处理厂总运行费 用的2 5 - - 6 5 。 另一方面，污水处理厂产生的剩余污泥均含有大量的病原菌，寄生虫( 卵) ，铜、 锌、铬、汞等重金属，盐类以及多氯联苯、二嗯英、放射性物质等难降解的有毒有害物 质，这些物质对环境，人类以及动物的健康可能会造成较大的危害。因此必须对如此大 量且对环境有二次污染的剩余污泥进行有效的处理处置。 1 2 污泥处理处置技术 污泥的处理处置技术主要包括：卫生填埋、污泥农用、污泥焚烧、污泥干化和热处 理、污泥堆肥和海洋倾倒等，各种方法的优缺点详见表1 1 。 5 山东大学硕 ：学位论文 卫生填埋 操作简单、费用低、适应性强 污泥农用投资少、能耗低、运行费用低 污泥焚烧 最大限度减少污泥体积 占用大最土地资源、污泥渗滤液污染土 壤和地下水 重金属污染、病原体、难降解物质、氮、 磷流失对地表水和地下水的污染 设施投资大，处理费用高、产生有毒 气体 污泥显著减容、产品稳定、无臭且无 污泥干化和 病原微生物、干化后污泥可做肥料和技术要求高、处理成本高、管理复杂 热处理 污泥堆肥 海洋倾倒 土壤改良剂 可作农用肥料 费用低 一定程度上不利食品清洁生产 严重影响海洋生态环境 虽然这些方法能从一定程度上解决剩余污泥的出路问题，但是均存在这样和那样的 缺点。而且掘报道4 壕4 余污泥的处理处置成本占污水处理厂总运行费用的2 5 6 5 ， 已成为困扰城市污水处理厂和市政管理部门的一个重要问题，因此要想解决污泥问题， 必须从减少污泥产量着手。 1 3 污泥减量技术 污泥减量从广义上可分为质量减量和体积减量，也可从对污泥的处理过程区分为两 种减量手段【5 1 。一种减量方法是在污泥产生以后再通过一定的工艺手段减少污泥的质量 和体积。通过污泥浓缩、脱水、干化等技术降低污泥含水率，实现污泥减容，再通过污 泥稳定及焚烧技术减少污泥质量。另一种是在污水处理过程中，采用适当的技术，在保 证污水处理效果的前提下，降低污泥的产生量。以下所指污泥减量技术为第二种减量方 法，也即是从源头上减少污泥的合成产生。常见的污泥减量技术主要包括以下一些方法： 强化隐性生长、生物捕食、增加维持能的消耗、代谢解偶联及其他技术等。 1 3 1 强化隐性生长 6 隐性生长是指细菌利用衰亡细菌所形成的二次基质生长，整个过程包含了溶胞和生 山东人学硕上学位论文 长【6 j 。利用各种溶胞技术，使细菌能够迅速死亡并分解成为基质再次被其他细菌所利用， 是在污泥减量过程中广为应用的手段。促进细胞溶解，在传统模型中可以认为是增大了 细胞衰减速率，从而达到降低剩余污泥的产量的目的。 通常的溶胞作用包括各种化学、物理、生物及其相互联合的作用。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 回流线上增加相关的处理装置即可1 7 。 1 3 1 1 化学溶胞技术 常见的化学溶胞法有臭氧、氯气以及酸碱法等。 臭氧可破坏不容易被生物降解的细胞膜等，使细胞内物质能较快地溶于水中，同时 还能够氧化不容易水解的大分子物质，使其更容易为微生物所利用。臭氧氧化的效果和 臭氧浓度及臭氧和污泥接触反应的时间( 污泥循环速度) 有关，s a k a iy 等人的研究表明， 回流速率( 回流污泥流量和曝气池体积之比) 为o 3d ，臭氧浓度在0 0 2 m g0 3 m gs s 以 上时，可以达到污泥的完全减量化【8 】。但利用臭氧处理回流污泥可能存在以下问题：( 1 ) 氮和磷的去除效果不好；( 2 ) 出水s s 浓度要稍高于传统活性污泥法( 约2 - 1 5m g l ) ；( 3 ) 不排泥条件下，污泥中重金属的含量和传统活性污泥法相比，有一定增加1 9 1 ；( 4 ) 为了 保证曝气池中生物对二次基质的利用，需要增加曝气量。 利用氯气对污泥进行减量化的原理和臭氧相同。虽然氯气价格上比臭氧便宜，但利 用氯气污泥减量化很大的弊端是氯气能够和污泥中的有机物产生反应，生成三氯甲烷 ( t h m s ) 等有毒物质，增加剩余污泥处理处置的难度。 酸或碱污泥减量化的机理是在其抑制细胞活性的同时，使细胞壁溶解释放细胞内物 质，形成二次基质，使其能够被其他活性污泥所利用。 1 3 1 2 物理溶胞技术 物理溶胞技术通常包括加热、超声波和压力等。不同的加热温度，细胞被破坏的部 位不同。在4 5 “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。 超声波是利用通过交替的压缩和扩张产生空穴作用，以微气泡的形成、扩张和破裂 达到压碎细胞壁、释放细胞内含物的目的。 7 山东大学硕七学位论文 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【i o l ，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【l l j 。 1 3 1 3 生物溶胞技术 生物溶胞技术，可以投加分泌胞外酶的细菌，也可以直接投加酶制剂或抗菌素对细菌 进行溶胞。 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。 1 3 2 生物捕食 从生态学看，系统的食物链越长，能量消耗越大，用于合成生物体的能量越少，最 终形成的总生物量也就越少。因此通过延长食物链或者加强食物链中微生物的捕食作用 1 ，都能达到减少污泥产量的目的。另外，直接利用微生物对污泥的捕食和消化作用， 在减少污泥产量的同时增加污泥的溶解性，从而减少污泥产量【1 2 1 。 1 3 3 增加维持能的消耗 增加细胞用于非生长的能量需求，特别是维持能，可减少用于细胞合成的能量，从 而降低污泥量【13 1 。高盐环境和增加生物量浓度均能增加维持能的消耗。高盐环境条件 下，细胞内外n a + 浓度差很大，细胞必须利用额外的能量维持细胞内外n a + 浓度平衡， 从而维持能消耗增大。增加生物量浓度，则用于细胞物质转换的能量增多，细胞用于合 成的能量减少，污泥产率得以下降。 1 3 4 代谢解偶联技术 细胞内的a t p ( a d e n o s i n et r i p h o s p h a t e ) 为细胞的各种生理活动提供能量，是能量转移反 应的中心【1 4 】。微生物能量转移如图1 1 。 8 山东大学硕士学位论文 底物、 ) ? c 0 ，+ h ，0 l l ) 残物 图1 - 1 分解代谢和合成代谢关系图 一般情况下，微生物的合成代谢通过呼吸( 速率控制) 与底物的分解代谢进行偶联， 当呼吸控制不存在，生物合成速率成为速率控制因素时，解偶联新陈代谢就会发生，微 生物新陈代谢过程中产生的剩余能量没有被用来合成生物体，这种现象称为解偶联生 长。r u s s e l 和c o o k l l 5 1 对解偶联的定义是：化学渗透氧化磷酸化作用不能产生以a t p 为 形式的最大理论能量，即解偶联的氧化磷酸化作用。这表明分解代谢中能量的产生速率 大于其在合成代谢中的消耗速率，合成代谢能量受到限制，这样便会减少生物体的产生 量。 s r o u t a m e r 提出在以下5 种情况时可能发生微生物解偶联生长【16 】：( 1 ) 存在影响a t p 一 合成的物质( 解偶联剂) ；( 2 ) 存在过剩能量，引起能量消耗( 高o 条件) ；( 3 ) 在过渡 o o 时期( 非稳态) 生长( o s a t 艺) ；( 4 ) 在不适宜的温度下生长；( 5 ) 有限制性基质的存在。 其中前4 种是通过解除新陈代谢中的能量偶联达到解偶联目的的，第5 种则是通过解除新 陈代谢中的物质偶联达到解偶联目的。 1 3 4 1 投加解偶联剂 解偶联剂分为人工合成解偶联剂和天然解偶联剂两种。人工合成解偶联剂通常为脂 溶性小分子物质。研究表明，解偶联剂的投加，对微生物( 污泥) 的表观产率系数会产生 明显影响。 投加解偶联剂污泥减量化的最大优势是不需要对现有污水处理工艺作大的改进，只 需增设投药装置即可。但在实际应用中存在以下问题：( 1 ) 所投的药在较长时间后由于 微生物的驯化而被降解，从而失去解偶联作用；( 2 ) 当加入解偶联剂后，虽然污泥的产 量降低了，但从物质守恒角度看，需要更多的氧去氧化未能转化成污泥的有机物，从而 使得供氧量增加【r 7 】( 3 ) 对投加解偶联剂的费用还需要作比较；( 4 ) 解偶联剂在实际应 9 炸+ 钫叶 ( 山东大学硕士学位论文 用中的最大弱点是环境安全性i 列趑。解偶联刑逋常是较难生物降解或村，土韧有牧大霉住 的化合物，使得生物对解偶联剂的降解不完全，这将会给水处理带来新的污染。 1 3 4 2 高乡妥。条件 在高彳。条件下，微生物在分解代谢中产生a t p 的速率要大于在合成代谢中消耗 的速率。a t p 产生累积后可能引起能量的消散，即能量以热和功的形式散失到环境中， 从而降低微生物产率系数。 对在高幺条件下解偶联机理( 途径) 有两种解释：一是由于离子泄露( 如质子和钾 离子) ，离子在细胞膜两侧的传递削弱了跨膜电势，随后发生氧化磷酸化解偶联；二是 微生物新陈代谢产生其他途径，而回避了糖酵解这一步1 15 1 。 另外，有研究证明，营养物质受限制条件下，如生长因子的缺少亦能导致解偶联发 生。 l i u 等建立了高s c 形条件下微生物生长动力学和能量消散模型【1 8 2 0 1 ，但高s c 形条等建立了高) c 儿条件下微生物生长动力学和能量消散模型i i h ，但高o 条 件下解偶联还不能用于实际的污水处理，这是由于要求相对高的彳。值( 8 - l o ) 远远大 于实际活性污泥法处理污水时的情况( 。= o 0 5 - o 1 ) 。而且在高丢。条件下，微生物 产牛的不窨令代谢的产物坏可能对罄个应卜王单讨棵产牛影响。 1 3 4 3o s a 工艺 o s a ( o x i c s e t t l i n ga n a e r o b i c ) t 艺的基本原理是通过在常规活性污泥工艺中的污泥回 流中形成一特定的厌氧段，从而给微生物提供了一个交替好氧和厌氧的环境，使细菌在 好氧阶段所获得的a t p 不能立即用于合成新的细胞，而是在厌氧段作为维持细胞生命 活动的能量被消耗。微生物分解和合成代谢相对分离，而不像通常条件下紧密偶联，从 而达到解偶联污泥减量化的效果。 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 工艺的污泥产率系数和常规活性污泥法相差不大。同时，由于o s a 工艺的水力 停留时间是常规活性污泥法的两倍，因此较低有机物浓度条件下o s a 工艺和常规活性 污泥法相比在降低污泥产率方面并无优势。 1 0 山东大学硕+ 学位论文 1 3 4 4 不适宜温度 改变温度能够影响微生物的新陈代谢，从而降低污泥的表观产率系数。这是因为温 度升高后，微生物首先提高的是分解有机物的能力，而合成代谢方面却没有随之提高到 相应水平，分解有机物增多而获得的能量并没有完全用于合成微生物细胞自身，从而发 生了解偶联生长。而有结论【5 1 认为温度的改变使得细胞膜的质子通透性增大，从而发生 了氧化磷酸化解偶联。 1 3 4 5 限定性基质存在 当有限定性基质如重金属离子存在时，微生物合成反应较分解反应受到较大程度的 抑制，微生物生长发生解偶联。 1 3 5 其他污泥减量技术 除上述污泥减量方法外，还有些方法亦能减少污泥的产生量，如高溶解氧及膜生 物反应器等方法。 1 3 5 1 高溶解氧 高溶解氧条件下可实现污泥减量，但其减量化机理尚未十分明确，主要有三种解释： 一：高溶解氧可使有机物氧化速度加快，a t p 产生量增加。此时a t p 合酶对高浓度a t p 进行水解，细菌形成无效质子循环，发生解偶联2 1 2 2 ；二：活性微生物量水平增加，实 际污泥负荷降低：- - 高溶解氧导致氧的深层扩散，絮凝区内好氧区体积变大，相当于 增加了曝气池体积。 1 3 5 2 膜生物反应器 膜生物反应器( m b r ) 具有停留时间长、生物量浓度高等特点。反应器在高容积负 荷、低污泥负荷、长污泥龄条件下运行，基本无剩余污泥产生【2 3 j 。 山东大学硕士学位论文 1 4 解偶联剂在减少污泥产量的应用 解偶联污泥减量技术目前研究主要方向为利用解偶联剂进行污泥减量。铵和亚硝盐 根都能作为质子载体将氧化磷酸化解偶联f ” 2 4 1 ，但是研究人员对氧化磷酸化解偶联研究 更多的是利用有机质子载体进行解偶联，它们一般都是脂溶性弱酸。现在已研究的解偶 联剂种类主要是硝基酚类和氯基酚类。如对硝基苯酚( p n p ) ，2 ，4 一二硝基苯酚( d n p ) 【2 5 】、 邻硝基苯酚( o o n p ) ，氯基苯酚，如对氯苯酚( p c p ) ，2 ，4 二氯苯酚( d c p ) ，另外还有3 ，3 ， 4 ，5 四氯水杨酰苯胺( t c s ) 【2 6 ，2 7 1 以及氨基苯酚( a p ) 2 8 1 等。 l o w l 2 9 】等的研究表明，p n p 浓度为1 2 0 m g l 时没有剩余污泥产生。p n a 浓度为 1 0 0 m g l 时，和不投加p n p 相比，污泥产量减少4 9 。m a y h e w 等【2 5 】发现，d n p 为3 5 m g l ， m l s s 为2 5 0 0 m g l 时污泥产率与空白相比降低3 7 。y a n g 3 0 1 等研究表明m l s s 为 2 0 0 0 m g l 时o n p 为2 0 m e d l 时，污泥产量减少8 6 1 。p c p 为2 0 m g l 时，污泥量减少 5 8 ，d c p 为3 0 m g l 时，污泥量减少5 0 。另外有研列2 6 ，3 1 1 表明，t c s 为o 8 m g l 时， 与不投加t c s 相比污泥产率降低7 8 ，而且在目前所研究的解偶联剂中，t c s 最具有 环境友好性，经常用作香皂、洗发水的配料【3 2 】。x i e l 2 8 1 通过正交试验研究发现，氨基苯 酚亦为一种非常有效的解偶联剂，其浓度为2 0 m g l 时，几乎无剩余污泥产生。不同研 究对于不同解偶联剂及同一解偶联剂不同实验条件下减量效果并不完全一致，但研究结 果均表明有机弱酸小分子化合物作为解偶联剂，能有效降低污泥产率。 解偶联剂削减污泥产量的最大优点就是不用对现有工艺做大的改进，可大大节约基 建投资，并且运行管理也相对其它污泥减量方法简单。但也存在一些缺点：首先是c o d 和氨氮去除率降低，将影响出水水质。其次是污泥的沉降性能恶化以及污泥种群结构的 变化【5 1 。另外，随着解偶联剂用量的增加及污水处理时间的延长，微生物还会对解偶联 剂产生抗药性，从而降低减量效果，增加运行成本。而解偶联剂应用最主要的缺点还是 解偶联剂的毒性，包括出水是否有残留物以及剩余污泥的处理处置是否会造成二次污染 等问题。 1 5 本课题研究目的和内容 目前对解偶联剂的研究主要集中在机理方面，其应用方面仍存在一些不同的观点或 不明确的地方，主要体现在以下三方面： 1 2 山东大学硕士学位论文 ( 1 ) 污泥减量效果及对工艺效能的影响尚不一致，且均为单一解偶联剂作用。 ( 2 ) 解偶联剂在减少污泥产量的同时是否会影响剩余污泥的脱水性能等尚无定 论。 ( 3 ) 投加解偶联剂后污泥的沉降性能、理化特性以及种群结构的变化等研究并不 多见。 针对以上三个问题，确定了本研究的主要目的是： ( 1 ) a p 和t c s 单独作用以及分别和蛋白酶、纤维素酶协同作用对污泥的减量效 果、两种解偶联剂以及和蛋白酶、纤维素酶协同对工艺效能的影响。 ( 2 ) 污泥经a p 、t c s 、蛋白酶和纤维素酶处理后其脱水性能是否有所变化。 ( 3 ) a p 、t c s 以及蛋白酶、纤维素酶处理后污泥沉降性能、理化特性、污泥絮 体结构及种群构成等的变化特征及机理。 根据以上目的，本研究主要包括以下几方面的内容： ( 1 ) 通过测定污泥的表观产率系数，表征a p 和t c s 以及和蛋白酶和纤维素酶 协同作用的污泥减量化效果。并进一步通过测定出水c o d 和氨氮含量，分析对污水处 理效果的影响。 ( 2 ) 以污泥毛细吸收时间( c s t 值) 和含固率为指标，研究了a l p 和t c s 以及 和蛋白酶和纤维素酶协同作用污泥脱水性能的变化。 ( 3 ) 与对照组相比，分析测定了a p 和t c s 以及和蛋白酶、纤维素酶协同作用 污泥沉降性能及呼吸特性的变化。运用扫描电镜及d g g e 技术考察污泥的结构及种群 特征的变化。 山东大学硕i ：学位论文 2 1 材料和方法 2 1 1 材料 第二章活性污泥的驯化 接种污泥：济南市污水处理一厂曝气池活性污泥。 实验废水：人工配水，配水成分见表2 - 1 。 主要仪器： f a f c 系列电子分析天平； 1 0 1 a 0 电热鼓风干燥箱( 1 0 1 a 0 型电热鼓风干燥箱，黄骅市卸甲综合电器厂) 。 2 1 2 试验方法 模拟s b r 反应器方式进行污泥培养驯化，取一定量采集的活性污泥，并加入配制 的合成废水于有效容积5 0l 的反应器( 反应器a ) 中。曝气量维持在2 5l m i n 左右， 溶解氧浓度控制在4m g l 左右。曝气2 2 小时，然后静置沉降2 小时，污泥充分沉降后 用虹吸法去除上清液，然后向污泥中加入人工合成废水以补充营养，持续曝气，每天一 个周期循环换水，定时测定c o d 和污泥混合液悬浮固体浓度( m l s s ) 。驯化初始阶段 加入的合成废水量不宜过大，废水加入量控制在l ol 左右即可。随着驯化时问的增长， 废水量逐步加大，以至污泥完全适应人工配制的合成废水。反应器中m l s s 达到4 0 0 0 m g l 后，每天定时排除部分污泥混合液，保持容器内污泥浓度稳定在4 0 0 0m g l 左右， 当出水水质达到稳定时，污泥培养驯化成功。 根据物料平衡原理可得，排除污泥混合液的体积计算方法如下： m l s s tx ( v - v 捧) 1 4 = 4 0 0 0 v m l s s t一个周期以后污泥混合液悬浮固体浓度 v 反应器的有效体积 v 捧需排除反应器的污泥混合液体积 驯化实验中，曝气主要有2 个作用：一是向污泥溶液中充入氧气，保证好氧微生物 山东人学硕士学位论文 的充分生长：二是起搅拌作用，保持污泥处于悬浮状态，分布尽量均匀。为保证实验污 泥来源，另外选择1 8l 反应器( 反应器b ) ，按照与上相同的方法培养驯化污泥。人工 废水组成成分见表2 1 。 表2 - 1 人工模拟城市污水的组成和浓度1 ) m g l - 1 1 ) 配水甲均水质c o d = 1 2 0 0 m g l ，总氮2 2 2 0 m g 几，黥1 2 0 m g l 每天定时测定m l s s ，并按照污泥负荷为o 2 5k g c o d ( k gs s d ) 加入所需营养物 质。同时测定污泥s v i 值及出水c o d 等。 2 1 3 分析测定方法 c o d 采用重铬酸钾法测定【3 3 1 ；m l s s 采用重量法测定；s v i = m l s s s v ，s v 为污 泥3 0 m i n 的沉降体积。生物相特征采用x s p 双目生物显微镜观察拍摄。 2 2 结果与讨论 2 2 1 污泥驯化期间浓度变化 污泥驯化两周m l s s 浓度变化见图2 1 。驯化第9 天排出部分剩余污泥。 1 5 山东大学硕i 二学位论文 o 锄 e 访 j = 驯化天数d 图2 1 污泥浓度变化图 从图2 1 中可以看出，反应器a 中污泥驯化初期浓度较低，驯化第l 天m l s s 为 7 0 0m g l 。驯化第4 天，反应器a 中污泥浓度为2 2 0 0 m g l ，反应器b 中污泥浓度也已 达到1 7 0 0 m g l ，由此可知，驯化初期两反应器中m l s s 均呈现快速增长状态。第1 0 天污泥浓度出现了一定的下降，主要是因为第9 天系统排出部分污泥的缘故。第1 2 天 后反应器a 中污泥浓度增加趋缓，第1 3 天达到4 3 0 0 m g l ，污泥性能趋于稳定。反应 器b 中污泥浓度自第1 3 天起增加变慢，污泥量保持稳定，能满足后期实验对污泥浓度 的需求。 2 2 2 污泥驯化期间c o d 去除率变化 1 6 驯化期间c o d 去除率变化情况见图2 2 。 山东火学硕士学位论文 1 0 5 9 0 7 5 更 褂6 0 篮 粕 84 5 u 3 0 1 5 0 lz34567 89l u lll z1 31 4l b 驯化天数d 图2 - 2c o d 去除率变化图 由图2 2 可见，污泥驯化第l 天c o d 去除率为9 4 ，驯化第2 天c o d 去除率最 低，约为6 4 左右。自驯化第3 天起污泥c o d 去除率逐步上升，驯化第八天污泥c o d 去除率达到9 0 ，由于系统排泥缘故，第1 0 天和1 1 天c o d 去除率略有下降。驯化第 1 2 天至1 5 天，c o d 去除率基本稳定在9 3 左右，出水水质较好。驯化前期污泥c o d 去除率降低的原因可能是驯化初期废水组成成分改变造成的，微生物碳源的突然改变势 必会引起污泥性状的变化，而污泥中微生物等的改变将会直接影响出水水质。 2 2 3 污泥驯化期间沉降指数变化 驯化期间污泥s v i 变化情况见图2 3 。 1 7 山东大学硕士学位论文 67891 01 11 2 1 31 41 5 驯化天数d 图2 3s v i 变化图 s v i 表征污泥沉降性能好坏，由图2 3 污泥s v i 变化可以看出，反应器a 中污泥驯 化第1 天污泥s v i 为6 0 ，驯化第2 天至第7 天s v i 出现了大幅上升的现象，其中第七 天污泥s v i 值达到1 6 5 ，污泥膨胀，沉降性能明显恶化。这可能是微生物碳源的改变导 致污泥混合液中微生物组成等发生改变，处于游离态污泥增多，污泥絮体松散，从而导 致污泥难于沉降，s v i 值上升。驯化第8 天至1 0 天，污泥s v i 值呈下降趋势，第1 1 天 后污泥s v i 值趋于稳定，两反应器中s v i 值基本稳定在9 6 左右，污泥沉降性能良好。 2 2 4 污泥微生物相 1 8 图2 4 为水厂活性污泥和驯化1 5 天后活性污泥的镜检照片。 m 东大学顿i 学位论文 图2 4 污泥镜检( 4 0 0 x ) ( a b 为水厂话性污泥c d 为驯化污泥) 水_ r 活性污泥颜色为棕褐色，絮体较紧密，以球菌、短杆菌为主，存在相当数量的 丝状菌和原生动物中的钟虫、累枝虫、草履虫和水蚤等，后生动物中的轮虫以及藻类。 图2 - 4a 和b 为显微镜下拍摄到活性污泥中的藻类及累枝虫。图2 - 4c 和d 显示，驯化后 活性污泥颜色为黄褐色，絮体较紧密，沉降段时间后，污泥上清液清澈，泥水界面清 晰。显微镜下微生物相以球菌和短杆菌为土，原生动物中有草履虫和水蚤等，后生动物 中存在有藻类，偶见轮虫。 由以上分析可知，污泥驯化1 5 天后，污泥浓度保持稳定，c o d 去除率较高，出水 水质良好，同时污泥具有良好的凝聚和沉降性能，微生物相丰富，其中台有大量的菌胶 团及一定数量的原生动物和后生动物等，以上各污泥指标及对c o d 等的去除率基本达 到污水处理厂新鲜成熟污泥状态。由此可知，驯化1 5 天后，污泥成熟，可满足后期试 验需求。 污泥驯化中出现的一些问题及处理措施： 3 月8 日，污泥出现异味，上清液略显混浊；3 月9 日，异味加重，上清液混浊， 山东人学硕匕学位论文 污泥过滤性能极差。出现异味可能是曝气不足，厌氧生物过度生长所致。试验中通过以 下两种措施解决该问题，一方面适度加大曝气量，另一方面排出部分剩余污泥。3 月1 1 日，污泥上清液丌始变清，污泥絮体增大，但污泥颜色偏白，出水仍略显浑浊，镜检发 现丝状霉菌较多。经测验发现，反应器内的p h 值降低到了5 4 。这可能是由于碳酸氢 钠缓冲溶液投加量不足，造成污泥p h 值过低。适时用碳酸氢钠缓冲液调节污泥混合液 p h 值于7 o 左右，两天以后污泥性状基本恢复正常。 由污泥的整个驯化过程来看，应注意以下问题： ( 1 )注意曝气量以及曝气形式。因为这直接影响到好氧和厌氧生物的比例及分 布，进而对整个污泥结构产生重大影响。 ( 2 ) 注意及时调整污泥混合液p h 值。低p h 值条件下，丝状菌适宜生长，容易 引起污泥膨胀。 ( 3 ) 及时排出部分剩余污泥。 ( 4 ) 污泥s v i 值过高时，可适当加大水中的f e s 0 4 含量，以提高污泥的压实性从 而改善污泥的沉降性能。 2 3 本章小结 ( 1 ) 污泥驯化1 5 天后，污泥浓度保持稳定，c o d 去除率较高，出水水质良好， 污泥具有良好的凝聚和沉降性能，微生物相丰富，其中含有大量的菌胶团及一定数量的 原生动物和后生动物等，污泥达到成熟状态。 ( 2 ) 因为溶解氧浓度、污泥p h 值等因素对污泥驯化有直接而显著的影响，因此污 泥驯化过程对这些因素应密切注意并适时调节；另一方面，污泥出现膨胀，沉降指数偏 高时，可通过适度投加絮凝剂予以调节；同时应及时排除部分污泥，保持反应器内污泥 有较高的活性。 山东大学硕士学位论文 第三章氨基苯酚和四氯水杨酰苯胺对活性污泥产率的影响 3 1 材料和方法 污泥：驯化后活性污泥。实验废水：人工配水，配水成分见表2 1 。 a p ，分析纯，购自中国医药( 集团) 化学试剂公司； t c s 购自加拿大a c r o s 公司，纯度9 9 ； 其余试剂纯度均为分析纯。 主要仪器： 7 2 2 光栅分光光度计； 1 0 1 a 0 电热鼓风干燥箱； t d l 一5 m 台式大容量冷冻离心机( 湖南赛特湘仪离心机仪器公司) ； h z q r 振荡器( 东联电子技术开发有限公司) ； 多探头3 1 9 型c s t 测试仪( m u l t i p u r p o s ef i l t r a t i o n3 1 9 ，t r i t o n w r c ) 。 3 1 2 试验方法 污泥驯化成功后，曝气以稳定污泥活性，然后向2 5 0 m l 锥形瓶中分别加入5 0 m l 的 污泥和人工废水，按照不同a p 和t c s 浓度加入定体积的a p 和t c s ，最后用蒸馏水 补足体积为1 2 0 m l ，污泥混合液中污泥浓度维持在l8 0 0 m g l 左右，c o d 浓度为7 5 0 m g l 左右，用饱和n a h c 0 3 调节污泥p h 值为7 0 左右。 将锥形瓶置于摇床中，2 5 。c ，1 7 0 r m i n l 3 4 3 5 1 条件下振荡培养4h ，然后取出污泥样品， 静置沉降lh ，取样测定m l s s 和s v i 值，上清液离心测c o d 和氨氮，底泥测定污泥 含固率和c s t 。共做3 组平行试验( 每组平行试验中有3 个对照组) ，取平均值作为最 终实验结果。 3 1 3 分析测定方法 c o d 采用重铬酸钾法测定3 3 】；氨氮采用纳氏试剂光度法；m l s s 和含固率分别采用 2 l 山东人学硕十学位论文 重量法；污泥c s t 值采用3 1 9 m u l t i c s t 型污泥测试仪测定，污泥表观增长系数 ( y o b s ) = a m l s s c o d 。 3 2 结果与讨论 3 2 1a p 和t c s 对污泥产率系数y o b s 的影响 a p 和t c s 对污泥产率系数影响结果见图3 1 和图3 2 。 丘 o _ c ，】 o o 1 o 7 0 o 6 0 0 5 0 0 4 0 0 3 0 o 2 0 o 7 0 0 6 0 o 5 0 o 4 0 o 3 0 o 2 0 o2581 01 52 0 a p 浓度m g l - 1 图3 1a p 浓度对y o b s 的影响 0o 50 81 225 t c s 浓度m g l 1 图3 2 t c s 浓度对y o b s 的影响 山东人学硕上学位论文 由图3 1 可知，对照组( 未加a p ) y o b s 为o 6 6 ，添加解偶联剂后y o b s 迅速降低， a p 浓度为8 m g l 时，y o b s 降为o 5 5 。a p 浓度增加为1 0 m g l 时，增长系数反而有所 升高，