（环境工程专业论文）城市污水处理厂剩余污泥碳源开发利用的试验研究.pdf

摘要 摘要 我国的城市污水处理厂中绝大多数存在碳源不足的问题，仅采用生物法脱 氮除磷，出水氮、磷很难达到排放标准。生物脱氮除磷是目前水处理领域中应 用最为广泛的技术，但该方法产生大量的附带产物一剩余污泥。剩余污泥处理 和处置的费用占污水厂运行成本的比重越来越大。本论文针对污水厂进水碳源 含量不足和剩余污泥的处置的问题，研究以污水厂产生的剩余污泥为底物，采 用碱预处理厌氧水解酸化进行碳源的开发。 试验结果表明，经过碱预处理后的剩余污泥最佳产酸控制条件为：搅拌速 度为6 0 - - 8 0 r p m ，反应底物停留时间为4 d ，起始p r t 值为1 0 ，反应底物总固体浓 度为8 8 9 l 。在此控制条件下进行污泥水解产酸反应，能实现反应时间及可分离 出污泥水解酸化液量的最优。 在前阶段试验的基础上，控制污泥水解的最佳运行参数，在半连续的运行 状态下，通过对比无填料、球形填料及组合填料三种运行条件，考察污泥的水 解酸化效果。试验结果表明，这三种条件下产酸量分别稳定在4 9 9 1m g l 、 5 9 8 4 m g l 、6 8 7 9 m g l 左右，增设组合填料能有效的提高污泥水解的产酸量。 剩余污泥水解酸化液除了含有大量的挥发性脂肪酸，同时也含有了大量的 s s 和氮磷。论文试验中，采用离心分离方法去除s s 、鸟粪石工艺去除氮磷对酸 化液进行预处理，去除率分别是8 5 2 、7 2 6 、8 3 8 。试验结果表明经过处 理后的酸化液，能够有效的提高生物脱氮除磷的效率。酸化液在一定程度上投 加量越大，即碳源越充足，越有利于提高脱氮除磷效率。酸化液投加量为3 0 m g l 时，生物脱氮除磷的效果较其他三组试验最好：硝氮去除率分别为5 6 、7 3 2 、 8 1 4 、9 5 8 ；好氧吸磷时s p 去除率为2 6 6 、4 6 6 、6 9 2 、9 3 0 。 本论文旨在同时解决我国城镇污水处理厂面临的碳源不足导致的脱氮除磷 效果欠佳和剩余污泥难处置危害大等技术难题，实现了污泥的资源化利用，符 合我国倡导的节能减排环保理念，为污水处理厂的建设和运行提供了一定的科 学依据。 关键词：剩余污泥，水解酸化，填料，脱氮除磷，碳源 a b s t r a c t a b s t r a c t m o s tm u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t r m e n tp l a n t sh a dt h ee r i s i so fc a r b o ns o u r c e s h o r t a g ei no i l l n a t i o n o n l yu s et h eb i o l o g i c a lm e t h o dt h en i t r g o na n dp h o s p h o r u s c o u l dn o tm e e tt h ed i s c h a r g es t a n d a r d 触o n eo ft h em o s tp o p u l a r i z e dt e c h n o l o g i e s f o rw a s t e w a t e rt r e a t m e n t a c t i v a t e ds l u d g et e c h n o l o g yp r o u d u c c sal o to fb y - p r o d u c t ： e x c e s sa c t i v a t e ds l u d g e 1 1 坞p e r c e n t a g eo ft h ec o s to fe x c e s sa c t i v a t e ds l u d g ed i s p o s e b e c o m e sb i g g e ri nt h er u n n i n gc o s t so fw a s t e r w a t e rt r e a t m e n tp l a n t s t m sr e s e a r c h f o c u so nt h et w op r o b l e m s ；t h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t sw a t e rh a dl o wc a r b o n r e s 0 1 1 r c 懿a n dt h ee x c e s sa c t i v a t e ds l u d g ed i s p o s e s t u d yt h ee x c e s sa c t i v a t e ds l u d g e p r o d u c tv o l a t i l ef a t t ya c i d s ( v f a s ) b yt h ea l k a l ip r e t r e a t m e n t a tt h ea n a e r o b i c c o n d i t i o n 田地e x p e r i m e n t a ld e m o n s t r a t et h a tt h es t i r r i n gr a t ew a s6 0 8 0 r p m ，t h er e a c t i o n t i m e4 d ，t h ei n i t i a lp hw a s10 ，t h et o t a ls o l i d sw a s8 8g lw e r et h eb e s tc o n d i t i o n sf o r e x c e s sa c t i v a t e ds l u d g ep r o d u c t a s a tt h i sc o n d i t i o n sc a nr e a l i z et h eb e s tr e s u l to f r e a c t i o nt i m ea n dt h eq u a n t i t yo fa c i d i z i n gb yc e n t r i f u g a ls e p a r a t i o n b a s e do nt h el a s t s t a g e , a tt h es e m i c o n t i m u t yc o n d i t i o nc o n t r o l t h eb e s t o p e r a t i o np a r a m e t e r s r e a s e r c ht h r e es i t u a t i o n s ：n o n - f i l l e r , s p h e r i cs h a p ef i l l i n g s ， c o m b i n e dp a c k i n g 1 1 1 er e s u l ts h o w e dt h a t , t h e a sp r o d u c t i o na tn e a r l y4 9 9 1 m g l ，5 9 8 4m g l ，6 8 7 9 m g l c o m b i n e dp a c k i n g t o e f f e c t i v e l yi m p r o v e t h e p r o d u c t i o no f v f a s a c i d i z i n gf l u i d sn o to n l yc o n t a i n e d 讹，b u ta l s oc o n t a i n e ds s ，na n dp i nt h i s p a p e r , p r e t r e a t m e n to fa c i d i z i n gf l u i d st or e m o v et h es sb ye e n t d f u g a t i o n , na n d p r e c o v e r ya sg u a n o n 坨r e m o v a lr a t ec a na m o u n to f8 5 2 ，7 2 6 ，8 3 8 t e s tr e s u l t s s h o wt h a td o s i n gt h ep r c t r e a t m e n ta c i d i z i n gf l u i d s 啪e f f e c t i v e l yi m p r o v et h e b i o l o g i c a ln i t r o g e np h o s p h o r u sr e m o v a le f f i c i e n c y d o s i n gt h eg r e a t e rt h ed e n i t r i f y i n g r e a c t i o nm o r et h o r o u g h l y , d e n i t d f y i n gr a t ef a s t e r a c i d i z i n gf l u i dd o s i n gq u a n t i t yf o r 3 0 m g l ，b i o l o g i c a ln i t r o g e np h o s p h o r u se f f e c tt h a no t h e rt h r e eg r o u p so ft e s t i n gi s b e s t t h r e eg r o u p so ft e s t i n ga n a e r o b i cc o n d i t i o mn i t r o g e nt h er e m o v a lr a t eo f5 6 ， 7 3 2 ，8 1 4 ，9 5 8 ；a n da e r o b i cc o n d i t i o n ss pr e m o v a lr a t eo f 2 6 6 ，4 6 6 ，6 9 2 ， i 一一垒! ! 坠! 1 9 3 o t h i st o p i ct r yt os o l v et h ep r o b l e m so fc a r b o ns o u r c ei n s u f f i c i e n td u et 0n a n dp r e m o v a li n e f f e c ta n dt h ee x c e s sa c t i v a t e d s l u d g ed i s p o s e r e a l i z a t i o nu t i l i z a t i o no f e x c e s sa c t i v a t e ds l u d g e ，i nl i n ew i t ho u rp h i l o s o p h yo fe n v i r o n m e n t a l p r o t c c t i o n e n e r g ys a v i n g p r o v i d er e f e r e n c ef o rt h ec o n s t r u c t i o na n dr u no fw a s t ew a s t e w a ：t e r t r e a t m e n tp l a n t s k e y w o r d s ：e x c 销sa c t i v a t e d s l u d g e ，h y d r o l y s i sa c i d i f i c a t i o n , f i l l e r , n i t r o g e na n d p h o s p h o r u sr e m o v a l ，c a r b o nl e s o u l - o e s i i l 绪论 1 绪论 1 1 课题的研究背景 1 1 1 我国水体富营养化现状及危害 水体富营养化的主要诱因是氮和磷的含量过高。国际通用标准界定水体发 生富营养化浓度的标准为：总氮浓度大于0 2 m g l ，总磷浓度大于0 0 2 m g l 。近 年来，由于自然原因和人为因素，造成排入湖库的氮、磷等营养物质不断增加， 导致我国水体富营养化十分严重。表1 1 显示了我国淡水环境与海洋环境的污染 状况，表1 2 是我国近年来废水和主要污染物的排放量【1 5 】。造成我国淡水和海 洋污染的主要因素是氮磷，提高我国城市污水的氮磷处理效果，减少氮磷的排 放是水处理工程中刻不容缓的任务。 表1 1 我国近年来淡水环境和海洋环境的污染状况 t a b l e1 1p o l l u t i o ns t a t u so ff r e s h w a t e ra n ds e a w a t e r o fc h i n af o rr e c e n t l yy e a r s 1 绪论 表1 2 全国近年来废水和主要污染物排放量 t a b l e l 21 a m o u n t o f w a s t e w a t e r a n d m a i n c o n t a m i n a t i o n s o f c h i n a f o r r e c e n t l y y e a r s 顶目废水排放量( 亿吨)化学需氧量排放量( 万吨)氨氮排放量( 万吨) 年度合计 工业 生活合计工业生活合计工业生活 2 0 0 55 2 4 52 4 3 12 81 4 1 4 1 4 25 5 4 8 8 5 9 41 4 9 85 2 59 0 8 2 0 0 65 3 6 82 4 0 22 9 6 61 4 2 8 25 4 1 58 8 6 71 4 1 34 2 59 8 8 2 0 0 75 5 6 82 4 6 63 l o 2 1 3 8 1 85 1 1 18 7 0 81 3 2 3 3 4 19 8 3 2 0 0 85 7 2 02 4 1 93 3 0 11 3 2 0 74 5 7 68 6 3 11 2 7 02 9 79 7 3 2 0 0 95 8 9 22 3 4 43 5 4 8 1 2 7 7 54 3 9 78 3 7 81 2 2 62 7 3 9 5 3 水体富营养化会导致水生生态系统发生紊乱，导致水生生物种类减少及生 物多样性遭到破坏。随着我国经济的发展，每年我国排放废水的总量呈逐年递 增的趋势，由于之前对废水处理的不重视，造成我国境内江河湖泊普遍受到污 染。国内7 5 的湖泊出现了不同程度的富营养化现象【6 】，蓝藻事件频繁爆发；绝 大多数城市的缺水是由于水体污染造成的；全国大中城市有1 1 5 个城市地下水受 到污染，重度污染占其4 0 1 7 1 。富营养化造成水功能的严重损害，甚至是完全地 丧失，不仅危机水生生态环境，甚至是人类及动物健康。水体富营养化的危害 主要表现在三个方面： ( 1 ) 水体富营养化造成水的透明度降低，使得阳光难以穿透水层，影响了水 中植物的光合作用降低了氧气的释放。浮游生物的大量繁殖，消耗了水中大量 的溶解氧，使水中溶解氧严重不足，而水面植物的光合作用，则造成局部溶解 氧的过饱和。溶解氧过饱和以及水中溶解氧不足，都对鱼类是有害的，会导致 鱼类大量死亡。 ( 2 ) 富营养化水体底层堆积的有机物质，在厌氧条件下会分解产生有害气体 会伤害水生动物，以及一些浮游生物产生的生物毒素也会伤害水生动物。 ( 3 ) 富营养化水中含有亚硝酸盐和硝酸盐，人畜长期饮用这些物质含量超过 一定标准的水，会中毒致病。 严重的水华现象阻止水体中的光合作用及其与大气的交换，使水中的溶解 氧含量迅速降低，造成水生动植物的死亡以及生态和周边环境的破坏。这些影 响又进一步对周边城市的政治经济( 如投资业、水产业、旅游业) 产生严重破坏。 水体的污染降低其使用功能，加剧了我国水资源短缺的现状，对我国发展带来 极为不利的影响。 2 1 绪论 1 1 2 我国城镇污水厂面临的主要技术难题 针对我国水体富营养化现状，我国对城市污水厂中氮磷的排放标准做出了 严格的规定。我国城市污水处理厂主要采用生物法处理污水，主要包括：活性 污泥法、生物膜法、厌氧生物处理法等。传统的生物脱氮除磷系统中，反硝化 菌和聚磷菌在生物脱氮除磷系统中发挥主要作用，但它们在脱氮除磷的过程中 都要求有适量的有机碳源，尤其是小分子有机酸。因此，碳源不足成为脱氮除 磷的限制因素。另外，我国城市水处理在不断发展的同时，带来了剩余污泥的 大量产生，污泥处置不当会带来污染的问题。如何实现剩余污泥的减量化、稳 定化、资源化、无害化是污水处理领域面临的又一难题。 ( 1 ) 脱氮除磷效果欠佳 我国绝大多数污水处理厂脱氮除磷效果欠佳的原因是碳源不足造成的。 生物脱氮机理 污水进行生物脱氮包括：同化脱氮与异化脱氮。 同化脱氮是微生物通过合成代谢，利用污水中的氮合成自身物质，进而将 水体中的氮转化为细胞成份，从而随剩余污泥排出而去除。但微生物对氮的需 求量是有限的，细胞中含氮量通常在1 0 左右，考虑到其他影响因素( 吸附等) ， 剩余污泥的排放能实现的脱氮量为污水中总氮的3 0 左右。异化脱氮是指水处 理构筑物中，根据需要营造不同微生物种群适宜的生长环境，通过人工措施提 高生物硝化反硝化的速率，将氮转化为n 2 、n h 3 等气态氮形式从污水中去除。 废水生物脱氮包含以下三种作用：氨化作用、硝化作用和反硝化作用【8 1 。 a 氨化作用：将有机氮化合物转化为氨氮的过程，也称矿化作用。参与氨化 作用的细菌称为氨化细菌。在自然界中，它们的种类很多，主要有好氧性的荧 光假单胞菌和灵杆菌、兼性的变形杆菌和厌氧的腐败梭菌等。在好氧条件下， 主要有两种降解方式，一是氧化酶催化下的氧化脱氨： c h 3 c h ( n t t 3 ) c o o h c h 3 c ( n h 2 ) c o o h 专c h 3 c o c o o h + n h 3 ( 1 1 ) 另一些好氧菌，在水解酶的催化作用下能水解脱氮反应，反应式如下： n h 2 c o n h 2 专n t i ，c o o h + n h 3 _ 2 朋t + c 0 2 ( 1 2 ) 在厌氧或缺氧的条件下，厌氧微生物和兼性厌氧微生物对有机氮化合物进 行还原脱氨、水解脱氨和脱水脱氨三种途径的氨化反应。 r c h ( n h 2 ) 阳j 马r 凹2 c o o h + n h 3 ( 1 3 ) c h 3 c h ( n h 2 ) c o o h + h 2 0 ；c h 3 c h ( o h ) c o o h + n h 3 ( 1 4 ) 3 1 绪论 c h 2 ( o h ) c h ( n h 2 ) c o o h - , , o c h 3 c o c 0 0 h + n h 3 ( 1 5 ) b 硝化作用：将氨氮氧化为n x o v 的生物化学反应，这个反应过程由亚硝酸 菌和硝酸菌完成，包括亚硝化反应和硝化反应两个步骤。该反应式为： 亚硝化反应：n h 3 + 1 5 q 垩璺骘研+ 日+ + 日2 0 ( 1 6 ) 硝化反应：n o ；+ o 5 d 2 吗朋篮 ( 1 7 ) 亚硝酸菌有亚硝酸单胞菌属、亚硝酸螺杆菌属和亚硝酸球菌属。硝酸菌有 硝酸杆菌属、硝酸球菌属。亚硝酸菌和硝酸菌统称硝化菌。 c 反硝化作用：在厌氧或缺氧( d o 0 3 0 5 r a g l ) 的条件下，n o x - n 及其它氮 氧化物被作为电子受体还原为n 2 或氮的其它气态氧化物的生物反应，这个过程 由反硝化菌完成。反应经过为： n o ； - - hn o ；- - ) n o 专2 0 专2 ( 1 8 ) n o ；+ 5 【日】( 有机电子供体) 专0 5 2 + 2 h 2 0 + o h 一 ( 1 9 ) n 0 2 + 3 【日】( 有机电子供体) 专0 5 n 2 + h 2 0 + o h 一 ( 1 1 0 ) 其d p h 是可提供的电子的供体，包括有机物质、硫化物、h + 等。参与这类 反应的微生物主要包括：变形杆菌属、假单胞属、芽胞杆菌属、微球菌属、产 碱杆菌属、黄杆菌属等兼性细菌。有氧存在时，利用氧作为电子受体，氧化有 机物进行呼吸作用；无氧的条件下，利用n o x - n 进行呼吸作用。研究表明，这 种利用氧和n o i - n 之间的转换很容易进行，即使频繁交换也不会抑制反硝化的 进行。 大多数反硝化菌能进行反硝化的同时将n o , ：- n 同化为n h 3 - n 而供给细胞合 成之用，这也就是所谓同化反硝化。只有当n o x - n 作为反硝化菌唯一可利用的 氨源时n o x n 同化代谢才可能发生。如果废水中同时存在n o x - n ，反化菌有限 地利用n o x - n 进行合成。 生物除磷机理 生物除磷法是微生物对磷的摄取，之后磷通过剩余污泥的排放得以去除。 微生物对磷的吸收分为两种：一种是微生物正常生长需要对磷的吸收。磷占好 氧生物处理过程中产生的生物量干重的2 - 3 。含磷的微生物化学分子式为 c 5 h 7 c 2 n p o 1 ，分子量为11 6 9 m o l 其中磷占2 6 7 1 9 1 ；另外一种是一类微生物能 够过量摄取磷，并形成细胞内聚合磷酸盐。在厌氧好氧交替运行的条件下，活 性污泥中的聚磷微生物被选择生长成为优势种属。厌氧阶段，聚磷菌利用分解 胞内聚磷( 同时释放磷) 产生的能量吸收废水中有机物( 主要是短链脂肪酸) 并在胞 4 1 绪论 内合成聚轻基烷酸；好氧阶段，聚磷菌利用分解胞内聚轻基烷酸产生的能量吸 收磷。通过排放富含聚磷酸盐的剩余污泥将磷排出系统中，这样通过排泥实现 去除污水中磷的目的。通常人们将这个过程称为增强生物除磷，将这类能够过 量摄取磷的细菌称为聚磷菌 m 1 2 1 。 通过大量的理论和试验研究，对增强生物除磷的机理基有了一定的认测1 3 】： 生物法除磷主要由一类统称为聚磷菌的微生物来完成。该类微生物均属于 异养型微生物。现己发现的包括：不动杆菌属、气单胞菌属、假单胞菌属和棒 杆菌属等。 在厌氧条件下，聚磷菌把细胞中的聚磷水解为正磷酸盐释放到细胞外部， 并从中获取能量，利用污水中易降解的c o d 如短链脂肪酸，合成贮能物质如聚 轻基烷酸等贮于胞内。 在好氧条件下，聚磷菌以氧为电子受体，氧化胞内贮存的聚轻基烷酸，并 利用该反应产生的能量，从污水中过量摄取磷酸盐，合成高能物质a t p ，其中 一部分又转化为聚磷，作为能量贮于胞内。由于好氧阶段的吸磷量大于厌氧阶 段的释磷量，可通过剩余污泥排放可实现生法物除磷，这是增强生物除磷的机 理。 一部分聚磷菌具有脱氮功能，在无氧存在的条件下，可利用硝酸盐中的氧 进行呼吸作用，将硝酸盐还原为n 2 或n 2 0 。同时，在一定条件下，还可大量吸 磷，当厌氧段混入硝酸盐时，一部分易降解碳源被反硝化利用，对聚磷菌释磷 产生不利影响。 聚磷菌厌氧释磷的程度与基质类型关系很大，当基质为甲酸、乙酸、丙酸 等挥发性脂肪酸时，释磷迅速而彻底；基质为非挥发性脂肪酸时，释磷速率则 十分缓慢，且释磷的量也小。有观点认为，聚磷菌一般可直接利用的基质是挥 发性脂肪酸，其它基质则需转化成为挥发性脂肪酸后才能被利用。 生物脱氮除磷效果欠佳的原因 从生物脱氮除磷机理得知，反硝化菌和聚磷菌存在着有机物质的竞争。在 生物脱氮除磷过程中，需要有机碳源为反硝化菌和聚磷菌提供电子供体，才能 使脱氮除磷反应顺利进行。一般认为，好氧微生物群体正常生长繁殖所需b o d 5 ： n ：p = 1 0 0 ：5 ：l ，厌氧硝化污泥中厌氧微生物群体要求b o d 5 ：n ：p = 2 0 0 3 0 0 ： 5 ：l 。可见，易于可生化性的优质碳源是生物脱氮除磷过程得以顺利进行的有 效保证。 5 1 绪论 我国城市污水管网采用合流制形式，即生活污水、工业废水及雨水经过污 水管道统一进入污水处理厂中进行处理。由于一些工业生产的需要，所产生的 工业废水中n 、p 含量较高。我国城市居民住宅卫生设施不完善，公共厕所污水 未能全部排入污水管网，加之工业废水所占的比例较大，城市环境卫生较发达 国家差，大量无机粉尘进入城市下水道，造成污水厂进水水质b o d s c o d 不高， 有机物含量一般在5 0 左右。而发达国家城市污水的有机成分含量在7 0 8 0 。 一般污水厂水质中b o d 5 ：n ：p - = 4 0 ：5 ：1 左右，南方部分城市的碳源含量就更 少。另外从生物脱氮除磷的过程中可知，大部分的可生化性较好的优质碳源优 先被系统中的微生物所降解，造成后续脱氮除磷的碳源不足的问题更加突出。 我国对城市污水厂对排放标准做出了严格的规定，要求达到一级a 标准 c o d c r 5 0 m g l 、b o d s 10 m g l 、n h 4 十- n 5 m g l 、t n 15 m g l 、t p _ 7 时，抑制了初沉 污泥的产酸量。最适p h 为5 5 6 5 ，或碱或酸都将影响初沉污泥的水解速率。苑 宏英等【删研究了在温度为2 0 2 2 ，将污泥的p h 分别控制为4 1 1 进行厌氧水解 产酸试验，试验结果表明，碱性条件能够更好的促进污泥水解产酸，p h = 8 1 0 的产酸量是p h = 4 - 7 的3 5 倍。 ( 3 ) 氧化还原电位( o r p ) o r p 可影响微生物种群中，专性厌氧菌和兼性厌氧菌的比例。研究显示【5 8 】， 水解产酸菌对o r p 的要求不高，可在1 0 0 + 1 0 0 m v 的条件下生长繁殖，而甲烷 菌对o r p 的要求较严苛，o r p 为3 5 0 m v 甚至更低。而污泥水解产酸反应是为 了向生物脱氮除磷系统中提供更多可利用的碳源，就要要求水解产酸菌产生的 挥发酸不能被甲烷菌消耗掉，因此水解产酸反应器不需要严格的密闭，微量溶 解氧的存在反而能够抑制甲烷菌，实现反应器内挥发酸的累积。 ( 4 ) 水力停留时间及污泥停留时间 水力停留时间( h r t ) 和污泥停留时间( s r t ) 在剩余污泥水解反应器中实际上 均是，进入反应器内的反应底物平均停留时间。虽然二者是不同的两个运行参 数，但因研究的大多数污泥水解工艺未设置固体回流，此时的水利停留时间与 固体停留时间相等，此时即为反应底物停留时间。城市污水处理厂产生的剩余 污泥的含水率较高在9 7 9 9 左右，因此水解酸化工艺中运行的参数可参照水处 理工艺。对于以水解产酸为目的的反应，反应底物停留时间越长，则反应底物 与水解产酸菌接触反应的时间就越长，水解产酸效率就越高。 付婵娟【6 l 】研究了剩余污泥在碱性条件下，通过试验研究发现s r t - - 9 d 为剩余 污泥碱解发酵的最佳停留时间，通过扫描电镜也可观察到，在碱解发酵第9 天， 污泥絮体被破坏的程度大大增加，丝状菌骨架被破坏，溶解度增强，很难发现 完整的污泥结构。 ( 5 ) 污泥的粒径 污泥的粒径也是影响污泥水解酸化速率的因素之一。污泥粒径越小，单位 质量有机物的比表面积越大，水解速率越大；反之，水解速率越小。研究学者 建谢6 2 粕】，在颗粒态有机物含量较高的污泥，进入水解反应器前可通过研磨机 或泵进行破碎，以减小污泥的粒径最终提高水解反应的速率。剩余污泥经过机 械预处理，微生物细胞破碎的量越大，活性污泥厌氧处理的效率越高。将剩余 污泥经过机械式击碎和压碎再来产酸发酵，势必会提高产酸的效率。机械破碎 1 7 1 绪论 污泥的方法主要有：高压喷射法、珠磨法、超声波法等。 ( 6 ) 水解产酸反应器的类型 污泥厌氧水解产酸的反应器形式多为完全混合式反应器和污泥床反应器。 e e l e f s i n i o f i s 6 7 1 研究了在环境温度下，反应器构造对初沉污泥产酸发酵的影响。 研究结果表明，反应器的外形对v f a s 的产生速率没有影响，但是一定程度上影 响v f a s 的成分。污泥床反应器能产生更多的乙酸，而完全混合式反应器则产生 较多的长链v f a s 。 剩余污泥水解产酸是为了产生大量的v f a s 为低碳源含量的城市污水提供 碳源，由于水解酸化的速率较小，可以采取间歇方式或半间歇方式运行，一次 性加料或连续加料长期发酵。当达到所需的挥发酸的产量时，取出反应器内的 酸化液及剩余污泥，进入下一个水解产酸阶段。还可采用半连续方式运行，控 制好剩余污泥的反应时间，定时进泥排泥。 ( 7 ) 搅拌方式及速度 污泥颗粒间的接触是否充分对污泥厌氧水解产酸有一定的影响。前研究较 多的搅拌方式有机械式搅拌、磁力式搅拌及震摇式搅拌。研究发现【们】，机械搅 拌相对于其他两种搅拌方式更有利于促进剩余污泥的水解产酸，这是由于搅拌 叶片可使剩余污泥处于机械力的剪切状态，使得污泥易充分接触，并且由于剪 切力的作用，使得污泥中微生物细胞壁的破裂，将污泥颗粒的胞外聚合物溶出 有助于提高污泥的水解产酸效率。研究还发现搅拌速度过快或过慢都不利于污 泥水解产酸，搅拌速度为6 0 - 8 0 r p m 为最适搅拌速度。 1 3 课题的研究目的与意义 我国城市污水处理厂主要采用生物法处理污水，目前采用生物法脱氮除磷 主要遇到两大难题。一是生物法处理污水过程中产生的大量剩余污泥处理和处 置；二是运行中的污水处理厂普遍存在碳源不足而造成脱氮除磷效果欠佳，而 投加碳源又增加了污水厂的运行成本。污泥厌氧消化过程所产生的大量的挥发 性脂肪酸( v f a s ) ，可作为化工原料用于发酵工业生产各种高附加值产品，也可为 低c n 城市污水提高碳源。利用剩余污泥开发碳源用于生物脱氮除磷的研究， 可将解决脱氮除磷效果欠佳和污泥的资源化处理联系起来，具有良好的研究前 景。 1 8 1 绪论 有研究显示，富含有机物的剩余污泥厌氧水解酸化过程中，微生物细胞破 解是水解菌水解酸化的限速步骤【6 9 】。污泥很难仅通过微生物作用厌氧水解产酸， 这是由于污泥细胞的细胞壁半刚性结构，只有通过预处理手段破坏细胞壁，才 能使细胞内大量溶解性有机质释放，提高污泥的水解速率，最终提高污泥的厌 氧消化产酸的量。人们通过大量试验研究发现了许多的预处理手段，与其它预 处理方法相比，碱预处理具有操作简单、方便，处理效果好等优点【3 9 , 5 1 1 。本文通 过采用碱预处理方法考察不同浓度的污泥对厌氧产酸效果的影响。 近年来通过碱预处理剩余污泥的方法有了广泛的研究，通过碱的投加使微 生物的细胞破裂，使得胞内大量有机物质物质被释放，最终加速了污泥水解进 程。通过碱预处理，可有效提高污泥水解酸化的产酸量，为后续的生物脱氮除 磷系统中提供有效的碳源，并在一定程度上减少了剩余污泥的排放量。 总之，在提高城市污水厂的污水的脱氮除磷效果的同时，实现了剩余污泥 的资源化利用。因此，本课题重点研究了剩余污泥经过碱预处理后，各种控制 参数及填料对水解产酸量的影响。通过碱预处理剩余污泥在厌氧条件下水解产 酸，其酸化液经过氮磷回收后作为碳源进行脱氮除磷效果的研究，使人们系统 的认识了剩余污泥如何为低碳氮比城市污水提供碳源，并且为将来应用于工程 实际提供理论依据。 1 4 课题的研究内容和技术路线 1 4 1 研究内容 本试验以剩余污泥为研究对象，采用碱预处理厌氧水解工艺进行碳源开发。 第一步试验优化剩余污泥水解产酸的控制条件；第二步研究填料对污泥厌氧水 解的影响；最后试验研究剩余污泥水解酸化液对生物脱氮除磷的影响。按照试 验安排，试验将按照以下几个环节展开。 ( 1 ) 优化碱预处理剩余污泥水解产酸的控制条件，包括搅拌速度、起始p h 值以及污泥浓度。 ( 2 ) 在确定最佳运行条件的基础上，考察填料对污泥水解产酸的影响，通过 对比无填料、球形填料及组合填料三种情况下，污泥水解产酸情况，最终确定 污泥水解产酸的最佳填料。 ( 3 ) 考察污泥酸化液经过离心分离，并通过鸟粪石工艺回收氮、磷进行预处 1 9 1 绪论 理后，作为碳源对生物反硝化、厌氧释磷及好氧吸磷的影响。 1 4 2 技术路线 本论文技术路线如图1 1 。 1 绪论 图1 1 研究技术路线图 2 碱预处理剩余污泥水解产酸控制条件优化研究 2 碱预处理剩余污泥水解产酸控制条件优化研究 试验研究显示，许多环境因素和运行参数均能够影响厌氧发酵的产酸效果， 如温度、搅拌速度、p h 值、反应底物的种类、水力停留时间、污泥停留时间等。 其中，温度是影响生物活性的重要因素，研究发现中温( 3 0 3 5 c ) 厌氧发酵相比 低温( 1 5 2 0 ) 、高温( 5 0 6 0 1 2 ) 从反应时间及运行成本上讲更为有利。 本章通过采用碱预处理方法考察不同起始搅拌速度、起始p h 值及不同浓度 的污泥对厌氧产酸效果的影响。通过优化控制条件创实现水解产酸菌的优势生 长。利用剩余污泥开发碳源时，研究控制条件对剩余污泥水解产酸的影响。 单纯的通过驯化污泥筛选菌群相对较复杂，而不采用任何接种物可使得污 泥厌氧水解产酸省略这个环节，简化了污泥水解产酸的过程。肖本益【7 0 】研究了 碱预处理后的剩余污泥在无任何接种物和外加营养物质的条件下，剩余污泥能 够实现稳定产氢，并在产氢的过程中产生了v f a s 。 2 1 材料与方法 2 1 1 试验用泥 ( 1 ) 优化搅拌速度及起始p h 的试验用泥 为检验碱预处理剩余污泥对污泥水解产酸的影响，仅选取t s 为1 4 9 l 左右 的污泥为底物污泥( 即从回流泵房直接取用) 。其化学需氧量为f r c o d ) 和溶解性 化学需氧量为( s c o d ) 分别为1 0 9 0 0 m g l 和9 8 m g l ，取回的污泥在4 下保存备 用。 ( 2 ) 优化污泥浓度的试验用泥 试验用泥取自郑州市五龙口污水处理厂的回流泵房和脱水机房。试验用泥 每周取一次，取回的污泥在4 下保存备用。脱水机房取出的脱水污泥，在试验 中根据试验需要用配制成一定的浓度。 2 碱预处理剩余污泥水解产酸控制条件优化研究 2 1 2 污泥的碱预处理方法 剩余污泥的碱预处理是指用6m o f l 的n a o h 将污泥的p h 值调节到1 2 o ( o 1 ) ，并使其p h 值维持在1 2 o ( o 1 ) 并且缓慢搅拌下稳定5m i n 。得到的污泥在 室温下( 2 5 3 0 c ) 保存2 0h 用以强化碱预处理的效果。 2 1 3 试验方法与装置 ( 1 ) 搅拌速度对污泥水解产酸的影响 向反应器中添加2 l 经过碱预处理的泥水混合物，反应器在室温条件下进行 ( 现在为夏季，室温在2 5 3 0 c 之间) ，通过对比搅拌速度2 0 4 0 r p m 、6 0 8 0 r p m 、 1 0 0 1 2 0 r p m 、1 4 0 1 6 0 r p m 、1 8 0 2 0 0 r p m ，研究分析哪种搅拌速度是该产酸环境的 最佳搅拌速度。每天定时从取样口取出待测水样进行化学检测，不搅拌的剩余 污泥厌氧反应器作对照试验。 ( 2 ) 起始p h 值对污泥水解产酸的影响 在本节试验中污泥水解过程中p h 不再进行调节，为了了解起始p h 对碱预 处理剩余污泥水解产酸的影响，针对不同起始p h 对污泥水解产酸的影响进行试 验研究。 向反应器中添加2 l 经过碱预处理的泥水混合物，反应器在室温条件下进行 ( 现在为夏季，室温在2 5 3 0 。c 之间) ，并根据试验( 1 ) 试验结果确定搅拌速度。通 过利用6 m o l l 的h c i 及6m o f l n a o h 将碱处理过的剩余污泥p h 值调节到2 、4 、 2 碱预处理剩余污泥水解产酸控制条件优化研究 6 、8 、l o 、1 1 、1 2 ( 4 - 0 1 ) ，通过对比研究分析哪种起始p h 值是该产酸环境的最 佳起始p n 值。每天定时从取样口取出待测水样进行化学检测。 ( 3 ) 污泥浓度对污泥水解产酸的影响 污泥的水解效果除了与温度、停留时间有关，此外污泥浓度对污泥水解效 果有很大的影响。这是由于污泥为反应基质，浓度过低时能提供的底物过少使 得厌氧水解反应的产酸量减少；浓度过高时，使得搅拌不易均匀，影响反应器 内部传质效果，阻碍水解反应的进行，造成厌氧水解反应产酸量减少。因此以 剩余污泥开发碳源为目的时，污泥浓度过高过低对其都是不利的。 反应器中添加2 l 经过碱预处理的不同浓度的泥水混合物，反应器在室温条 件下进行( 现在为夏季，室温在2 5 3 0 c 之间) ，并根据试验( 1 ) 、( 2 ) 的试验结果确 定搅拌速度和起始p u 值。通过试验对比分析哪种污泥浓度是该产酸环境下的最 佳污泥浓度，每天定时从取样口取出待测水样进行化学检测。 ( 4 ) 试验装置 污泥水解产酸在有效容积为2 l 的反应器中进行，如图2 1 所示，该装置为 有机玻璃反应器，配有搅拌系统、水封装置及取样口，每天定时从取样口取样 进行测定。 取栉口 取栉口 取插口 图2 1 试验装置简图 f i g u r e 2 1s c h e m a t i co fe x p e r i m e n t a la p p a r a t u s 2 碱预处理剩余污泥水解产酸控制条件优化研究 2 1 4 测定项目及分析方法 表2 2 监测项目及分析方法 t a b l e2 2m o n i t o r i n gi t e m sa n da n a l y s i sm e t h o d 监测项目使用方法 t c o d 、s c o d v f a 3 p h t s 污泥沉降比( s 、) 温度 重铬酸钾标准法 蒸馏法 p h 精密试纸、p i - i 测定仪 滤纸重量法 体积法 水银温度计 2 2 试验结果与讨论 2 2 1 搅拌速度对剩余污泥水解产酸的影响 目前研究较多的搅拌方式有机械式搅拌、磁力式搅拌及震摇式搅拌。经研 究发现机械搅拌相对于其他两种搅拌方式更有利于剩余污泥的水解产酸，这是 由于搅拌叶片可使剩余污泥处于机械力的剪切状态，使得污泥易于充分接触， 且由于剪切力的作用，使得污泥中微生物细胞壁的破裂，将污泥颗粒的胞外聚 合物溶出有助于提高污泥的水解产酸效率。因此，选取机械搅拌为本试验中的 搅拌方式，本节试验通过在其他控制条件相同的情况下对比不同的搅拌速度， 通过试验结果分析选取最佳的搅拌速度。 图2 2 为不同机械搅拌速度对污泥水解产酸的影响。对照试验中对剩余污泥 水解产酸装置不进行搅拌时，污泥处于静止的状态，污泥颗粒之间没有有效的 接触，因此产酸量要明显小于其它进行搅拌时的产酸量。搅拌速度为2 0 - 4 0 r p m 时，由于此时的搅拌速度较低，污泥颗粒之间的接触仍不充分，导致产酸的效 果低于其他高速的搅拌。 2 碱预处理剩余污泥水解产酸控制条件优化研究 l 234567 时间( d ) + 不搅拌+ 2 4 - 4 0 r p m+ 6 0 - 8 0 r p m _ c _ 一10 0 - - 12 0 r p m _ - 一1 4 0 - 16 0 r p m _ | 卜1 8 0 - - 2 0 0 r p m 图2 2 搅拌速度对剩余污泥厌氧水解产酸的影响 f i g u r e 2 2s t i r r i n gr a t eo nt h ei n f l u e n c eo f v f a s 但v f a s 的产酸效果并不是随着搅拌速度的增加而一直增加，而是在 6 0 8 0 r p m 达到最大值，之后搅拌速度越大v f a s 的产量反而越低。出现这种现 象的原因可能是由于，高速搅拌的过程中污泥处于剧烈的搅动状态，使得污泥 混合液溶入大量氧气，给水解反应器内的厌氧环境造成影响，导致只能在厌氧 环境中生存的水解产酸菌的活性受到影响，降低了水解产酸的效率。通过图中 可观察到，搅拌速度越大，这种现象越明显。还可能是由于在高速机械搅拌状 态下，不仅使得污泥的颗粒的完整性被破坏，而且微生物的酶也遭到破坏，影 响了微生物的水解效果降低了v f a s 的产量。 2 2 2 起始p h 对剩余污泥水解产酸的影响 p h 值是影响微生物水解产酸的一个重要因素。其作为可控环境因素，不仅 能够影响微生物的生长速率和微生物种群的数量，还能改变微生物代谢“微环 境，并改变其代谢途径【7 1 , 7 2 1 。有研究显示，污泥在酸性或碱性条件下，可以有 效提高污泥水解的速率。李杨【_ 7 3 】探讨了p h 在4 1 l 之间变化时，剩余污泥水解 产酸的量，得出p h 的变化可明显影响剩余污泥的产酸情况，在p h = 1 0 时产酸 量最大( 最大值为2 5 6 16 m g c o d g v s s ) 。污泥厌氧水解酸化菌对p h 的适应范围 较宽3 5 1 0 7 4 。很多关于污泥厌氧水解产酸的研究是在p h 值在中性或弱碱性条 件，2 0 世纪9 0 年代有学者研究发现在常温状态下，采用碱预处理可提高生物水 咖伽嬲啪鲫伽鹚o 1 1 1 1 一、訾1)n司学 2 碱预处理剩余污泥水解产酸控制条件优化研究 解效掣7 5 1 。也有学者发现【7 叼无论是酸性条件还是碱性条件，都能促进污泥的水 解，其中以在碱性条件下水解效率更高。 碱预处理剩余污泥厌氧产酸的变化曲线见图2 3 。在p h = 1 2 的极端条件下， 产生的挥发酸的最大值为8 9 5 m g l 低于p h = 1 0 及p h = l l 时的产量。碱预处理污 泥在起始p h 值为碱性时产酸量要明显高于起始p h 值为酸性。 1234567891 0 时间( d ) 小p r = 2 - - - o - - p r = 4 一i p 骆6 + p i t = 8 + p b , = 1 0 + p l 壬= 1 1 一+ 一p 职1 2 图2 3 起始p r i 对剩余污泥厌氧水解产酸的影响 f i g u r e 2 3s t a r tp